Durante cientos de millones de años, las plantas han tenido la capacidad de aprovechar el dióxido de carbono del aire utilizando energía solar. La red de investigación Max Planck MaxSynBio está en camino de construir células artificiales como biorreactores verdes sostenibles. Un equipo de investigación de Max Planck dirigido porTobias Erb, del Instituto de Microbiología Terrestre de Marburgo, ha logrado desarrollar una plataforma para la construcción automatizada de módulos de fotosíntesis del tamaño de una célula. Los cloroplastos artificiales son capaces de unir y convertir el dióxido de carbono del gas de efecto invernadero utilizando energía luminosa.
Durante miles de millones de años, los microorganismos y las plantas evolucionaron el proceso notable que conocemos como fotosíntesis. La fotosíntesis convierte la energía solar en energía química, proporcionando así a la vida en la Tierra alimentos y oxígeno. Los compartimentos celulares que albergan las máquinas moleculares, los cloroplastos, sonprobablemente los motores naturales más importantes en la tierra. Muchos científicos consideran que la reconstrucción artificial y el control del proceso fotosintético son el "proyecto Apolo de nuestro tiempo". Significaría la capacidad de producir energía limpia: combustible limpio, compuestos de carbono limpios como antibióticos yotros productos simplemente de luz y dióxido de carbono.
¿Pero cómo construir una célula fotosintética viva desde cero? La clave para imitar los procesos de una célula viva es lograr que sus componentes trabajen juntos en el momento y lugar correctos. En la Sociedad Max Planck, este ambicioso objetivo se persigue enuna red interdisciplinaria de múltiples laboratorios, la red MaxSynBio. Ahora el equipo de investigación de Marburg dirigido por el director Tobias Erb ha logrado crear con éxito una plataforma para la construcción automatizada de compartimentos fotosintéticamente activos del tamaño de células, "cloroplastos artificiales", que pueden capturar yConvierta el dióxido de carbono del gas de efecto invernadero en luz.
La microfluídica se une a la biología sintética
Los investigadores de Max Planck utilizaron dos desarrollos tecnológicos recientes: la primera biología sintética para el diseño y la construcción de nuevos sistemas biológicos, como las redes de reacción para la captura y conversión de dióxido de carbono, y la segunda microfluídica, para el ensamblaje de materiales blandos, como gotas del tamaño de una celda. "Primero necesitábamos un módulo de energía que nos permitiera potenciar las reacciones químicas de manera sostenible. En la fotosíntesis, las membranas de cloroplasto proporcionan la energía para la fijación del dióxido de carbono, y planeamos explotar esta capacidad".Tobias Erb explica.
El aparato de fotosíntesis aislado de la planta de espinacas demostró ser lo suficientemente robusto como para ser utilizado para impulsar reacciones individuales y redes de reacción más complejas con luz. Para la reacción oscura, los investigadores usaron su propio módulo metabólico artificial, el ciclo CETCH.Consiste en 18 biocatalizadores que convierten el dióxido de carbono de manera más eficiente que el metabolismo del carbono que ocurre naturalmente en las plantas. Después de varias rondas de optimización, el equipo logró la fijación controlada por luz del dióxido de carbono del gas de efecto invernadero in vitro.
El segundo desafío fue el ensamblaje del sistema dentro de un compartimento definido en una microescala. Con vistas a futuras aplicaciones, también debería ser fácil automatizar la producción. En cooperación con el laboratorio de Jean-Christophe Baret en el Centre de Recherché PaulPascal en Francia, los investigadores desarrollaron una plataforma para encapsular las membranas semisintéticas en gotitas similares a células.
Más eficiente que la fotosíntesis de la naturaleza
La plataforma microfluídica resultante es capaz de producir miles de gotas estandarizadas que pueden equiparse individualmente de acuerdo con las capacidades metabólicas deseadas. "Podemos producir miles de gotas equipadas de forma idéntica o podemos dar propiedades específicas a las gotas individuales", dijo Tarryn Miller,autor principal del estudio "Estos pueden ser controlados en el tiempo y el espacio por la luz".
A diferencia de la ingeniería genética tradicional en organismos vivos, el enfoque de abajo hacia arriba ofrece ventajas decisivas: se enfoca en un diseño mínimo y no está necesariamente vinculado a los límites de la biología natural ". La plataforma nos permite realizar soluciones novedosas quela naturaleza no ha explorado durante la evolución ", explica Tobias Erb. En su opinión, los resultados tienen un gran potencial para el futuro. En su estudio, los autores pudieron demostrar que equipar el cloroplasto artificial con las nuevas enzimas y reacciones resultó en una unióntasa de dióxido de carbono que es 100 veces más rápida que los enfoques biológicos sintéticos anteriores ". A largo plazo, los sistemas similares a la vida podrían aplicarse a prácticamente todas las áreas tecnológicas, incluidas la ciencia de los materiales, la biotecnología y la medicina. Solo estamos al comienzo deeste desarrollo emocionante ". Además, los resultados son un paso más hacia la superación de uno de los mayores desafíos del futuro: las concentraciones cada vez mayores of dióxido de carbono atmosférico.
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Materiales proporcionado por Max-Planck-Gesellschaft . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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