El tratamiento de aguas residuales puede convertirse en una rentable fábrica de fertilizantes en un futuro próximo.
Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), la Universidad de California, Irvine, y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC) utilizaron la biología para convertir la orina humana en un producto valioso. El equipo modificó genéticamente la levadura para obtener elementos presentes en la orina y crear hidroxiapatita, un mineral de calcio y fósforo que los humanos y otros animales producen naturalmente para la formación de huesos y dientes.
Producida a escala industrial, la hidroxiapatita se utiliza en cirugía y odontología para reparar estructuras rotas, y su ligereza, resistencia y rigidez la convierten en un excelente candidato como material de construcción e incluso como sustituto de algunos tipos de plástico.
Su trabajo, publicado recientemente en la revista Nature Communications, no sólo ofrece una forma rentable de producir hidroxiapatita, sino también un mecanismo práctico para reducir los costos de tratamiento de aguas residuales, una forma energéticamente eficiente de producir fertilizantes y abre la puerta a otras tecnologías basadas en levadura que pueden crear materiales útiles a partir de minerales extraídos.
La estrella del espectáculo es la cepa de Saccharomyces boulardii del equipo , una levadura estrechamente relacionada con las especies utilizadas para elaborar cerveza y hornear pan. A S. boulardii le gusta absorber minerales de su entorno y almacenarlos en un compartimento especial de membrana.
Los coautores Yasuo Yoshikuni, director del programa de síntesis de ADN en el Instituto Conjunto del Genoma (JGI), y Peter Erzius, científico investigador del Centro Nacional de Microscopía Electrónica y Molecular Foundry, un centro de investigación en nanotecnología, estaban explorando formas de crear biomateriales funcionales utilizando microbios cuando se dieron cuenta de que S. boulardii realiza naturalmente funciones similares a los osteoblastos, células animales especializadas que producen hidroxiapatita y forman el hueso.
JGI y Molecular Foundry son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicadas en el Laboratorio Berkeley.
“Lo más interesante es que estas levaduras ya contaban con mecanismos moleculares similares. Bastaron con una pequeña modificación para convertirlas en una fábrica celular de hidroxiapatita”, explicó Yoshikuni, especialista en ingeniería microbiana para la fabricación de combustibles, productos químicos y materiales en el JGI.
El organismo resultante, denominado “osteoyster”, imita con éxito a los osteoblastos, cuyo cultivo extracorpóreo es extremadamente difícil y costoso, a la vez que mantiene el estilo de vida de bajo mantenimiento de la levadura. Desde el principio, la osteolevadura representó una gran rentabilidad, permitiendo una producción de hidroxiapatita más económica. Pero el equipo vio la oportunidad de generar un mayor impacto global con su invención utilizando la orina como fuente de minerales, inspirados por una nueva tendencia en biotecnología acertadamente llamada “ciclado urinario”.
Es justo lo que uno se imagina. Se intenta recolectar la orina antes de que se eche por el desagüe para poder utilizar el amoníaco y el fosfato que contiene en la agricultura y otros fines. Estos componentes causan problemas ambientales cuando las aguas residuales terminan en el paisaje o en el océano, por lo que las plantas de tratamiento de aguas residuales ya gastan mucho dinero en neutralizarlas. La idea es: ¿por qué no usarla?, explica el autor Behzad Rad, científico principal de ingeniería en la División de Nanoestructuras Biológicas de Molecular Foundry.
Hasta ahora, esto no se ha adoptado ampliamente, afirma Yoshikuni, porque el costo del amoníaco y el fosfato es tan bajo que no hay incentivos financieros para invertir en nueva infraestructura a gran escala que pueda extraer estos ingredientes. Pero la osteolevadura ahora puede producir hidroxiapatita valiosa a partir del fósforo (y el calcio) en la orina. Y, convenientemente, los microbios también recogen sales de amoníaco en sus compartimentos de membrana.
