ARTÍCULO DE PORTADA
Polihidroxialcanoatos: el plástico de las bacterias
Itzel del Carmen Fonseca-Barrera, Patricia Guillermina Mendoza-García y Karla Gabriela Álvarez-Villagómez
Resumen
La acumulación de plásticos en México y en el mundo provoca graves daños a los ecosistemas y causa la muerte de miles de mamíferos marinos cada año. Ante el fracaso del reciclaje, que apenas alcanza el 9 %, los polihidroxialcanoatos (PHA) surgen como una alternativa científica prometedora. Estos biopolímeros, producidos por bacterias, pueden sustituir a los plásticos convencionales en productos de uso cotidiano, como bolsas y utensilios. Este artículo explora la naturaleza de los PHA, sus métodos de obtención y sus aplicaciones industriales actuales, presentándolos como una posible solución sostenible frente a la crisis global de contaminación por plásticos.
Palabras clave: Biopolímeros, microplásticos, polihidroxialcanoatos.
RECIBIDO: 27/08/2024; ACEPTADO: 14/03/2025;
PUBLICADO:30/04/2026
Polihidroxialcanoatos: el plástico de las bacterias
¿Alguna vez te has preguntado qué sucede con el plástico que desechamos? En varios estados de México es común observar plásticos en las calles, ríos y mares; sin embargo, pocas veces reflexionamos sobre el impacto que esto tiene en los ecosistemas y en nuestra salud. Diversos estudios han demostrado la presencia de microplásticos —partículas resultantes de la degradación del plástico— en alimentos que consumimos, como el pescado e incluso en la leche materna. Esto no resulta sorprendente si se considera que la producción global de plástico supera los 430 millones de toneladas anuales. Si esta tendencia continúa, se estima que para el 2060 esta cifra podría triplicarse.
La contaminación por plásticos en México ha provocado que diversas especies marinas se vean afectadas al ingerir microplásticos, lo que reduce su esperanza de vida. A nivel mundial, se estima que más de cien mil mamíferos marinos mueren cada año debido al consumo de estos materiales. Las áreas turísticas también se han visto afectadas por la acumulación de residuos plásticos. Por ejemplo, en 2022 se extrajeron alrededor de dos mil toneladas de basura del Cañón del Sumidero, una importante atracción turística ubicada en el estado de Chiapas. Este problema provoca que los paisajes naturales se deterioren y se modifiquen negativamente. Aunque el reciclaje se ha promovido como una estrategia para reducir la acumulación de plásticos, la falta de participación por parte de la población ha limitado su efectividad, de modo que solo alrededor del 9 % de los residuos plásticos generados se recicla.
Otra alternativa que se ha propuesto es reducir la producción de plásticos convencionales. Diversos investigadores sugieren el uso de polímeros biodegradables obtenidos a partir de productos agrícolas como la zeína, el almidón, el alginato y el quitosano. Sin embargo, algunas de las propiedades de estos materiales aún limitan su aplicación en la fabricación de ciertos productos. Por ello, en la última década, los polihidroxialcanoatos (PHA) han captado la atención de la comunidad científica como una alternativa prometedora. Estos biopolímeros, producidos por bacterias, poseen propiedades similares a las de plásticos como el polipropileno, con la ventaja adicional de ser biodegradables tanto por las mismas bacterias que los generan como por otros microorganismos presentes en el medioambiente. Empresas como TianAn Biopolymer (China), Danimer Scientific (Estados Unidos), Bio-on (Italia) y PolyFerm (Canadá) ya producen PHA a escala industrial.
El primer reporte sobre los polihidroxialcanoatos (PHA), en particular del polihidroxibutirato (PHB), fue realizado por Lemoigne en 1974, quien logró extraer este polímero utilizando cloroformo como solvente. Desde entonces, se han identificado más de cien monómeros diferentes que pueden formar parte de estas cadenas. El tipo de PHA producido depende tanto de la bacteria que lo sintetiza como del sustrato utilizado. Por esta razón, actualmente se investigan diversos géneros de bacterias capaces de producir este biopolímero. La variación en la composición de las cadenas de PHA permite obtener materiales con propiedades distintas y, por lo tanto, con múltiples aplicaciones. Los PHA se pueden clasificar, según el tamaño de su cadena, en PHA de cadena corta y PHA de cadena media. Asimismo, el nombre del polímero varía en función del radical que sustituye la cadena principal: por ejemplo, si el radical es un metilo, el polímero se denomina polihidroxibutirato; si es un propilo, se denomina polihidroxivalerato.
