Bioingeniería del futuro

Hoy os tengo que comentar un gran hito de la bioingeniería y de la biología de sistemas. Un primer paso que nos permitirá cambiar las perspectivas sobre el futuro de la biosfera y quién sabe si será crucial para una posible colonización de otros planetas próximos en que no hay vida, ni una atmósfera como la de la Tierra. No sé cuánto de tiempo hace que no miráis un libro de Biología, pero ya en la ESO se explica que los organismos vivos, según su metabolismo y cómo obtienen la energía de sus alimentos pueden clasificarse en autótrofos y heterótrofos. Estos nombres derivan de vocablos griegos. El sufijo trof quiere decir comida, y el hecho de añadir el prefijo auto o hetero hace referencia, respectivamente, a si los organismos pueden obtener energía y las moléculas necesarias para su crecimiento de componentes inorgánicos (como la luz del Sol, el aire, el agua), o si por el contrario, requieren compuestos orgánicos (basados en el carbono, como azúcares, proteínas y grasas). Seguramente con esta pequeña explicación ya podréis recordar que las plantas, algunas bacterias y algunos microorganismos son autótrofos y el resto de organismos, entre los cuales nos encontramos los animales, hongos y la gran mayoría de bacterias somos heterótrofos.

Si ahora pensamos en el gasto de energía y los requerimientos metabólicos, es decir, pensamos en redes tróficas y quien come qué, también veréis que los organismos autótrofos pueden vivir "del cielo y del Sol", mientras que los heterótrofos tenemos que vivir de las moléculas que generan los autótrofos u otros heterótrofos. Por lo tanto, tiene que haber muchos más organismos autótrofos, como plantas, que animales. Por otra parte, los organismos autótrofos como las plantas, hacen la fotosíntesis y generan moléculas orgánicas a partir del carbono que hay en el dióxido de carbono del aire (CO₂), mediante la fuente de energía que es la luz solar, y como subproducto generan oxígeno (O₂). Todos los alumnos de bachillerato de Biología aprenden el ciclo de Calvin, el ciclo metabólico en que a partir de una enzima de nombre fantástico, RuBisCO, las plantas pueden captar el CO₂ del aire y "fijarlo, es decir, pueden utilizarlo para producir moléculas orgánicas.

Por el contrario, los animales consumimos oxígeno para quemar las moléculas orgánicas y obtener energía, generando dióxido de carbono y agua. Así que, además de depender de las plantas autótrofas porque son nuestra fuente de carbono y de energía, al mismo tiempo dependemos porque generan el oxígeno que consumimos y al mismo tiempo consumen el dióxido de carbono que generamos, manteniendo una composición del aire compatible con nuestra vida. Una gran parte de la tragedia del consumo elevado de combustibles fósiles, que proceden de grandes cantidades de masa vegetal de épocas pretéritas, es que en unos instantes quememos el carbono fijado durante muchos años, gastemos mucho oxígeno y generemos cantidades ingentes de dióxido de carbono. No hay bastantes plantas en el mundo como para fijar todo este CO₂ liberado (todavía menos con la deforestación masiva que hemos hecho en nuestro planeta) y de aquí viene el incremento en la proporción de CO₂ en el aire, que es la causa del efecto invernadero, la subida de temperaturas por todas partes y la emergencia climática en que nos encontramos inmersos.

