Me gusta la ciencia ficción. Siempre lo ha hecho y junto con la ciencia es una de mis actividades favoritas. Hace algunos años, cuando empezaba a leer ciencia ficción, se imaginaban sistemas de tamaños planetarios para fabricar cosas, porque leía sobre todo obras escritas en los 70 y 80. Cuando me acerqué más a las obras escritas en los 90, comencé a ver que había autores que imaginaban no grandes factorías o fábricas para producir los bienes físicos que necesitamos o nos gustan, sino pequeñas. De tamaño celular, de hecho. Se imaginaban que mediante nanorobots o células alteradas genéticamente, produciríamos una gran cantidad de productos en estos sistemas pequeños, abaratando y simplificando considerablemente su producción. Los resultados que este artículo presenta nos acercan definitivamente a esa idea, pero sin manipulación genética.
Lo que han logrado es hacer que bacterias que normalmente sintetizan hidrocarburos basadas en el consumo de azúcares puedan producir esos mismos hidrocarburos basándose en la exposición a luz. Comienzan en la introducción diciendo que intentos previos de lograr el uso de estos microbios para la producción de hidrocarburos mediante energía solar se basaron en la purificación y refino de las enzimas necesarias y su uso fuera de las células, pero que este sistema no permitía la renovación que se da en el interior de la célula de las enzimas, con lo que su duración es limitada.
Otra estrategia empleada anteriormente consistió en el uso de cepas específicas dentro de las bacteria para producir los químicos deseados, pero así se limita el rango de productos a producir además de que hay problemas debido a la toxicidad de estos productos para las células en si.
Los autores comentan que ha habido una investigación muy activa tratando de encontrar la manera de activar rutas enzimáticas definidas dentro de la célula desde fuera, usando campos magnéticos, luz y otros métodos no demasiado invasivos de interacción exterior con las células objetivo.
Y ellos lo han logrado, como se muestra en la siguiente figura:
Como indica la figura, las materias primas a emplear son siempre las mismas: agua,luz y aire. Lo que cambia en función de la longitud de onda(el color) de la luz con la que se ilumina el grupo de bacterias es el producto de salida. Es importante resaltar que las bacterias empleadas en esta investigación no realizan la fotosíntesis de manera natural, es decir, no usan la luz del sol para producir ningún elemento químico de los que necesitan, empleando en su lugar azúcares. Por otra parte, debido a la naturaleza biológica de la formación de los productos, su eficiencia no pasa del 15 – 18 %, pero la falta de residuos peligrosos en su formación y facilidad de uso y manipulación compensan el problema de la falta de eficiencia.
Por otra parte, como su método no precisa de la manipulación genética de las enzimas, en principio podría usarse para activar funciones concretas de las células tanto para poder investigar esas funciones como para generar terapias concretas.
El esquema general está basado en el uso de puntos cuánticos(1) con una alta selectividad doble. Por un lado, a una longitud de onda o color específico, y por otro, a una región enzimática de la bacteria concreta. Así, al rodear el ambiente de la bacteria con puntos cuánticos concretos, éstos se unen a zonas específicas de las enzimas de su interior, lo que cuando el nanopunto se excita por la luz de su longitud de onda escogida, activa la enzima para la producción del producto químico deseado.
Por lo tanto, lo primero que hicieron los investigadores fue hacer una cuidadosa selección de los nanopuntos, basándose tanto en su tamaño, directamente relacionado con la longitud de onda a la que son sensibles, como su cubierta y formas externas, que generan una selectividad del nanopunto por enzimas específicas dentro de la bacteria.
Luego, comprobaron que los nanopuntos que habían encontrado se fijaban dónde querían sintetizando el producto en el laboratorio y viendo que los puntos cuánticos se fijaban a ese producto sólo. Usando otros nanopuntos distintos, también biocompatibles y con capacidad de penetrar la pared celular, pero con una selectividad distinta comprobaron que sólo los que ellos se habían diseñado se fijaban dentro de la célula al lugar escogido. Los nanopuntos que seleccionaron están compuestos por Cadmio y azufre con un recubrimiento de zinc y azufre, lo que favoreció su selectividad con la enzima que necesitaban, como se observa en la figura siguiente:
Lo que se observa en la figura es que al escoger la composición, forma y tamaño de los nanopuntos, fueron capaces de seleccionar muy bien la parte de la enzima a la que se ligaban los nanopuntos.
El artículo continúa explicando los diverso métodos empleados para confirmar que la ligazón de los nanopuntos se produjo sólo con las enzimas seleccionadas, desde comprobar que se producían los productos seleccionados según la ruta metabólica prevista con la adicción al agua en la que estaban las bacterias productos que interrumpen esa ruta y comprobar que así se paraba la producción, hasta comprobaciones en el laboratorio de la ligazón mediante técnicas de espectroscopía que permiten comprobar si hay o no determinados enlaces químicos presentes en la muestra.
También es muy importante comprobar que las bacterias que absorben los puntos cuánticos no se mueren, son viables a pesar de su presencia en el interior de las células. Para ello, los científicos autores de este experimento emplearon varios métodos. Primero, comprobaron el crecimiento celular tras aumentar la concentración de los nanopuntos en su entorno y observaron que con aquellos que se diseñaron correctamente, las células apenas inhibían su crecimiento, mientras que con otro tipo de nanopuntos acababan parando el crecimiento de las bacterias, como muestra la siguiente figura:
Tanto la supervivencia de las células como su crecimiento indican que los nanopuntos que fabricaron no impiden que las células se reproduzcan. El empleo de otro tipo de comprobaciones les llevó a la misma conclusión: los puntos cuánticos diseñados adecuadamente no le causan problemas en su crecimiento o supervivencia.
Luego comprobaron que, efectivamente, la producción de los productos que querían se hacía tras activar las células con la luz adecuada. Y vieron que al iluminar las bacterias que estaban en el medio con los nanopuntos adecuados, produjeron amoniaco y que al dejar las bacterias en una atmósfera de argón, que no permite la producción de amoniaco, no lo producían, como se ve en la figura siguiente:
La producción de amoniaco y etano aumenta con los nanopuntos adecuados y sólo si hay la materia prima necesaria, indicando por lo tanto que se producen en el interior de la célula siguiendo las rutas metabólicas previstas.
Después de demostrar que saben cómo lograr que las bacterias produzcan los productos que ellos quieren mediante estos dos productos finales, ajustaron los nanopuntos para que fueran sensibles a distintas longitudes de onda y produjeron diversos productos finales, viendo que los rendimientos obtenidos eran una clara función de la facilidades de la propia ruta metabólica en el interior de la célula para fabricar estos productos: si bien las bacterias son fábricas muy versátiles, esta versatilidad no es infinita, por lo que si la bacteria no tiene los instrumentos para producir un determinado compuesto, es decir, las rutas metabólicas necesarias en su interior, pues no puede producirlo.
La verdad es que es un resultado impresionante, sobre todo por las posibilidades que ofrece: si realmente se puede escoger un gran conjunto de materiales a producir con el mismo tipo de bacterias según los materiales disueltos en su medio de cultivo, se puede soñar con generar fábricas de producción a la carta simplemente cambiando el nanopolvo disuelto y la luz con la que se ilumina.
El artículo original está publicado en la revista Journal of American Chemical Society, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 26, 10272–10282.
(1)Punto cuántico o nanopolvo: Estructura tridimensional tan pequeña que se comporta como un pozo cuántico, con una altísima selectividad a una frecuencia de la luz de terminada, que absorbe o emite.