El plástico está en todas partes de la Tierra. Dentro de mí, dentro de ti, en las fosas oceánicas más profundas y en las cimas de las montañas más altas. Hemos producido miles de millones de toneladas de este material y seguimos fabricándolo cada vez más. Tampoco parece que podamos deshacernos del plástico. Inesperadamente, la principal ventaja del plástico (su durabilidad) se ha convertido en su mayor problema.
Ahora, un equipo de científicos en Japón podría empezar a cambiar el rumbo. Han manipulado el metabolismo de una bacteria común, la Escherichia coli, convirtiéndola en una fábrica microscópica que produce un ingrediente clave para plásticos biodegradables de alto rendimiento directamente a partir de azúcar simple.
En un nuevo estudio publicado en Metabolic Engineering, investigadores de la Universidad de Kobe detallan cómo diseñaron una nueva vía biológica que produjo el mayor rendimiento jamás registrado para este prometedor compuesto, creando un plan viable para liberar a un sector de la industria del plástico de su dependencia del petróleo.
Una mejor receta para un plástico más ecológico
Muchas de las botellas de plástico que millones de personas beben a diario probablemente estén hechas de tereftalato de polietileno, o PET. El PET es un polímero, es decir, una larga cadena de unidades moleculares repetidas, llamadas monómeros. Uno de los monómeros clave del PET es el ácido tereftálico, una sustancia química derivada del petróleo. Este ácido es el que hace que el plástico sea resistente y duradero, pero también irremediablemente no biodegradable. Durante años, los científicos han estado buscando un reemplazo de base biológica que pudiera proporcionar propiedades similares o incluso mejores.
Uno de los candidatos más prometedores es una molécula llamada 2,5-piridindicarboxilato, o 2,5-PDCA. Al igual que el ácido tereftálico, puede utilizarse para sintetizar poliésteres y otros polímeros de alta resistencia llamados poliimidas. La diferencia crucial reside en la presencia de un átomo de nitrógeno en su estructura anular central.
Este cambio, aparentemente pequeño, tiene grandes implicaciones, que podrían dar lugar a plásticos con propiedades físicas superiores. Este cambio químico también abre la puerta a la biodegradabilidad real. Sin embargo, el reto siempre ha sido producir 2,5-PDCA de forma eficiente y sostenible.
Los métodos de síntesis química suelen tener bajos rendimientos. Ahí es donde entra la biología. Si pudiéramos conseguir que los microbios lo produjeran por nosotros, sería fantástico. Claro que es más fácil decirlo que hacerlo.
La vieja e ineficiente forma
El método original se basaba en una molécula llamada protocatecuato (PCA). El plan consistía en usar una enzima para romper la estructura anular del PCA y luego añadir un átomo de nitrógeno (de amoníaco) para formar el 2,5-PDCA deseado.
Sin embargo, el problema residía en que la molécula intermedia creada tras la ruptura del anillo era muy inestable. Antes de poder captar un átomo de nitrógeno, solía desintegrarse y generar numerosos subproductos innecesarios. Todo el proceso era muy ineficiente.
El equipo de la Universidad de Kobe, dirigido por el Dr. Shuhei Noda y el Dr. Tsutomu Tanaka, decidió buscar una ruta completamente diferente. Diseñaron una nueva vía que no comienza con el PCA, sino con una molécula relacionada llamada ácido p -aminobenzoico o PABA. Su estrategia se basó en una enzima clave que tomaron prestada de otra especie bacteriana. Esto significa que el nitrógeno crucial ya forma parte de la molécula antes de que se rompa el anillo.
El resultado fue revolucionario. El producto resultante era estable y recuperaba con fiabilidad la estructura correcta de 2,5-PDCA sin perder partes en el proceso.
Para demostrar la superioridad de su nueva receta, los investigadores realizaron una comparación directa. Crearon dos cepas de E. coli. Una utilizó la antigua vía del PCA y la otra, su nueva vía derivada del PABA. Alimentaron a cada cepa con el material de partida correspondiente y midieron el resultado. Los resultados fueron sorprendentemente claros, demostrando que el nuevo método crea de forma fiable un plástico resistente y biodegradable.
¿Podemos crear fábricas de plástico microbianas?
Tener una receta química superior es un buen comienzo. Lograr que un organismo vivo la ejecute eficientemente, partiendo únicamente de glucosa, es un desafío aún más complejo.
Su primer paso fue convertir a E. coli en un especialista en la producción de PABA. Esto implicó una edición genética inteligente y meticulosa para garantizar que los microbios pudieran convertir recursos en plástico de forma eficiente. Fue un desafío enorme con varios obstáculos, el más persistente de los cuales surgió cuando una de las enzimas que habían introducido produjo peróxido de hidrógeno, un compuesto altamente reactivo, H₂O₂. El compuesto atacó entonces a la enzima que lo producía, desactivándola.
“Mediante el refinamiento de las condiciones de cultivo, en particular añadiendo un compuesto que pueda eliminar el H2O2, finalmente pudimos superar el problema, aunque esta adición puede presentar nuevos desafíos económicos y logísticos para la producción a gran escala”, dice el bioingeniero de la Universidad de Kobe Tanaka Tsutomu, uno de los autores del estudio.
Sin embargo, al final, los investigadores lograron controlar el proceso y ampliarlo. Trasladaron el proceso de pequeños tubos de ensayo a un biorreactor controlado de 1 litro, una configuración que permite un control preciso de variables como el pH, la temperatura y el oxígeno disuelto.
Los resultados fueron espectaculares. A lo largo de 144 horas (seis días), el cultivo de E. coli modificado creció de forma robusta y produjo la molécula objetivo de forma constante. Esta es la mayor concentración y rendimiento de 2,5-PDCA jamás alcanzado mediante fermentación microbiana.
Un enfoque prometedor
Este avance representa un paso fundamental hacia la producción sostenible de plásticos de origen biológico. Si bien persisten desafíos (especialmente en cuanto a la escala), este trabajo establece una plataforma biológica potente y eficiente. No es la primera vez que investigadores utilizan microbios para producir plástico, pero este es uno de los enfoques más prometedores. Al reconfigurar inteligentemente la química natural de un microbio, el equipo de la Universidad de Kobe ha demostrado que los componentes básicos de los plásticos del futuro pueden no provenir de una refinería de petróleo, sino de un tanque burbujeante de bacterias alimentadas con azúcar.
Referencia de la revista: A. Katano et al.: Biosíntesis de 2,5-piridindicarboxilato a partir de glucosa mediante ácido p-aminobenzoico en Escherichia coli. Metabolic Engineering (2025). DOI: 10.1016/j.ymben.2025.08.011.
Fuente: ZME Science.
