Toda la vida en el planeta depende, de una forma u otra, de un proceso llamado fijación de carbono: la capacidad de las plantas, algas y ciertas bacterias para "bombear" dióxido de carbono CO 2 del medio ambiente, agregue energía solar u otra energía y conviértala en los azúcares que son el punto de partida requerido para los procesos de la vida.En la parte superior de la cadena alimentaria hay diferentes organismos algunos de los cuales piensan, erróneamente, que están "más avanzados" que usan los medios opuestos de supervivencia: comen azúcares hechos por plantas y microorganismos fotosintéticos y luego liberan dióxido de carbono.en la atmósferaEste medio de crecimiento se llama "heterotrofismo".Los seres humanos son, por supuesto, heterótrofos en sentido biológico porque los alimentos que consumen se originan en los procesos de fijación de carbono de los productores no humanos.
¿Es posible "reprogramar" un organismo que se encuentra más arriba en la cadena alimentaria, que consume azúcar y libera dióxido de carbono, para que consuma dióxido de carbono del medio ambiente y produzca los azúcares que necesita para desarrollar su masa corporal?Eso es exactamente lo que hizo recientemente un grupo de investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann. El Dr. Niv Antonovsky, quien dirigió esta investigación en el laboratorio del Prof. Ron Milo en el Departamento de Ciencias Ambientales y Vegetales del Instituto, dice que la capacidad de mejorar la fijación de carbono es crucial paranuestra capacidad para hacer frente a desafíos futuros, como la necesidad de suministrar alimentos a una población en crecimiento en la reducción de los recursos de la tierra mientras se utiliza menos combustible fósil.
Los científicos del Instituto aceptaron este desafío al insertar la vía metabólica para la fijación de carbono y la producción de azúcar el llamado ciclo de Calvin en la bacteria E. coli , un conocido organismo "consumidor" que come azúcar y libera dióxido de carbono.
La vía metabólica para la fijación de carbono es bien conocida, y Milo y su grupo consideraron que, con una planificación adecuada, podrían unir los genes que contienen la información para construirlo en el genoma de la bacteria. Sin embargo, la enzima principal utilizada en las plantaspara fijar el carbono, RuBisCO, utiliza como sustrato para el CO 2 reacción de fijación de un metabolito que es tóxico para las células bacterianas. Por lo tanto, el diseño tenía que incluir la regulación precisa de los niveles de expresión de los diversos genes a través de esta ruta de varios pasos.
En cierto modo, el plan bien pensado del equipo fue un éxito rotundo: las bacterias efectivamente produjeron las enzimas de fijación de carbono, y éstas eran funcionales. Pero la maquinaria, en su conjunto, no "entregó los productos". Inclusoaunque se expresó la maquinaria de fijación de carbono, las bacterias no utilizaron CO2 para la síntesis de azúcar, sino que se basaron en un suministro externo de azúcar. "Por supuesto, estábamos tratando con un organismo que ha evolucionado durante millones de años para comer azúcar, no CO 2 ", dice Antonovsky." Entonces recurrimos a la evolución para ayudarnos a crear el sistema que pretendíamos ".
Antonovsky, Milo y el equipo, incluidos Shmuel Gleizer, Arren Bar-Even, Yehudit Zohar, Elad Herz y otros, luego diseñaron tanques llamados "quimiostatos", en los que cultivaron la bacteria, empujándolos gradualmente para desarrollar un apetito por el CO 2 . Inicialmente, junto con amplias burbujas de CO 2 a las bacterias en los tanques se les ofreció una gran cantidad de piruvato, que es una fuente de energía, así como apenas azúcar suficiente para sobrevivir. Por lo tanto, al cambiar las condiciones de su entorno y estresarlas, los científicos obligaron a las bacterias aaprenden, por adaptación y desarrollo, a usar el material más abundante en su entorno. Pasó un mes y las cosas se mantuvieron bastante estáticas. Las bacterias parecían no "captar la indirecta". Pero alrededor de un mes y medio, algunas bacteriasmostró signos de hacer algo más que "solo sobrevivir". Al tercer mes, los científicos pudieron eliminar las bacterias evolucionadas del azúcar y elevarlas con CO 2 y piruvato solo. El etiquetado de isótopos de las moléculas de dióxido de carbono reveló que las bacterias realmente estaban usando CO 2 para crear una porción significativa de su masa corporal, incluidos todos los azúcares necesarios para formar la célula.
Cuando los científicos secuenciaron los genomas de las bacterias evolucionadas, encontraron muchos cambios diseminados por los cromosomas bacterianos. "Eran completamente diferentes de lo que habíamos predicho", dice Milo. "Nos llevó dos años de duro trabajo entender quéde estos son esenciales y desentrañar la 'lógica' involucrada en su evolución ". Repetir el experimento y nuevamente esperar meses dio a los científicos pistas esenciales para identificar las mutaciones necesarias para cambiar el E. coli dieta de una basada en azúcar a otra usando dióxido de carbono.
Milo dijo: "La capacidad de programar o volver a diseñar E. coli arreglar el carbono podría dar a los investigadores una nueva caja de herramientas para estudiar y mejorar este proceso básico ". Aunque actualmente las bacterias liberan CO 2 de regreso a la atmósfera, el equipo imagina que en el futuro sus ideas podrían aplicarse para crear microorganismos que absorban el CO atmosférico 2 y convertirlo en energía almacenada o para lograr cultivos con vías de fijación de carbono, lo que resulta en mayores rendimientos y una mejor adaptación para alimentar a la humanidad.
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Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Weizmann . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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