Fabricar calorías a partir de dióxido de carbono
Investigadores chinos han acelerado drásticamente un proceso que transforma gases residuales industriales en almidón comestible y han multiplicado por diez la productividad de su innovador método de 2021. El avance, anunciado por la Academia China de Ciencias (CAS), acerca al mundo a la producción de almidón a escala industrial sin tierras de cultivo, cosechas ni agricultura tradicional. Científicos del Instituto de Biotecnología Industrial de Tianjin (TIB) han perfeccionado su sistema enzimático sin células para convertir dióxido de carbono en este carbohidrato complejo, a una velocidad que ahora supera ampliamente la fotosíntesis natural. El desarrollo podría suponer un cambio radical para la seguridad alimentaria mundial: ofrece una vía para producir ingredientes alimentarios esenciales y materias primas industriales sin los costos ambientales de la agricultura convencional.
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El equipo de investigación, dirigido por el profesor Cai Tao, lleva cinco años optimizando la ruta híbrida químico-bioquímica presentada por primera vez en la revista Science. Su avance inicial de 2021 demostró que era posible sintetizar almidón a partir de CO2 a una velocidad 8,5 veces superior a la de las plantas de maíz. Las últimas mejoras multiplicaron esa producción por diez, con lo que se creó un sistema cuya eficiencia parecía hasta ahora una mera especulación teórica. Esta ruta anabólica de almidón artificial (ASAP) está ahora en condiciones de desafiar el modelo agrícola que ha predominado en la civilización humana durante milenios.
La química de la fotosíntesis sintética
El proceso imita a la naturaleza, pero elimina las ineficiencias biológicas propias del crecimiento de las plantas. En lugar de esperar meses a que madure el maíz, el método de laboratorio completa la conversión en cuestión de horas. La ruta consta de once reacciones principales que transforman el dióxido de carbono gaseoso en almidón polimérico mediante una secuencia cuidadosamente coordinada de pasos químicos y enzimáticos.
Primero, un catalizador inorgánico reduce el dióxido de carbono a metanol en condiciones controladas. Esta molécula sencilla sirve luego como base para una serie de reacciones enzimáticas. El equipo obtuvo y modificó enzimas de 31 especies diferentes: seleccionó y adaptó 62 candidatas para identificar los diez catalizadores más eficaces. Estas máquinas biológicas convierten el metanol en unidades de azúcar de tres y seis carbonos, que luego se polimerizan para formar amilosa o amilopectina, los dos componentes principales del almidón natural.
El almidón sintético resultante es química y físicamente idéntico a su equivalente agrícola. Los análisis de laboratorio confirman que su composición y propiedades coinciden, lo que significa que el producto artificial podría sustituir directamente al almidón de maíz en alimentos, productos farmacéuticos, fabricación de papel, textiles, adhesivos y plásticos biodegradables. El método también permite personalizar la composición del almidón y producir variedades con tasas de digestión o características funcionales específicas, adaptadas a las necesidades industriales.
Del laboratorio a la fábrica
Convertir los resultados de laboratorio en una opción comercial viable plantea desafíos que van más allá del propio avance científico. En una entrevista con China Science Daily, el profesor Cai Tao reconoció la dificultad de ampliar la producción y explicó que pasar de la prueba de concepto a la aplicación industrial exige superar importantes barreras económicas.
«Es difícil pasar de cero a uno, es difícil reducir los costos y es aún más difícil llegar finalmente a una aplicación industrial. Aun así, tenemos que afrontar el desafío».
El principal obstáculo es el costo de las enzimas. En el sistema original de 2021, una sola enzima clave representaba la mitad de todos los gastos en materiales. El equipo se ha centrado especialmente en resolver este problema: utiliza inteligencia artificial para buscar variantes enzimáticas más estables y eficientes y desarrolla métodos para reutilizar los catalizadores biológicos. Estas mejoras han reducido considerablemente la cantidad de enzimas necesaria sin disminuir la eficiencia de la reacción.
Los investigadores también han optimizado las condiciones de reacción para reducir drásticamente los costos de energía. El proceso funciona en condiciones de laboratorio controladas y permite obtener rendimientos previsibles, que no dependen del clima, las estaciones ni las variaciones meteorológicas. Esta regularidad contrasta claramente con la producción agrícola, donde las sequías, las inundaciones y las plagas pueden arruinar las cosechas anuales.
Una nueva economía agrícola
El posible ahorro de recursos va más allá de las medidas de eficiencia habituales. Según los cálculos del equipo del TIB, un biorreactor de un metro cúbico podría producir, en teoría, el equivalente anual de almidón de aproximadamente un tercio de hectárea de campos de maíz. Si se logra reducir los costos de producción hasta hacerlos competitivos con los de la agricultura tradicional, esta tecnología podría eliminar la necesidad de más del 90 % de las tierras cultivadas y del agua dulce que actualmente se destinan a producir almidón.
Esta transformación del uso de la tierra tendría profundas consecuencias para la agricultura mundial. En la actualidad, la producción industrial de almidón depende casi exclusivamente del maíz, un cultivo que requiere grandes extensiones de tierra cultivable, riego intensivo y un uso considerable de fertilizantes y pesticidas. La competencia por las escasas tierras agrícolas entre los cultivos destinados a la alimentación y los utilizados como materias primas industriales se ha intensificado con el crecimiento de la población mundial y la amenaza del cambio climático para los rendimientos agrícolas.
