La Revolución de la Biotecnología para las Industrias de Materiales, Energía y Alimentos

Biotecnología Más Allá del Sector Médico

La mayor parte de la atención en el sector de la Biotecnología se dirige hacia la medicina y los productos farmacéuticos. Las razones son bastante obvias: Las biotecnologías pueden erradicar potencialmente enfermedades raras y crónicas, combatir el envejecimiento y curar el cáncer y enfermedades infecciosas.

Es un sector muy rentable, con muchas de las mayores empresas del mundo centradas en el sector farmacéutico.

Sin embargo, este no es el único campo de aplicación de la Biotecnología. Después de todo, la biosfera en su conjunto es esencialmente un conjunto de nanomáquinas (proteínas y células) capaces de procesar la luz solar y el aire en material, alimentos y energía. Incluso toda la industria de los combustibles fósiles se basa en los millones de años anteriores de actividad biológica que crearon carbón, petróleo y gas.

Así, nuestro dominio creciente sobre la vida, hasta los niveles genético y molecular, podría pronto ver muchos procesos industriales reemplazados por tecnologías más sostenibles impulsadas por la biotecnología.

Producción de alimentos

El primer campo no médico donde la biotecnología es directamente aplicable es la producción agrícola. Los cultivos transgénicos llevan ya décadas y están mejorando rápidamente para volverse mucho más sostenibles y menos controvertidos.

Se estima que la biotecnología agrícola aumentará de 79.9 mil millones de dólares en 2023 a 119.6 mil millones de dólares para 2028.

Una aplicación directa es el desarrollo de nuevas variedades de cultivos resistentes a enfermedades y plagas o más tolerantes a sequías, olas de calor, inundaciones y otras perturbaciones climáticas.

Otra posibilidad es modificar las bacterias y microorganismos en las plantas, dentro de las plantas y en el suelo. Esto podría reemplazar la necesidad de fertilizantes y pesticidas químicos con bacterias. Discutimos cómo podríamos cambiar el microbioma de las plantas en nuestro artículo “Microbiomas de Plantas Ingeniería—Protegiendo los Cultivos con Bacterias”.

Fuente: Energy.gov

En este campo, han surgido algunos líderes, notablemente Bayer (BAYRY). La empresa es un ejemplo de la línea difusa entre compañías farmacéuticas y agrícolas, con actividades en ambos segmentos.

Hablamos de este tema y de Bayer en nuestros artículos “Avanzando la Agricultura con IA e Ingeniería Genética – El Futuro del Cultivo” y “Tecnología de MiniCromosoma – ¿La Mejor Forma de Crecimiento Sostenible en el Rendimiento de los Cultivos?“.

Alimentos Alternativos

La edición genética también puede usarse para crear nuevos tipos de alimentos. Por ejemplo, cultivos totalmente nuevos creados a partir de malezas pueden ser una opción.

Los sustitutos de carne que se sienten y saben como carne, pero con un perfil de salud mejor, también podrían crearse cambiando el genoma de los hongos.

Biocombustibles y Energía

Si las plantas fueron la fuente original de los combustibles fósiles hace millones de años, ¿podría la biomasa recién cultivada impulsarnos en el futuro?

Esta es la promesa de los biocombustibles. Las dos primeras generaciones de biocombustibles solo utilizaban productos de la agricultura tradicional (1^st generación usando productos alimenticios como el maíz, la 2^nd generación residuos agrícolas).

Pero la 3^rd generación de biocombustibles busca usar organismos a medida para producir combustible directamente de forma mucho más eficiente, evitando presionar la producción de alimentos y el suministro de agua dulce.

Los biocombustibles son a menudo etanol, pero también pueden incluir una variedad de otras moléculas, incluyendo ácidos grasos de cadena larga (similares al petróleo), biogás, hidrógeno y amoníaco.

Una opción es usar algas, que podrían cultivarse en el océano o en desiertos con agua de mar. Exploramos esta posibilidad en “Biocombustible de Algas: ¿La Próxima Revolución Energética?“.

Fuente: Exxon

Otra opción podría ser convertir organismos bien conocidos como la levadura en máquinas fotosintéticas, como investigamos en “Levadura Feliz a la Luz Puede Cambiar Nuestro Enfoque a los Biocombustibles“.

Por último, una fusión de biotecnología y nanotecnología podría crear biocombustibles de 4^th generación. También se le llama a veces “combustible solar fotobiológico“. Esto evitaría la necesidad de organismos completos y recrearía la fotosíntesis biológica a escala mediante nanotecnología.

Cambio Climático

Mientras los biocombustibles podrían ser un contribuyente serio para combatir el calentamiento global y reducir el uso de combustibles fósiles, esta no es la única forma en que las biotecnologías podrían ayudar.

En “Invertir en Acciones de Biotecnología que Trabajan en Soluciones al Calentamiento Global” discutimos algunas otras posibilidades:

• Captura de carbono, incluyendo a través de árboles genéticamente modificados, biochar (atrapando carbono en carbón vegetal y suelo), granjas de algas marinas (kelp), fertilización de microalgas oceánicas con hierro, etc.
• Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de la agricultura.
• Producir compuestos de alto valor como perfumes, especias y productos farmacéuticos en biorreactores en lugar de cosechar plantas y animales.
• Agricultura vertical o interior para reducir la presión sobre los recursos de tierra y agua.

