El poder de las bacterias para convertir residuos químicos en nuevos materiales

Buscando sostenibilidad y economía circular, existe la idea de utilizar microorganismos (es decir, bacterias y levaduras) para producir los compuestos de nuestros productos de vida diaria. Para ello, debemos dar a los microorganismos una fuente de carbono, que es utilizada por ellos para extraer energía, generar biomasa y producir los compuestos de interés. Dicho proceso es la conocida fermentación.

Así pues, para implementar fermentaciones industriales para producir compuestos y materiales de interés, hace falta una fuente de carbono y microorganismos genéticamente diseñados para que bio-sinteticen los compuestos de interés.

Tradicionalmente, se ha utilizado glucosa como fuente de carbono. Esta puede ser de primera generación si se extrae del almidón (por ejemplo, el maíz), pero esta ruta compite con los alimentos. La segunda generación consiste en utilizar los azúcares de los residuos vegetales. El azúcar viene de la celulosa, y al ser éste un polímero un material estructural, extraerla es más costoso. Por eso la segunda generación de biocombustibles presenta un desafío económico.

La siguiente opción es usar otras fuentes de carbono, como hacen en algunos casos. Utilizan un efluente (o residuo) de una manufactura de acero. El efluente contiene monóxido de carbono (la fuente de carbono) y otros gases. La idea es diseñar un microorganismo capaz de crecer usando esa fuente de carbono y, a la vez, de generar productos de interés.

Como prueba de concepto, los investigadores han desarrollado una fermentación para producir acetona e isopropanol, dos compuestos de interés químico industrial. La novedad no está en el proceso en sí (conocido desde hace décadas), sino en la capacidad de los nuevos microorganismos de crecer en ese efluente de un modo eficiente.

Esto permitiría avanzar en la economía circular y mejorar la sostenibilidad. Es decir, tener microorganismos a los que poderles dar, como fuente de carbono y energía, estos deshechos industriales para que sean capaces de convertirlos en nuevos materiales (como acetona).

El problema para su implementación industrial está, sobre todo, en el coste asociado. «El petróleo, pese a que pueda tener ahora una escalada en su precio por tensiones geopolíticas, es muy barato como fuente de carbono. Extraer azúcar de residuos vegetales (segunda generación), o de desechos en cantidades industriales para poder dárselas al organismo para que se produzca un nuevo material, suele llevar un costo aparejado, que complica el escalado industrial», explica Pablo Domínguez de María, fundador y director de Sustainable Momentum, una consultora científica especializada en biotecnología industrial, biorrefinerías, y química sostenible.

Al final es cuestión de los precios que se trasladan al mercado. «Todos, cuando, por ejemplo, nos compramos una camisa de poliéster, no queremos que nos cueste demasiados euros, sino menos. Ese menor coste implica muchas veces tener que utilizar el petróleo como punto de partida, como fuente de carbono», añade.

Los bioquímicos llevan tiempo investigando cómo entrenar a determinadas bacterias para que puedan usar como alimento estos residuos y que dichas bacterias puedan convertir estos materiales en unos nuevos.

A nivel técnico, el proceso, lejos de ser ciencia ficción, es una realidad a día de hoy. El único requisito es «diseñar la ruta metabólica introduciendo las enzimas necesarias (los catalizadores capaces de hacer este proceso de transformación) en las células», detalla Domínguez de María, quien también explica que, una vez expresadas las enzimas en las células, éstas tienen «la capacidad para utilizar una fuente de carbono determinada y convertirla en un plástico o en cualquier otro material que vaya implícito en la ruta metabólica introducida».

Según este experto, las enzimas de la naturaleza no suelen ser lo suficientemente robustas y activas como para realizar un proceso en condiciones industriales, donde deben producir con alta eficiencia. «Simplemente, no han evolucionado durante millones de años para esos procesos, sino para otros, los cuales los realizan con increíble precisión y eficiencia».

Por lo tanto, hay que diseñar enzimas (evolucionar artificialmente), a medida del proceso industrial. «Para lograr esto hay que recurrir a la genética, la cual permite una evolución darwiniana en el laboratorio, produciendo nuevas enzimas adaptadas a partir de las iniciales».

Estas nuevas enzimas de laboratorio evolucionadas ya están diseñadas para las condiciones industriales requeridas, y catalizarán el proceso con precisión y eficiencia.

En su valoración, el problema de todos estos avances está, a día de hoy, fundamentalmente en el plano económico, no técnico. «El quid de la cuestión es cómo competir económicamente con el petróleo y sus derivados. Es una industria que empezó en los años 50 del pasado siglo. Los ingenieros químicos han tenido décadas para que optimizar todo el proceso. En una refinería no se pierde un átomo de carbono: todo lo que entra se usa o se recicla», sentencia.

Para poder competir, una biorrefinería debe inspirarse en esa filosofía de «no dejar atrás ni un solo átomo de carbono de la biomasa, y valorizarlo todo. De esta manera se pueden poner varios productos en el mercado, pudiendo balancear los costos asociados a los procesos».

En cualquier caso, se muestra optimista en que «es probablemente cuestión de tiempo» de que muchos de estos procesos fermentativos se acaban convirtiendo en una realidad asentada en muchas industrias.

Además, sostiene que ésta será una más de las muchas soluciones posibles para garantizar la sostenibilidad del planeta. «La biotecnología industrial tiene una gran versatilidad, y existen muchas alternativas. Cada país tendrá que analizar los residuos que en más abundancia tengan, para apostar por su reciclaje y reconversión en nuevos materiales, ya sea biocombustibles, bioplásticos o acetona, por poner algunos ejemplos entre otros muchos».