La combinación de membrana biológica y química artificial podría impulsar futuros organismos sintéticos.
ay una nueva forma de comer dióxido de carbono. Los investigadores han construido una versión artificial de un cloroplasto, las estructuras fotosintéticas dentro de las células vegetales. Utiliza la luz solar y una vía química diseñada por laboratorio para convertir el CO 2 en azúcar.
La fotosíntesis artificial podría usarse para conducir pequeñas fábricas de energía solar que no son vivas y que producen fármacos terapéuticos. Y debido a que la nueva vía química es más eficiente que cualquier cosa que la naturaleza haya desarrollado, el equipo espera que un proceso similar algún día pueda ayudar a eliminar el CO 2 de la atmósfera, aunque no está claro si podría convertirse a gran escala. , operación económicamente factible. El trabajo fue publicado en Science el 7 de mayo.
La naturaleza ha desarrollado seis vías para ‘fijar’ el CO 2 , es decir, convertirlo en azúcar utilizando enzimas que aprovechan la energía solar o química. En 2016, Tobias Erb, biólogo sintético del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Marburg, Alemania, y sus colegas diseñaron un séptimo 2 . «Simplemente utilizamos consideraciones termodinámicas y cinéticas para preguntarnos si podríamos repensar la fijación de CO 2 y hacerlo más eficiente», dice Erb. Llamaron a la vía el ciclo CETCH, una red complicada de enzimas que es un 20% más eficiente energéticamente que la vía utilizada en formas naturales de fotosíntesis.
Pero no estaba claro si el ciclo CETCH sería compatible con el resto de la maquinaria de una célula viva. Para explorar esa posibilidad, el colega de Erb, Tarryn Miller, recurrió a las espinacas. Extrajo membranas de recolección de luz de los cloroplastos, los orgánulos fotosintéticos comunes a todas las plantas, y los colocó en un recipiente de reacción junto con las 16 enzimas de su ciclo CETCH. Después de algunos ajustes, Erb, Miller y sus colaboradores descubrieron que podían lograr que las membranas de espinacas y sus enzimas del ciclo CETCH funcionen juntas.
Habían creado efectivamente un cloroplasto artificial, en el cual las membranas de cloroplasto de espinacas recogen energía solar antes de que las enzimas del ciclo CETCH sintéticas usen esa energía para descomponer el CO 2 . Las enzimas convierten el CO 2 en una molécula llamada glicolato que se puede utilizar como materia prima para elaborar productos orgánicos útiles .
«Es un descubrimiento profundo», dice Paul King, un bioquímico físico en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, que no participó en el estudio.
Aunque es solo una prueba de principio, ya es posible pensar en formas en que los cloroplastos artificiales podrían funcionar, dicen los autores. Debido a los avances en la biología sintética, los microbios ahora pueden ser diseñados para producir moléculas útiles como las drogas farmacéuticas . Pero hay límites a lo que se puede sintetizar dentro de las células vivas. Erb dice que los cloroplastos artificiales podrían impulsar los minirreactores no vivos para producir moléculas que las células vivas no pueden.
Tal vez puedan hacerlo de manera más eficiente que los microbios, dice Kate Adamala, bióloga sintética de la Universidad de Minnesota en Minneapolis. «Las células naturales gastan mucha energía en mantenerse con vida, mientras que los [sistemas] sintéticos no necesitan crecer, reproducirse o mantener funciones similares a la vida», dice ella. Esto significa que todo el ‘metabolismo’ de un sistema sintético podría centrarse en la producción de productos químicos valiosos. Adamala dice que incluso es posible imaginar que los cloroplastos artificiales tengan un papel en el secuestro de CO 2 atmosférico .
Pero hay problemas que abordar antes de que estas aplicaciones puedan convertirse en realidad. Por ejemplo, las membranas de espinacas dentro de los cloroplastos artificiales funcionan durante unas pocas horas antes de que comiencen a degradarse, lo que limita la vida útil del sistema. Y cultivar espinacas y extraer membranas de sus células es relativamente lento. «El uso de extractos de cloroplasto no es lo más inteligente para mejorar», dice Erb. Debido a esto, su equipo también está desarrollando sistemas artificiales para reemplazar las membranas de espinacas.
También existe la posibilidad tentadora de utilizar los cloroplastos artificiales para construir organismos totalmente sintéticos (células ensambladas en el laboratorio a partir de los componentes básicos de la vida biológica), aunque, nuevamente, hay desafíos que abordar.
«Podríamos usar los imitadores de cloroplasto como un sistema de producción de energía para células artificiales», dice Yutetsu Kuruma, biólogo sintético del Instituto de Tecnología de Tokio. Pero para hacerlo, dice que sería útil que los cloroplastos artificiales tuvieran cierta capacidad para repararse y reproducirse, como pueden hacerlo los cloroplastos naturales. Esto es algo que aún no pueden hacer.
Pero esto no ha disuadido a Erb y sus colegas de comenzar experimentos con células sintéticas. El equipo ha comenzado a colaborar con investigadores del Instituto J. Craig Venter en La Jolla, California, que en 2016 construyeron pequeñas células sintéticas que contienen la cantidad mínima de genes para la vida . El plan es poner el ciclo CETCH dentro de las celdas ‘mínimas’ , lo que podría ser un pequeño paso hacia la creación de vida sintética que se pueda alimentar comiendo CO 2 .
«La naturaleza puede ser muy conservadora, nunca exploró la gama completa de opciones de fotosíntesis», dice Erb. «Eso es lo que nos emociona: podemos darnos cuenta de las soluciones que la naturaleza nunca ha tocado».
