La doctora en ciencias Elva Yadira Quiroz Rocha, investigadora residente en el Centro de Ciencias Genómicas de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), identificó el sistema que permite a la bacteria Azotobacter vinelandii - presente en suelos y raíces de plantas - multiplicar por diez su capacidad para producir dos tipos de plásticos biodegradables o biopolímeros, de extraordinaria pureza y nulo impacto ambiental. 
 

Con su investigación, Quiroz Rocha identificó el sistema que hace posible a la bacteria Azotobacter vinelandii elegir las fuentes de carbono (alimento) que posteriormente convertirá en dos tipos de polímeros - alginato y poli-B-hidroxibutirato (PHB) -, ambos de interés biotecnológico por su gran potencial de aplicación en diversos campos, así como su capacidad para ser degradados por la misma bacteria que los produce.

Esta investigación fue  parte de su tesis doctoral en el Instituto de Biotecnología (IBt) de la UNAM, bajo la asesoría de la doctora Cinthia Núñez.

En entrevista para la Agencia Informativa CONACYT, la doctora explicó que el proyecto surgió cuando inició sus estudios de maestría en ciencias bioquímicas en el grupo de investigación de la doctora Cinthia Núñez en el IBt, quien le propuso estudiar una cepa de A. vinelandii modificada genéticamente (llamada GG15), la cual tenía la capacidad de producir hasta 10 veces más alginato en comparación con la cepa silvestre. Ante ello, se plantearon investigar el mecanismo de regulación de este proceso, con la finalidad de lograr escalar la producción del polímero a largo plazo.

En busca de la superbacteria

 

De acuerdo con la doctora Quiroz Rocha, el mayor beneficio al lograr que alguna bacteria produzca polímeros en cantidades suficientes radica en la posibilidad de que, a largo plazo, se reemplacen los plásticos derivados del petróleo, ya que las bacterias se encargan de degradarlo al usarlo como fuente de carbono, en un proceso que tardaría entre tres y seis meses.

Otro de los grandes beneficios para este tipo de polímeros tiene que ver con su pureza, ya que ello les da el potencial necesario para aplicaciones médicas debido a que los polímeros altamente puros pueden ser utilizados para la generación de prótesis, que ya se ha documentado, no generan una respuesta tóxica en el organismo de los huéspedes.

En el caso particular del alginato, se está probando la introducción de células vivas para terapias celulares y una aplicación potencial similar es el encapsulamiento de sustancias, por ejemplo, para optimizar la quimioterapia, ya que encapsular la sustancia permitiría dirigirla directamente a las zonas donde es necesaria, sin dañar tanto otras células del cuerpo.

La dieta de la bacteria 

 

La investigadora indicó que debido a su estilo de vida libre, Azotobacter prefiere alimentarse de compuestos muy simples como el acetato (vinagre común), pero los recursos que le proporciona este compuesto no le alcanzan para producir grandes cantidades de polímero. Es por esta razón que en el laboratorio se le proporciona otras fuentes de carbono como glucosa o sacarosa (azúcar), ya que estas permiten que la bacteria logre sintetizar mayor cantidad de polímeros; sin embargo, estos azúcares no son su "comida favorita".

El primer hallazgo que arrojó el trabajo fue la identificación de unos reguladores moleculares, llamados CbrA/CbrB, los cuales dan a la bacteria la capacidad de detectar las fuentes de carbono presentes en el medio y decidir cuál de ellas consumirá primero (proceso conocido como represión catabólica por carbono). La falta de estos reguladores en la bacteria impide la producción de un transportador necesario para que la bacteria pueda internalizar la glucosa.

Otro de los hallazgos importantes fue que en la cepa GG15 (cepa modificada genéticamente), la ausencia del sistema CbrA/CbrB es el responsable del aumento en la síntesis del polisacárido alginato, lo cual indicó que este sistema no solo tiene la capacidad de jerarquizar la asimilación del alimento de la bacteria, sino que además regula las vías metabólicas por las cuales se producen el alginato y el PHB.

"La importancia de la caracterización de este sistema radica en conocer cómo es que la bacteria asimila los compuestos con los que la alimentamos y cómo es que los dirige para producir alginato y PHB, ya que gracias a este conocimiento, podremos optimizar la producción de estos dos polímeros, no solo en un rendimiento mayor sino también en una composición definida".

La ruta que siguió la generación de conocimiento

 

El primer paso fue identificar la modificación génica que poseía la cepa GG15, a través de un proceso de secuenciación -técnica en la cual se determina el orden de los nucleótidos que existen en el ADN extraído de la bacteria en cuestión para identificar mediante su comparación con bases de datos existentes los cambios que puede haber- durante el cual la investigadora observó la interrupción del gen CbrA.

Posteriormente, a través de la literatura científica y mediante experimentos de RT-PCR, la doctora Quiroz Rocha comprobó que este gen forma parte de un sistema (CbrA/CbrB), el cual ya se había reportado que en otras bacterias influye en la asimilación de fuentes de carbono; sin embargo, hasta el momento no existía ninguna fuente que lo relacionara con la regulación de la síntesis de biopolímeros como el alginato y el PHB.

"Una vez que identificamos los genes candidatos, recurrimos a técnicas de biología molecular para medir o cuantificar la expresión de los genes relacionados con el sistema CbrA/CbrB. Fue de esta manera que encontramos un gen que codifica un transportador de glucosa (GluP) poco común en bacterias. Gracias a ensayos de expresión heteróloga y qRT-PCR comprobamos que este transportador de glucosa es funcional y que su expresión depende del sistema CbrA/CbrB. Lo que hicimos fue colocar el gen GluP de A. vinelandii dentro de otra bacteria (Eschericha coli) que era incapaz de consumir glucosa y gracias a ello observamos que esta recuperaba su capacidad de consumir glucosa y su crecimiento".

Debido a ese trabajo, la investigadora documentó también que  el sistema CbrA/CbrB es un regulador multifuncional pues, además de elegir el alimento, también dirige los flujos de carbono dependiendo de las necesidades de la bacteria. Gracias a este sistema, la célula de Azotobacter es capaz de decidir si va a crecer, a producir alginato o acumular otros polímeros como el plástico biodegradable poli-B-hidroxibutirato".

Este proyecto de investigación, cuyos recursos derivaron en primera instancia de una beca del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) que obtuvo la doctora Quiroz Rocha para sus estudios de maestría y doctorado, así como del financiamiento que la UNAM y el propio Conacyt brindan al laboratorio de la doctora Cinthia Núñez, le valió a la investigadora el Reconocimiento al Mérito Estatal a la Investigación (Remei) que otorga el estado de Morelos.