Fuente: Medium

Materiales y Suministros Industriales

Madera

Uno de los biomateriales más antiguos, la madera, sigue siendo un material importante en las economías modernas de hoy. La industria de la madera y la silvicultura es una industria masiva valorada en 1,16 billones de dólares en 2024.

Debido a su lento crecimiento y al tiempo entre generaciones, los árboles han sido tradicionalmente excluidos de los programas de ingeniería genética.

Una genética mejorada podría impulsar la producción de madera y la captura de carbono.

También podría crear formas novedosas de “cultivo de árboles”, donde los árboles se utilizan para producir nuevos compuestos valiosos, desde productos farmacéuticos hasta químicos.

Fuente: Modern Agriculture

Estos conceptos probablemente se integrarán con el progreso logrado en la comprensión de los ecosistemas, con conceptos como agroforestería, bosques alimentarios y silvicultura multiespecie optimizada que aumentan tanto la productividad como los beneficios ecológicos.

Finalmente, la madera podría ser un material mucho más potente de lo esperado. Los investigadores están descubriendo que condiciones alcalinas, altas temperaturas y biopolímeros pueden convertir la madera en «madera aumentada que puede tener la resistencia del acero y una rigidez 23 veces mayor que el hormigón».

Bioplásticos y Biquímicos

Una gran parte del consumo de combustibles fósiles, así como una fuente importante de contaminación, se dedica a la producción de plástico, que podría alcanzar el 20 % del consumo de petróleo y gas en 2050.

Este es un problema importante al darnos cuenta de que los microplásticos se están volviendo omnipresentes, tanto en nuestros cuerpos como incluso en el agua de lluvia.

Sustituir el plástico basado en combustibles fósiles por bioplástico es una tarea difícil, con mucha ingeniería química aún necesaria. Pero se puede lograr y probablemente sea necesario si queremos seguir usando plástico sin contaminar irremediablemente nuestro medio ambiente.

Discutimos los desafíos técnicos y algunas de las últimas innovaciones en este sector en “Alternativas Ecológicas al Plástico: Clave para los Esfuerzos de Sostenibilidad – ¿Son los Plásticos Biodegradables una Solución?“. Y las empresas líderes en este sector en la “Top 5 Empresas de Bioplásticos“.

Las alternativas basadas en bio también se están encontrando en otros campos. Por ejemplo, para pegamento, donde el formaldehído tóxico puede ser reemplazado por lignina. O cómo paneles hechos de cáñamo (plantas de cannabis no psicoactivas) pueden usarse para el aislamiento térmico de edificios.

Fibras Textiles

Los investigadores han logrado ingeniar gusanos de seda capaces de producir a escala seda de araña, una fibra 6 veces más resistente que el Kevlar usado en chalecos antibalas. Podría usarse en aplicaciones aeroespaciales y militares, así como en suturas quirúrgicas. La seda de araña incluso podría usarse para músculos robóticos.

Remediación de la Contaminación y Medio Ambiente

Bacterias que Comen Plástico

La contaminación plástica también puede resolverse de otra manera. Carbios, una startup francesa, ha identificado una bacteria con una enzima modificada que digiere plástico.

Otra empresa, Epoch Biodesign crea proteínas capaces de degradar detergentes, pintura, agroquímicos, plásticos, etc.

Incluso plantas y hongos podrían contribuir a la degradación del plástico, sumándose a las soluciones disponibles para remediar la contaminación.

Limpieza de Aguas Residuales de Petróleo de Esquisto

Más recientemente, una nueva aplicación de campos emergentes de biotecnología inicialmente desarrollados para la salud humana ha aparecido.

Al usar bacteriófagos, los investigadores han logrado reducir la contaminación causada por el procesamiento de aguas residuales de la producción de petróleo de esquisto. Discutimos en detalle cómo funciona en “Bacteriófagos Podrían Reducir el Daño Causado por la Fracturación Hidráulica, una Práctica Notoriamente Divisiva“.

Resucitando Especies Muertas

La contaminación plástica o el cambio climático no son los únicos impactos negativos de las actividades humanas. Muchas especies están en peligro de extinción o fueron exterminadas hace siglos o milenios.

En “Esfuerzos de Conservación Potenciados por Avances en BioTech – Los Rinocerontes Blancos los Últimos en Beneficiarse“, analizamos cómo los últimos avances en cría artificial e ingeniería genética podrían salvar especies en peligro como el rinoceronte blanco, e incluso quizá devolver a la vida especies como el mamut lanudo.

Fuente: Colossal

Almacenamiento de Datos en ADN

Un segmento inesperado para la biotecnología podría ser el almacenamiento de datos, un campo que hasta ahora ha estado reservado a los semiconductores. Sin embargo, el ADN es en realidad un medio extraordinariamente denso para la información, con una densidad de información del ADN de 1,47 terabits/mm2 o 950 terabits/in2, o más de 800 veces la densidad de los discos duros.

