Algunos microbios pueden convertir el dióxido de carbono (CO2), cada vez más abundante en nuestra atmósfera, en valiosos compuestos orgánicos. Por un lado capturan el CO2, y, por otro, contribuyen a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, a la vez que generan biocombustibles y otras moléculas de interés.

Poco a poco van surgiendo nuevos métodos que ofrecen soluciones a escalas moleculares para gestionar el cambio climático, gracias al abanico de posibilidades que aporta una rama concreta de la ciencia: la biología molecular

Uno de estos procesos, conocido como electrosíntesis microbiana, es una de las técnicas más fascinantes desarrolladas a partir de microorganismos y más atractivas para la comunidad científica. El último ejemplo de ello es un trabajo, publicado en la revista Communications Biology y liderado por la bióloga Arpita Bose, de la Universidad de Washington en Saint-Louis (Estados Unidos).

El equipo de biólogos e ingenieros modificó un microbio llamado Rhodopseudomonas palustris TIE-1 para que pudiera producir un biocombustible con tan solo tres ingredientes: el dióxido de carbono, la electricidad generada por paneles solares y la luz. El resultado fue el n-butanol, una alternativa de combustible completamente neutra en carbono que puede utilizarse en mezclas con gasóleo o gasolina.

Aunque aún queda por mejorar esta y otras técnicas hasta una dimensión industrial, poco a poco van surgiendo nuevos métodos que ofrecen soluciones a escalas moleculares para gestionar el cambio climático, gracias al abanico de posibilidades que aporta una rama concreta de la ciencia: la biología molecular.

Moléculas y actividades biológicas al rescate del medioambiente

Hasta ahora, los estudios en los que se centraba esta especialidad de la biología estaban enfocados al área de la salud y a temas relacionados con el mundo biomédico o vegetal. “Solo muy recientemente ha habido un interés de la comunidad de biólogos moleculares por los temas medioambientales”, señala a SINC Víctor de Lorenzo, investigador en el Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC).

El Libro Blanco pretende mostrar cómo aprovechar la biología molecular para acelerar una recuperación verde del daño causado por las emisiones urbanas e industriales.

La investigación en ciencias de la vida podría desempeñar un papel importante en cuatro áreas de gran impacto: el calentamiento global, los ecosistemas y la pérdida de biodiversidad, los flujos biogeoquímicos y los contaminantes de origen humano. Así lo destaca un grupo de expertos en un Libro Blanco, liderado por el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) y presentado con motivo de la COP26.

“Nuestro principal objetivo es entender cómo funciona la vida, desde las moléculas, hasta las células y los organismos. Esta investigación se ha a menudo ligado con las ciencias clínicas, haciendo que los humanos estén más sanos. Hemos descubierto fármacos, trabajado con diagnósticos, etc. Esto va a seguir en nuestro próximo programa científico, pero también queremos añadir los ecosistemas y la ecología como campos de estudio”, apunta a SINC Ewan Birney, director general adjunto del EMBL y director del Instituto Europeo de Bioinformática (EBI) del EMBL.

Este laboratorio europeo, que se presenta por primera vez en la Cumbre del Clima de Glasgow como observador oficial, es la única institución intergubernamental de Europa para el estudio de las ciencias de la vida y cuenta con su sede principal en Heidelberg (Alemania) y con otras cinco, una de ellas en Barcelona. “Queremos ver cómo podemos encajar bien en el paisaje de la COP26”, dice Birney.

El texto, en el que han colaborado decenas de investigadores de diferentes centros de investigación de toda Europa, pretende mostrar cómo aprovechar la biología molecular para acelerar una recuperación verde del daño causado por las emisiones urbanas e industriales. “Las moléculas de la vida tienen una gran relación con cómo entendemos el medio ambiente. Pero también hay que verlas como parte de la solución para el futuro”, recalca el científico británico.

Entre los ejemplos que recoge el informe figuran la reducción de las emisiones de metano del ganado, la lucha contra la contaminación mediante la ingeniería metabólica basada en la biología molecular, las bacterias naturales fijadoras de nitrógeno para reducir el uso de fertilizantes, los nuevos biomateriales para la construcción y la potenciación del papel de las algas fijadoras de carbono.

