En un mundo cada vez más afectado por el cambio climático, el impacto sobre el medio ambiente supone cambios drásticos en los diferentes ecosistemas que engloban el planeta Tierra. La pérdida de biodiversidad, las alteraciones meteorológicas, la escasez de recursos o la contaminación han incitado el desarrollo de tecnologías innovadoras para, a corto o largo plazo, resolver los desafíos que se presentan en la actualidad.
Una de las áreas más prometedoras es la conocida como biología sintética, una disciplina que permite diseñar y modificar microorganismos con intenciones muy diversas, adquiriendo funciones que pueden resolver cuestiones ambientales.
La biología sintética es un campo de investigación que combina la biología, ingeniería y tecnología para diseñar y crear nuevos organismos o modificar los ya existentes. La idea es simple: se pretende utilizar microorganismos como levaduras y bacterias para cumplir funciones de interés, a menudo implicadas con las necesidades humanas, como la elaboración de fármacos eficaces contra patologías, la optimización de la producción de alimentos o como una herramienta para mejorar la calidad de los suelos en el sector agrícola, entre otros objetivos.
En la agricultura, una de las interacciones más caracterizadas es la simbiosis (asociación de dos organismos de diferentes especies en la que, al menos, uno de ellos se beneficia) de las bacterias del género Rhizobium con especies de plantas de la familia de las leguminosas. Esta interacción planta-microorganismo-suelo mediada por estas bacterias, promueve la generación de nódulos en las raíces donde se da lugar la simbiosis con la planta, facilitando la asimilación de nitrógeno atmosférico, y nutriendo a la planta a cambio de azúcares y refugio. Su implementación como biofertilizante ha permitido reducir tanto el uso de fertilizantes sintéticos ricos en nitrógeno como otras prácticas agrícolas tradicionales, abaratando los costes y minimizando el impacto medioambiental, ya que el abuso de estos fertilizantes contamina los acuíferos. Es importante destacar que solamente el 30% del nitrógeno aportado a nivel agrícola es asimilado por las plantas. El 70% restante es lixiviado, contaminando acuíferos, ríos, y otros cuerpos de agua. En este contexto, esta interacción simbiótica es específica de un caso particular, las leguminosas, y su estudio en la biología sintética ha permitido que este grupo de microorganismos sea capaz de poder interaccionar tanto con especies vegetales de interés agronómico (como el maíz, el arroz o el trigo) como con especies relevantes en el sector ganadero, como Agrostis stolonifera que se utiliza para el ganado de forraje. Aunque por su tamaño una bacteria pueda parecer insignificante, a grandes escalas Rhizobium se podría convertir en una herramienta con mucho potencial en la optimización de recursos y en la mejora en el rendimiento de los cultivos.
Efecto de la inoculación de Rhizobium en plantas superiores. (A) Formación de inóculos en soja. (B) Comparación de plantas control y plantas inoculadas con Rhizobium en la especie vegetal Agrostis stolonifera. Las imágenes fueron obtenidas de https://www.istockphoto.com/ y https://research.rutgers.edu/.
En 1998, una balsa de residuos tóxicos de una mina de pirita (cobre y zinc, y otros elementos) se rompió en la región de Aznalcóllar (Sevilla), provocando el vertido de millones de metros cúbicos de lodos y agua ácidas en el Corredor Verde del Río Guadiamar, afectando desde su nacimiento en la provincia de Sevilla, hasta su prolongación con el río Guadalquivir y su desembocadura entre la provincia de Huelva y Cádiz. Este accidente afectó gravemente a la fauna y la flora de los ecosistemas de esta amplia zona.
Desde aquel año se han llevado a cabo numerosas tareas de limpieza y recuperación de suelos, y se aplicaron enmiendas orgánicas que tuvieron un efecto positivo limitando la acumulación de tales elementos en las plantas herbáceas. Durante estos años, varios grupos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) de la provincia de Sevilla (Estación Biológica de Doñana, EBD; y el Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla, IRNAS) se han centrado en las relaciones de las plantas con el suelo estudiando la acumulación de elementos traza y metales pesados en plantas superiores: herbáceas de la zona, y árboles y arbustos empleados durante la reforestación. Se han observado valores significativos de acumulación de cadmio (Cd) y zinc (Zn) en árboles adultos como el álamo blanco (Populus alba L. subsp. alba) y el sauce (Salix alba L. y Salix atrocinerea Brot.). Respecto a las herbáceas, se ha observado que las plantas de la familia Brasicáceas (conocidas como rábano, rabanillo, o jaramagos) acumulan talio (Tl) en las estructuras reproductoras a unos niveles muy altos, aunque depende de la humedad del suelo; y en plantas de la familia Plantagináceas se acumulan altas concentraciones de arsénico (As), plomo (Pb) y talio (Tl) en las hojas y espigas florales.
El empleo de microorganismos y de la biología sintética en las enmiendas sobre desastres naturales es otra de las alternativas que se están llevando a cabo, no solamente en este caso del Guadiamar sino en otros conocidos desastres ambientales, como las excesivas emisiones de gases contaminantes, la eliminación o absorción de residuos como los metales pesados para su posterior eliminación del medio, o la reparación en vertidos petrolíferos.
Aplicación de la biología sintética en la contaminación ocasionada por un accidente medioambiental. (A) Manipulación genética de la bacteria gram negativa Cupriavidus necator para acumular metales pesados (abajo) en comparación con su control. Imagen tomada de Ferreira et al. (2018); (B) Fotografía de la rotura de la balsa de lodos de la mina de Aznalcóllar (1998), tomada de Franco-Navarro (2020).
Aunque la biología sintética ha avanzado exponencialmente en las últimas décadas, y existan tanto especies vegetales como microorganismos modificados genéticamente para poder paliar con gran eficacia con el daño generado por los vertidos, su uso en biorremediación no se acepta como una práctica estándar en Europa, además de que en esas fechas (hace casi 30 años) las tecnologías no estaban tan desarrolladas y no se presentaban como una solución efectiva. A día de hoy, se conocen microorganismos capaces de acumular y metabolizar compuestos como los que componen los lodos en el caso mencionado como es Cupriavidus necator, una bacteria gram negativa presente en los suelos capaz de crecer en entornos aerobios y anaerobios. Pese a que puede vivir utilizando hidrógeno o compuestos orgánicos como fuente de energía, se ha manipulado genéticamente para poder ser capaz de acumular en su interior grandes cantidades de Cd, Plomo (Pb), Cobre (Cu) y Zn, metales pesados cuya eliminación de los suelos no es tarea fácil y requiere de décadas de trabajo en la recuperación de las zonas afectadas. Curiosamente, esta bacteria, al igual que otras, tiene la capacidad de integrar en su interior vesículas con compuestos orgánicos presentes en el entorno, y al utilizarla cuando hay presencia de metales pesados, es capaz de acumularlos eficientemente en su interior.
Por lo tanto, el conocimiento de familias de microorganismos y su naturaleza pueden dar a conocer funciones o bases moleculares que pueden ser la base de futuras estrategias para combatir desafíos medioambientales de diferente índole, siendo estos organismos “no visibles” piezas clave que pueden hacer posible un mundo más sostenible.
