Biologia Molecular Mexico

Introducción La producción mundial de plásticos supera los 400 millones de toneladas anuales, la mayoría derivada de procesos petroquímicos que contribuyen a la crisis climática y la contaminación ambiental. Los plásticos biodegradables y basados en síntesis biológica representan una alternativa prometedora. En este contexto, un grupo de investigadores ha logrado un avance importante al desarrollar poli(éster-amidas) (PEAs) mediante biosíntesis en Escherichia coli, utilizando rutas metabólicas diseñadas artificialmente, un gran paso para la biología sintética.

¿Qué son los PEAs? Los poli(éster-amidas) son polímeros que combinan enlaces éster y amida en su estructura, otorgándoles las propiedades térmicas y mecánicas superiores de las poliamidas, junto con la biocompatibilidad y biodegradabilidad de los poliésteres. Tradicionalmente, los PEAs se obtienen por síntesis química, pero este proceso es costoso y poco sostenible.

El reto biotecnológico El equipo de investigación diseñó una vía metabólica inexistente en la naturaleza para que E. coli pudiera sintetizar PEAs. La estrategia consistió en activar aminoácidos mediante una enzima transferasa (Act, que trasnfiere beta alanina) para formar aminoacil coenzima A o CoA, y después utilizar la enzima PHA sintasa (PhaC) para polimerizarlos junto a hidroxiacil-CoA. Sorprendentemente, PhaC mostró gran versatilidad, permitiendo la incorporación de monómeros de aminoácidos no proteicos como 3-aminopropionato (3AP), 4-aminobutirato (4AB), y otros.

Expandiendo el repertorio de monómeros No solo se logró incorporar monómeros individuales, sino también combinaciones de varios aminoácidos. Se identificaron y biosintetizaron PEAs que contenían mezclas de 3AP, 3AB (3-aminobutirato), y 3AIB (3-aminoisobutirato), lo que demuestra la flexibilidad de este sistema biológico y que mejora las propiedades del polímero para aplicaciones especiales, como una disminución en su temperatura de fusión así como su cristalinidad o resistencia.

Producción a partir de glucosa Uno de los logros más notables fue la producción de PEAs directamente a partir de glucosa, sin necesidad de suministrar precursores específicos. Esto se logró mediante ingeniería metabólica adicional, introduciendo genes de otras bacterias para incrementar la formación intracelular de los monómeros deseados.

Optimización y escalamiento La fracción de monómeros de aminoácidos en los polímeros era inicialmente baja, pero mediante la optimización de condiciones de cultivo (como el tipo de medio y concentración de precursores) y la ingeniería de la enzima PhaC, se incrementó significativamente. En fermentación a escala de biorreactor (6.6 L), se alcanzó una producción de hasta 54.5 g/L de PEAs, demostrando la viabilidad industrial.

Propiedades físicas y mecánicas Los PEAs obtenidos mostraron propiedades interesantes: a medida que aumentaba la fracción de monómeros de aminoácidos, la temperatura de fusión y la cristalinidad disminuían, facilitando el procesamiento industrial. Además, la resistencia a la elongación mejoró en comparación con los poliésteres análogos, lo cual es crucial para aplicaciones en las que se requieren materiales más flexibles.

Potencial y aplicaciones futuras Este desarrollo abre la puerta a la producción de una gama amplia de PEAs con propiedades ajustables según las necesidades. Las aplicaciones potenciales incluyen envases biodegradables, biomateriales para ingeniería de tejidos y sistemas de liberación controlada de fármacos.

Conclusión La biosíntesis de poli(éster-amidas) en E. coli representa un avance significativo hacia la producción sostenible de plásticos. La flexibilidad de este sistema y su capacidad de ser expandido con nuevas rutas metabólicas ofrecen un futuro prometedor para la biotecnología y la ingeniería de materiales.

Referencia

Chae, T. U., et al. (2025). Biosynthesis of poly(ester amide)s in engineered Escherichia coli. Nature Chemical Biology. https://doi.org/10.1038/s41589-025-01842-2