Para poder hacer frente a los cada vez más escasos recursos naturales incapaces de afrontar la creciente demanda de productos y a su vez reaprovechar a la vez que reducir los residuos contaminantes es necesario un cambio de paradigma en la forma en la que la industria y la economía mundial están basadas, como así se manifiesta por la apuesta de los objetivos de desarrollo sostenible y la agenda 2030 marcada por la Unión Europea. Se hace necesario el desarrollo de procesos más eficientes y coordinados, en los que los productos no aprovechables de un procedimiento puedan ser utilizados en un nuevo proceso para generar nuevos productos o energía. Es lo que se denomina Economía Circular. Para el desarrollo de estos nuevos procesos es clave la bioeconomía y más concretamente la basada en el aprovechamiento de las capacidades de los microorganismos. Sin duda el conocimiento generado al estudiar cómo colonizan la gran diversidad de ambientes, desde la Antártida a volcanes pasando por las simas marinas, en los que son capaces de desarrollarse, hacen de los microorganismos una fuente natural de procesos de transformación y generación de compuestos.

Recientemente, uno de nosotros (Emilio Muñoz) publicó en este mismo foro una reseña[1] del número de noviembre de 2020 de Investigación y Ciencia, en la que además de glosar dicho número se manifestaba la satisfacción del acierto editorial que suponía la colaboración entre esta revista y su matriz Scientific American. De la misma forma, nos encontramos ahora con el número de diciembre en el que, bajo el complejo marco de la pandemia, se ofrecen elementos que inclinan a considerarlo como de notable calidad e importancia. Hemos seleccionados tres artículos que entran de lleno en una serie de avances que muestran la revolución que puede suponer la bioeconomía basada en explotar las capacidades de los microrganismos para formar parte de una nueva dimensión de la economía circular.

Los tres casos que hemos recogido de ese número son ejemplos de microorganismos que por sí mismos, sin modificación genética alguna, son capaces de actuar como operarios especializados en la producción de instrumentos, materiales o procesos de alta tecnología. Es decir, se trata de aplicaciones de la microbiología para generar tecnología, no como era habitual en la microbiología industrial en la que se empleaban para producir compuestos mediante procesos de transformación, obtener nuevas sustancias químicas a partir de sustratos igualmente químicos. Son, además, uno más de esos ejemplos donde la investigación que busca responder preguntas, generar conocimientos, resulta indispensable para el desarrollo de aplicaciones no imaginadas al hacerse las preguntas.

1-El primero de ellos titulado “Cables biológicos”, escrito por Sophie Buswick y englobado bajo el rótulo Tecnología, desvela las propiedades de las bacterias del género Geobacter que han aflorado como un enigma y a la par brindan unas posibles e insospechadas aplicaciones tecnológicas. La morfología de las especies que integran dicho género da el primer paso para abrir la imaginación: “presentan una forma similar a las de las alubias de las que brotan -como si hubieran germinado- unos filamentos que se asemejan a cables”. La ciencia, el conocimiento generado, que hay detrás de estos avances está representada por el microbiólogo Derek Lovley de la Universidad de Massachusetts en Amherst quien se planteó como primera pregunta “¿cuál sería el mecanismo por el que estas bacterias se liberan de los electrones que resultan de su proceso de generación de energía?”.

Estas bacterias se desarrollan en ambientes sin oxígeno (anaeróbicos), que es, por cierto, el aceptor de los electrones para el gran grupo de las bacterias aerobias. Lovley había elaborado una pregunta pertinente y de la investigación diseñada se observó primero que estos microorganismos producían largas cadenas de proteínas que transportan los electrones a los óxidos de hierro cercanos, dando lugar a la formación de magnetitas. La hipótesis de Lovley fue que los filamentos, conocidos en microbiología como pili podían tener un papel esencial. Las dimensiones de los pili no permiten investigar las proteínas que los integran por las técnicas de imagen convencionales. Por ello decidió recurrir a la ingeniería genética, no para añadir un gen sino para eliminar (delecionar) el gen que codifica para la formación de estas estructuras filiformes. Con esta estrategia obtuvo un importante hallazgo: las bacterias así mutiladas en su información genética no podían formar magnetitas. Tan valiosa información se completó con otra estrategia experimental, procedente en este caso de una aproximación más clásica, bioquímica: los filamentos aislados de las bacterias no modificadas genéticamente conducían la electricidad.

