La primera vez que escuché sobre el Gran Parche de Basura del Pacífico, Pensé que era una broma de mal gusto.
Mi incredulidad pronto se convirtió en horror cuando me di cuenta de que era real. La mancha de basura, también conocida como vórtice de basura del Pacífico, es una colección masiva de escombros en el Océano Pacífico Norte. Aunque está compuesto por todo tipo de residuos generados por el hombre, el Los componentes principales son pequeños trozos de microplástico..
Desde pajitas hasta bolsas de basura, utilizamos una cantidad asombrosa de plástico, que a menudo termina en los delicados ecosistemas oceánicos (y otros). De acuerdo con la Centro de Diversidad Biológica, una organización sin fines de lucro para la protección de especies en peligro de extinción con sede en Arizona, al ritmo actual de plástico está destinado a superar todos los peces del océano para 2050.
Un nuevo estudio quiere cambiar el rumbo con la biología sintética. Al diseñar circuitos genéticos en un “consorcio” bacteriano, el equipo reprogramó dos cepas no solo para destruir plásticos contaminantes, sino también para transformar los desechos tóxicos en material biodegradable útil. Respetuosos con el medio ambiente y versátiles, estos plásticos reciclados se pueden utilizar para fabricar espumas, adhesivos o incluso nailon, todo ello sin perjudicar más al medio ambiente.
La estrategia no se limita sólo al tereftalato de polietileno (PET), uno de los tipos de plásticos más comunes, probado en el estudio, dijeron los autores. "El concepto y las estrategias subyacentes son potencialmente aplicables... a otros tipos de plásticos" y podrían comenzar a iluminar el camino hacia "una bioeconomía sostenible".
Un depredador plástico natural
El plástico ayudó a construir la sociedad moderna. Hecho de cadenas moleculares llamadas polímeros, es maleable, versátil y económico de producir en masa. También es notoriamente difícil de descomponer.
Para el Dr. James Collins del MIT, la biología sintética puede ayudarnos a evitar convertir el planeta en un páramo de plástico. Pioneros en la ingeniería de circuitos genéticos sintéticos, los autores del estudio Collins y el bioingeniero Dr. Ting Lu de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign razonaron que las bacterias genéticamente modificadas podrían abordar el enigma del plástico de frente.
Aunque es tóxico para la mayoría de los organismos, el plástico es una fuente de energía para ciertos tipos de bacterias y hongos. Estas bacterias, que se encuentran en el suelo, el océano e incluso en las entrañas de los animales, utilizan enzimas especializadas para descomponer diferentes tipos de plástico. Las enzimas son proteínas. que desencadenan o aceleran procesos biológicos, ayudándonos a digerir una comida abundante, por ejemplo, o convirtiendo los alimentos en energía.
Desafortunadamente, estas cepas naturales son sensibles a la temperatura y la acidez y, a menudo, sólo pueden digerir el plástico que ya está dañado por la luz ultravioleta o los productos químicos. Incluso cepas que pueden descomponer los plásticos PET requieren semanas o meses para hacerlo y solo pueden manejar pequeños volúmenes.
Una mejora sintética
Aquí es donde brilla la biología sintética. Los científicos en este campo utilizan la ingeniería genética para dotar a los organismos de nuevas capacidades (por ejemplo, bacterias que pueden producir insulina) o incluso para construir formas de vida completamente nuevas nunca antes vistas en la naturaleza.
Antes del estudio reciente, los científicos habían mapeado múltiples enzimas que las bacterias usan para comer plástico. Modificaron esos procesos metabólicos insertando o eliminando material genético, por ejemplo, para acelerar su capacidad de masticar plástico o agregar enzimas que transforman los desechos plásticos digeridos en polímeros nuevos y más ecológicos.
Esta no ha sido una operación fácil. Los métodos más antiguos funcionan con cepas bacterianas únicas. Pero cuando se enfrentan a grandes cantidades de desechos, las bacterias suelen verse abrumadas. Los trozos de PET descompuestos se acumulan internamente e inhiben el metabolismo de los microbios, dañando su salud.
Luego está el obstáculo tecnológico. Transformar los desechos plásticos en productos utilizables requiere una ingeniería genética compleja. Para lograr esto, explicó el equipo, necesitaban construir “vías de diseño avanzadas” que vincularan múltiples enzimas para producir el producto final. Como dirigir una sinfonía genética, esta mejora sintética exigió un ajuste fino en todo el funcionamiento celular interno de la bacteria, una hazaña bastante difícil cuando se manipula una sola cepa.