Ma Yanhe, director fundador del TIB, expuso en una declaración de 2021 la visión que impulsa esta investigación, aún vigente. Señaló que la industrialización era tanto el ideal inicial como el objetivo final del proyecto y subrayó que el equipo no abandonaría el esfuerzo pese a las dificultades del desarrollo.
Los beneficios ambientales se multiplican si se tienen en cuenta las consecuencias para el ciclo del carbono. En lugar de liberar dióxido de carbono a la atmósfera, el proceso lo consume como materia prima. Si funciona con electricidad renovable, el sistema podría producir almidón con emisiones netas negativas de carbono: retiraría activamente gases de efecto invernadero de la atmósfera mientras genera productos valiosos. En un estudio de 2023 publicado en Science Bulletin, el mismo equipo demostró que su sistema podía alcanzar una eficiencia energética 3,5 veces mayor y una velocidad de síntesis 23 veces superior a la de los sistemas vegetales naturales.
Otras rutas biológicas
Aunque el método enzimático acapara los titulares, otras investigaciones en curso demuestran que hay más vías viables para transformar dióxido de carbono en almidón. Científicos han desarrollado un método alternativo que utiliza levaduras modificadas, en concreto la cepa oleaginosa Yarrowia lipolytica, para producir lo que denominan «microgránulos ricos en almidón».
Este método biológico modifica el metabolismo de la levadura para que acumule almidón, que llega a representar el 47 % del peso seco de la célula. Al reconfigurar las rutas de biosíntesis del almidón y de gluconeogénesis, y modificar la morfología celular para aumentar su tamaño, los investigadores lograron una productividad espacio-temporal aproximadamente 50 veces mayor que la del cultivo agrícola tradicional. El método con levaduras utiliza acetato, que puede sintetizarse por vía electroquímica a partir de dióxido de carbono con electricidad renovable, lo que crea otra vía para producir alimentos con emisiones netas negativas de carbono.
La levadura modificada puede consumir residuos agrícolas como la paja si se combina con acetato, lo que ofrece una vía para convertir la celulosa en almidón comestible. Esta capacidad aborda otro desafío agrícola: el aprovechamiento insuficiente de los residuos de los cultivos. Aunque los métodos enzimáticos y microbianos son distintos, ambos comparten el objetivo de desvincular la producción de alimentos de la agricultura tradicional.
Contexto nacional y repercusiones mundiales
La inversión de China en tecnología para producir almidón sintético refleja las fuertes presiones que enfrenta el país. Debe alimentar a la población más numerosa del mundo con recursos limitados de tierras agrícolas y agua por habitante. Las actividades agrícolas contribuyen de forma sustancial a las emisiones nacionales de carbono por la producción de fertilizantes, el consumo de combustible de la maquinaria, las emisiones de metano del cultivo de arroz y los sistemas de riego de alto consumo energético.
Datos recientes correspondientes al período de 2005 a 2021 muestran que China ha impulsado un modelo agrícola de doble escala, que combina explotaciones agrícolas de mayor tamaño con servicios profesionales compartidos para reducir la intensidad de carbono y mantener la producción. Sin embargo, estas mejoras podrían ser insuficientes a medida que se intensifica el cambio climático y se degradan las tierras cultivables. El almidón sintético ofrece una estrategia complementaria que podría liberar millones de hectáreas para restaurar ecosistemas o cultivar alimentos, a la vez que satisface la demanda industrial de este carbohidrato.
La tecnología también es compatible con la transición energética más amplia de China. A medida que el país amplía la generación de electricidad renovable y reduce las emisiones del sector eléctrico, la disponibilidad de energía limpia hace cada vez más viables las tecnologías de captura y utilización de carbono. El proceso de conversión de CO2 en almidón requiere energía, sobre todo para la conversión inicial en metanol y la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua. Cuando funciona con energía solar o eólica, el sistema almacena eficazmente energía eléctrica en enlaces químicos y crea una forma de almacenamiento energético en alimentos.
Puntos clave
- Científicos chinos del Instituto de Biotecnología Industrial de Tianjin han multiplicado por diez la productividad de la conversión de dióxido de carbono en almidón con respecto al método innovador de 2021.
- El proceso artificial utiliza once pasos enzimáticos para convertir CO2 en un almidón idéntico al de origen agrícola y funciona a una velocidad aproximadamente 85 veces superior a la de la síntesis natural del maíz.
- En teoría, un biorreactor de un metro cúbico podría igualar la producción anual de almidón de un tercio de hectárea de campos de maíz y ahorrar más del 90 % de las tierras y el agua utilizadas en la producción tradicional.
- Los equipos de investigación utilizan inteligencia artificial para optimizar las enzimas y reducir los costos, con el objetivo de superar los principales obstáculos para la aplicación industrial comercial.
- Investigaciones paralelas con levaduras modificadas ofrecen una ruta biológica alternativa con una productividad espacial 50 veces mayor que la de los cultivos agrícolas, que utiliza acetato sintetizado por vía electroquímica como materia prima.
- La tecnología podría reducir las emisiones de carbono de la agricultura, eliminar la competencia por las tierras entre los cultivos alimentarios e industriales y permitir la fabricación con emisiones netas negativas de carbono cuando se alimenta con energía renovable.