Micrografía electrónica de Geobacter sulforreducens donde se pueden observar sus pili y una ampliación de los nanocables generados a partir de estos pili. Fuente: Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Proposal_of_catalyzing_bio-voltage_memristors.webp).

Las primeras aplicaciones se llevaron a cabo con microorganismos enteros, pero este segundo hallazgo abrió la posibilidad de utilizar los nanocables aislados para construir dispositivos electrónicos. En el laboratorio de Lovley han publicado artículos sobre sensores que son capaces de detectar amoníaco[2] mientras que en otro aparecido en Nature[3] se describe que los nanocables son capaces de producir electricidad a partir de la humedad, de modo que se ha visto posible que los electrones extraídos de las moléculas de agua pueden formar parte de un sistema o mecanismo que ofrezca ventajas interesantes para generar electricidad como sustituto de la producción de energía sostenible frente a la solar o la eólica.

La controversia

La controversia es frecuente en el campo de la producción de los conocimientos científicos, es inherente al cultivo de la ciencia y tanto más cuanto más innovadora es en la persecución y producción de avances que pueden tener aplicaciones y obtención de beneficios económicos que pasan por la obtención de patentes en un primer paso[4].

A tenor de lo que se expone en el artículo que analizamos, la controversia en el caso de los cables biológicos se ha planteado dentro del propio grupo de Lovley. Una colaboradora en la etapa de los hallazgos expuestos, Sarah Glaven, en la actualidad trabajando en el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos, manifiesta dudas acerca de la capacidad de los nanocables aislados para competir como alternativa a la producción de energía sostenible sobre otros materiales y métodos; reconoce no obstante que podrían competir como alternativa en entornos con elevada capacidad corrosiva como los océanos o el cuerpo humano, que alteran las propiedades de los sistemas electrónicos, aunque incluso en tales ambientes tendrían la competencia de los polímeros biocompatibles. Por ello Glaven opta por trabajar con microbios vivos en atención a su capacidad para generar una respuesta sistémica y completa. La controversia dentro del grupo no se detiene en lo expuesto. Nihil Malvakar, otro colaborador de Lovley que ahora ya dispone de su propio laboratorio y grupo en la Universidad de Yale, cuestiona la tesis de su jefe anterior con sus trabajos que han conducido a identificar el papel de los citocromos[5] con el descubrimiento y caracterización de uno específico. Esto ha llevado al científico de Yale a proponer que no son los pili el elemento esencial para la generación de energía sino el apilamiento de citocromos, quizás pensando en la analogía con una batería de estas proteínas esenciales en los procesos de óxido-reducción.

El artículo que estamos glosando no entra en las dinámicas de la investigación científica (sociología y política de la ciencia) ni de sus dimensiones éticas. Apuesta por un discurso más tecno-optimista hasta el punto de señalar que quizá las aplicaciones (tecnológicas) sean previas al acuerdo científico sobre los conocimientos básicos acerca de los mecanismos por los que un género de bacterias son conductores de electricidad.

2- “Sensores de contaminantes” es el segundo de los temas de este número de la revista a los que nos referimos, dentro del innovador rótulo Biología sintética, por Susan Cosier. La magnitud de los desechos contaminantes es para preocupar, como lo prueban algunos ejemplos que se desgranan a continuación y a los que se refiere el artículo[6]: la escorrentía que procede de la agricultura -que será tanto mayor cuantos más ciudadanos tengamos que comer y más caprichos gastronómicos algunos quieran satisfacer-; los productos farmacéuticos, cuyo volumen de nuevo será dependiente del tamaño de la población y de sus situaciones sanitarias en lo atinente a la salud física y mental: las drogas que apuntan en la misma dirección de preocupación por la relación entre costes y beneficios. Porque además todos ellos, a pesar de que tengan en sí mismos su origen en productos que aportan precio y valor, inciden muy negativamente sobre un bien tan preciado para la vida como es el agua, del que ahora se habla  que va a cotizar en bolsa[7], aunque de momento, nunca ha contado en el PIB, a pesar de que es fundamental para la vida y le afecta notablemente[8].

