Investigadores de TU Graz y Ruhr University Bochum muestran en la revista ACS Catalysis cómo la actividad catalítica de las cianobacterias, también conocidas como algas verdiazules, puede incrementarse significativamente. Esto acerca un gran paso a la aplicación biotecnológica y, por tanto, ecológica.
por la Universidad de Tecnología de Graz
Las cianobacterias, a pesar de teñir el agua de verde a través de sus pigmentos especiales, se conocen coloquialmente como » algas verdeazuladas » y convierten la energía luminosa en energía química de manera especialmente eficaz gracias a sus células fotosintéticas altamente activas. Esto los hace atractivos para aplicaciones biotecnológicas, donde podrían utilizarse como biocatalizadores ecológicos y fácilmente disponibles para la producción de nuevos productos químicos utilizando enzimas introducidas específicamente.
Disponibilidad de luz limitada
Lo que suena bien en teoría, todavía enfrenta obstáculos en la implementación tecnológica práctica a gran escala. Un factor limitante decisivo es actualmente la disponibilidad de luz, como explica Robert Kourist del Instituto de Biotecnología Molecular de la Universidad Tecnológica de Graz: «Cuando las cianobacterias crecen densamente, es decir, en altas concentraciones, solo las células ubicadas en el exterior reciben suficiente luz. En el interior está bastante oscuro. Esto significa que la cantidad de catalizador no se puede aumentar a voluntad. Después de una densidad celular de unos pocos gramos por litro, la actividad fotosintética y, por lo tanto, la productividad de las células disminuye drásticamente. Esto, por supuesto, es una desventaja considerable para producción biotecnológica a gran escala «. En comparación, Los biocatalizadores previamente establecidos, como las levaduras, se pueden utilizar con densidades celulares de 50 gramos por litro y más. Los organismos de producción establecidos tienen la mayor desventaja de que dependen de los productos agrícolas como base para el crecimiento y por lo tanto consumen muchos recursos. «Los catalizadores a base de algas se pueden cultivar a partir de agua y CO2 , por lo que son ‘verdes’ en un doble sentido. Por esta razón, se están realizando intensos esfuerzos para aumentar el rendimiento catalítico de las cianobacterias «, dijo Kourist.
Aprovechar mejor la luz disponible
Junto con la Universidad Ruhr de Bochum y la Universidad finlandesa de Turku, el grupo de trabajo de algas de TU Graz ha logrado aumentar precisamente este rendimiento catalítico al redirigir específicamente el flujo de electrones fotosintéticos a la función catalítica deseada. «Por primera vez, pudimos medir el suministro de energía fotosintética directamente en las células de una manera resuelta en el tiempo, de modo que pudimos identificar cuellos de botella en el metabolismo», explica Marc Nowaczyk, de la Cátedra de Bioquímica Vegetal de la Universidad de Ruhr Bochum. «Hemos desactivado un sistema en el genoma de la cianobacteria que se supone que protege a la célula de la luz fluctuante. Este sistema no es necesario en condiciones de cultivo controladas, pero consume energía fotosintética». Energía que preferimos poner en la reacción objetivo ”, explica Hanna Büchsenschütz, estudiante de doctorado en TU Graz y primera autora del estudio. De esta manera, se puede resolver el problema de la baja productividad de las cianobacterias debido a las altas densidades celulares. Dicho de otra manera, solo podemos usar una cierta cantidad de células. Por eso tenemos que hacer ellas células van más rápido. Hemos desarrollado un método que utiliza la denominada ingeniería metabólica que hace que las cianobacterias sean mucho más maduras para la aplicación biotecnológica ”, dijo Kourist.
Además de aumentar la productividad de la propia célula mediante intervenciones específicas a nivel genético, los investigadores de Graz también están trabajando en nuevos conceptos para el proceso de cultivo de algas. Un enfoque consiste en introducir fuentes de luz directamente en la suspensión celular, por ejemplo, a través de mini LED. También se están experimentando con nuevas geometrías. Por tanto, las cianobacterias en forma de pequeñas esferas encapsuladas, las llamadas «perlas», pueden absorber más luz en general. Robert Kourist comenta: «Es muy importante desarrollar todas las medidas en el camino hacia la aplicación industrial a gran escala de biocatalizadores a base de algas de manera integrada. Esto solo es posible con una investigación interdisciplinaria que analice la función de una enzima en el mismo como vemos la ingeniería en la célula fotosintética «.