A grandes problemas, grandes soluciones

“El documento es una contribución más sobre un conjunto de iniciativas del pasado sobre estas temáticas. Ha sido la manera de decir que nosotros podemos ayudar a abordar estos problemas”, comenta de Lorenzo, uno de los firmantes del texto, y miembro activo de la Organización Europea de Biología Molecular (EMBO,  por sus siglas en inglés). “Tenemos que pensar a lo grande. A grandes problemas, grandes remedios”, insiste.

Una de las claves de la biología molecular está en la capacidad de biorremediación, es decir de degradar biológicamente compuestos tóxicos producidos por la industria y por la actividad urbana

La aplicación de la biología molecular y la ingeniería genética al desarrollo de microorganismos tiene el potencial de generar soluciones novedosas con base biológica en la protección del medioambiente o la lucha contra la emergencia climática. Una de las claves está en la capacidad de biorremediación, es decir de degradar biológicamente compuestos tóxicos producidos por la industria y por la actividad urbana.

“Hace 20 o 30 años cuando se empezó a trabajar en esto los problemas de contaminación eran más locales: un petrolero que se derramaba, un escape de gases tóxicos, suelos contaminados, etc.”, subraya. Ahora, los problemas no solo siguen existiendo, sino que se han hecho globales.

Para abordar estas cuestiones medioambientales, la biología molecular ofrece estrategias desde la monitorización (medir y controlar), la prevención (cambiar procesos existentes y muy contaminantes por alternativas más limpias), y la remediación (o al menos mitigación) del daño ya hecho. En ello trabajan un número creciente de institutos de biología molecular de Europa.

Microorganismos ‘comegases’ creados en laboratorio

La investigación biológica puede ayudar a la lucha climática desde diferentes frentes. Uno de ellos es la monitorización, como por ejemplo la secuenciación de ADN de forma masiva de una muestra específica ambiental que permite visualizar el impacto que tiene la actividad urbana e industrial en todo tipo de ecosistemas.

El hecho de que nuestro planeta sea fundamentalmente microbiano y que las bacterias sean el componente activo más grande de nuestra biosfera hace que los microorganismos sean nuestros aliados objetivos para combatir el cambio climático, dice Víctor de Lorenzo

“Hay un conjunto de especies animales, vegetales y de microorganismos que son indicadores y testigos del bienestar medioambiental”, dice de Lorenzo. Y para ello los biosensores basados en ellos están cada vez más desarrollados. “Estos bioindicadores, a través tecnología molecular, nos permiten monitorizar y cuantificar qué está pasando en los distintos ecosistemas”. Es aquí donde la biología molecular desempeña un gran papel.

Pero además, esta área de la biología puede impulsar la prevención creando en laboratorio biocatalizadores de células enteras que bien metabolicen (y por tanto eliminen) compuestos contaminantes originados en la industria química o bien sinteticen moléculas de interés de forma menos agresiva con el medio ambiente.

“Ahora programamos bacterias con técnicas de biología molecular que generan compuestos tradicionalmente producidos por síntesis química”, explica el experto. Hay un campo inmenso en la así llamada ingeniería metabólica, “donde están sucediendo algunas de las cosas más espectaculares de la biotecnología en estos momentos”, recalca el científico español.

Otro aspecto del que depende la ingeniería genética es la remediación. “El hecho de que nuestro planeta sea fundamentalmente microbiano y que las bacterias sean el componente activo más grande de nuestra biosfera hace que los microorganismos sean nuestros aliados objetivos para combatir el cambio climático”, comenta el experto, para quien estos microorganismos ambientales sean posiblemente los únicos con los que podamos contar para no solo controlar, sino también revertir la situación actual.

Para Ewan Birney lo más obvio es la biorremediación en términos de polución, desde enzimas capaces de “digerir” plásticos o eliminar productos químicos dañinos. “Ya hay organismos vivos que hacen esto. La evolución ha creado la herramienta para hacerlo, así que solo se trata de encontrarla en una bacteria o un organismo diferente y explotarlo nosotros mismos”, señala a SINC.