También podría tener la ventaja única de ser estable durante un período muy largo sin requerir materiales costosos o contaminantes. El almacenamiento tampoco requiere energía.

Los costos decrecientes y las mejoras en la precisión de la síntesis de ADN sintético ahora hacen posible el almacenamiento de ADN de alta calidad.

Un problema es leer el material, lo cual es significativamente más complejo que los datos escritos en sustratos semiconductores. Por lo tanto, es probable que el almacenamiento de ADN se limite a datos de archivo y otros datos que no se consulten con frecuencia en el futuro previsible.

La Alianza de Almacenamiento de Datos en ADN fue formada recientemente e incluye a la empresa de síntesis de ADN Twist Biosciences, la empresa de secuenciación genómica Illumina, la empresa de almacenamiento de datos Western Digital , Microsoft (MSFT ), Lenovo y muchos otros.

Empresas de Biotecnología No Farmacéutica

1. Ginkgo Bioworks

La empresa produce organismos bajo demanda para aplicaciones específicas. Estos incluyen aplicaciones biomédicas y numerosos programas de ciencias industriales y de materiales.

Gingko es exactamente el tipo de empresa a la que los grandes conglomerados industriales podrían acudir para diseñar una levadura personalizada dedicada a la producción de biocombustibles. Lo mismo vale para químicos complejos valiosos o métodos de descontaminación.

Ginkgo Bioworks (DNA ) ha diversificado ampliamente sus aplicaciones con muchos programas de investigación y asociaciones:

• Cannabinoides
• producción de vacunas de ARNm y medicina de ácidos nucleicos
• proteínas alimentarias
• producción de fertilizante biológico en asociación con Bayer
• microbios programables para enfermedades intestinales
• biorremediación de microplásticos
• bioseguridad y detección de patógenos
• reciclaje de residuos y contaminantes

Gana dinero al recibir primero un pago por adelantado para el proceso de desarrollo y luego a través de regalías sobre el producto final.

Las asociaciones de Gingko están en constante expansión, con:

• una asociación creciente con Novo Nordisk.
• una asociación con la empresa comercial japonesa Sojitz Corporation.
• financiación de DARPA para proteínas novedosas que controlen el hielo en entornos de clima extremadamente frío.
• $ 331 M en acuerdos con Pfizer.
• $ 490 M en acuerdo con Merck para optimizar la fabricación de biológicos.
• $ 406 M en acuerdo con Boehringer Ingelheim para objetivos no farmacológicos.

Ginkgo Bioworks también se asocia con todas las principales corporaciones agrícolas, la mayoría de las cuales tienen intereses en la producción de biocombustibles y microbiología. Algunas de ellas incluyen Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta, y más.

Fuente: Gingko Bioworks

2. Bayer Crop Science  (BAYRY)

Bayer Crop Science, parte de Bayer Global (también una compañía farmacéutica), se centra en innovaciones relacionadas con semillas, rasgos y protección de cultivos.

Las innovaciones de Bayer han ayudado a sus científicos de biotecnología a realizar mejoras dirigidas dentro del ADN de las plantas.

Desde su fusión con Monsanto, también es líder en cultivos transgénicos y manejo de malezas. Esta fusión trajo el problema de demandas muy costosas por RoundUp, lo que provocó que el valor de la acción de la compañía se desplomara en los años posteriores a la fusión.

Controla la mayor parte del mercado tradicional de semillas GMO y también está trabajando en el uso de CRISPR para la próxima generación de semillas de maíz, soja, trigo, etc.

Los beneficios de la protección de cultivos, según Bayer, son enormes. El mecanismo de protección de cultivos salvaguarda alrededor del 30 % de los rendimientos agrícolas a nivel mundial, equivalente a 550 millones de toneladas de alimentos que podrían alimentar a más de 2 mil millones de personas.

Fuente: Bayer

Bayer está pasando de los GMO tradicionales a través de una asociación con Ginkgo Bioworks (DNA), una de las mayores compañías de biología sintética. La asociación se centra en desarrollar alternativas biológicas a los fertilizantes químicos mediante la edición genética de microorganismos.

Es líder en variedad de semillas y edición genética en plantas, con más de 500 nuevas variedades de cultivos en su pipeline (y 250 nuevos registros de cultivos en 2022).

La compañía también es líder en integrar tecnología en la agricultura. Por ejemplo, Bayer firmó una asociación con Microsoft para combinar el sistema de gestión de datos Azur de la gigante tecnológica con la experiencia de Bayer en el uso de datos de satélites, sensores de campo, drones, equipos de campo y sensores de suelo para crear granjas verdaderamente modernas y conectadas.

Fuente: Bayer

Gracias a su liderazgo en GMO (tradicionales y edición genética avanzada), selección de variedades de plantas e integración de big data en la agricultura, Bayer sería un candidato natural para acompañar el proceso de crear cultivos domesticados de novo, así como la detección hiperespectral de malezas por robots agrícolas.