“La microbiología tiene aplicaciones industriales y biomédicas”

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microbiología aplicaciones
Dr. Walter Sandoval. (Cortesía)

Para el microbiólogo Walter Sandoval Espínola, la ciencia de los microorganismos pueden aportar enormemente a la industria y a la biomedicina, ambas para mejorar la calidad de vida de las personas.

Sandoval es biólogo por la Universidad Nacional de Asunción, doctor en microbiología por la Universidad Estatal de Carolina del Norte Raleigh, Estados Unidos, donde tiene varias líneas de investigación, entre ellas la fisiología microbiana y la microbiología con fines industriales. Está actualmente cursando un posdoctorado en la Universidad de Harvard.

Walter conversó brevemente con Ciencia del Sur sobre el trabajo que está realizando en Estados Unidos, específicamente sobre bacterias, que tiene tanta repercusión que llegó hasta una de las publicaciones del prestigioso grupo Nature.

Aquí, Sandoval nos habla de la importancia de las bacterias, del estudio sistemático con una de ellas y de cómo la investigación básica puede repercutir en la industria en los próximos años.

 

-¿Por qué te interesan las bacterias?

Las bacterias y los humanos tenemos una relación especial. No solo son parte de nosotros al habitar sobre y dentro nuestro, sino también han sido utilizadas en fermentación por miles de años. Esta peculiaridad despertó mi interés por aprender cómo el estudio fisiológico de bacterias puede ser beneficioso para los humanos.

Hice mi doctorado en microbiología en la North Carolina State University (NCSU), en Raleigh, Estados Unidos, bajo la dirección del Dr. Bruno-Bárcena. Durante mi trabajo de posgrado, para el cual tuve el apoyo de una beca Fulbright, estuve interesado en fisiología microbiana. Particularmente, me incliné hacia una bacteria llamada Clostridium beijerinckii.

-¿Por qué te llamó la atención ese microorganismo?

Esta bacteria tiene la característica principal de poseer una ruta metabólica llamada ABE, que produce principalmente acetona, butanol y etanol. Cuando empecé mi aventura académica en NCSU, en 2011, había un interés del Gobierno estadounidense en biocombustibles, por tanto esta bacteria era candidata a ser un posible biocatalizador para este tipo de industria.

El compuesto químico butanol es un tipo de alcohol que posee cuatro átomos de carbono (a diferencia del etanol, que posee dos), y tiene ciertas características químicas que lo hacen más atractivo que el etanol como combustible alternativo. Por ejemplo, posee mayor cantidad de energía y puede ser utilizado en motores de gasolina sin necesidad de hacer una mezcla o de modificaciones tipo Flex.

Increíblemente, la infraestructura para gasolina es compatible con butanol, a diferencia del etanol.

C. beijerinckii produce butanol principalmente a partir de azúcares, y existen trabajos con esta bacteria que datan de inicios del siglo XX. Durante mis estudios de posgrado publiqué 3 artículos científicos como primer autor y tengo 2 más por publicar. Descubrimos, por ejemplo, que una variedad mutante de C. beijerinckii llamada SA-1 produce butanol a niveles que la hacen competitiva con butanol de origen petroquímico (Sandoval-Espinola et al, 2013).

-¿De qué trata tu última publicación?

Clostridium beijerinckii NCIMB 8052. (JGI Genome Portal)

Mi último paper, que fue publicado el mes pasado en Scientific Reports (una de las revistas de Nature), describimos el hallazgo de una característica nunca vista en clostridios solventogénicos: la capacidad de absorber gases de efecto invernadero y transformarlas en butanol (Sandoval-Espinola et al, 2017).

Al observar la literatura con clostridios solventogénicos es común encontrar inconsistencias con respecto a la cantidad de producto que uno obtiene de la cantidad de sustrato que uno pone en la reacción (es decir, el rendimiento). Tradicionalmente, se entiende que este tipo de bacterias son heterotróficas, es decir, producen energía a partir de compuestos orgánicos.

Este tipo de metabolismo tiene la característica de que por cada átomo de carbono que es absorbida por la célula, 33% se pierde en forma de dióxido de carbono (CO2). Por tanto, si uno obtiene más producto que el 66% teórico, significaría que parte del carbono es reabsorbido.