Aún así, se preguntaron si una cepa no puede hacer el trabajo de manera eficiente. ¿Qué pasa con el trabajo en equipo?
Una división del trabajo
En la naturaleza, vemos que comunidades microbianas de múltiples especies trabajan juntas en la biodegradación del plástico, dijo el equipo. Así que ampliaron la fuerza laboral bacteriana de una cepa sintética a un ecosistema simple de dos.
En el corazón de este ecosistema hay una división del trabajo. El PET se descompone en dos componentes principales (ácido tereftálico y etilenglicol) con propiedades enormemente diferentes. Las fuentes mixtas de alimentos son el talón de Aquiles de los microbios: son terribles multitareas metabólicas, con vías para degradar una molécula que a menudo suprimen las de otra.
Aquí, el equipo construyó su dúo dinámico a partir de dos cepas de Pseudomonas putida, una bacteria con forma de Cheetos que a menudo se encuentra en agua y suelo contaminados. A una cepa le gustaba el ácido tereftálico y a la otra el etilenglicol. Este tipo particular de bacteria es una de las favoritas en la investigación sobre biodegradación, ya que digiere naturalmente moléculas aromáticas como el estireno, que se usa ampliamente para fabricar plásticos y caucho. También es fácil de manipular genéticamente y puede adaptarse a nuevas vías metabólicas, lo que convierte a la cepa en un punto de partida perfecto.
En cada cepa natural, el equipo eliminó genes involucrados en la metabolización del ácido tereftálico o del etilenglicol y agregó genes que les permitieron consumir el otro componente.
El resultado fue un equipo de etiqueta bacteriana. Cada uno de ellos era muy eficiente a la hora de comer sus respectivos residuos plásticos y también colaboraban bien cuando se cultivaban juntos: ninguna de las cepas inhibía la dieta de la otra. Ambos se apegaron a su propia fuente de alimento y prosperaron felizmente uno junto al otro.
A modo de comparación, el equipo también diseñó una cepa multitarea que se alimenta de ambos subproductos plásticos. En comparación con el equipo especializado, la cepa única tardó mucho más en digerir los desechos, tanto individualmente como cuando se administró como una mezcla.
Basura al tesoro
Ahora que tenían sus bacterias digiriendo completamente los desechos plásticos, el equipo integró varios genes para transformarlos en nuevos materiales.
En primer lugar, reconfiguraron ambas cepas para producir un polímero biodegradable muy prometedor. La estrategia funcionó excepcionalmente bien. En una prueba que duró más de cuatro días, las dos cepas bombearon el polímero deseado a un ritmo mucho mayor que la cepa única, produciendo como resultado hasta un 92 por ciento más.
En otra prueba, el sistema produjo de manera eficiente una sustancia química que se usa a menudo para sintetizar plástico y nailon, una sustancia que es notoriamente difícil de reciclar para cepas individuales utilizando desechos plásticos. Todo lo que hizo falta fueron algunos intercambios genéticos y la división del trabajo generó fácilmente la sustancia química objetivo.
La idea de Reciclar residuos plásticos no es nuevo. En el pasado, los científicos han utilizado calor, fuerza y productos químicos para descomponer los desechos y reconstruirlos para convertirlos en material utilizable. La bioconversión ofrece un camino nuevo, más limpio y más eficiente. Todas las reacciones tienen lugar dentro de los microbios, vinculando la degradación de los residuos directamente con el producto deseado en un solo paso. Los microbios también son fáciles de cultivar en cubas de tamaño industrial, lo que permite ampliar el reciclaje de plástico.
El estudio promueve esta visión del bioreciclaje al hacer que el proceso sea más eficiente.
Según el equipo, una idea clave del estudio es que la división del trabajo es especialmente importante para afinar el proceso de reciclaje del PET. A medida que las herramientas se desarrollen aún más, creen que los ecosistemas bacterianos sintéticos podrían usarse para abordar también otros contaminantes y desechos plásticos.
Crédito de la imagen: Marc Newberry / Unsplash
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- Fuente: https://singularityhub.com/2023/09/29/these-bacteria-eat-plastic-waste-and-then-transform-it-into-useful-products/