Un grupo de trabajo que lidera Julius Luck de la norteamericana Universidad del Noroeste ha desarrollado un sistema que permite analizar y cuantificar hasta 17 contaminantes[9] peligrosos para la salud ambiental, como el cobre, el plomo, los antibióticos, sobre la base de las propiedades que poseen proteínas de microorganismos para “dialogar” químico – biológicamente con diversos contaminantes. Un intenso trabajo bibliográfico ha permitido al grupo de investigación seleccionar una serie de proteínas que detectan e identifican ciertos de dichos contaminantes. A partir de la información obtenida se ha construido un sistema portátil con viales con soluciones que combinan fibras de ADN diseñadas de modo que contengan una secuencia a la que se une una proteína que detecta contaminantes y otra secuencia que emite fluorescencia cuando se activa. Las soluciones contienen además ARN polimerasa que sintetiza el ARN (expresión del ADN); por su parte la proteína unida al ADN cambia su conformación cundo se le une el contaminante para el que tiene un sitio específico de reconocimiento, cambio que facilita que la proteína se desprenda del ADN. De esta forma la ARN polimerasa puede desplazarse a lo largo del ADN generando la fluorescencia que tiñe de verde la muestra.

Detección de contaminantes mediante sondas fluorescentes de ADN. Fuente: Elaboración propia

Como puede deducirse a la vista de la complejidad del proceso es un éxito de la biología sintética. Es lo que confirma la investigadora de la Universidad de Boston Mary Dunlop, especialista en este novedoso campo interdisciplinar de la ciencia. Respecto a las aplicaciones en relación con el agua, la química Susan Richardson de la Universidad de Carolina del Sur, experta en estos temas, reconoce las promesas que ofrece esta prueba de concepto, pero admite que habría que apostar por aumentar la sensibilidad frente a los contaminantes para favorecer así su potencial de uso.

3- “Microbios que fabrican materiales” es el metafórico título del artículo que escribe Karen Kwon bajo el concepto de Bioingeniería. Están implicados microbios anaerobios, habitualmente responsables de interesantes descubrimientos científicos como se ha comentado, puesto que son rarezas biológicas en un planeta en cuyo aire los dos gases predominantes son el oxígeno (21%) y el nitrógeno (77%).

En un mundo tan hiperutilitarista como el que se ha configurado a lo largo de los últimos cincuenta años, la ciencia, para sobrevivir como institución ha tenido que hacer frente a ataques en relación con su utilidad. De ahí que se haya invocado mucho la innovación, con frecuencia sin saber lo que es, por parte de los decisores y estrategas económicos y se ha procurado esconder el concepto de política científica bajo el trinomio I+D+I, tan frío como el silicio que domina nuestras vidas.

El artículo que glosamos se hace eco de una publicación en Biointerphases[10] que persigue hacer más factible el proceso de síntesis de un compuesto, el disulfuro de molibdeno (MoS2 ), que compite con el grafeno en resistencia y flexibilidad, como reconoce la principal autora del trabajo, Shayla Sawyer, ingeniera electrónica del Instituto Politécnico Rensselaer. Mientras el grafeno es un conductor, el MoS2 es un semiconductor por lo que su conductividad se puede modular por estímulos externos como la luz y es asimismo capaz de capturar microbios.

Sin embargo, las duras condiciones de temperatura y presión para su síntesis dificultaban su traslado a nivel comercial. Sawyer y su grupo han tratado de superar el problema recurriendo a una técnica basada en la respiración anaerobia de la bacteria facultativa Shewanella oneidensis: en la respiración en aire, la bacteria puede transferir electrones al oxígeno mientras que en ambientes anaerobios lo hace a ciertos compuestos metálicos. Tras un periodo de prueba y error para determinar las sustancias metálicas más adecuadas, el grupo del Instituto Rensselaer pudo cultivar las bacterias en un entorno casi anaeróbico, que respiraron transfiriendo los electrones a estos compuestos y generando nanoparticulas de disulfuro de molibdeno como subproducto.

