Ing. Quím. Modesto Millán Ponce y Dr. Carlos Peña Malacara
Contacto: carlosf@ibt.unam.mx
No podemos imaginar nuestra vida en la actualidad sin los materiales plásticos. Estamos invadidos por plásticos de origen petroquímico que encontramos en todos lados: ya sea protegiendo alimentos y bebidas como materiales de empaque, en los electrodomésticos, e incluso en la ropa que usamos. Debido a la amplia variedad de propiedades de los materiales plásticos y a su versatilidad, éstos pueden utilizarse como reemplazo de materiales cerámicos y metálicos en la industria de la construcción, electrónica, automotriz y aeroespacial. El uso de plásticos tiene muchas ventajas, pero también un lado negativo: que una vez que cumplen su vida útil (que en algunos casos es de sólo pocas horas) pasan a ser desechos, donde su disposición final es el inicio de un problema ambiental, ya que únicamente una proporción (menos del 30 %) son reciclados o reutilizados. De hecho, la acumulación de materiales plásticos en ambientes marinos ocasiona que algunos animales acuáticos los ingieran ocasionando problemas en su desarrollo.
Una opción biológica y amigable con el ambiente para sustituir los materiales plásticos de origen petroquímico son aquellos que se elaboran usando compuestos alternativos, tales como los polihidroxialcanoatos (PHAs). Los PHAs son moléculas muy largas (llamadas polímeros) compuestas de ácidos hidroxialcanoicos (por ejemplo, el 3-hidroxibutirato) unidos por enlaces químicos denominados "éster", que son producidos por microorganismos como arqueas y bacterias a partir de fuentes renovables y que se acumulan en forma de gránulos o inclusiones dentro de las células. La principal característica que presentan estos polímeros microbianos o también llamados biopolímeros (por su origen biológico) es que son totalmente biodegradables. De hecho, en presencia de oxígeno, los polihidroxialcanoatos se descomponen relativamente rápido, generando sólo agua y dióxido de carbono (CO2); mientras que, en ausencia de oxígeno (ambientes anaeróbicos) se forma metano (CH4) y agua. Además, los PHAs son materiales compostables, lo que significa que una vez que finalizan su vida útil pueden ser reciclados como abonos orgánicos, ya que sirven como reservas energéticas para los microorganismos que los producen. Otra característica ventajosa que presentan los PHAs es que son materiales biocompatibles por lo que pueden emplearse en el área médica, como es la ingeniería de tejidos, en la que se usan como soporte para el crecimiento de células, como material para la encapsulación de fármacos o en la elaboración de prótesis que actualmente se elaboran de metales y pueden llegar a causar problemas de salud en los pacientes.
Existen más de 150 diferentes tipos de PHAs, de los cuales el más común es el poli-3-hidroxibutirato (PHB) que es un polímero lineal compuesto por moléculas de 3-hidroxibutirato. El poli-3-hidroxibutirato presenta propiedades termoplásticas similares al poliestireno y al polipropileno.
Dentro de las más de 300 especies bacterianas capaces de producir bioplásticos se encuentra Azotobacter vinelandii, que es una bacteria del suelo, no patógena (no causa enfermedades en humanos ni en plantas), y en la cual la cantidad de PHB que acumula en su interior puede representar hasta el 80 % de su peso. En nuestro grupo de investigación utilizamos esta bacteria como modelo de estudio para la producción de PHB y actualmente contamos con cepas genéticamente modificadas, capaces de acumular hasta el 90 % de su peso en forma de bioplástico. Generalmente, A. vinelandii acumula PHB cuando el oxígeno limita su crecimiento y bajo condiciones de exceso de compuestos de carbono, algo similar a lo que sucede en los humanos cuando comemos demasiado y no hacemos ejercicio (que es una manera de utilizar la energía que obtenemos de los alimentos), lo que ocasiona que en nuestro cuerpo se acumule la grasa como material de reserva energética. Podemos decir que el PHB en los micoorganismos es un polímero para almacenar carbono y energía.
Por ser el PHB un bioplástico constituido por unidades repetidas de un misma molécula (o "monómero" que es el nombre que se le da a las moléculas individuales que forman la cadena del polímero), el grado de polimerización (es decir, el número de veces que se repite el monómero) es lo que determina el tamaño o peso molecular de la cadena polimérica. Esto a su vez determina sus propiedades, de las cuales va a depender la aplicación del material. Por ejemplo, la velocidad de degradación, la elasticidad y la resistencia del material dependen del tamaño (peso molecular) de la cadena de PHB. Por ello es necesario entender qué factores del cultivo de la bacteria y bajo qué condiciones se favorece la producción de polímeros con diferentes pesos moleculares. Los microorganismos que producen PHB cuentan con enzimas que participan en la síntesis o formación del bioplástico, además de otras enzimas encargadas de degradar o cortar el PHB para obtener energía que se utiliza para mantener las funciones metabólicas de los microorganismos, cuando no existen nutrientes disponibles en su ambiente. De esta manera, el peso molecular del PHB depende de ambas etapas, tanto de su síntesis como de su degradación.
Recientemente en nuestro laboratorio, descubrimos que cuando cultivamos a la bacteria A. vinelandii en un fermentador en condiciones controladas de oxígeno disuelto, el peso molecular del bioplástico no depende de la cantidad de oxígeno presente en los cultivos. Si bien es cierto que la cantidad de PHB que acumula A. vinelandii aumenta en condiciones en las que el oxígeno es bajo, el peso molecular del PHB producido por la bacteria fue similar en condiciones de cultivo tanto de falta como de exceso de oxígeno. Además, descubrimos que el peso molecular del PHB es dependiente de la edad del cultivo; es decir, mientras la bacteria se encuentra en la fase de crecimiento, especialmente la enzima de síntesis (llamada "sintasa") encargada de unir monómeros a la cadena de biopolímero, se encuentra muy activa, lo que ocasiona que se formen cadenas muy largas de PHB. Sin embargo, después de varias horas de que la bacteria ha estado creciendo, las enzimas que cortan el PHB (llamadas "depolimerasas") se vuelven más activas, ocasionando la degradación del biopolímero y dan como resultado cadenas de menor tamaño.
Lo anterior demuestra que el tamaño final de las moléculas de PHB depende del balance de la actividad de las enzimas encargadas tanto de unir como de cortar las cadenas del biopolímero.
Es importante señalar que un biopolímero de mayor tamaño no es necesariamente mejor que uno de menor tamaño, ya que todo depende de la aplicación que se le dé al material. Por ejemplo, para elaborar un hilo de sutura que se usa en el área médica, requerimos que sea degradado en pocos días, mientras ocurre la cicatrización de la herida. Por el contrario, para elaborar una pró- tesis que será implantada en un paciente, requerimos que el biopolímero se degrade muy lentamente dentro del paciente (en años) para dar tiempo que el organismo regenere la parte afectada. Aún falta mucha investigación por realizar, pero el entender los procesos que ocurren en una bacteria productora de PHB permitirá diseñar estrategias de cultivo para generar polímeros con diferentes características que puedan cubrir diferentes áreas de aplicación. Con estos hallazgos es posible definir cuándo se debe detener el proceso para cosechar las bacterias y recuperar el bioplástico que acumularon en su interior durante su crecimiento, dependiendo de la aplicación deseada para el material.