El control bioelectrónico de una comunidad microbiana utilizando células electrogénicas ensambladas en superficie

https://dx.doi.org/10.1038/s41565-021-00878-4

Introducción

El control bioelectrónico de microorganismos ha emergido como una herramienta potente en la biotecnología sintética y la ingeniería ambiental. La capacidad de modular comunidades microbianas mediante señales electrónicas ha abierto nuevas oportunidades para el desarrollo de biosensores, biorreactores y aplicaciones de biorremediación. Este artículo se centra en la investigación publicada por Liu et al. (2021), que explora un enfoque novedoso para regular comunidades microbianas utilizando células electrogénicas ensambladas en superficie, capaces de rutear señales eléctricas hacia procesos genéticos internos.

Antecedentes y marco conceptual

• El término "electrogenética" hace referencia a la interfase entre la biología sintética y la electrónica, donde señales eléctricas controlan la expresión génica. En este campo, los microorganismos electrogénicos, como los Geobacter sulfurreducens y Shewanella oneidensis, juegan un rol fundamental. Estos organismos son capaces de transferir electrones a superficies conductoras fuera de sus membranas celulares, facilitando el acoplamiento entre sistemas biológicos y electrónicos.
• La capacidad de estos organismos para generar corriente eléctrica ha sido ampliamente explorada en celdas de combustible microbianas y sistemas bioelectroquímicos. Sin embargo, la investigación liderada por Liu et al. introduce una innovación al integrar directamente señales electrónicas con sistemas de control genético. Este proceso es denominado control electrogénico, y representa una evolución de las técnicas tradicionales en biología sintética al permitir una regulación precisa y no invasiva.

Métodos y diseño experimental

• En el estudio, los autores diseñaron un sistema compuesto por células electrogénicas ensambladas en una superficie conductora. Estas células fueron modificadas genéticamente para responder a señales electrónicas que activan promotores específicos, lo que permite regular la expresión génica de manera dependiente de la corriente aplicada. Este sistema fue capaz de controlar la dinámica de una comunidad microbiana, promoviendo o inhibiendo la actividad metabólica de distintas especies microbianas a través de señales eléctricas.
• El experimento consistió en la inmovilización de las células electrogénicas sobre electrodos de carbono, generando una interfase bioelectrónica. Las células ensambladas en superficie contenían circuitos genéticos programables que respondían a la corriente eléctrica aplicada, lo que resultaba en la activación de rutas metabólicas específicas. El enfoque utilizado implicó el uso de sistemas de acoplamiento redox entre los electrones transferidos por las células y los mecanismos de control genético, lo que permitió una regulación espacial y temporal precisa de la comunidad microbiana.

Resultados

• Los resultados experimentales demostraron que la aplicación de una corriente eléctrica controlada permitía modular la actividad de los promotores genéticos con una precisión sin precedentes. En particular, la comunidad microbiana ensamblada sobre la superficie conductora mostró una clara respuesta a las señales eléctricas, lo que permitió controlar el equilibrio entre especies en el consorcio microbiano.
• Esto demostró que es posible utilizar señales bioelectrónicas para regular procesos complejos, como la producción de metabolitos secundarios o la degradación de contaminantes en biorreactores.
• La eficiencia del control genético mediado por señales eléctricas fue comparable, y en algunos casos superior, a los métodos tradicionales basados en señales químicas o ambientales. Este hallazgo es especialmente relevante para aplicaciones en las que se requiere una regulación rápida y precisa de las funciones microbianas sin la necesidad de añadir compuestos químicos externos.

Discusión

• El enfoque descrito en este estudio abre la puerta a una nueva generación de sistemas bioelectrónicos, donde las interacciones entre organismos vivos y dispositivos electrónicos se llevan a cabo de manera directa y bidireccional. La capacidad de integrar señales eléctricas con circuitos genéticos ofrece ventajas claras sobre los enfoques convencionales de la biología sintética.
• Una de las principales ventajas es la no invasividad del control eléctrico. A diferencia de las señales químicas, que pueden ser costosas o generar efectos secundarios no deseados, las señales eléctricas pueden aplicarse de manera precisa y reversible, permitiendo una mayor flexibilidad en el diseño de biorreactores y biosensores. Además, este sistema podría mejorar la eficiencia de los procesos industriales que dependen de comunidades microbianas, tales como la producción de biocombustibles o la biorremediación de ambientes contaminados.
• Los resultados también sugieren que la electrogenética podría ser utilizada en aplicaciones más allá de los consorcios microbianos, incluyendo el control de células eucariotas modificadas genéticamente. Aunque el estudio se centra en microorganismos electrogénicos, el principio de control bioelectrónico podría expandirse hacia otros organismos, siempre que se desarrollen sistemas adecuados para la transferencia de electrones.

Conclusiones

El estudio de Liu et al. (2021) representa un avance significativo en el control de comunidades microbianas mediante señales electrónicas. La electrogenética aplicada a células ensambladas en superficies conductoras ofrece una plataforma robusta para la regulación precisa y rápida de procesos biológicos, con potencial para transformar diversas aplicaciones industriales y ambientales. Este enfoque no solo optimiza el control sobre los microorganismos, sino que también proporciona un nuevo paradigma para la integración de la biotecnología con la electrónica.

• El control electrogénico permite regular comunidades microbianas mediante señales eléctricas, integrando sistemas biológicos y electrónicos de manera directa.
• La investigación muestra que es posible activar rutas metabólicas específicas a través de la corriente eléctrica, sin necesidad de señales químicas.
• Este enfoque ofrece ventajas significativas en aplicaciones industriales como la biorremediación y la producción de biocombustibles, debido a su precisión y eficiencia.
• La tecnología puede ser expandida a sistemas más complejos, incluyendo la regulación de células eucariotas.