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Los investigadores desarrollan un cloroplasto artificial

mayo 11, 2020
Redaccion

Durante miles de millones de años, los microorganismos y las plantas desarrollaron el notable proceso que conocemos como fotosíntesis. 

por Max Planck Society

La fotosíntesis convierte la energía solar en energía química, proporcionando así toda la vida en la Tierra con alimentos y oxígeno. Los compartimentos celulares que albergan las máquinas moleculares, los cloroplastos, son probablemente los motores naturales más importantes en la tierra. Muchos científicos consideran que reconstruir y controlar artificialmente el proceso fotosintético es el «proyecto Apolo de nuestro tiempo». Significaría la capacidad de producir energía limpia: combustible limpio, compuestos de carbono limpios como antibióticos y otros productos simplemente a partir de luz y dióxido de carbono.

Pero, ¿cómo construir una célula viva y fotosintética desde cero? La clave para imitar los procesos de una célula viva es lograr que sus componentes trabajen juntos en el momento y lugar correctos. En la Sociedad Max Planck, este ambicioso objetivo se persigue en una iniciativa interdisciplinaria de múltiples laboratorios, la red MaxSynBio. Ahora, el equipo de investigación de Marburg, dirigido por el director Tobias Erb, ha creado con éxito una plataforma para la construcción automatizada de compartimentos fotosintéticamente activos del tamaño de una celda, «cloroplastos artificiales», que pueden capturar y convertir el dióxido de carbono del gas de efecto invernadero con luz.

La microfluídica se une a la biología sintética

Los investigadores de Max Planck utilizaron dos desarrollos tecnológicos recientes: la primera biología sintética para el diseño y la construcción de nuevos sistemas biológicos, como las redes de reacción para la captura y conversión de dióxido de carbono, y la segunda microfluídica, para el ensamblaje de materiales blandos, como como gotas del tamaño de una celda.

«Primero necesitábamos un módulo de energía que nos permitiera potenciar las reacciones químicas de manera sostenible. En la fotosíntesis, las membranas de cloroplasto proporcionan la energía para la fijación del dióxido de carbono, y planeamos explotar esta capacidad», explica Tobias Erb.

Los investigadores desarrollan un "cloroplasto artificial"
Producción de microgotas y observación en tiempo real en una plataforma microfluídica. Las microgotas se recogen en una cámara donde su actividad se puede controlar microscópicamente en tiempo real, incluida la cuantificación de la actividad enzimática midiendo la fluorescencia de NADPH. Usando el campo brillante se localizan las gotitas y se pueden ver las membranas fotosintéticamente activas. Estas membranas son fluorescentes cuando se excitan. Las poblaciones de gotas se distinguen usando un colorante de codificación, que es observable cuando las gotas son excitadas por una longitud de onda específica (550 nm). La producción de NADPH de las gotas se observa usando fluorescencia de NADPH (usando 365 nm). Crédito: Instituto Planck para Microbiología terrestre / Erb

El aparato de fotosíntesis aislado de la planta de espinacas demostró ser lo suficientemente robusto como para ser utilizado para impulsar reacciones únicas y redes de reacción más complejas con luz. Para la reacción oscura, los investigadores utilizaron su propio módulo metabólico artificial, el ciclo CETCH. Consiste en 18 biocatalizadores que convierten el dióxido de carbono de manera más eficiente que el metabolismo del carbono que ocurre naturalmente en las plantas. Después de varias rondas de optimización, el equipo tuvo éxito en la fijación de luz controlada del gas de efecto invernadero CO 2 in vitro.

El segundo desafío fue el ensamblaje del sistema dentro de un compartimento definido en una microescala. Con vistas a futuras aplicaciones, también debería ser fácil automatizar la producción. En cooperación con el laboratorio de Jean-Christophe Baret en el Centre de Recherché Paul Pascal (CRPP) en Francia, los investigadores desarrollaron una plataforma para encapsular las membranas semisintéticas en gotitas similares a células.

Más eficiente que la fotosíntesis de la naturaleza.

La plataforma microfluídica resultante es capaz de producir miles de gotas estandarizadas que pueden equiparse individualmente de acuerdo con las capacidades metabólicas deseadas. «Podemos producir miles de gotas equipadas de forma idéntica o podemos dar propiedades específicas a las gotas individuales», dijo Tarryn Miller, autor principal del estudio. «Estos pueden ser controlados en el tiempo y el espacio por la luz».

A diferencia de la ingeniería genética tradicional en organismos vivos, el enfoque ascendente ofrece ventajas decisivas: se enfoca en un diseño mínimo y no está necesariamente limitado a los límites de la biología natural. «La plataforma nos permite realizar soluciones novedosas que la naturaleza no ha explorado durante la evolución», explica Tobias Erb. En su opinión, los resultados tienen un gran potencial para el futuro. En su publicación en la revista Science, los autores pudieron demostrar que equipar el «cloroplasto artificial» con las nuevas enzimas y reacciones dio como resultado una tasa de unión para el dióxido de carbono que es 100 veces más rápida que los enfoques biológicos sintéticos anteriores. «A largo plazo, los sistemas similares a la vida podrían aplicarse a prácticamente todas las áreas tecnológicas, incluidas la ciencia de los materiales, la biotecnología y la medicina. Solo estamos al comienzo de este emocionante desarrollo». Además, los resultados son otro paso hacia la superación de uno de los mayores desafíos del futuro: las concentraciones cada vez mayores de dióxido de carbono atmosférico .