Engineering Cupriavidus necator for medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production under two-stage fed-batch fermentation

Los plásticos que se descomponen naturalmente en el medio ambiente han sido durante mucho tiempo un objetivo para los científicos que buscan reemplazar los materiales persistentes que obstruyen los vertederos y los océanos. Entre los candidatos más prometedores se encuentran una familia de plásticos biodegradables llamados polihidroxialcanoatos, o PHA. Estos no son productos químicos sintéticos fabricados en un laboratorio, sino materiales de almacenamiento naturales que ciertas bacterias producen cuando tienen más alimento del que necesitan. Piense en estas bacterias como diminutas fábricas que acumulan energía en forma de gránulos de plástico dentro de sus células. Las propiedades del plástico resultante dependen en gran medida de los bloques de construcción, o monómeros, que componen la cadena. Los bloques de construcción más cortos crean un material rígido y quebradizo que se rompe fácilmente, mientras que los bloques más largos introducen flexibilidad y elasticidad, haciendo que el plástico sea más parecido al caucho. Durante décadas, los investigadores han luchado por lograr que las bacterias más eficientes produzcan estos bloques más largos y flexibles, lo que ha limitado el rango de aplicaciones de estos materiales ecológicos.

Un equipo de investigadores de la Agencia Nacional de Desarrollo de Ciencia y Tecnología de Tailandia ha dado un paso significativo hacia la resolución de este problema. Trabajaron con una bacteria muy conocida llamada Cupriavidus necator, famosa por su capacidad para convertir diversos productos de desecho en plástico. Sin embargo, esta bacteria nativa produce naturalmente solo los bloques de construcción cortos y quebradizos. Para cambiar esto, los científicos modificaron genéticamente la bacteria añadiendo un gen específico de un tipo diferente de bacteria, Pseudomonas putida, conocida por su capacidad para ensamblar los bloques más largos y flexibles. Esta modificación genética creó una nueva cepa, que los investigadores denominaron mcl-C19. Cuando se alimentó a esta nueva cepa con una mezcla de melaza y aceite de cocina usado, comenzó a producir un plástico híbrido que contenía tanto los bloques cortos y rígidos como los más largos y flexibles. Esta combinación dio como resultado un material con una gama más amplia de propiedades, lo que potencialmente podría hacerla útil para muchas más aplicaciones que las versiones quebradizas producidas por las bacterias originales.

Los investigadores no se detuvieron simplemente en la creación de la nueva cepa; también desarrollaron una estrategia de alimentación específica para maximizar la producción. Las bacterias necesitan una dieta equilibrada para desarrollar sus células, pero solo comienzan a acumular plástico cuando se les priva de ciertos nutrientes mientras aún tienen abundante carbono. Para explotar esto, el equipo utilizó un proceso de dos etapas. En la primera etapa, alimentaron a las bacterias con una mezcla rica en nutrientes para ayudarles a multiplicarse rápidamente y construir una gran población. Una vez que la población fue alta, pasaron a la segunda etapa, donde añadieron pulsos de alimento rico en carbono —específicamente melaza y aceite de palma usado— sin añadir nitrógeno extra. Esto creó un entorno desequilibrado que obligó a las bacterias a desviar su energía hacia la fabricación de plástico en lugar de crecer nuevas células. Mediante el control cuidadoso de este proceso en un tanque grande, las bacterias modificadas acumularon una enorme cantidad de plástico, alcanzando una concentración de 13 gramos por litro, lo que representaba casi la mitad del peso total de las células.

Lo que hace que este logro sea particularmente notable es la diversidad del plástico producido. Las bacterias modificadas no solo hicieron un tipo de bloque largo; crearon una mezcla compleja que contenía seis tipos diferentes de bloques de construcción, que iban desde cadenas cortas de cuatro átomos de carbono hasta cadenas más largas de diez. La mezcla específica de estos bloques cambiaba dependiendo de cómo se alimentaban las bacterias. Cuando los investigadores utilizaron un proceso de lote simple donde todo se añadía a la vez, el plástico tenía una composición. Cuando utilizaron el método de alimentación por pulsos de dos etapas, las proporciones de los diferentes bloques cambiaron. Esto sugiere que los científicos pueden ajustar con precisión las propiedades físicas del plástico —haciéndolo más rígido o más elástico— simplemente ajustando el programa de alimentación y el tipo de alimento de desecho utilizado. El estudio confirmó que el uso de una mezcla de melaza y aceite de palma usado era la forma más eficaz de generar los deseados bloques de cadena larga, con la nueva cepa produciendo cuatro veces más de estos componentes flexibles que la cepa parental no modificada.

El trabajo también demostró que este proceso puede escalarse de pequeños frascos a grandes biorreactores industriales sin perder eficiencia. Los resultados en un tanque de dos litros fueron casi idénticos a los de los recipientes más pequeños, lo que indica que el método es lo suficientemente robusto para una producción mayor. Si bien la cantidad de plástico producido fue alta, los investigadores señalaron que el porcentaje del peso celular que constituye el plástico aún podría mejorarse. Reconocieron que podrían ser necesarios más ajustes genéticos para presionar a las bacterias a convertir aún más de sus recursos en plástico en lugar de otros componentes celulares. Sin embargo, los resultados actuales muestran que, combinando un cambio genético simple con una estrategia de alimentación inteligente, es posible convertir materiales de desecho comunes en un plástico biodegradable y versátil con propiedades que pueden adaptarse a necesidades específicas. Este enfoque ofrece una vía práctica hacia una economía basada en la bioeconomía donde la producción de plástico dependa de recursos renovables y genere materiales que puedan regresar de forma segura al medio ambiente.