Al igual que otros herbívoros, Elway , una cabra de la isla de San Clemente en el zoológico de Santa Bárbara, puede extraer moléculas ricas en energía de la celulosa para impulsar sus actividades. Y es particularmente bueno en eso.
Las cabras tienen microbios que pueden digerir eficazmente los trozos leñosos, fibrosos y no comestibles de las plantas y convertirlos en energía. Los científicos han estado esperando aprender cómo estos animales de corral son tan efectivos para hacer esto con la esperanza de que puedan usarse para transformar los desechos de las plantas en energía .
Resulta que el excremento de Elway contiene algunas pistas. Al estudiar sus heces, un grupo de investigadores obtuvo información sobre qué microbios hay en el intestino de Elway y cómo funcionan para descomponer las plantas.
Los hallazgos, publicados a principios de este mes en Nature Microbiology, pueden ofrecer una ruta para que los futuros ingenieros diseñen un sistema que pueda convertir los desechos de las plantas en energía u otros productos valiosos.
El estudio también podría ayudar a los científicos a desarrollar una forma de reducir las emisiones de metano del ganado.
“Como ingeniero, siempre me han interesado mucho los lugares extraños que hacen química genial”, dice Michelle O’Malley , bioingeniera de la Universidad de California en Santa Bárbara y autora principal del estudio.
Uno de estos lugares, dice O’Malley, es el intestino del herbívoro, donde un caleidoscopio de microbios ejecuta elaboradas reacciones bioquímicas para la digestión. El producto final, el excremento, puede revelar las asombrosas acciones que contiene.
Durante los últimos cinco años, el equipo de O’Malley llevó a cabo más de 400 «experimentos de enriquecimiento», donde alimentaron a los microbios fecales de Elway con cuatro tipos de fibras (alfalfa, bagazo, alpiste y xylan) y dos tipos de antibióticos.
Al mezclar y combinar las fibras y los antibióticos utilizados, los investigadores pudieron estimular o suprimir ciertas comunidades microbianas (arqueas, bacterias u hongos) y, en el proceso, analizar las funciones biológicas de cada grupo en el intestino de una cabra. En el camino, el equipo también realizó un seguimiento de los microbios y productos metabólicos presentes en estos cultivos.
Al final, O’Malley y sus colegas pudieron identificar alrededor de 700 nuevas especies microbianas en el intestino de la cabra junto con miles de enzimas.
También describieron las funciones de diferentes microbios para descomponer las fibras vegetales resistentes. Estos hallazgos allanaron el camino para que los futuros científicos mejoren y avancen en la biotecnología de procesamiento de plantas que utilizan microbios.
En particular, encontraron que los hongos anaeróbicos juegan un papel importante en la generación de metano en asociación con los metanógenos, microorganismos productores de metano.
“Lo que [los investigadores] han encontrado es realmente asombroso, en términos de la diversidad de estos microbios en el microbioma intestinal de la cabra”, dice Xiaoxia Lin , ingeniera bioquímica de la Universidad de Michigan, que no participó en este estudio. Lin también ha estado tratando de aprovechar la digestión de celulosa en su laboratorio. Este estudio, dice, puede ofrecer «una nueva caja de herramientas» para futuros emprendimientos.
Tomemos como ejemplo la producción de metano en herbívoros. Con el poder de estos nuevos datos, los científicos pueden encontrar formas de atenuar el metabolismo fúngico involucrado en la producción de metano para reducir las emisiones de metano del ganado, que contribuyen con el 44 por ciento del metano generado por todas las actividades humanas anualmente, según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación.
Por otro lado, los ingenieros podrían usar las enzimas de los hongos anaeróbicos para ayudar a producir metano , el componente principal del gas natural , reciclando los desechos de las plantas a gran escala.
Se ha informado que, cada año, aproximadamente más de 40 millones de toneladas de residuos vegetales de la agricultura y la silvicultura se desechan a pesar de su potencial de bioprocesamiento.
El metano producido por microbios se puede aprovechar en la tubería de gas natural para generar electricidad , hacer fertilizantes, cocinar alimentos, calentar edificios, agua y alimentar automóviles.
El grupo de O’Malley utilizará el excremento de Elway para lograr su ambición a largo plazo: aprender a formar un equipo microbiano artificial en el que estos pequeños organismos puedan trabajar en conjunto para liberar los beneficiosos químicos de la celulosa, una de las moléculas orgánicas más abundantes de la Tierra, al igual que lo hacen en el intestino de Elway.
“No tenemos que reinventar la rueda”, dice O’Malley. «La naturaleza tiene muchas reglas diferentes que podemos seguir para eliminar los desechos y convertirlos en algo valioso».