Los PHA pueden emplearse en la fabricación de una amplia variedad de productos, como guantes, bolsas de basura y utensilios de cocina. En México existe un creciente interés por invertir en la producción de estos biopolímeros, con iniciativas como la colaboración entre Innova Imagen® y Bio-on®, que plantea establecer una planta de producción en el país. Sustituir los plásticos convencionales por PHA podría representar un paso importante hacia la reducción de la acumulación de residuos plásticos en el medioambiente. Sin duda, los polihidroxialcanoatos se perfilan como uno de los materiales con mayor potencial para el desarrollo de los plásticos del futuro.
¿Qué es un PHA?
Los polihidroxialcanoatos (PHA) son poliésteres sintetizados por bacterias —también conocidos como biopoliésteres— mediante enzimas que ensamblan los monómeros de PHA en largas cadenas. Dependiendo de la longitud de estas cadenas, los PHA pueden clasificarse en PHA de cadena corta (2–5 carbonos) y PHA de cadena media (6–14 carbonos). Algunas bacterias tienen la capacidad de almacenar hasta un 90 % de su peso seco en forma de PHA, ¡una bacteria bastante amplia!, ¿no crees?
No obstante, esta acumulación ocurre principalmente cuando existe un exceso de fuente de carbono y, al mismo tiempo, una limitación de algún otro nutriente en el medio de cultivo. Podemos imaginar un medio de cultivo como un pequeño ecosistema donde las bacterias encuentran todo lo necesario para crecer y reproducirse: alimento, agua, oxígeno y condiciones adecuadas para su desarrollo; es lo que llamamos un medio de crecimiento óptimo. Sin embargo, aunque en estas condiciones las bacterias pueden producir PHA, lo hacen en cantidades relativamente bajas.
Ahora, ¿qué ocurre cuando les falta algún elemento esencial? Supongamos que este elemento es el dinero. Al igual que las personas necesitan este recurso para cubrir sus necesidades básicas, las bacterias requieren nutrientes para crecer y reproducirse. Cuando estos nutrientes se vuelven limitados, la bacteria siente ansiedad y se cuestiona si es prudente reproducirse, ya que no tiene los recursos suficientes. Así que, en lugar de destinar su energía a la reproducción, las bacterias comienzan a almacenar reservas energéticas, entre ellas los PHA.
A este tipo de condiciones se le conoce como «medio modificado para la producción de PHA». En él se busca generar un cierto grado de estrés nutricional que reduzca el crecimiento celular y favorezca la acumulación de biopolímeros, permitiendo que las bacterias almacenen mayores cantidades de PHA que las que producirían en un entorno con todos los nutrientes disponibles.
¿Cómo se obtiene este biopolímero de las bacterias?
Como se mencionó en el primer apartado, el aspecto inicial que debe considerarse es el medio de cultivo en el que crecerán las bacterias. La segunda etapa consiste en determinar el momento adecuado para extraer el biopolímero. Para comprenderlo mejor, podemos imaginar que una bacteria es comparable a una persona. Durante las primeras etapas de la vida, la mayor parte de la energía que obtenemos de los alimentos se utiliza para crecer y desarrollarnos; por ello, aunque se consuma una gran cantidad de alimento, es difícil aumentar de peso. Algo similar ocurre con las bacterias durante su fase de crecimiento: toda la energía disponible se destina a sus procesos metabólicos.
Sin embargo, cuando las bacterias alcanzan la fase estacionaria —que podría compararse con la etapa adulta— y disponen de más nutrientes de los que necesitan para mantener sus funciones básicas, comienzan a almacenar esa energía adicional en forma de PHA. En este sentido, el PHA puede entenderse como la «grasa» de las bacterias —comparable a la grasa en los organismos animales—, que pueden utilizar cuando los nutrientes se vuelven escasos.
En el proceso de obtención de PHA es importante evitar que las bacterias comiencen a consumir esta reserva, ya que ello reduciría la cantidad de biopolímero disponible. Por esta razón, la extracción suele realizarse durante la fase estacionaria, cuando la acumulación de PHA es mayor. Una vez identificado el momento óptimo, se separa a las bacterias del medio de cultivo mediante centrifugación. Este procedimiento puede compararse con el lavado de la ropa: primero se elimina el agua sucia con detergente, luego se enjuaga con agua limpia y, finalmente, se centrifuga para obtener la ropa seca y libre de impurezas. De manera similar, la centrifugación permite separar las bacterias del líquido del cultivo, dejándolas listas para las etapas posteriores del proceso.
