Toda la vida del planeta depende de una u otra forma de un proceso llamado fijación de carbono: la habilidad que tienen las plantas, algas y ciertas bacterias de ‘bombear’ dióxido de carbono (CO2) del entorno, añadirle algún tipo de energía (solar u otra) y transformarlo en azúcares que son el punto de partida necesario para realizar procesos vitales. En la parte superior de la cadena alimenticia se encuentran distintos organismos (algunos de los cuales se cree de manera equivocada que sean más avanzados) que para sobrevivir utilizan el proceso opuesto: ellos consumen azúcares (producido por plantas fotosintéticas y microorganismos), posteriormente liberando CO2 a la atmósfera. Este medio de crecimiento es llamado heterotrofismo.
Los humanos son, claramente, heterótrofos en el sentido biológico, ya que la comida que consumen se origina en procesos de fijación de carbono de productores no humanos.
¿Es posible reprogramar un organismo que se encuentra en la parte superior de la cadena alimenticia, que consume azúcar y libera CO2, para que consuma CO2 del ambiente y produzca los azúcares necesarios para construir su masa corporal? Esto es exactamente lo que un grupo de investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias hizo.
El Dr. Niv Antonovsky, quien dirigió esta investigación en el laboratorio del prof. Ron Milo, en el Departamento de Ciencias Botánicas y del Medio Ambiente del Instituto, dice que la habilidad para mejorar la fijación del carbono es crucial para que podamos lidiar con futuros retos, como la necesidad de abastecer alimentos a una creciente población, utilizando un número reducido de tierras y menos combustibles fósiles.
Los científicos del Instituto Weizmann enfrentaron este reto al insertar la vía metabólica de fijación de carbono y producción de azúcar (el llamado ciclo de Calvin) en la bacteria E. coli, un organismo ‘consumidor’ conocido, que ingiere azúcar y libera CO2. La vía metabólica de fijación de carbono es muy conocida, y Milo y su grupo estimaron que, con una planificación apropiada, ellos podrían agregar los genes que contienen la información para construirla en el genoma bacteriano. Sin embargo, la enzima principal que es utilizada para fijar el carbono en plantas, RuBisCO, utiliza como sustrato para la reacción de fijación de CO2, un metabolito que es tóxico para las células bacterianas. Por consiguiente, el diseño tenía que incluir una regulación muy precisa de los niveles de expresión de varios genes que componen esta ruta formada por varias etapas.
Desde cierto punto de vista, el proyecto planeado por el equipo fue un éxito total: la bacteria de hecho produjo enzimas funcionales de fijación del carbono. Sin embargo, la maquinaria en su totalidad no cumplió con las expectativas. A pesar de que la maquinaria de fijación del carbono fue expresada, la bacteria no logró utilizar el CO2 para sintetizar azúcar, por lo que fue dependiente de una fuente externa de azúcar. “Es claro que estamos lidiando con un organismo que evolucionó durante millones de años para consumir azúcar, y no CO2”, dice Antonovsky. “Por esta razón, recurrimos a la ayuda de la evolución para crear el sistema deseado”.
Antonovsky, Milo y el equipo, incluyendo a Shmuel Gleizer, Arren Bar-Even, Yehudit Zohar, Elad Herz y otros, diseñaron posteriormente tanques llamados quimiostatos, en los cuales cultivaron las bacterias y las impulsaron gradualmente a desarrollar un ‘antojo’ por el CO2. Inicialmente, a las bacterias en el tanque se les proporcionó, junto con abundantes burbujas de CO2, una gran cantidad de ácido pirúvico, que es una fuente de energía, y una mínima cantidad de azúcar para que pudieran sobrevivir. Al cambiar las condiciones de su entorno y estresarlas, los científicos forzaron a las bacterias a aprender, por medio de la adaptación y del desarrollo, a utilizar el material más abundante en su entorno. Pasado un mes, las cosas no cambiaron mucho. Parecía que las bacterias no ‘entendían la pista’. Sin embargo, después de alrededor de un mes y medio, algunas bacterias dieron muestra de no solo estar sobreviviendo. Al tercer mes, los científicos pudieron retirar el azúcar de la dieta de las bacterias evolucionadas y hacerlas crecer con solo CO2 y piruvato. Moléculas de CO2 marcadas con isótopos revelaron que las bacterias de hecho utilizaban el CO2 para crear una parte significativa de su masa corporal, incluyendo todos los azúcares necesarios.
Abriendo el camino a una revolución energético-ambiental
Cuando los científicos secuenciaron el genoma de las bacterias evolucionadas, encontraron varios cambios diseminados en los cromosomas bacterianos. “Ellos eran totalmente distintos de lo que habíamos previsto”, dice Milo. “Nos llevó dos años de intenso trabajo para entender cuáles de estos son esenciales y para develar la ‘lógica’ involucrada en su evolución”. Al repetir el experimento (y esperar otra vez por meses) los científicos obtuvieron las claves esenciales para identificar las mutaciones necesarias para cambiar la dieta compuesta de azúcares de E. coli a una basada en CO2.
Milo: “La habilidad para programar o rediseñar E. coli para que fije carbono podría dar a los investigadores nuevas herramientas para estudiar y mejorar este proceso básico”. A pesar de que actualmente las bacterias liberan el CO2 de regreso a la atmósfera, el equipo prevé que en un futuro sus conocimientos podrán ser utilizados para crear microorganismos que absorban el CO2 atmosférico y lo conviertan en energía almacenada, o desarrollar cultivos con vías de fijación de carbono, resultando en mayores rendimientos y una mejor adaptación, para poder alimentar a la humanidad.