Ya hay enzimas capaces de “digerir” plásticos o eliminar productos químicos dañinos. La evolución ha creado la herramienta para hacerlo, así que solo se trata de encontrarla en una bacteria o un organismo diferente y explotarlo nosotros mismos, Ewan Birney, director general adjunto del EMBL.

Sin duda, el principal aporte a futuro de la biología molecular es en el desarrollo de sistemas biológicos eficientes de captura de dióxido de carbono. En este sentido, existen varios proyectos en distintos laboratorios del mundo para generar sistemas de secuestro de CO2 mucho más eficientes que los que proporciona la naturaleza, como los bosques o los océanos.

“Como los procesos naturales de fijación de CO2 no son muy eficaces, los científicos llevan un tiempo explorando si desde el laboratorio podemos mejorar lo existente y conseguir que los mecanismos de captura de gases de efecto invernadero sean mucho más activos”, dice de Lorenzo.

Desde el Libro Blanco, los biólogos moleculares hacen una llamada de atención e insisten en que no es suficiente con frenar la emisión de esos gases para mitigar e incluso revertir la crisis climática. El problema son los puntos de inflexión: una vez que se han sobrepasado, la naturaleza puede no volverse a recuperar y los ecosistemas colapsan a veces irreversiblemente.

“Hay una visión popular, pero errónea de que si uno corta o disminuye la causa de los problemas medioambientales estos desaparecen por sí mismos. Pero no es así, o no lo es en todos los casos. Una vez que se supera un cierto umbral, aunque se quite el origen del problema este va a seguir ahí. Estos son los casos donde se recomienda que haya una intervención proactiva para revertir la situación al estado anterior”, revela a SINC Víctor de Lorenzo.

No debemos tener reparos en extender agentes biológicos de manera deliberada a través de la comunidad microbiana que domina la biosfera para mejorar actividades como la fijación de CO2 o la degradación de plásticos y compuestos contaminantes

Según el científico, hay que pensar en sistemas de dispersión de ADN creados en laboratorio que aporten actividades beneficiosas para el medio ambiente. “Hay que propagar agentes biológicos que actúen como catalizadores a una escala muy grande. No debemos tener reparos en extenderlos de manera deliberada a través de la comunidad microbiana que domina la biosfera para mejorar actividades deseables como la fijación de CO2 o la degradación de plásticos y compuestos contaminantes. Eso va a mejorar, sin duda, la calidad y el futuro de lo que vendrá a continuación”, continúa.

En busca de historias de éxito

Desde el EMBL, así como otras instituciones de biología molecular, se trabaja para que en un futuro estas investigaciones sean una realidad. Por ahora, algunas están en fases iniciales de desarrollo y otras más avanzadas, pero se necesitan apoyos de financiación, que en este caso serían “pequeños”.

“Como realmente el medioambiente es un bien común, no es de nadie en particular, su solución no beneficia a personas específicas, sino a la sociedad. El tipo de biotecnología es un poco distinta y tiene que ser objetivamente financiada desde organismos públicos, porque no beneficia a individuos, sino a grandes colectivos. Nadie se va a hacer millonario en desarrollar una bacteria que capture CO2 a gran escala”, comenta a SINC el científico español.

Este tipo de biotecnología no beneficia a individuos, sino a grandes colectivos. Nadie se va a hacer millonario en desarrollar una bacteria que capture CO2 a gran escala, Víctor de Lorenzo, biólogo en el CNB-CSIC.

Además de los recursos, a esta ciencia le faltan historias de éxito, como si le ha ocurrido a la biomedicina con las vacunas de ARN mensajero. “Un cuello de botella de estas tecnologías biológicas avanzadas para el medioambiente es que hay aún muy pocas de esas historias. Nadie ha podido aún demostrar que un microorganismo desarrollado en el Laboratorio solucione un problema ambiental grave. Pero es cuestión de tiempo que eso ocurra”, dice de Lorenzo.

A la espera de esas historias de éxito, los expertos en biología molecular recuerdan que por ahora el mayor riesgo es no hacer nada. “Hay que explorar todas las posibilidades y luego determinar cuáles son las más viables y eficaces”, apunta el español.

