La biotecnología moderna surgió a finales de la década de 1970 y se aplicó por primera vez en el sector sanitario, con la aparición del ADN recombinante. Una década después, los mismos enfoques moleculares llegaron a las industrias agrícola y alimentaria, no sin controversia. Por último, los biotecnólogos comenzaron a ampliar las capacidades de los procesos microbianos industriales al incorporar nuevos genes a catalizadores vivos y modificar sus genomas para ajustarlos a necesidades de producción predefinidas. Aunque tales operaciones se consideraban ingeniería genética, en realidad los aspectos de ingeniería eran más una metáfora que una realidad. En cambio, lo que podríamos denominar bricolaje genético (es decir, ensayo y error) dominó el campo con bastante éxito durante mucho tiempo.
Sin embargo, la llegada de la biología de sistemas a finales de la década de 1990 y la aparición de la biología sintética a comienzos de la de 2000 cambiaron por completo el juego del diseño de microorganismos, e incluso de sistemas vivos superiores, como agentes para transformaciones a escala industrial de materias primas de orígenes diversos en productos de valor. Se han desarrollado microorganismos capaces de producir una variedad de sustancias químicas de importancia industrial, entre ellas ácidos dicarboxílicos (ácido succínico y ácido adípico), dioles (1,3-propanodiol y 1,4-butanodiol), diaminas (putrescina y cadaverina) y muchas otras. Algunas bacterias y levaduras conocidas desde hace tiempo por la industria pueden hoy reprogramarse genéticamente y reorientarse, por ejemplo, para producir lípidos que sirvan como precursores de biocombustibles. Incluso sustancias químicas no naturales, como la gasolina y el ácido tereftálico, pueden producirse actualmente mediante ingeniería metabólica.
Además, la biotecnología contemporánea ha producido biomateriales, entre ellos polisacáridos (celulosa microbiana), proteínas (seda de araña) e incluso polímeros antes sintéticos (poliláctico y poli[láctico-co-glicólico]), mediante la fermentación de microorganismos modificados. Algunas cepas se han diseñado con éxito para producir polihidroxialcanoatos, una familia diversa de biopoliésteres, para aplicaciones en envases respetuosos con el medio ambiente, medicina y materiales inteligentes.
Asimismo, el bioprocesamiento innovador se desarrolla cada vez más a partir de las propiedades inusuales de los sistemas biológicos existentes (por ejemplo, los extremófilos) para llevar a cabo fermentaciones, por ejemplo en agua de mar y en condiciones no estériles. No en vano, la ingeniería metabólica guiada por sistemas fue seleccionada por el FEM como una de las 10 tecnologías emergentes más destacadas de 2016.
Sin embargo, a pesar de estos logros, las industrias química y manufacturera siguen mostrándose en gran medida reacias a adoptar transformaciones de base biológica y prácticas bioinspiradas que podrían sustituir muchos procesos existentes basados en el petróleo. El factor limitante es la dificultad de convertir operaciones a escala de laboratorio en equivalentes económicamente viables y de tamaño industrial. La inestabilidad de los catalizadores vivos, el consumo de grandes volúmenes de agua y las dificultades en el procesamiento posterior han frenado lo que, en muchos casos, sería una transición bienvenida en los métodos de producción.
¿Está, entonces, la biotecnología avanzada limitada a producir solo pequeñas cantidades de moléculas de alto valor añadido? Para superar el estancamiento de la Cuarta Revolución Industrial, deben abordarse diversas cuestiones, tanto en el ámbito biológico como en el industrial. La estabilidad genómica y fenotípica de los catalizadores vivos es fundamental para igualar la eficiencia de los bioprocesos a la de los que ya existen en el ámbito puramente químico. No se trata solo de un problema técnico, sino de una cuestión científica fundamental que debe abordarse. La interacción entre el estrés y la constancia cromosómica (incluidos los dispositivos genéticos implantados) en condiciones de producción debe investigarse a fondo, y deben desarrollarse nuevos enfoques para su control.
Mientras tanto, los sistemas de producción sin células podrían ofrecer una solución provisional al reto de la previsibilidad. Otras cuestiones biológicas, como la expresión génica en condiciones de agua no saturantes, la fisiología a densidades celulares muy elevadas y la minimización de los restos celulares debidos a la lisis espontánea, sin duda ayudarán a que los bioprocesos resulten más atractivos para la gran industria.
Pero los retos no son solo biológicos. También se encuentran en el ámbito de la ingeniería de procesos. A diferencia de los espectaculares avances de los últimos años en la edición genómica, los métodos básicos de fermentación han seguido siendo en gran medida los mismos desde que los antiguos egipcios elaboraban cerveza. Un medio nutritivo acuoso en una olla o un barril se inocula con un agente activo y se deja evolucionar hasta que se produce la transformación deseada o se generan los compuestos deseados.
La ingeniería moderna ha logrado controlar la fermentación en un grado extraordinario y, sin duda, ha ampliado los tipos de biorreactores hacia diseños mucho más sofisticados. Sin embargo, la mayor parte de la bioproducción industrial sigue dependiendo de recipientes llenos de un volumen considerable de medios estériles de base acuosa, inoculados con un único monocultivo de la cepa adecuada. La productividad se mide entonces en gramos por litro.
Hay un amplio margen para mejorar esta situación, fomentando la investigación sobre cómo algunos sistemas naturales producen compuestos en grandes cantidades. Por ejemplo, ¿no podríamos inspirarnos en la impresionante productividad de las ubres de las vacas o de los árboles del caucho, al diseñar un tipo distinto de biorreactor con muy poca agua, funcionamiento estéril y fácil operación? ¿Cuál es la lógica de ingeniería que hace tan eficientes a estos sistemas?
Hay mucho que aprender de tales biorreactores biológicos optimizados por la evolución, más allá de intentar adaptar catalizadores biológicos a plataformas ya existentes. La producción en el lugar de necesidad o en el punto de atención también exige nuevos conceptos para la generación de biomoléculas en entornos miniaturizados y portátiles, que sin duda serán diferentes de los actuales.
Por último, la biotecnología moderna tiene mucho que aportar para superar la desconexión entre el metabolismo industrial global y los ciclos geobioquímicos de la biosfera. Los residuos del desarrollo industrial, agrícola y urbano sin control han generado grandes cantidades de gases de efecto invernadero, plásticos no degradables, micropolutantes, importantes desequilibrios de nitrógeno y fósforo, y un volumen inmanejable de residuos lignocelulósicos.
El microbioma ambiental global podría convertirse en nuestro principal aliado para reconectar tales residuos antropogénicos con el ciclo de los elementos que sustenta nuestro planeta. Si unas pocas reacciones químicas (por ejemplo, el proceso Haber-Bosch de fijación de nitrógeno) lograron cambiar la ecología de nuestro planeta, también podríamos explorar formas de mitigar nuestro impacto mediante intervenciones a gran escala de base biológica destinadas a restaurar antiguos equilibrios ambientales y crear otros nuevos.
Por supuesto, esto no sería un mero experimento académico, sino una misión de varios niveles que implica a numerosas partes interesadas y requiere una gobernanza cuidadosa. Sin embargo, ante los fenomenales desafíos ambientales a los que se enfrentará la próxima generación, la inacción y la continuidad de la forma habitual de hacer las cosas suponen sin duda el mayor riesgo.
