En la naturaleza algunas bacterias son como fábricas biológicas, o biofábricas, pues producen compuestos benéficos para la humanidad, como insulina para los diabéticos o vacunas, como la de Pfizer contra el covid-19.
Estas bacterias consumen un sustrato, como azúcar, ácidos grasos, carbohidratos, polímeros tipo almidón o celulosa, y lo transforman en un producto de interés médico, biotecnológico o industrial.
También pueden producir más bacterias, proteínas para elaborar un fármaco, vitaminas, ADN que después se transforma en RNA para el desarrollo de vacunas; saborizantes, colorantes, alcoholes, y un largo etcétera.
Optimizar estas biofábricas mediante ingeniería de fenotipos sintéticos es el objetivo del doctor José Utrilla, del Centro de Ciencias Genómicas (CCG) de la UNAM.
El fenotipo son los rasgos observables en un ser vivo, como su altura, color de piel, del cabello, de sus ojos, entre otras características en el humano, como resultado de la interacción entre su genotipo y el medio. Una bacteria aislada de la naturaleza consume cierto sustrato para reproducirse. Esa capacidad es un fenotipo natural.
Pero también hay fenotipos sintéticos, diseñados mediante ingeniería genética, que consumen sustratos que la bacteria no consume en la naturaleza, como plásticos; también fenotipos que al consumir otro sustrato generan otros productos, como proteínas para elaborar un fármaco o ácidos nucleicos para vacunas. Uno más, que crezcan más rápido porque a medida que crecen, más producto generan.
Producción de plásmidos
Un fenotipo interesante en las bacterias es su capacidad de producir plásmidos, moléculas de ADN que se utilizan como templado (hebra del ADN dúplex que actúa como molde para la transcripción) o directamente como vacunas.
Con el fin de que pueda ser utilizada por otros grupos de investigación o en la industria como una biofábrica más productiva, el doctor Utrilla trabaja con Escherichia coli para mejorarla como chasis de producción de plásmidos.
El investigador universitario utiliza E. coli porque se reproduce muy rápido. Cada 20 minutos tenemos una nueva generación de bacterias, lo que facilita los ensayos experimentales. En modelos de computadora, en los que representa el genoma de E. coli y todas sus reacciones bioquímicas, el investigador diseña rasgos fenotípicos y realiza intervenciones genómicas en las que quita o pone genes a la bacteria. Después las prueba en laboratorio, y con base en el ciclo de la ingeniería de diseño–construcción–prueba logra mejorar sus fenotipos de producción.
Una bacteria aislada de la naturaleza tiene cierto nivel de producción de plásmidos, por ejemplo, 100 unidades de ADN. Pero al manipularla se logra que duplique su producción de plásmidos. Podemos hacer que una bacteria que en la naturaleza sólo consume glucosa, ahora consuma sacarosa, fructuosa o xilosa, un azúcar de cinco carbonos muy abundante en la naturaleza.
Una metodología de Utrilla para diseñar mejoras en los fenotipos de producción, con la cual logró aumentar la obtención de proteínas recombinantes y violaceína (un pigmento con actividad antimicrobiana) usando E. coli, está en proceso de patente; el reporte científico respectivo se publicó en la revista Nature Chemical Biology.
Dado que ha mejorado E. coli como chasis de producción, Utrilla colabora con el doctor Álvaro Lara, de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM), unidad Cuajimalpa, para la producción de ADN plasmídico. Lara logró producir más plásmido con las cepas sintéticas de Utrilla que con la bacteria silvestre, y ahora lo utiliza como modelo de producción de una vacuna.
Biofábricas consumidoras de carbono
Las bacterias tienen gran potencial como biofábricas gracias a que consumen sustratos naturales e incluso sintéticos, conocidos como fuentes de carbono no convencional. Así, pueden degradar compuestos tóxicos en el ambiente y convertirlos en productos utilizables, como biocombustibles y bioplásticos, entre otras cosas.
Otro tipo de bacterias, que soportan condiciones de estrés más graves, como las pseudomonas, pueden consumir fuentes alternas o no convencionales de carbono y convertirlas en productos interesantes.
En esa línea, Utrilla colabora con el doctor Sergio Revah, también de la UAM Cuajimalpa, quien aisló un consorcio de bacterias que degradan metano. El reto es mayor porque tienen que descubrir cómo interactúan varias bacterias con el fin de diseñar fenotipos que potencien su capacidad de convertir ese gas de efecto invernadero en un producto benéfico.
Con el fin de ayudar a otros grupos que trabajan en biofábricas para disminuir nuestra dependencia del petróleo, el grupo de Utrilla ampliará su repertorio de bacterias.
Con biofábricas microbianas se pueden producir alcoholes, ácidos grasos y otros productos utilizados en la industria química, que se emplearían como sustratos en lugar de la azúcar de caña o la que se obtiene del maíz; desechos agroindustriales, como hueso de aguacate, cáscara de naranja, etcétera. Así no competiríamos con nuestra insuficiente capacidad de producción de alimentos en México y en el mundo.
En el mundo ya se han obtenido biofábricas microbianas que utilizan fuentes alternas de carbono, pero como aún no son económicamente rentables, no hay interés en invertir para mejorarlas y escalar su producción a nivel industrial.
Un reto grande para la biotecnología actual, y de muchos grupos de investigación en el mundo, es diseñar bacterias que sean capaces de degradar el plástico y transformarlo en otros productos.
Aunque todavía estamos muy lejos de poder degradarlo con bacterias, numerosos grupos en el mundo experimentan con bacterias que puedan comérselo. Lograrlo sería una solución a las islas de plásticos que contaminan nuestros mares.