“Hoy en día, utilizamos aproximadamente el 1% de la energía mundial para producir fertilizantes nitrogenados. Si pudiéramos producir tanto hidroxiapatita como fertilizantes nitrogenados a partir de amoníaco, podríamos reemplazar una parte significativa de la demanda total de nitrógeno, ahorrando energía y reduciendo drásticamente los costos de las plantas de tratamiento de aguas residuales”, añadió el investigador.
Una parte clave del proyecto fue confirmar que la osteolevadura realizaba todos los pasos para producir hidroxiapatita. Los resultados iniciales mostraron que el proyecto fue un éxito temprano cuando Isaac Muller y Alex Lin, dos investigadores postdoctorales del Laboratorio Berkeley y coautores del artículo, detectaron hidroxiapatita en el cultivo, pero los científicos no encontraron material cristalino dentro de la levadura.
Pudieron observar gránulos minerales a escala nanométrica ensamblados dentro de las células, pero no estaban seguros de si se trataba de levadura completando el proceso de formación de cristales o si se estaba produciendo una reacción química independiente fuera de las células. Esta parte del proyecto fue dirigida por Ercius y Rad, utilizando herramientas de Molecular Foundry.
Rad utilizó cepas de levadura marcadas con diminutas proteínas y elementos fluorescentes para observar los ingredientes cosechados por la levadura mediante microscopía óptica, mientras que Ercius empleó microscopía electrónica de transmisión (MET) para garantizar que los gránulos formados en la membrana de almacenamiento tuvieran la misma composición que la hidroxiapatita. Al combinar estas técnicas, pudieron rastrear todo el proceso. Ercius también utilizó la MET para demostrar que la hidroxiapatita era de alta calidad y presentaba una nanoestructura perfecta.
Mientras tanto, Yoshikuni, junto con Yusuke Ohtani, coautor del primer artículo e investigador del JGI, demostró que los microbios pueden producir este valioso material con una eficiencia impresionante, produciendo un gramo de hidroxiapatita por kilogramo de orina.
La colaboración unió todas las piezas del rompecabezas. El hecho de que pudiéramos reunirnos y trabajar tan estrechamente fue crucial. No soy biólogo, y mis colegas no son expertos en la síntesis y caracterización de materiales. Este trabajo demuestra lo que se puede lograr cuando se combinan enfoques científicos que no suelen usarse juntos, afirmó Erzius.
Para confirmar la viabilidad económica de su proyecto de reciclaje de orina, los científicos del Laboratorio Berkeley recurrieron al coautor Jeremy Guest, director de la División de Diseño Sostenible del Centro de Innovación en Bioenergía y Bioproductos Avanzados del Departamento de Energía de EE. UU. (UIUC). Guest y Xinyi (Joy) Zhang, investigadora asociada de la UIUC, realizaron un estudio de viabilidad para modelar sistemas de producción distribuida de hidroxiapatita que abastecen a una ciudad del tamaño de San Francisco.
Teniendo en cuenta los costos de cultivar la osteolevadura y separar la orina de las aguas residuales, Guest y Zhang calcularon que producir un kilogramo de hidroxiapatita de grado comercial costaría aproximadamente $19, que podría venderse entre $50 y $200 en el mercado estadounidense. El sistema completo podría generar una ganancia de aproximadamente $1.4 millones al año, a la vez que reduciría la cantidad de productos químicos necesarios para garantizar la seguridad de las aguas residuales.
La osteolevadura patentada ya está disponible para su licencia para producir hidroxiapatita, y el equipo está trabajando para desarrollar nuevas cepas que puedan sintetizar otros biomateriales o capturar y almacenar elementos específicos.
Fuente: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Autora: Alia Kovner.
En la foto, se puede observar que las imágenes de microscopía óptica muestran células de osteolevadura. El contorno de la vacuola, el orgánulo celular donde el calcio se acumula para formar hidroxiapatita, presenta fluorescencia roja. El calcio dentro de la vacuola presenta fluorescencia verde.
