Las plantas de biogás tiene la virtud de resolver varios problemas al mismo tiempo. Cuando residuos orgánicos, como la basura urbana, los lodos cloacales, o el estiércol ganadero se descomponen, liberan metano, un gas potente gas de efecto invernadero. Capturarlo evita que llegue a la atmósfera y, al utilizarlo para generar energía permite también sustituir combustibles fósiles.
Ese camino ya es bastante conocido. Tanto la Asociación Mundial del Biogás (WBA), como la Agencia Internacional de la Energía (IEA), estiman que el mundo existen alrededor de 130.000 a 150.000 plantas operativas a escala industrial.
Pero ahora, un grupo de investigadores de la Universidad de California, Davis (UC Davis), junto con la empresa Mango Materials, quieren explorar una alternativa diferente que va mas allá de convertir los residuos en una fuente de energía. En vez de utilizar el metano como combustible, busca emplearlo como materia prima para fabricar plásticos biodegradables. Si el proyecto tiene éxito, el mismo gas que hoy alimenta motores o calderas también podría convertirse en un insumo para la industria.
Una bacteria capaz de transformar un gas en plástico
La propuesta busca capitalizar la capacidad que tienen algunos microorganismos que existen en la naturaleza.
Algunas bacterias, llamadas metanotróficas, viven consumiendo metano. Lo utilizan como fuente de carbono y de energía para crecer. Cuando disponen de más carbono del que necesitan en ese momento, almacenan el excedente dentro de sus células en forma de polihidroxialcanoatos (PHA), una familia de polímeros naturales que les sirve como reserva de carbono y energía.
Desde hace algunas décadas, esos mismos polímeros comenzaron a utilizarse para fabricar bioplásticos completamente biodegradables, aptos para producir envases, fibras textiles y una amplia variedad de artículos.
La idea, entonces, consiste en cultivar estas bacterias utilizando metano como alimento y, una vez que acumularon suficiente PHA, recuperar ese material para transformarlo en pellets que puedan utilizar las industrias que procesan plásticos.
El desafío aparece cuando hay que sacar el plástico de la bacteria
Sobre el papel, el proceso resulta atractivo. El inconveniente aparece en el paso siguiente.
El plástico queda almacenado dentro de las bacterias. Para poder utilizarlo es necesario abrir esas células, separar el PHA de proteínas y otros componentes biológicos, purificarlo y acondicionarlo para su uso industrial.
Es justamente esa etapa la que concentra una parte importante de los costos de producción.
Por ese motivo, el equipo encabezado por Yi Wang, profesor de Ingeniería Biológica y Agrícola de UC Davis, está buscando modificar genéticamente estos microorganismos para que el PHA pueda recuperarse de una manera más simple, consumiendo menos energía, menos insumos y menos tiempo. Para lograrlo desarrollarán herramientas de edición genética basadas en CRISPR, adaptadas específicamente a este tipo de bacterias.
En biotecnología industrial, lo habitual, es que la ingeniería genética apunte a que los microorganismos fabriquen más producto. Wang propone otra cosa, diseñar las células pensando desde el inicio en cómo se va a recuperar lo que producen. De acuerdo con el investigador, ese criterio permitiría depender menos de equipos de alto consumo energético o de purificaciones intensivas en químicos y acercar los bioproductos a la paridad de costos con los convencionales.
Del laboratorio a una planta piloto
Las bacterias desarrolladas en la universidad serán evaluadas por Mango Materials, una empresa californiana que desde hace años trabaja en la producción de bioplásticos a partir de metano residual.
Mango Materials hasta ahora no ha experimentado con el uso de organismos genéticamente modificados. La empresa obtiene sus bacterias productoras de PHA por selección natural e instala sus fábricas junto a fuentes de metano residual, como plantas de tratamiento de aguas residuales o establecimientos agropecuarios, de modo que aprovecha un gas que de otra forma se perdería y abarata el abastecimiento de su materia prima.
Los PHA extraídos se convierten luego en pellets de polímero que entran en las cadenas de suministro de la industria plástica sin que los transformadores tengan que cambiar sus equipos.
Los ensayos comenzarán en cultivos de laboratorio y luego avanzarán hacia fermentadores de mayor tamaño hasta llegar a un biorreactor de 5.000 litros instalado junto a una planta de tratamiento de aguas residuales.
En cada etapa la empresa medirá cuánto crecen las bacterias, cuánto PHA producen y cómo se comportan en el procesamiento aguas abajo. Con esos datos, el equipo de Wang ajustará las siguientes modificaciones genéticas, en un ida y vuelta permanente entre el laboratorio y la planta piloto. La compañía también estudiará el impacto económico y ambiental de incorporar metanótrofas modificadas a su proceso.
El proyecto recibe fondos de la National Science Foundation, la agencia federal que financia la investigación científica básica en el país, y de BioMADE, un instituto de la red Manufacturing USA dedicado a construir un ecosistema nacional de manufactura bioindustrial.
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Formación de recursos humanos para la bioindustria
Los estudiantes que participen del proyecto trabajarán en el pasaje de los resultados de laboratorio a un entorno productivo real, una experiencia que BioMADE considera clave para un sector que, según sus estimaciones, podría sostener al menos un millón de empleos en Estados Unidos hacia 2030 y que necesitará graduados formados tanto en la ciencia como en las condiciones concretas de la biomanufactura.
“Colaborar con empresas realmente te abre los ojos”, contó Wang. “Hacemos mucha investigación básica, pero el objetivo final es fabricar cosas útiles que beneficien a las personas.”
La primera tarea del equipo será desarrollar las herramientas CRISPR-Cas adaptadas a las metanótrofas y obtener la primera tanda de cepas modificadas, que Mango Materials comenzará a evaluar en cultivos de pequeña escala antes de llevarlas al biorreactor conectado a la planta de tratamiento.
