Convierten electricidad en combustible que alimenta células del cuerpo

El ATP generado con energía renovable podría usarse para fabricar proteínas y medicamentos.

Las centrales eléctricas queman incesantemente combustibles fósiles para convertir en electricidad la energía solar almacenada por las plantas hace eones.

Pero ir en la otra dirección (convertir la electricidad en una forma de energía biológicamente útil) ha sido mucho más difícil.

Ahora, sin embargo, un esquema químico simple puede convertir la energía eléctrica en trifosfato de adenosina (ATP), el combustible químico utilizado por todas las células, informa un equipo de investigación.

Con este proceso, la electricidad procedente de fuentes renovables podría algún día alimentar biofábricas para fabricar de todo, desde suplementos proteicos hasta medicamentos.

“Esto es realmente emocionante“, afirma Michael Jewett, bioingeniero de la Universidad de Stanford.

“Este nuevo enfoque aprovecha los procesos biológicos para llevar a cabo funciones que la naturaleza nunca necesitó, pero que podrían beneficiar a la sociedad“.

Dentro de las células de las plantas, unos orgánulos llamados cloroplastos utilizan la luz solar para generar ATP como parte del proceso de fotosíntesis.

Luego, el ATP impulsa innumerables reacciones esenciales para el metabolismo.

Cuando se utiliza una molécula de ATP, se le quita uno de sus grupos fosfato, creando difosfato de adenosina o ADP.

Luego, el ADP se recicla y se alimenta con más energía capturada para regenerar el ATP.

Los animales herbívoros queman glucosa para impulsar este mismo ciclo, que ocurre unos 10 millones de veces por segundo en cada célula.

Los biotecnólogos industriales aprovechan este ciclo aprovechando microbios especialmente criados o modificados para fabricar de todo, desde biocombustibles hasta productos farmacéuticos.

Un proceso generalmente comienza con el cultivo de plantas para producir azúcar u otros alimentos que puedan alimentarse a levaduras, Escherichia coli u otros microbios industriales.

Los microbios utilizan los alimentos para generar ATP que impulsa las reacciones bioquímicas deseadas.

Pero las plantas normalmente sólo convierten el 1% de la energía de la luz solar en azúcares u otros compuestos, por lo que dichos procesos son ineficientes.

Por el contrario, las células solares suelen convertir el 20% o más de la energía de la luz solar en electricidad.

Dada esa disparidad, Tobias Erb, biólogo sintético del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre, y sus colegas buscaron una manera de convertir la electricidad en ATP de manera más directa.

Otros lo habían intentado antes. En 2016, investigadores en España lo hicieron orientando con precisión copias de una enzima generadora de ATP, llamada ATP sintasa, en una membrana adyacente a un electrodo.

El enfoque funcionó en el laboratorio, pero parecía demasiado complejo para ser práctico, dice Erb.

El equipo de Erb se propuso idear un enfoque más simple, creando el “ciclo AAA” en el que cuatro enzimas en solución aprovechan la electricidad y la utilizan para convertir el ADP, añadido como reactivo, en ATP.

La clave del proceso, dice Erb, es una enzima que contiene tungsteno llamada aldehído ferredoxina oxidorreductasa (AOR) que se aisló de una bacteria hace apenas 9 años.

AOR no puede convertir directamente ADP a ATP.

Más bien actúa un poco como un motor para impulsar el proceso.

“AOR es un convertidor de energía”, afirma Erb.

AOR toma pares de electrones de un electrodo y los usa para agregar un enlace químico rico en energía a un compuesto inicial llamado propionato, convirtiéndolo en propionaldehído.

Luego, otras enzimas modifican aún más esa sustancia química, hasta que una enzima final rehace el compuesto inicial, reiniciando el ciclo mientras libera la energía en el enlace.

“Este proceso libera energía que se utiliza para generar ATP“, afirma Shanshan Luo, investigador postdoctoral en el instituto Max Planck y autor principal del estudio.

Luego, el equipo utilizó este ATP para impulsar la conversión de ADN en ARN y proteínas en una configuración libre de células, un resultado que informaron la semana pasada en Joule.

“El ciclo AAA simple es un enfoque inteligente y elegante… que es mucho más simple que la forma en que la biología produce ATP de forma natural“, dice Drew Endy, biólogo sintético de Stanford. Podría ser una tecnología habilitadora para el campo emergente de la electrobiosíntesis, que se centra en el uso de la electricidad para impulsar el crecimiento de todo, desde alimentos hasta productos farmacéuticos, añade.

“Es difícil para mí exagerar la importancia de esta posibilidad“, dice Endy.

Sin embargo, es necesario mejorar el ciclo AAA. En solución, el AOR sobrevive sólo aproximadamente 1 hora.

Pero Erb dice que su equipo ya está intentando desarrollar enzimas más estables y protegerlas dentro de un gel que pueden unir a un electrodo.

Si cualquiera de los dos tiene éxito, los bioingenieros pronto podrían tener una nueva forma de impulsar los procesos de producción.

Fuente: Science