Sin embargo, a pesar de que esta ciencia pueda resolver ciertos desafíos ambientales, es necesario aún que se genere un cambio no solo en el sistema de producción de energía, sino también en los hábitos de la sociedad para alcanzar, entre otros, la descarbonización.

“No quiero promocionar la importancia de esta ciencia por encima de esa gran transformación energética que ha de producirse, pero en cuanto entran en juego organismos vivos, la biología molecular cobra más relevancia”, razona Ewan Birney. Para el experto, esta ciencia permite no solo resolver problemas, sino también entender las bases moleculares de los cambios perjudiciales en los ecosistemas. “Y eso es igual de importante”, concluye.

noviembre 15/2021 (SINC)

El Acuerdo de París de 2015, al que se llegó en la vigésima primera Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, compromete a los países firmantes a actuar para conseguir el objetivo de limitar el aumento de la temperatura del planeta en 1,5 °C. Además, a través de las contribuciones determinadas a nivel nacional (NDC) se recogen propuestas para alcanzar emisiones netas cero.

Estos compromisos deben revisarse al alza cada cinco años, por lo que en la cumbre que se celebra a finales de este mes, pospuesta un año por la pandemia, queda pendiente esta tarea, así como el objetivo de movilizar un fondo de 100 000 millones de dólares anuales para la lucha climática, entre otros.

Pocos estudios han investigado el precedente histórico de una transición tan repentina y radical de reducción de emisiones, especialmente en lo referente al declive de las tecnologías intensivas en carbono, que deben ir acompañadas de la adopción generalizada de otras más ecológicas.

Limitar a 1,5 °C el calentamiento global requerirá que el consumo de energía del carbón y del gas disminuya a un ritmo que no tiene precedentes en ningún país grande.

Ante este escenario, un equipo internacional de científicos ha publicado un trabajo en la revista One Earth, en el que aseguran que limitar a 1,5 °C el calentamiento global requerirá que el consumo de energía del carbón y del gas disminuya a un ritmo que no tiene precedentes en ningún país grande. Esto es lo que recoge el análisis que han hecho de los episodios de disminución de los combustibles fósiles en 105 países entre 1960 y 2018.

Además, los autores aseguran que los casos históricos más rápidos de declive de los combustibles fósiles se produjeron cuando el petróleo fue sustituido por el carbón, el gas o la energía nuclear, como respuesta a las amenazas a la seguridad energética de los años 70 y 80.

“Hemos comprobado que algunos combustibles fósiles se redujeron rápidamente en Europa Occidental y Japón, especialmente el petróleo en estas dos décadas». Por tanto, lo que tenemos que hacer es aplicar nuestra experiencia cuando nos movilizamos por las amenazas a la seguridad energética y el rápido desarrollo tecnológico.

«Desgraciadamente, lo que nos hemos encontrado en este estudio es que incluso estos rápidos descensos históricos no serían suficientes para la reducción de combustibles en algunas regiones: como el carbón en Asia o el gas natural en Oriente Medio, África y la antigua Unión Soviética”, dice a SINC Jessica Jewell (@jessicadjewell), profesora de transición energética en la Universidad de Chalmers (Suecia), de la Universidad de Bergen (Noruega) y coautora del estudio.

Esta es la primera investigación que analiza sistemáticamente los casos históricos de disminución del uso de combustibles fósiles por países, durante los últimos 60 años y en todo el mundo.

Proteger el clima con otras fuentes de energía

Para saber si algún período de declive histórico de combustibles fósiles es similar a los escenarios necesarios para alcanzar el objetivo de París, Jewell y su equipo identificaron 147 episodios, dentro de una muestra de 105 países entre 1960 y 2018, en los que el uso de carbón, petróleo o gas natural disminuyó más rápido que el 5 % durante una década.

También estudiamos las recientes promesas políticas de eliminar por completo la energía del carbón, que unos 30 países recogieron en la Powering Past Coal Alliance.

Descubrimos que estas proposiciones no tienen como objetivo un descenso del carbón más rápido que el que se ha producido históricamente. En otras palabras, «prevén en gran medida que todo siga igual», añade Jewell.

Según sus conclusiones, la disminución de combustibles fósiles se ha limitado a países pequeños, como Dinamarca. Pero estos casos son menos relevantes para los escenarios climáticos, donde deberían darse en regiones de tamaño continental.

