El formato puede considerarse la base de una bioeconomía neutra en carbono, producido a partir de CO₂ mediante métodos (electro)químicos y transformado en productos de valor añadido mediante cascadas enzimáticas o microorganismos modificados genéticamente. Un paso importante para ampliar la asimilación del formato sintético es su reducción termodinámicamente compleja del formaldehído, que aquí se manifiesta como un cambio de color amarillo. Crédito: Instituto de Microbiología Terrestre Max Planck/Geisel.
Científicos del Instituto Max Planck han creado una ruta metabólica sintética que convierte el dióxido de carbono en formaldehído con la ayuda del ácido fórmico, ofreciendo una forma neutra en carbono de producir materiales valiosos.
Las nuevas vías anabólicas para la fijación de dióxido de carbono no solo ayudan a reducir los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera, sino que también pueden reemplazar la producción química tradicional de productos farmacéuticos e ingredientes activos con procesos biológicos neutros en carbono. Una nueva investigación demuestra un proceso mediante el cual el ácido fórmico puede utilizarse para convertir el dióxido de carbono en un material valioso para la industria bioquímica.
Ante el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, la captura de carbono o de dióxido de carbono procedente de grandes fuentes de emisión es un tema urgente. En la naturaleza, la asimilación de dióxido de carbono se ha producido durante millones de años, pero su capacidad dista mucho de ser suficiente para compensar las emisiones antropogénicas.
Investigadores liderados por Tobias Erb del Instituto de Microbiología Terrestre Max Planck utilizan herramientas naturales para desarrollar nuevos métodos de fijación de dióxido de carbono. Han logrado desarrollar una ruta metabólica artificial que produce formaldehído altamente reactivo a partir de ácido fórmico, un posible intermediario en la fotosíntesis artificial. El formaldehído puede incorporarse directamente a diversas rutas metabólicas para formar otras sustancias valiosas sin efectos tóxicos. Al igual que en un proceso natural, se requieren dos ingredientes principales: energía y carbono. El primero puede obtenerse no solo de la luz solar directa, sino también de la electricidad, por ejemplo, mediante paneles solares.
En la cadena de valor, las fuentes de carbono son variables. El dióxido de carbono no es la única opción; hablamos de todos los compuestos de carbono individuales (unidades C1): monóxido de carbono, ácido fórmico, formaldehído, metanol y metano. Sin embargo, casi todas estas sustancias son altamente tóxicas, tanto para los organismos vivos (monóxido de carbono, formaldehído, metanol) como para el planeta (metano como gas de efecto invernadero). Solo después de que el ácido fórmico se neutraliza a su formato básico, muchos microorganismos toleran altas concentraciones del mismo.
«El ácido fórmico es una fuente de carbono muy prometedora», subraya Maren Nattermann, primera autora del estudio. «Pero convertirlo en formaldehído in vitro requiere mucha energía». Esto se debe a que el formato, la sal del formato, no se convierte fácilmente en formaldehído. «Existe una importante barrera química entre estas dos moléculas, y antes de poder llevar a cabo una reacción real, debemos superarla con la ayuda de energía bioquímica: el ATP».
El objetivo de los investigadores era encontrar una forma más económica. Al fin y al cabo, cuanta menos energía se necesite para incorporar carbono al metabolismo, más energía se podrá utilizar para estimular el crecimiento o la producción. Pero en la naturaleza no existe tal método. «El descubrimiento de las llamadas enzimas híbridas con múltiples funciones requirió cierta creatividad», afirma Tobias Erb. «Sin embargo, el descubrimiento de enzimas candidatas es solo el principio. Estamos hablando de reacciones que se pueden contar juntas porque son muy lentas; en algunos casos, hay menos de una reacción por segundo por enzima. Las reacciones naturales pueden producirse a una velocidad mil veces mayor». Aquí es donde entra en juego la bioquímica sintética, explica Maren Nattermann: «Si se conoce la estructura y el mecanismo de una enzima, se sabe dónde intervenir. Ha resultado de gran utilidad».
La optimización enzimática implica varios enfoques: intercambio de bloques de construcción especializados, generación de mutaciones aleatorias y selección de capacidad. «Tanto el formato como el formaldehído son muy adecuados porque pueden penetrar las paredes celulares. Podemos añadir formato al medio de cultivo celular, lo que produce una enzima que convierte el formaldehído resultante en un colorante amarillo no tóxico después de unas horas», dijo Maren. Nattermann explicó.
Los resultados obtenidos en tan poco tiempo no habrían sido posibles sin el uso de métodos de alto rendimiento. Para ello, los investigadores colaboraron con la empresa Festo, con sede en Esslingen, Alemania. «Tras unas 4000 variaciones, cuadruplicamos nuestro rendimiento», afirma Maren Nattermann. «De este modo, hemos sentado las bases para el crecimiento del microorganismo modelo E. coli, el organismo clave en biotecnología, en ácido fórmico. Sin embargo, por el momento, nuestras células solo pueden producir formaldehído y no pueden transformarse posteriormente».
En colaboración con Sebastian Wink, del Instituto de Fisiología Molecular Vegetal, investigadores del Instituto Max Planck están desarrollando una cepa capaz de incorporar intermediarios al metabolismo central. Paralelamente, el equipo investiga la conversión electroquímica de dióxido de carbono en ácido fórmico con un grupo de trabajo del Instituto de Conversión de Energía Química del Instituto Max Planck, dirigido por Walter Leitner. El objetivo a largo plazo es crear una plataforma integral que permita transformar el dióxido de carbono producido mediante procesos electrobioquímicos en productos como la insulina o el biodiésel.
Referencia: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Desarrollo de una nueva cascada para la conversión de formato dependiente de fosfato a formaldehído in vitro e in vivo”, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez y Tobias J. Erb, 9 de mayo de 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
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