Después de «lavar» las bacterias, es necesario romperlas para liberar el PHA que se encuentra en su interior. Existen diversos métodos para lisar las bacterias, como el uso de enzimas —que actúan como tijeras capaces de cortar las células—, la sonicación (que emplea ondas sonoras) o el uso de solventes. El objetivo de este proceso es liberar el biopolímero para que posteriormente pueda emplearse en la fabricación de diversos productos.
¿En dónde se encuentran estas bacterias?
Aunque pueda parecer sorprendente, estas «superbacterias» productoras de PHA no son difíciles de encontrar. Se han aislado en diversos entornos, como suelos, ríos, lagos, ambientes marinos e incluso en vertederos de basura. En general, los investigadores buscan bacterias capaces de acumular grandes cantidades de PHA y que, además, utilicen fuentes de energía económicas, como cáscaras de naranja o desechos agroindustriales. ¿Recuerdas que mencionamos a Bio-on® e Innova Imagen®? Estas empresas están interesadas en utilizar residuos de agave como fuente de energía para la producción de PHA. De esta manera, las bacterias no solo son capaces de producir un biopolímero, sino que también pueden contribuir al aprovechamiento de residuos.
Otro dato interesante es que se han identificado bacterias capaces de degradar PET (tereftalato de polietileno), otro polímero plástico del grupo de los poliésteres, y al mismo tiempo producir PHA. ¡Sorprendente, ¿no?
Entre las bacterias más estudiadas para la producción de PHA se encuentran Cupriavidus necator, Bacillus megaterium y Pseudomonas putida, esta última con la capacidad de producir biopolímeros de cadena media. Además de estas bacterias presentes en el ambiente, también se han desarrollado modificaciones genéticas. En estos casos, se insertan genes responsables de la síntesis de PHA en Escherichia coli, una bacteria con bajos requerimientos nutricionales que, al no estar naturalmente adaptada a las condiciones de acumulación de PHA, resulta más fácil de lisar, lo que facilita la obtención del polímero. Estas investigaciones buscan optimizar el proceso de producción de PHA y reducir sus costos, con la expectativa de que en el futuro puedan competir de manera más efectiva con los plásticos derivados del petróleo.
¿Qué pasa con el PHA una vez que es utilizado?
A diferencia de los plásticos convencionales, que pueden tardar años en degradarse y se acumulan en el ambiente en forma de microplásticos, los PHA pueden ser degradados por las mismas bacterias que los producen. Esto se debe a que estos microorganismos poseen enzimas capaces de descomponer el biopolímero, fragmentándolo en moléculas más pequeñas.
Cuando la bacteria necesita utilizar el PHA, entra en acción una enzima llamada PHA depolimerasa, que degrada el biopolímero para que pueda emplearse como fuente de energía. Para comprenderlo mejor, podemos imaginar el PHA como una larga tira de chorizo que, para poder consumirse, debe cortarse en porciones pequeñas. En este caso, la enzima PHA depolimerasa actúa como la herramienta encargada de realizar esos cortes, dividiendo la cadena en fragmentos más pequeños que la bacteria puede aprovechar para obtener energía.
El tiempo de degradación del PHA puede variar; no obstante, diversos estudios sobre la descomposición de láminas de este material han mostrado que pueden degradarse aproximadamente en siete semanas, dependiendo de factores como la humedad y la temperatura. Esta característica contribuye a evitar que los residuos de PHA se acumulen en el ambiente o generen impactos negativos en los ecosistemas.
¿En qué pueden ser utilizados los PHA?
Como se ha mencionado, existen distintos tipos de PHA, cada uno con propiedades y aplicaciones específicas. Según PHAbuilder®, sus PHA pueden utilizarse en los ámbitos médico y farmacéutico, por ejemplo, en la fabricación de válvulas cardíacas artificiales, cartílagos, entre otros. Por su parte, la empresa Danimer Scientific® señala que entre las aplicaciones de estos biopolímeros se encuentran la producción de tazas, botes, bolsas de compras, platos y juguetes. Asimismo, la empresa canadiense PolyFerm® indica que los PHA pueden emplearse en la fabricación de fibras textiles, pinturas y suturas absorbibles, entre otros productos. Como puede observarse, las distintas composiciones de los PHA les confieren una gran versatilidad. Si los avances en este campo continúan y se incrementan las inversiones en la industria, no sería sorprendente comenzar a ver platos, bolsas e incluso prendas de vestir fabricadas con este «superplástico».