“Asia es actualmente la región más poblada y también la de más rápido crecimiento. Desgraciadamente, su economía se basa en combustibles fósiles (al igual que el pasado crecimiento de Europa y Norteamérica). Estos países siguen luchando por alcanzar el nivel de vida de Occidente y para ello necesitan mucha energía. Hasta hace poco, el carbón era una de las fuentes de electricidad más accesibles y baratas, por lo que se han construido grandes centrales eléctricas de este mineral. Para proteger el clima sería necesario invertir drásticamente esta tendencia y encontrar otras fuentes de energía para apoyar el aumento del nivel de vida”, subraya la investigadora.

La descarbonización del sector energético es una estrategia especialmente importante para alcanzar el objetivo de cero emisiones netas de gases de efecto invernadero. “Identificamos muchos escenarios que aún alcanzan el objetivo de 1,5 °C, pero estos están asociados a profundos desafíos. Para resumirlo brevemente: el principal es replicar a escala continental en Asia lo que ocurrió en Europa Occidental en los años 70, en respuesta a la crisis del petróleo. Que esto sea posible depende de muchos factores, sobre todo de que dicha descarbonización provoque la misma movilización política y social”, advierte Jewell.

La velocidad de la eliminación no solo se ve limitada por la disponibilidad de fuentes sustitutivas de bajas emisiones de carbono, sino también, por la resistencia de fuertes grupos de interés asociados a la producción de carbón, aclara Jessica Jewell.

Para la científica es poco probable que una sola fuente de bajas emisiones de carbono proporcione una solución “milagrosa” para la eliminación de los combustibles fósiles. Sin embargo, serán necesarias todas las fuentes de energía con bajas emisiones a nuestra disposición: la eólica, la solar, la bioenergía y la nuclear, así como la captura y el almacenamiento de carbono. “Además, la velocidad de la eliminación no solo se ve limitada por la disponibilidad de fuentes sustitutivas de bajas emisiones de carbono, sino también, por ejemplo, por la resistencia de fuertes grupos de interés asociados a la producción de carbón. Por tanto, necesitamos estrategias eficaces de transición justa para reducir esa resistencia”, continúa.

Las reducciones históricas no apelaban al clima, sino a la escasez

En la década de 1970, los países occidentales eliminaron el petróleo de la electricidad porque estaban preocupados por si los exportadores serían proveedores fiables tras los embargos petrolíferos. “Hoy tenemos que eliminar los combustibles fósiles, no por la preocupación por los proveedores o la escasez, sino por la preocupación por su impacto climático”, señala.

El rápido declive de los fósiles ha requerido históricamente avances en las tecnologías competidoras, una fuerte motivación para cambiar los sistemas energéticos (por ejemplo, para evitar las amenazas a la seguridad energética) e instituciones gubernamentales eficaces para aplicar los cambios necesarios.

El rápido declive de los combustibles fósiles ha requerido avances en las tecnologías competidoras, una fuerte motivación para cambiar los sistemas energéticos y gobiernos eficaces

«Nos ha sorprendido menos, aunque sigue impresionándonos, la rapidez con la que debe disminuir el uso del carbón en el futuro para alcanzar los objetivos climáticos», añade, señalando que, de todos los combustibles fósiles, el carbón es el que tendría que reducirse más rápidamente.

Los autores hallaron que casi todos los escenarios para la reducción del carbón en Asia, en línea con los objetivos del Acuerdo de París, no tenían precedentes o eran escasos. Asimismo, más de la mitad de los que se plantean para el declive del carbón en los países de la OCDE, al igual que para el recorte del uso del gas en las economías en proceso de reforma, Oriente Medio o África, tampoco tendrían precedentes o serían inéditos.

«Esto señala tanto el enorme desafío que supone ver un declive tan rápido de los combustibles fósiles, como la necesidad de aprender de las lecciones históricas cuando se lograron a escala nacional», concluye Jewell.

octubre 31/2021 (SINC)

Referencia:
Vinichenko et al. “Historical precedents and feasibility of rapid coal and gas decline required for the 1.5°C target”. One Earth, 2021.