-¿Qué fue lo que hallaron con la investigación?

C. beijerinckii produce CO2 a medida que se replica, pero también produce hidrógeno molecular (H2). En nuestro trabajo, al monitorear en tiempo real estos gases, observamos oscilaciones en ambas señales que coincidían con un cambio en la tasa de crecimiento de esta bacteria. Hipotetizamos que estas oscilaciones eran resultado de cambios metabólicos en forma de retroalimentación (feedback loops), donde los gases controlan la capacidad de C. beijerinckii de reabsorber ambos gases.

Posteriormente, analizamos el código genético de C. beijerinckii y encontramos genes que podrían servir para absorber CO2 e H2. Por tanto, realizamos experimentos en biorreactores donde expusimos estas bacterias a ambos gases. A la vez, realizamos un estudio transcriptómico (es decir, medimos la cantidad e intensidad en que los genes se activan) como manera de tener evidencia de que esos genes eran reales.

Los datos de gases demostraron consumo, y los datos transcriptómicos proveyeron evidencia de la capacidad genética de C. beijerinckii para absorber dichos gases.

Adicionalmente, demostramos que esta bacteria puede absorber síntesis gas (CO, CO2 y H2).  En general, vimos que C. beijerinckii puede producir hasta 27 % más productos cuando es expuesto a gases exógenos.

Finalmente, como prueba definitiva, incubamos C. beijerinckii con CO2 marcado (13CO2) y, mediante resonancia nuclear magnética (NMR), pudimos detectar el 13C en los productos generados por esta bacteria, demostrando así su capacidad para captar carbono gaseoso.

-¿Se podrían ver aplicaciones de la investigación que llevaron a cabo?

Estos descubrimientos, que no solo dan luz a la biología de C. beijerinckii, proveen una alternativa más para la producción de biocombustibles y a la captura de gases de efecto invernadero. Finalmente, gracias a su potencial industrial, me sirvió como mi primera patente en la US Patent and Trademark Office (No. 62/371,562).

Estos trabajos con C. beijerinckii, que forman parte de tres capítulos de mi disertación doctoral, me dieron el honor de ser distinguido como la mejor tesis en la Facultad de Agricultura y Ciencias Biológicas en NCSU (Kenneth R. Keller Award).

-¿Qué estás haciendo en el posdoctorado en Harvard?

Departamento de Química de la Universidad de Harvard. (Harvard.edu)

Actualmente me encuentro haciendo un posdoctorado en Química y Química Biológica con la profesora Emily Balskus. Mi objetivo actual es manipular el comportamiento de las bacterias que habitan el tracto gastrointestinal de los humanos para hacerlos más saludables y provechosos.

Mi proyecto actual y el de mi tesis vienen de la mano porque en ambos casos estuve interesado en fisiología microbiana aplicada. Por tanto, microbiología se puede utilizar con fines industriales (e.g. biocombustibles) o biomédicos.

Sin embargo, aún existen retos por resolver, por ejemplo: cómo optimizamos procesos industriales que requieren bacterias, cómo podemos identificar los limitantes en procesos biotecnológicos, cómo descubrimos nuevas capacidades metabólicas en bacterias que son tradicionalmente utilizadas en procesos industriales.

-¿Hay mucho que resolver?

En el contexto de bacterias intestinales, aún falta identificar los mecanismos moleculares que vinculan bacterias con estados fisiológicos en los humanos, y falta desarrollar métodos para manipular estas bacterias cuando están en comunidades de distintas especies, a fin de priorizar aquéllas mas beneficiosas.

Claramente, aún existe mucho trabajo por resolver, y dedicar tiempo y recursos a estos emprendimientos serán decisivos en las industrias de alta tecnología de los próximos años.

 

Referencias

 

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Columnista de ciencias biológicas y biología molecular de Ciencia del Sur. M. Sc. en Biología Parasitaria. Fabiola es egresada de la Facultad de Ciencias Naturales y Exactas de la Universidad Nacional de Asunción. Actualmente, cursa un doctorado en biología parasitaria con énfasis en biología molecular en el Instituto Osvaldo Cruz (Fiocruz) de Río de Janeiro, Brasil. Se encuentra colaborando con la London School of Hygiene and Tropical Medicine de Inglaterra, Reino Unido.

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