Algunos microbios pueden convertir el dióxido de carbono (CO₂), cada vez más abundante en nuestra atmósfera, en valiosos compuestos orgánicos. Por un lado capturan el CO₂, y, por otro, contribuyen a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, a la vez que generan biocombustibles y otras moléculas de interés.

Uno de estos procesos, conocido como electrosíntesis microbiana, es una de las técnicas más fascinantes desarrolladas a partir de microorganismos y más atractivas para la comunidad científica. El último ejemplo de ello es un trabajo, publicado la semana pasada en la revista Communications Biology y liderado por la bióloga Arpita Bose, de la Universidad de Washington en Saint-Louis (EE UU).

El equipo de biólogos e ingenieros modificó un microbio llamado Rhodopseudomonas palustris TIE-1 para que pudiera producir un biocombustible con tan solo tres ingredientes: el dióxido de carbono, la electricidad generada por paneles solares y la luz. El resultado fue el n-butanol, una alternativa de combustible completamente neutra en carbono que puede utilizarse en mezclas con gasóleo o gasolina.

Aunque aún queda por mejorar esta y otras técnicas hasta una dimensión industrial, poco a poco van surgiendo nuevos métodos que ofrecen soluciones a escalas moleculares para gestionar el cambio climático, gracias al abanico de posibilidades que aporta una rama concreta de la ciencia: la biología molecular.

Moléculas y actividades biológicas al rescate del medioambiente

Hasta ahora, los estudios en los que se centraba esta especialidad de la biología estaban enfocados al área de la salud y a temas relacionados con el mundo biomédico o vegetal. “Solo muy recientemente ha habido un interés de la comunidad de biólogos moleculares por los temas medioambientales”, señala a SINC Víctor de Lorenzo, investigador en el Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC). 

La investigación en ciencias de la vida podría desempeñar un papel importante en cuatro áreas de gran impacto: el calentamiento global, los ecosistemas y la pérdida de biodiversidad, los flujos biogeoquímicos y los contaminantes de origen humano. Así lo destaca un grupo de expertos en un Libro Blanco, liderado por el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL, por sus siglas en inglés) y presentado con motivo de la COP26.

“Nuestro principal objetivo es entender cómo funciona la vida, desde las moléculas, hasta las células y los organismos. Esta investigación se ha a menudo ligado con las ciencias clínicas, haciendo que los humanos estén más sanos. Hemos descubierto fármacos, trabajado con diagnósticos, etc. Esto va a seguir en nuestro próximo programa científico, pero también queremos añadir los ecosistemas y la ecología como campos de estudio”, apunta a SINC Ewan Birney, director general adjunto del EMBL y director del Instituto Europeo de Bioinformática (EBI) del EMBL.

Este laboratorio europeo, que se presenta por primera vez en la Cumbre del Clima de Glasgow como observador oficial, es la única institución intergubernamental de Europa para el estudio de las ciencias de la vida y cuenta con su sede principal en Heidelberg (Alemania) y con otras cinco, una de ellas en Barcelona. “Queremos ver cómo podemos encajar bien en el paisaje de la COP26”, dice Birney.

El texto, en el que han colaborado decenas de investigadores de diferentes centros de investigación de toda Europa, pretende mostrar cómo aprovechar la biología molecular para acelerar una recuperación verde del daño causado por las emisiones urbanas e industriales. “Las moléculas de la vida tienen una gran relación con cómo entendemos el medio ambiente. Pero también hay que verlas como parte de la solución para el futuro”, recalca el científico británico.

Entre los ejemplos que recoge el informe figuran la reducción de las emisiones de metano del ganado, la lucha contra la contaminación mediante la ingeniería metabólica basada en la biología molecular, las bacterias naturales fijadoras de nitrógeno para reducir el uso de fertilizantes, los nuevos biomateriales para la construcción y la potenciación del papel de las algas fijadoras de carbono.

A grandes problemas, grandes soluciones

“El documento es una contribución más sobre un conjunto de iniciativas del pasado sobre estas temáticas. Ha sido la manera de decir que nosotros podemos ayudar a abordar estos problemas”, comenta de Lorenzo, uno de los firmantes del texto, y miembro activo de la Organización Europea de Biología Molecular (EMBO, por sus siglas en inglés). “Tenemos que pensar a lo grande. A grandes problemas, grandes remedios”, insiste.

La aplicación de la biología molecular y la ingeniería genética al desarrollo de microorganismos tiene el potencial de generar soluciones novedosas con base biológica en la protección del medioambiente o la lucha contra la emergencia climática. Una de las claves está en la capacidad de biorremediación, es decir de degradar biológicamente compuestos tóxicos producidos por la industria y por la actividad urbana.

“Hace 20 o 30 años cuando se empezó a trabajar en esto los problemas de contaminación eran más locales: un petrolero que se derramaba, un escape de gases tóxicos, suelos contaminados, etc.”, subraya. Ahora, los problemas no solo siguen existiendo, sino que se han hecho globales.

Para abordar estas cuestiones medioambientales, la biología molecular ofrece estrategias desde la monitorización (medir y controlar), la prevención (cambiar procesos existentes y muy contaminantes por alternativas más limpias), y la remediación (o al menos mitigación) del daño ya hecho. En ello trabajan un número creciente de institutos de biología molecular de Europa.

Microorganismos ‘comegases’ creados en laboratorio

La investigación biológica puede ayudar a la lucha climática desde diferentes frentes. Uno de ellos es la monitorización, como por ejemplo la secuenciación de ADN de forma masiva de una muestra específica ambiental que permite visualizar el impacto que tiene la actividad urbana e industrial en todo tipo de ecosistemas.

