Este artículo presenta un enfoque innovador para potenciar la producción de polihidroxialcanoatos PHA mediante el diseño de consorcios microbianos sintéticos que cooperan para superar las limitaciones de las monoculturas tradicionales.

Introducción El aumento global en la demanda de plásticos plantea desafíos medioambientales y una gran dependencia de combustibles fósiles. Los PHA son biopolímeros biodegradables producidos por microorganismos que constituyen una alternativa sostenible a los plásticos derivados del petróleo. No obstante los procesos actuales de producción suelen presentar bajos rendimientos y costes elevados. Aquí proponemos un cambio de paradigma basado en consorcios microbianos diseñados para rediseñar el flujo metabólico y maximizar la síntesis de PHA.

Fundamento teórico y metodología Nuestra metodología integra análisis de flujos metabólicos MFA modelos a escala genómica GEM y evolución dirigida para diseñar consorcios robustos y autorregulados que muestren síntesis sinérgica de PHA. Se construyó un GEM del productor clásico Cupriavidus necator empleando bases de datos públicas y herramientas como COBRApy. El MFA identificó cuellos de botella comunes en la vía de PHA tales como suministro insuficiente de precursores como acetil CoA y la acumulación de subproductos como succinato.

Diseño del consorcio Para superar limitaciones en el suministro de precursor se diseñó un consorcio de dos cepas que explotan la simbiosis metabólica. Cepa A Cupriavidus necator modificada para aumentar la actividad de la PHA sintasa y reducir la formación de succinato mediante la inactivación de operones claves. Cepa B Escherichia coli optimizada para sobreproducir acetil CoA a partir de glucosa mediante mejoras en la glucólisis y en el complejo piruvato deshidrogenasa. Circuitos regulatorios y señales de quorum sensing controlan el flujo de acetil CoA evitando efectos tóxicos por desbordamiento.

Evolución dirigida y ajuste de flujos Para afinar la interacción metabólica se aplicó evolución dirigida mediante pasajes seriados en cocultivo bajo condiciones que inducen acumulación de PHA como la limitación de nitrógeno. Con técnicas de cribado de alto rendimiento se seleccionaron variantes con mayor transferencia de acetil CoA y menor acumulación de subproductos.

Modelado matemático Se modelaron las dinámicas del consorcio mediante un sistema de ecuaciones diferenciales que describen el consumo de glucosa la producción y consumo de acetil CoA por cada cepa y la síntesis de PHA. La tasa de transferencia de acetil CoA está regulada dinámicamente por señales de quorum sensing y se representa mediante una función tipo Michaelis Menten que captura la saturación del transporte.

Diseño experimental y validación Los cultivos se realizaron en medio definido con glucosa a 30 grados centígrados en condiciones de limitación nitrogenada. Se monitorizó la biomasa por OD600 y la acumulación de PHA. La cuantificación de PHA se llevó a cabo por extracción con solventes y pesado gravimétrico. El análisis metabolómico mediante GC MS y HPLC permitió medir glucosa acetil CoA y succinato. Tras la evolución dirigida se secuenciaron los genomas para identificar mutaciones responsables de la mejora cooperativa.

Resultados y discusión El consorcio diseñado mostró un aumento de producción de PHA de 3.2 veces frente a la monocultura de C necator con significación estadística notable p menor que 0.01. Los análisis confirmaron reducción de succinato en la Cepa A y niveles elevados de acetil CoA en la Cepa B lo que valida la estrategia de ingeniería metabólica. Las variantes evolucionadas presentaron mutaciones en reguladores metabólicos y transportadores coherentes con la redirección de flujo observada. El modelo matemático reprodujo con precisión la dinámica experimental avalando la aproximación racional.

Escalabilidad y perspectivas a futuro La estrategia es escalable a reactores de 10 a 100 litros como primera etapa. Con optimizaciones en fermentación y estabilidad de cepas estimamos una reducción de costes de producción de PHA de hasta un 50 por ciento en un horizonte de 3 a 5 años. A más largo plazo la integración con biorrefinerías que utilicen corrientes de residuos lignocelulósicos o industriales permitirá una economía circular real. Futuras líneas incluyen consorcios más complejos con tres o más cepas edición genética precisa con CRISPR Cas y diversificación de sustratos hacia biomasa residual.

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Conclusión El rediseño del flujo metabólico mediante consorcios microbianos combinando MFA GEM y evolución dirigida demuestra ser una ruta prometedora para incrementar la producción de PHA y avanzar hacia bioplásticos competitivos. La convergencia entre biotecnología e ingeniería de software es clave. Q2BSTUDIO está preparado para acompañar a empresas biotecnológicas en la implementación digital integral desde software a medida inteligencia artificial servicios cloud ciberseguridad automatización y soluciones de inteligencia de negocio con Power BI para transformar innovación científica en soluciones comerciales escalables.

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