En una nueva biología

Las células de todos los organismos vivos funcionan con el mismo combustible químico: el trifosfato de adenosina (ATP). Ahora, los investigadores han encontrado una manera de generar ATP directamente a partir de electricidad, lo que podría impulsar los procesos biotecnológicos que cultivan de todo, desde alimentos hasta combustibles y productos farmacéuticos.

Conectar la tecnología moderna basada en la electrónica con la biología es notoriamente difícil. Un obstáculo importante es que la forma en que se alimentan es muy diferente. Si bien la mayoría de nuestros dispositivos funcionan con electrones, la naturaleza depende de la energía liberada cuando se rompen los enlaces químicos del ATP. Encontrar formas de convertir estas dos monedas de energía tan diferentes podría ser útil para una gran cantidad de biotecnologías.

Ya se están utilizando microbios modificados genéticamente para producir diversas sustancias químicas de alto valor y proteínas terapéuticamente útiles, y hay esperanzas de que pronto puedan ayudar a generar combustible para aviones más ecológico, descomponer los desechos plásticos e incluso cultivar nuevos alimentos en biorreactores gigantes. Pero por el momento, estos procesos se impulsan a través de un proceso ineficiente de crecimiento de biomasa, convirtiéndola en azúcar y alimentándola a los microbios.

Ahora, investigadores del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Alemania han ideado una forma mucho más directa de impulsar los procesos biológicos. Han creado una vía metabólica artificial que puede convertir directamente la electricidad en ATP utilizando un cóctel de enzimas. Y lo que es más importante, el proceso funciona in vitro y no depende de la maquinaria nativa de las células.

"Alimentar con electricidad directamente las reacciones químicas y bioquímicas es un verdadero avance", afirmó en un comunicado de prensa Tobias Erb, que dirigió la investigación. “Esto permitirá la síntesis de valiosos recursos ricos en energía, como almidón, biocombustibles o proteínas a partir de simples componentes celulares; en el futuro, incluso a partir de dióxido de carbono. Incluso podría ser posible utilizar moléculas biológicas para almacenar energía eléctrica”.

En la naturaleza, el ATP y su molécula hermana, el adenosín difosfato (ADP), pueden considerarse casi como baterías. El ATP es como una batería cargada que almacena energía en sus enlaces químicos. Si una célula necesita gastar esa energía, rompe uno de los tres grupos fosfato de la molécula y la energía contenida en ese enlace químico puede impulsar algún proceso celular.

Este proceso convierte la molécula de ATP en ADP, que puede considerarse como una batería vacía. Para recargarla, la célula necesita usar energía de los alimentos o de la fotosíntesis para agregar nuevamente un grupo fosfato a la molécula de ADP, convirtiéndola nuevamente en ATP.

Pero este proceso de recarga se basa en una secuencia compleja de reacciones que involucran varios complejos de proteínas incrustados en la membrana celular. Reingeniería de este sistema para que funcione fuera de una célula es un desafío porque requiere que las diversas proteínas estén cuidadosamente orientadas en una membrana artificial, lo que la hace a la vez delicada y frágil.

El nuevo enfoque, descrito en un artículo de Joule, es mucho más sencillo. Apodado el "ciclo AAA", involucra solo cuatro enzimas que interactúan en una solución. El ingrediente clave que lo hizo todo posible fue el descubrimiento de una enzima llamada aldehído ferredoxina oxidorreductasa (AOR) en una bacteria recientemente descubierta llamada Aromaticum aromatoleum, que es capaz de descomponer el petróleo.

Esta enzima es capaz de tomar los electrones de un electrodo y unir su energía en un enlace aldehído que se agrega a un precursor químico llamado propionato. Luego, esto se transmite en cascada a través de tres enzimas más que actúan sobre la sustancia química y, en última instancia, utilizan la energía almacenada en ella para convertir ADP en ATP. Al final, sale una molécula de propionato que luego puede reintroducirse en el ciclo.

"El ciclo AAA simple es un enfoque inteligente y elegante... que es mucho más simple que la forma en que la biología produce ATP de forma natural", dijo a Science Drew Endy, biólogo sintético de la Universidad de Stanford. Añadió que podría ser un factor clave para hacer posible la "electrobiosíntesis", la idea de utilizar electricidad para impulsar directamente la síntesis de sustancias químicas útiles por parte de las células.

Los investigadores dicen que el proceso aún necesita trabajo, ya que las enzimas son inestables y sólo pueden convertir una pequeña cantidad de energía. Pero si la idea puede perfeccionarse y ampliarse, podría hacer posible ejecutar todo tipo de potentes procesos biotecnológicos con energía renovable, no sólo haciéndolos más ecológicos sino ampliando significativamente la cantidad de energía que pueden aprovechar.

Crédito de la imagen: MPI para microbiología terrestre/Virginia Geisel