Facultad de Ciencias Exactas y Naturales-UBA   AÑO 16 - NÚMERO 558   LUNES, 8 DE MAYO DE 2006

Una manera sostenible de cuidar el medioambiente
Plásticos biodegradables

Son una alternativa ante el inminente agotamiento del petróleo y la creciente acumulación de residuos de plástico en el planeta, pero todavía es caro producirlos. En este contexto, los investigadores del Laboratorio de Ecología y Genética Microbianas de la FCEyN han logrado integrar líneas de investigación básica y aplicada para intentar optimizar los métodos de producción.

Por Gabriel Stekolschik (*)

  Habitualmente se asocia a las bacterias con el concepto de enfermedad. Pero esto no siempre es así. Si bien algunos microorganismos pueden provocar infecciones, la gran mayoría de ellos cumple alguna función necesaria para mantener el equilibrio de la naturaleza. De igual manera, el ingenio del hombre ha permitido utilizar algunos microbios para su provecho, por ejemplo, en la producción de alimentos y medicamentos.

  En los últimos años, los científicos han puesto a trabajar a las bacterias con una nueva finalidad: la producción de plásticos. Y no sólo han logrado obtener compuestos con propiedades similares a las de los obtenidos del petróleo sino que, además, estos nuevos materiales son biodegradables, es decir que pueden ser destruidos por la acción de microorganismos, lo cual puede evitar la contaminación del medio ambiente. A esta ventaja ecológica se agrega el hecho de que para la fabricación de estos bioplásticos puede utilizarse como materia prima lactosuero, un subproducto de la industria láctea que es altamente contaminante.

  Pero, lógicamente, no todas son buenas noticias. Una de las dificultades que impiden todavía la elaboración a gran escala de estas sustancias es su elevado costo de producción.

Estructura general de los polihidroxialcanatos

  Desde hace algunos años, los investigadores del Laboratorio de Ecología y Genética Microbianas del Departamento de Química Biológica concentran su labor en los polihidroxialcanoatos (PHA), moléculas producidas por diversas especies bacterianas que, por sus propiedades físicas y químicas, son consideradas como posibles sustitutos de los plásticos convencionales. Y mientras una parte del equipo de trabajo se dedica a tratar de comprender qué papel cumplen estos polímeros en el microorganismo, otra parte del grupo aplica ese conocimiento a la optimización del proceso de producción de PHA.

Sobrevivir es la tarea

  Así como las grasas constituyen nuestra reserva de energía para cuando falta el alimento, los PHA sirven de depósito energético para muchos tipos de bacterias. Cuando en el ambiente próximo al microorganismo escasea algún nutriente esencial como nitrógeno, azufre o fosfatos, pero hay exceso de carbono, la célula incorpora a este último y sintetiza PHA, un polímero carbonado de estructura lineal que se acumula en forma de gránulos intracelulares. De esta manera, si el carbono se agota, o se suministra el nutriente faltante, el PHA es entonces utilizado como fuente de carbono y energía en diferentes procesos vitales que hacen a la supervivencia de la bacteria, como por ejemplo la esporulación, o la eliminación de compuestos tóxicos.

  Determinar las diferentes condiciones en las que una bacteria sintetiza PHA, no sólo permite comprender los mecanismos moleculares que sustentan esta estrategia desarrollada por los microorganismos para sobrevivir en ambientes cambiantes. También brinda el conocimiento necesario para optimizar los métodos de producción de PHA.

Resistir al estrés

  Los primeros trabajos realizados por los investigadores del Laboratorio de Ecología y Genética Microbianas para desentrañar el rol de los PHA en la célula bacteriana demostraron que las cepas capaces de sintetizar el polímero de reserva tenían mayor supervivencia, y más capacidad de competir con otras bacterias autóctonas, en ambientes naturales.

  Para probarlo, hicieron crecer diferentes especies de microorganismos en agua de río y en microcosmos de suelo. Colocando en esos medios cepas que podían producir PHA, y otras incapaces de sintetizarlos, comprobaron que las primeras tenían una mayor sobrevida.

  Los resultados de estos experimentos hicieron pensar a los investigadores si era la sola presencia de PHA en la bacteria la clave para la supervivencia, o si era alguna forma de utilización de ese polímero lo que producía la ventaja adaptativa. Para esclarecerlo, trabajaron con una cepa mutante de Pseudomona putida, que carece de la enzima responsable de degradar PHA, y compararon su sobrevida en agua de río con la de una cepa salvaje (que sí tiene la enzima) de la misma especie. El resultado de la prueba demostró que la incapacidad de degradación de PHA era una desventaja para la supervivencia.

  El mismo ensayo, pero esta vez realizado en agua de río estéril, produjo los mismos efectos, con lo cual los investigadores pudieron descartar que la comunidad bacteriana natural pudiera tener alguna influencia en esos resultados.

  El modelo de Pseudomona putida resultó útil para diseñar otros experimentos similares en los que se comparó la capacidad de ambas cepas para sobrevivir ante diferentes factores de estrés. Así, también se pudo comprobar que la exposición al etanol, o al estrés térmico, era resistida mejor por los microorganismos que tenían la capacidad de degradar PHA que por aquellos que, aunque disponían del polímero, eran incapaces de utilizarlo.