Podríamos soñar en fijar el exceso de CO2 que hay en el planeta. En lugar de grandes extensiones de bosques o de algas (que necesitan mucha agua), quizás podremos tener grandes bioreactores de bacterias

Pues bien, un grupo de científicos en Israel, han conseguido transformar una bacteria heterótrofa en uno autótrofo. Eso ya se había intentado hacer antes, sin éxito. El gran alboroto en el mundo científico es que han conseguido hacer, mediante modificación genética, una bacteria TOTALMENTE autótrofa, que puede vivir sólo del CO₂ del aire como fuente de carbono para hacer sus moléculas. Y lo han hecho sobre la bacteria que todos utilizamos en el laboratorio y que es fácilmente manipulable desde el punto de vista genético, el Escherichia coli, una de las bacterias más habituales en nuestro intestino. ¿Cómo lo han hecho? Pues haciendo bioingeniería, pensando como un ingeniero pero con un conocimiento muy profundo de la biología. Estos investigadores han utilizado tres estrategias: 1) introduciendo dentro de la bacteria (podríamos decir que lo han hecho transgénico) los genes necesarios para ser autótrofo, es decir, que llevan la información genética para producir las enzimas del ciclo de Calvin, más una enzima para obtener energía (vivirá del carbono del aire, pero pedir que viviera de la luz solar era excesivo); 2) mutando los genes propios que lo hacían heterótrofo, de forma que la pobre bacteria transgénica ya no podría alimentarse de azúcares (su fuente preferida de energía y carbono). Quizás podríamos pensar que con eso ya sería suficiente, pero no es el caso. Pensamos que todos los organismos tenemos un metabolismo interrelacionado, con unas necesidades metabólicas producto de millones de años de evolución. Toda la red metabólica de un organismo heterótrofo está pensada y seleccionada y tiene requerimientos específicos para ser heterótrofo. El éxito de los científicos fue ir un paso más allá, dieron otro paso muy importante: 3) obligaron a las bacterias modificadas a vivir en condiciones sin azúcar y con mucho dióxido de carbono, sin darles ninguna otra alternativa, hasta seleccionar mutantes que pudieran sobrevivir a estas condiciones draconianas. Es decir, los autores realizaron de forma efectiva y durante casi un año una selección artificial dentro del laboratorio, hasta encontrar aquellas pocas bacterias mutantes supervivientes. Provocaron una selección evolutiva muy rápida y les funcionó porque tenían millones de bacterias. La gran mayoría murieron, pero en medio de la hecatombe bacteriana, unos pocos mutantes salieron adelante, y estos son los que los científicos aislaron e hicieron crecer.

Sólo con 11 mutaciones, las bacterias que se seleccionaron pudieron adaptarse a un nuevo metabolismo que les era ajeno, ahora son totalmente autótrofos y pueden vivir sólo con agua, formado de sodio (uno derivado del ácido fórmico, que tiene un único carbono y sirve como fuente exclusiva de energía), y el CO₂ del aire. Todas las moléculas que genera la bacteria proceden del gas, aunque el aire tiene que estar muy enriquecido en dióxido de carbono y tenemos que forzar mucho las condiciones. Tampoco es que les guste mucho vivir así. Mientras que en condiciones de recursos óptimos, las bacterias Escherichia coli se dividen cada 20 minutos, estas bacterias modificadas lo hacen cada 18 horas. También es cierto que al usar el ácido fórmico como fuente de energía se genera más CO2 que lo que se fija, pero como dicen los autores, se trata de un primer paso. El fórmico es fácil de obtener sólo con luz solar o con electricidad, de forma limpia, y ahora podemos pensar en modificar las bacterias a fin de que el CO2 que generen sea menor que el que fijen.

Entonces podremos obtener de forma muy barata y sostenible, casi alimentados del aire del cielo, nuestros propios cultivos de bacterias para producir biocombustible, alimentos, medicamentos u otros productos orgánicos. O, incluso, de paso, podríamos soñar en fijar el exceso de CO₂ que hay en el planeta. En lugar de grandes extensiones de bosques o de algas (que necesitan mucha agua), quizás podremos tener grandes bioreactores de bacterias. Bacterias modificadas genéticamente, fruto de la mejor bioingeniera y la biología de sistemas más atrevida. Eso nos permite hacer un poco de ciencia-ficción e imaginar cómo utilizarlo en naves espaciales, o en estaciones orbitales o planetarias. ¿Qué futuro nos espera?