Científicos Alemanes reinventan la madera con Bacterias Programables

Lo que suena como algo salido de un mundo de fantasía realmente funciona: investigaciones preliminares realizadas en el clúster de excelencia CIBSS (Centro de Estudios de Señalización Biológica Integrativa de la Universidad de Freiburg) demostraron que las bacterias pueden programarse para producir proteínas que a su vez se utilizan para fabricar materiales a partir de residuos de madera, como virutas o residuos agrícolas. Los investigadores utilizaron enfoques de biología sintética para este trabajo. Los biocompuestos resultantes son 100 por ciento de origen natural, es decir, sostenibles y reciclables. También contienen adhesivos biológicamente inofensivos y degradables y son materiales que se pueden producir de manera controlada con las propiedades deseadas para diversas aplicaciones.

En los últimos años, ha quedado claro que este enfoque no es simplemente un truco biológico, sino que desempeñará un papel importante en la satisfacción de la creciente demanda de madera. Aunque la madera es un recurso renovable y los bosques ocupan aproximadamente un tercio del área terrestre de Alemania, los recursos madereros son limitados y los bosques están cada vez más amenazados por el cambio climático.

Bacterias y residuos de madera se convierten en nuevos materiales para muebles y más

El grupo de Biología Sintética del Prof. Dr. Wilfried Weber en el Instituto de Biología de la Universidad de Freiburg y en el CIBSS ha estado investigando biomateriales durante años, inicialmente en hidrogeles y nanomateriales para diagnósticos. «En este campo en particular, los organismos programables y las propiedades controlables ópticamente ya están bien establecidos en el instituto», dice el Dr. Manuel Finkbeiner, un postdoctorado en el equipo de Weber. «Entonces se nos ocurrió la idea de transferir este enfoque a los materiales de construcción. Pensamos que combinar la biología sintética y la madera para desarrollar un material compuesto biológico era un enfoque intrigante».

Los investigadores de la Universidad de Freiburg tomaron la idea y lanzaron un proyecto a gran escala destinado a desarrollar nuevos materiales sostenibles basados en madera. El proyecto, llamado DELIVER (Ingeniería de Datos para Materiales Vivos Sostenibles), reúne a numerosos investigadores de los clústeres de excelencia CIBSS y livMatS (Sistemas de Materiales Vivos, Adaptativos y Autónomos en Energía). El objetivo final es crear biocompuestos cuyas propiedades puedan ser significativamente influenciadas por microorganismos programables contenidos en el material.

Este enfoque no solo contribuye a conservar la madera como recurso, sino que también protege el medio ambiente: el nuevo material a base de madera se crea mediante un proceso biológico que utiliza proteínas bacterianas como adhesivo y es completamente reciclable después de su uso, ya que los adhesivos se degradan fácilmente en la naturaleza. Alternativamente, el producto completo puede reciclarse térmica o biológicamente. Esto contrasta completamente con muchos materiales hechos previamente de madera, que involucran el procesamiento de adhesivos a base de petroquímicos que luego se consideran residuos peligrosos.

Usando optogenética para controlar las propiedades de los materiales

Los materiales residuales se utilizan como material de partida para el innovador material de madera. «Ya hemos probado virutas de abeto, así como una mezcla de madera de haya y fresno, que se acumulan en aserraderos, por ejemplo», dice Rosanne Schmachtenberg, estudiante de doctorado en el grupo de investigación de Weber. Las virutas se separan primero en tamices para producir una fracción razonablemente homogénea. Luego se agregan células vivas, como bacterias Escherichia coli, a las virutas de madera. Las bacterias han sido programadas para producir un ‘pegamento’ natural, que luego entrelaza las fibras de madera, resultando en un nuevo material

«El material parece arena mojada», explica Johannes Falkenstein, un científico del equipo. «Puede comprimir esta mezcla en moldes de cualquier tamaño. La mezcla se seca posteriormente en un horno o armario de secado, lo que hace que el material se endurezca y mate las bacterias. El material final se parece mucho a una tabla prensada».

Diferentes tipos de material se pueden producir mediante métodos de optogenética. El estudiante de doctorado explica: «Podemos usar luz de diferentes longitudes de onda y fotorreceptores para alterar la actividad génica de los microorganismos según las propiedades del material que deseamos obtener. Otra posibilidad es exponer diferentes partes de los materiales a la luz, lo que resulta en zonas con diferentes propiedades. Se pueden obtener materiales anisotrópicos de esta manera. La parte iluminada del material resultante será más sólida, y las partes no iluminadas más porosas». La elección y combinación de diferentes condiciones experimentales puede generar una amplia gama de materiales diferentes.

El proceso produce materiales a base de madera estables y muy sostenibles que son adecuados para muchas aplicaciones diferentes. Los investigadores ya han podido producir varios prototipos de objetos cotidianos, como taburetes o armarios. «Actualmente estamos probando moldes para tableros más grandes y también estamos trabajando con carpinteros locales para averiguar qué más se puede hacer con los tableros», dice Falkenstein.

Con la ayuda de la inteligencia artificial

Gracias a DELIVER, el conocimiento adquirido en el trabajo preliminar se utilizará para probar una variedad de condiciones, incluido el crecimiento bacteriano y el control optogenético, así como diferentes especies de microorganismos o residuos de madera. «Queremos investigar diferentes bacterias, así como levaduras para averiguar cuáles de estos microorganismos son los más adecuados para el propósito», dice Finkbeiner. «Es posible que resulte que una mezcla de microorganismos sea particularmente productiva. Estamos comenzando experimentos para probar diferentes combinaciones y descubrir más».

El número previsto de experimentos y las posibilidades asociadas, es decir, las condiciones experimentales y las propiedades del material asociadas, son enormes. Se utilizan métodos de aprendizaje automático para ayudar a los investigadores a llevar un registro, prediciendo nuevas propiedades de materiales a través de modelos, documentando relaciones entre programas genéticos y propiedades del material, y también para planificar los experimentos de manera significativa. «Nuestro objetivo es crear una biblioteca de materiales con todas las combinaciones posibles que luego utilizaremos para seleccionar los materiales necesarios para una aplicación dada», dice Finkbeiner. «Esto nos ayudará a producir materiales de manera muy dirigida y precisa». Los biocompuestos tendrán una gama diferente de propiedades, como dureza, flexibilidad o incluso color. «En teoría, las posibilidades son ilimitadas. Incluso podríamos imaginar materiales resistentes al fuego o revestimientos».

Los próximos pasos de investigación implicarán trabajo logístico. «En muchos aspectos, todavía estamos al principio», dice Finkbeiner. «Ahora nos estamos centrando en desarrollar los procesos y procedimientos necesarios, en particular en cooperación con los otros grupos involucrados en DELIVER. Todavía hay muchas preguntas por responder: ¿Cómo se pueden entregar los materiales a otros grupos? ¿Cómo se pueden comunicar los resultados?» destaca Finkbeiner, resaltando que el objetivo final del proyecto es haber desarrollado un material concreto y práctico. «No nos centraremos en aspectos a gran escala, sino en las características básicas del sistema. Y, por supuesto, estamos en contacto con los sectores de muebles y biotecnología para averiguar cuáles son los campos más adecuados y qué otras aplicaciones podrían ser factibles en el futuro.»

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