  Pero ahora surgía una nueva pregunta: ¿de qué manera la utilización de los PHA favorece la supervivencia bacteriana en situaciones ambientales desfavorables?

Un mecanismo complejo

  Desde hace tiempo se sabe que los microorganismos cuentan con sistemas que los resguardan de las condiciones adversas del medio que los rodea. Uno de estos dispositivos de protección, denominado de “respuesta general a estrés”, se activa en determinado tipo de bacterias ante distintas situaciones de estrés ambiental, como cambios bruscos de temperatura, o escasez de nutrientes. Este sistema está comandado por la proteína “sigma S”, cuya función es controlar la expresión de los genes involucrados en la respuesta al estrés.

  El otro mecanismo de protección bacteriana ante contextos hostiles es el de “respuesta estricta”, que se caracteriza por reaccionar al estrés mediante un aumento en la concentración intracelular de tetrafosfato de guanosina (ppGpp), una molécula que regula la expresión de varios genes, entre ellos el rpoS, que es el que codifica la síntesis de sigma S.

  Este conocimiento previo, sumado a los resultados de sus experimentos anteriores, que habían demostrado que los PHA favorecen la supervivencia y la resistencia al estrés, hizo pensar a los investigadores del Laboratorio de Ecología y Genética Microbianas que la degradación del polímero estaba relacionada de alguna manera con los sistemas “antiestrés” de las bacterias. Para averiguarlo, deberían demostrar que la degradación de PHA tenía algún efecto sobre dichos sistemas.

  Para ello, recurrieron una vez más a las dos cepas de Pseudomona putida, y las expusieron a un ayuno de carbono para que iniciaran la degradación del polímero. En esas condiciones, observaron que en la cepa que tenía la capacidad de despolimerizar PHA aumentaba la cantidad de ppGpp y de sigma S, en tanto que no ocurría lo mismo con la cepa mutante.

  Para los investigadores, este resultado indica que existe una relación entre la degradación de los polihidroxialcanoatos y los mecanismos bacterianos de respuesta al estrés. Y también creen que todavía queda mucho por estudiar acerca de los PHA, pues suponen que el hecho de que sean un reservorio de carbono y energía los constituye en una molécula que debe cumplir funciones de gran importancia en el metabolismo central de la bacteria. Funciones que, todavía, están por ser develadas.

Plásticos de buena cepa Azotobacterias.   Cuando en 1925 el microbiólogo francés Maurice Lemoigne descubría el primer polihidroxialcanoato (PHA), seguramente no podía imaginar que, muchas décadas después, se pensaría en utilizar a estos polímeros de carbono en la fabricación de plásticos biodegradables. Es que hoy es un hecho que las reservas de petróleo se agotan y que su precio aumenta, y que la contaminación ambiental debida a los residuos plásticos alcanza niveles preocupantes.   En este contexto, científicos de diferentes partes del mundo corren una carrera contra reloj para resolver el problema que detiene la fabricación a escala industrial de estos polímeros biodegradables: sus altos costos de producción.   En el Laboratorio de Ecología y Genética Microbianas del Departamento de Química Biológica trabajan desde hace años en el diseño de nuevas cepas productoras, y en la optimización de las estrategias de cultivo, para la producción de polihidroxibutirato (PHB), un tipo de polihidroxialcanoato.   Si bien el PHB es producido en la naturaleza por un sinnúmero de microorganismos, el conocimiento que se tiene de esos microbios es escaso, si se lo compara con lo que hoy se sabe de una bacteria de uso habitual en investigación: la Escherichia coli (E.coli). Pero este microbio no sintetiza PHB naturalmente. Por ello, los científicos de la Facultad aislaron del microorganismo Azotobacter (un productor natural de PHB) los genes que codifican para la producción del polímero, y los insertaron en un plásmido (una molécula de ADN que sirve para introducir genes en las células), que luego transfirieron a la E. coli.   Actualmente, mediante técnicas de ingeniería genética, los investigadores insertan en el plásmido los genes responsables de la producción de PHB en ubicaciones cambiantes y con orientaciones diversas, para obtener diferentes cepas de E. coli. A su vez, en cada nueva cepa que logran crear, ensayan la capacidad de producción de PHB variando la fuente de carbono y las condiciones de cultivo.   Finalmente, este incesante proceso de prueba y error ha dado sus frutos. Por un lado, los investigadores del Laboratorio de Ecología y Genética Microbianas han aumentado la escala del proceso de producción. Por otro lado, han conseguido que las cepas obtenidas por ingeniería genética se “alimenten” de lactosuero (un residuo de la industria de la leche). Esto no solo es provechoso para el cuidado del medio ambiente, sino que conlleva un doble beneficio para las empresas lácteas: se le da valor económico a un desecho, y se evitan los costos de su procesamiento previo a la liberación al ambiente.   Pero, todavía, el mayor logro del Laboratorio está próximo a llegar. Pues han diseñado una cepa que, por sus novedosas características, permitiría un cambio cualitativo en el procedimiento de producción del polímero. El original desarrollo se encuentra actualmente en trámite de patentamien-to, y los detalles del trabajo científico están “en prensa” en una prestigiosa revista científica. Por ello –susurran en el laboratorio– todavía no quieren dar detalles del asunto.

(*) Centro de Divulgación Científica-SEGB-FCEyN.