Foto: Los investigadores de Greenlight Biosciences Kamil Gedeon (sentado) y Stephanie DeMarino (de pie) vigilan un cultivo de bacterias modificadas genéticamente para producir enzimas para la síntesis química sin células.

Los biotecnólogos han modificado genéticamente bacterias y otros microorganismos para producir biocombustibles y productos químicos renovables. Pero las complejas rutas metabólicas de estos organismos vivos pueden ser difíciles de controlar. Además, los productos que se producen pueden resultar tóxicos para estas formas de vida. ¿Qué pasaría si se pudiera eliminar la célula viva de la ecuación?

Greenlight Biosciences, una start-up de la zona de Boston (EEUU), modifica microorganismos para que produzcan distintas enzimas capaces de fabricar productos químicos y, posteriormente abre a dichos microorganismos para cosecharlas. Gracias a este proceso los científicos no tienen que molestarse en aislar las enzimas del resto del material celular; se limitan a añadir productos químicos para inhibir las reacciones bioquímicas no deseadas. Al mezclar disoluciones compuestas por distintos microbios, con azúcares y otras sustancias basadas en el carbono, la empresa es capaz de generar reacciones complejas para producir una variedad de productos químicos.

Greenlight afirma que su tecnología les permite fabricar versiones más baratas de productos químicos existentes, y ya ha producido un aditivo alimentario, medicamentos, pesticidas y herbicidas.

La principal motivación para crear la empresa fue averiguar cómo producir este tipo de compuestos de una forma más ecológica, explica el director ejecutivo, Andrey Zarur. Además, sostiene que los productos de Greenlight también tienen que ser más baratos que los producidos mediante fabricación química o basada en células, si no las industrias se mostrarán reacias a usarlos.

La estrategia de Greenlight se aleja de los procesos de fermentación clásicos que dependen de tanques llenos de microorganismos vivos. Tampoco se parece a otro método de ingeniería genética que se suele llamar biología sintética y que altera las rutas metabólicas de los microbios, optimizándolas para fabricar los compuestos deseados.

Varias empresas se dedican, también, a modificar bacterias y levaduras para producir productos químicos especializados, pero la mayoría de estos grupos mantienen a los organismos con vida. Amyris, por ejemplo, puede fabricar biocombustibles, medicina y productos químicos usados para la cosmética y los lubricantes, a través de la ingeniería genética en organismos para que produzcan nuevas series de enzimas capaces de modificar azúcares y otras materias primas (ver "Microbios capaces de producir fámacos contra la malaria al por mayor"). Metabolix ha modificado bacterias para producir plástico biodegradable.

Un problema con esa estrategia es que cuando las bacterias y otros microbios se convierten en fábricas químicas vivas, aún tienen que dedicar parte de sus recursos al crecimiento y no a la producción, según explica el ingeniero metabólico y biólogo de sistemas en el Instituto Tecnológico de Georgia (EEUU), Mark Styczynski. Es más, incluso en las bacterias aparentemente más sencillas, el metabolismo es complicado. "Las rutas metabólicas tienen una regulación compleja en sí mismas y entre ellas", afirma. Cambiar una ruta metabólica para mejorar la producción química puede tener grandes consecuencias, a veces negativas, para el resto de la célula.

Así, separar la ruta de la producción de las necesidades de la célula podría suponer una ventaja enorme, afirma. Aunque Greenlight no se ha desprendido del todo de los microbios. En el soleado laboratorio de la compañía en el norte de Boston, los investigadores usan burbujeantes biorreactores para cultivar bacterias en líquido, manteniendo distintas especies y cepas capaces de producir toda una variedad de enzimas. Cuando estos alcanzan una densidad determinada, los investigadores los pasan por un extrusor a alta presión para descomponerlos. A continuación añaden medicamentos a la mezcla gris que resulta para desactivar la mayoría de las enzimas metabólicas de las células; las enzimas útiles no se ven afectadas porque se han modificado para que resistan a los fármacos.

La tecnología que mantiene las rutas metabólicas expuestas funcionando la desarrolló el ingeniero bioquímico de la Universidad de Stanford (EEUU) James Swartz, quien dejó su puesto como ingeniero de proteínas en la empresa de biotecnología Genetech para desarrollar métodos sin células para producir proteínas farmacológicas (la insulina es un ejemplo de una proteína farmacológica que se puede producir mediante biotecnología). Al buscar un mayor control sobre la maquinaria bioquímica que produce las proteínas, Swartz descubrió cómo dar a esa maquinaria el entorno bioquímico que necesitaba fuera de su residencia habitual dentro de una célula. Sus métodos no sólo le permitieron crear proteínas más complejas, sino que, además, se podían usar para controlar la maquinaria biológica para fabricar pequeñas moléculas y productos químicos. El bioquímico explica: "Hemos descubierto quesi reproducimos las condiciones químicas que se dan dentro de la célula, activamos muchos procesos metabólicos, incluso aquellos que se creían demasiado complicados".

Greenlight puede resolver problemas y modificar la producción metabólica de productos químicos con métodos más parecidos a los de la ingeniería química que cualquier método de la ingeniería microbiológica normal. Las disoluciones libres de células están activas durante 96 horas, antes de que las enzimas empiecen a descomponerse. En ese punto hay que cultivar una nueva tanda de microbios. 

"Una de las maravillas de la célula es que es autorreplicante", afirma el capitalista de Flagship Ventures David Berry, cofundador de las empresas de biocombustibles LS9 y Joule Unlimited. (Berry fue uno de los innovadores menores de 35 de MIT Technology Review en 2007). Pero, incluso aunque un sistema sin células no pueda aprovechar esa ventaja, existen otros beneficios, como una mayor flexibilidad. "Existe el potencial de trabajar con más inputs y de trabajar en torno a situaciones en las que determinadas rutas ahora mismo no funcionan debido a las necesidades de la célula", afirma Berry.

Zarur explica que Greenlight podría sacar su primer producto al mercado para principios del año que viene. Será un suplemento nutricional con beneficios para la salud.

Además, la empresa ha recibido una subvención de 4,5 millones de dólares (unos 3,3 millones de euros) de ARPA-E para desarrollar un sistema para convertir el metano, el ingrediente principal del gas natural, en combustible líquido. La agencia afirma que este tipo de tecnología podría "permitir que fermentadores móviles accedieran fuentes remotas de gas natural para la conversión a bajo coste del gas natural en combustible líquido".