“Hay un conjunto de especies animales, vegetales y de microorganismos que son indicadores y testigos del bienestar medioambiental”, dice de Lorenzo. Y para ello los biosensores basados en ellos están cada vez más desarrollados. “Estos bioindicadores, a través tecnología molecular, nos permiten monitorizar y cuantificar qué está pasando en los distintos ecosistemas”. Es aquí donde la biología molecular desempeña un gran papel.

Pero además, esta área de la biología puede impulsar la prevención creando en laboratorio biocatalizadores de células enteras que bien metabolicen (y por tanto eliminen) compuestos contaminantes originados en la industria química o bien sinteticen moléculas de interés de forma menos agresiva con el medio ambiente.

“Ahora programamos bacterias con técnicas de biología molecular que generan compuestos tradicionalmente producidos por síntesis química”, explica el experto. Hay un campo inmenso en la así llamada ingeniería metabólica, “donde están sucediendo algunas de las cosas más espectaculares de la biotecnología en estos momentos”, recalca el científico español.

Otro aspecto del que depende la ingeniería genética es la remediación. “El hecho de que nuestro planeta sea fundamentalmente microbiano y que las bacterias sean el componente activo más grande de nuestra biosfera hace que los microorganismos sean nuestros aliados objetivos para combatir el cambio climático”, comenta el experto, para quien estos microorganismos ambientales sean posiblemente los únicos con los que podamos contar para no solo controlar, sino también revertir la situación actual.

Para Ewan Birney lo más obvio es la biorremediación en términos de polución, desde enzimas capaces de “digerir” plásticos o eliminar productos químicos dañinos. “Ya hay organismos vivos que hacen esto. La evolución ha creado la herramienta para hacerlo, así que solo se trata de encontrarla en una bacteria o un organismo diferente y explotarlo nosotros mismos”, señala a SINC.

Sin duda, el principal aporte a futuro de la biología molecular es en el desarrollo de sistemas biológicos eficientes de captura de dióxido de carbono. En este sentido, existen varios proyectos en distintos laboratorios del mundo para generar sistemas de secuestro de CO₂ mucho más eficientes que los que proporciona la naturaleza, como los bosques o los océanos.

“Como los procesos naturales de fijación de CO₂ no son muy eficaces, los científicos llevan un tiempo explorando si desde el laboratorio podemos mejorar lo existente y conseguir que los mecanismos de captura de gases de efecto invernadero sean mucho más activos”, dice de Lorenzo.

Desde el Libro Blanco, los biólogos moleculares hacen una llamada de atención e insisten en que no es suficiente con frenar la emisión de esos gases para mitigar e incluso revertir la crisis climática. El problema son los puntos de inflexión: una vez que se han sobrepasado, la naturaleza puede no volverse a recuperar y los ecosistemas colapsan a veces irreversiblemente.

“Hay una visión popular, pero errónea de que si uno corta o disminuye la causa de los problemas medioambientales estos desaparecen por sí mismos. Pero no es así, o no lo es en todos los casos. Una vez que se supera un cierto umbral, aunque se quite el origen del problema este va a seguir ahí. Estos son los casos donde se recomienda que haya una intervención proactiva para revertir la situación al estado anterior”, revela a SINC Víctor de Lorenzo.

Según el científico, hay que pensar en sistemas de dispersión de ADN creados en laboratorio que aporten actividades beneficiosas para el medio ambiente. “Hay que propagar agentes biológicos que actúen como catalizadores a una escala muy grande. No debemos tener reparos en extenderlos de manera deliberada a través de la comunidad microbiana que domina la biosfera para mejorar actividades deseables como la fijación de CO₂ o la degradación de plásticos y compuestos contaminantes. Eso va a mejorar, sin duda, la calidad y el futuro de lo que vendrá a continuación”, continúa.

En busca de historias de éxito

Desde el EMBL, así como otras instituciones de biología molecular, se trabaja para que en un futuro estas investigaciones sean una realidad. Por ahora, algunas están en fases iniciales de desarrollo y otras más avanzadas, pero se necesitan apoyos de financiación, que en este caso serían “pequeños”.

“Como realmente el medioambiente es un bien común, no es de nadie en particular, su solución no beneficia a personas específicas, sino a la sociedad. El tipo de biotecnología es un poco distinta y tiene que ser objetivamente financiada desde organismos públicos, porque no beneficia a individuos, sino a grandes colectivos. Nadie se va a hacer millonario en desarrollar una bacteria que capture CO₂ a gran escala”, comenta a SINC el científico español.

Además de los recursos, a esta ciencia le faltan historias de éxito, como si le ha ocurrido a la biomedicina con las vacunas de ARN mensajero. “Un cuello de botella de estas tecnologías biológicas avanzadas para el medioambiente es que hay aún muy pocas de esas historias. Nadie ha podido aún demostrar que un microorganismo desarrollado en el Laboratorio solucione un problema ambiental grave. Pero es cuestión de tiempo que eso ocurra”, dice de Lorenzo.

A la espera de esas historias de éxito, los expertos en biología molecular recuerdan que por ahora el mayor riesgo es no hacer nada. “Hay que explorar todas las posibilidades y luego determinar cuáles son las más viables y eficaces”, apunta el español.

Sin embargo, a pesar de que esta ciencia pueda resolver ciertos desafíos ambientales, es necesario aún que se genere un cambio no solo en el sistema de producción de energía, sino también en los hábitos de la sociedad para alcanzar, entre otros, la descarbonización.

“No quiero promocionar la importancia de esta ciencia por encima de esa gran transformación energética que ha de producirse, pero en cuanto entran en juego organismos vivos, la biología molecular cobra más relevancia”, razona Ewan Birney. Para el experto, esta ciencia permite no solo resolver problemas, sino también entender las bases moleculares de los cambios perjudiciales en los ecosistemas. “Y eso es igual de importante”, concluye.