Micrografía electrónica de Shewanella oneidensis: Fuente: ETHZurich (https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2014/02/moorboden.html)

Zhi Li, experto ajeno al proyecto, ingeniero de materiales de la Universidad de Alberta, ha reconocido el valor de un nuevo método de síntesis a temperatura ambiente de este semiconductor, si bien ha advertido que para su traslación como material fiable a productos y dispositivos electrónicos se debe poder controlar la uniformidad del patrón repetitivo que crean los átomos. En todo caso, desde el laboratorio que dirige S. Sawyer se reafirma la esperanza que abren estas vías biológicas al futuro de la síntesis de materiales.

Reflexiones para un futuro distinto

Los casos presentados y procedentes de la revista Investigación y Ciencia son un reflejo de que como se afirmó hace meses ”estamos en el siglo de la biología”[11] y[12], dan fuerza asimismo a aspectos del Plan estratégico para la recuperación española tras la covid-19 que se propuso desde la AEAC con nuevas expectativas para el entorno de la economía circular y el desarrollo sostenible[13]. Por otro lado, los datos presentados pueden contribuir a profundizar en la necesidad de revisar indicadores económicos, con el PIB a la cabeza, para dar cabida en ellos a un nuevo paradigma económico y a elementos de alto valor añadido basados en el conocimiento científico, en detrimento de productos y servicios de dudoso valor social.

Los autores quieren expresar su agradecimiento a Jesús Rey Rocha, investigador del CSIC y miembro de la junta directiva de la AEAC por la lectura crítica del artículo y sus sugerencias para mejorarlo.

[1] E. Muñoz (2020). La situación de la ciencia en 2020: una visión interdisciplinar. Blog Dciencia. https://www.dciencia.es/la-situacion-de-la-ciencia-en-2020-una-vision-interdisciplinar/

[2] Smith E et al. (2020). Bioelectronic protein nanowire sensors for ammonia detection. Nano Research, 13: 1479-1484. https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-020-2825-6

[3] Liu et al., (2020). Power generation from ambient humidity using protein nanowires. Nature, 578: 550-554.

[4] Un caso moderno paradigmático es el relacionado con la tecnología CRISPR-Cas 9. Tan fuerte ha sido la estrategia competencial que se hacía difícil pensar que se otorgara un premio Nobel. La sorpresa ha sido el que se haya concedido este año, aunque la opción del Comité Nobel ha sido otorgarlo a las dos mujeres, Emmanuelle Charpertier y Jennifer Goudna, que han estado menos implicadas en estas batallas y que han apostado desde el principio por la cooperación más que por el conflicto.

[5] Los citocromos son proteínas de membrana que participan en el transporte de energía química y como catalizadoras en las reacciones de oxidación/reducción en todas las células vivas, gracias a su capacidad de transferir electrones.

[6] Curiosamente los desechos que se mencionan guardan relación con el PIB, ese indicador económico tan fundamental para la vida económica como cuestionable en términos de reflexión científica interdiscisplinar; por ello nos atrevemos a hablar de economía circular en los procesos en los que los microbios nos ayudan como estamos viendo en este texto.

[7] https://economipedia.com/actual/el-agua-cotiza-en-wall-street.html

[8] https://www.bancomundial.org/es/topic/water/overview

[9] Jung, J et al., (2020). Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants. Nature Biotechnology. 38: 1451-1459. https://www.nature.com/articles/s41587-020-0571-7

[10] Rees JD et al. (2020). Synthesis and characterization of molybdenum disulfide nanoparticles in Shewanella oneidensis MR-1 biofilms. Biointerphases, 15:041006. https://avs.scitation.org/doi/10.1116/6.0000199

[11] Emilio Muñoz, (2016). “¿Estamos ya en el siglo de la biología? Un análisis sobre sus impactos sociales y económicos, en Tendencias científico-tecnológicas. Retos, potencialidades y problemas sociales (J.F. Tezanos Tortajada, editor), págs.: 365-411, UNED, Editorial Sistema, Madrid.

[12] Emilio Muñoz (2019). Un recorrido por la biotecnología de la mano de Emilio Muñoz. Asebio. https://asebio.com/sites/default/files/2019-11/Libro%20Emilio%20Mu%C3%B1oz.pdf

[13] Emilio Muñoz, Victor Ladero y Jesús Rey. (2020). Plan estratégico de país: hacia la remisión de la huella social de la covid-19. Web AEAC. https://aeac.science/plan-estrategico-para-la-remision-de-la-huella-social/