El desarrollo y la producción de PHA han representado un importante desafío para la comunidad científica; sin embargo, los avances logrados hasta ahora abren amplias posibilidades para el futuro. Aunque ya se ha conseguido producir este biopolímero a escala industrial, aún existen retos que deben superarse para que los PHA se consoliden como una alternativa predominante frente a los plásticos convencionales derivados del petróleo. Aun así, su potencial es indiscutible.
Los PHA no solo ofrecen una solución biodegradable que podría reducir significativamente la acumulación de residuos plásticos en el medioambiente, sino que también presentan aplicaciones en sectores tan diversos como la medicina, la agricultura, el embalaje y la industria textil. Con una mayor inversión en investigación y desarrollo, es probable que se amplíen las aplicaciones de este material, al tiempo que se mejoran sus propiedades mecánicas y se optimizan los procesos de producción para reducir costos.
Itzel del Carmen Fonseca-Barrera. es estudiante del doctorado en alimentos en la Unidad de Investigación y Desarrollo en Alimentos (UNIDA), donde también obtuvo el grado de Maestra en Ciencias en Ingeniería Bioquímica. Es ingeniera en Alimentos por la Universidad Veracruzana. Su investigación se enfoca en el desarrollo de películas bioactivas, agentes antimicrobianos, así como en sistemas de liberación controlada. Actualmente se enfoca en la extracción de polihidroxialcanoatos a partir de bacterias. Le apasiona la investigación enfocada a resolver problemas industriales, ha publicado en revistas científicas indexadas de alcance nacional e internacional y participado en diversos congresos. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
Dra. Patricia G. Mendoza García es Química Farmacéutica Bióloga, con Maestría y Doctorado en Ciencias de los Alimentos. Integrante del Sistema Nacional de Investigadoras e Investigadores (SNII), Nivel 1, y cuenta con Perfil Deseable Prodep. Su investigación se enfoca en antimicrobianos naturales y empaques activos con matrices biodegradables. Ha trabajado en el aislamiento de bacterias ácido-lácticas productoras de bacteriocinas con actividad contra patógenos de importancia en inocuidad alimentaria y en hidrolasas de peptidoglicano activas frente a bacterias ESKAPE. Estudia la producción de polihidroxialcanoatos e investiga sobre la actividad antimicrobiana, antiparasitaria y anticancerígena de bacterias marinas en colabora con la Universidad Veracruzana. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
Karla Gabriela Álvarez-Villagómez. es una científica multidisciplinaria apasionada de los microorganismos. Es Licenciada en Biología Marina, Maestra en Ingeniería Bioquímica y Doctora en Ciencias en Alimentos. Su formación incluye estancias de investigación en España y México, especializándose en microbiología, metabolómica y procesos de fermentación. Más allá del laboratorio, posee vocación por la enseñanza. Para ella, la docencia es uno de los canales para transmitir conocimiento e inspirar a nuevas generaciones. Actualmente, su trabajo posdoctoral se centra en enzibióticos producidos por bacterias, con el fin de desarrollar alternativas innovadoras al uso de antibióticos. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
Dale la Cara, A.C. (2019, 11 de noviembre). La contaminación plástica y los efectos en el Atoyac y demás cuerpos de agua. Mares limpios. Resiliente Magazine. https://resilientemagazine.com/la-contaminacion-plastica-y-los-efectos-en-el-atoyac-y-demas-cuerpos-de-agua-mares-limpios/
Padilla-Vasquez D. (2024, Mayo 1). Protect Our Planet from Plastic Pollution: 5 Things to Know. Climate, Energy, and Environment. https://unfoundation.org/blog/category/climate-energy-environment/
Serrano-Riaño J.Y. (2010). Polihidroxialcanoatos (PHAs): Biopolímeros producidos por microorganismos: Una solución frente a la contaminación del medioambiente. Teoría y praxis investigativa, 5(2), 79-84. https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=3702404