Aprovechar los microbios creados por bioingeniería como una plataforma versátil para la nutrición espacial

May 05, 2024

Nature Communications volumen 13, número de artículo: 6177 (2022) Citar este artículo

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Las empresas humanas a través del sistema solar implicarán viajes de larga duración y alojamiento, lo que creará desafíos para mantener dietas saludables. Discutimos la consolidación de múltiples atributos sensoriales y nutricionales en microorganismos para desarrollar sistemas de producción de alimentos personalizables con insumos, huella física y desperdicio mínimos. Prevemos que una colección de levadura diseñada mediante bioingeniería para el metabolismo de un carbono, una nutrición óptima y diversas texturas, sabores, aromas y colores podría servir como una plataforma flexible de producción de alimentos. Más allá de su potencial para sustentar a los seres humanos en el espacio, los alimentos basados ​​en microbios obtenidos mediante bioingeniería podrían conducir a un nuevo paradigma para la fabricación de alimentos en la Tierra que proporcione una mayor autosuficiencia y elimine la presión de los ecosistemas naturales.

Las empresas espaciales humanas de larga duración, como regresar a la Luna por períodos prolongados, visitar asteroides y viajar a Marte, requerirán autosuficiencia y maximizar los sistemas de soporte vital. Reducir la dependencia de la carga de lanzamiento inicial y el reabastecimiento desde la Tierra mejora la autonomía, mitiga los riesgos y es esencial para la viabilidad económica y logística de los esfuerzos humanos a largo plazo en el espacio. La biotecnología puede desempeñar un papel integral en el logro de este objetivo1,2. Los sistemas vivos son autorreplicantes, autorreparadores y autoorganizados y pueden diseñarse para aprovechar los recursos disponibles para la producción rentable de los productos deseados (por ejemplo, nutrientes, productos farmacéuticos, biomateriales), teniendo así un gran potencial para reducir cargas y reabastecimientos. En particular, la aplicación de la biotecnología para la producción de alimentos fuera de la Tierra será fundamental para respaldar los viajes y la ocupación humana a través del sistema solar3,4,5. Aquí, describimos la motivación para desarrollar sistemas de producción de alimentos basados ​​en microbios. Examinamos el uso de la biología sintética para consolidar múltiples atributos sensoriales y nutricionales de los alimentos en microorganismos autótrofos o residuos de carbono diseñados para contribuir a este esfuerzo. También discutimos la perspectiva del enfoque junto con la impresión tridimensional (3D) para lograr el consumo directo de alimentos microbianos totalmente personalizados y maximizar la producción de alimentos con un desperdicio mínimo.

En misiones de corta duración, se puede transportar suficiente comida para toda la misión, y los reabastecimientos periódicos mantienen la Estación Espacial Internacional abastecida de alimentos3. Sin embargo, lograr la autosuficiencia alimentaria será esencial para los futuros viajeros espaciales, ya que la demanda de alimentos aumenta enormemente cuando se alarga la duración de los esfuerzos espaciales1. A modo de ejemplo, se estima que una misión con seis tripulantes para ~500 días de residencia en Marte requerirá aproximadamente cinco toneladas de alimentos, más otras ocho a diez toneladas para tránsitos interplanetarios y contingencias5. Además de los enormes costes logísticos que supone transportar y almacenar grandes cantidades de alimentos, los alimentos almacenados son susceptibles de deteriorarse, estropearse y reducirse los niveles de nutrientes o la biodisponibilidad, lo que podría provocar escasez de alimentos o desnutrición, comprometiendo la salud y el rendimiento físico y cognitivo de la tripulación. Por lo tanto, además de transportar todos los alimentos necesarios o depender de los reabastecimientos de la Tierra, el mejor enfoque para sostener proyectos espaciales humanos extendidos es producir alimentos en el sitio. Los sistemas alimentarios ideales deberían ser capaces de producir de manera confiable alimentos atractivos y ricos en nutrientes, a pedido, de manera rápida y con insumos y huella física mínimos.

Se han considerado diferentes alternativas, incluidas plantas, algas, insectos, carne cultivada y microbios, para producir alimentos fuera de la Tierra1,6,7,8,9,10. Los microorganismos requieren comparativamente menos insumos, duplican su biomasa más rápidamente y, en general, son más susceptibles a las intervenciones de bioingeniería, todas las cuales son ventajas críticas que justifican su desarrollo como sistemas de producción de alimentos. Además, además de consumirse en alimentos y bebidas como pan, yogur, queso, cerveza y vino durante milenios y, más recientemente, como probióticos dietéticos, los microorganismos se utilizan cada vez más para producir aditivos alimentarios y se consideran una fuente de alimento sostenible para el futuro11. 12,13. Si se pueden cultivar microorganismos a partir del carbono y el nitrógeno disponibles o desperdiciados para producir alimentos atractivos y nutritivos, entonces no sólo podrán prolongar la duración de las operaciones humanas extraterrestres sino también disminuir el impacto ambiental de la actual agricultura terrestre.

La levadura Saccharomyces cerevisiae es un microorganismo de calidad alimentaria con miles de años de uso en panadería, elaboración de cerveza y elaboración de vino14. Las células de levadura son una fuente de alimento nutritivo y tienen el potencial de formar una parte más importante de la dieta humana, ya que tienen un perfil de macronutrientes similar al de la harina de soja, con ~40,4 % de proteínas, ~34,6 % de carbohidratos, ~1,5 % de lípidos y ~13 kJ por gramo de peso de células secas11,13. El perfil de aminoácidos de las proteínas de levadura también es adecuado para la nutrición humana, ya que contiene todos los aminoácidos esenciales que los humanos no pueden producir y deben obtener de fuentes dietéticas (es decir, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina)15. S. cerevisiae también es de rápido crecimiento (tiempo de duplicación de ~90 min en condiciones óptimas), altamente maleable genéticamente y uno de los organismos mejor caracterizados16. Además, los estudios han demostrado que las condiciones de microgravedad no parecen afectar significativamente su crecimiento o viabilidad17, y el trabajo realizado por la NASA ha destacado el potencial de S. cerevisiae genéticamente modificada como fuente útil de nutrientes esenciales para la salud y la nutrición humanas (por ejemplo, BioNutrients de la NASA proyecto). Estimaciones recientes del valor nutricional de una cepa de levadura vitamina-prototrófica en el contexto de los viajes espaciales humanos sugieren que todas las vitaminas y macronutrientes necesarios para una dieta humana equilibrada podrían proporcionarse a 50-100 personas por día a partir de una única fermentación de 3000 L18. Todo esto convierte a S. cerevisiae en un candidato prometedor para convertirse en un sistema microbiano de producción de alimentos (Fig. 1).

Se podrían consolidar múltiples vías genéticas en cromosomas sintéticos (a) para reprogramar el metabolismo de la levadura y otorgarle nuevos rasgos diseñados (por ejemplo, utilización de C1 y atributos sensoriales y nutricionales de los alimentos) (b). Mediante el uso de biorreactores inteligentes capaces de controlar la expresión de vías genéticas diseñadas específicamente, se podría moldear la fisiología celular de la levadura para ajustar las propiedades alimenticias de la biomasa de levadura (c). Las tecnologías alimentarias microbianas impresas en 3D permitirían fabricar alimentos personalizados según las preferencias individuales con un desperdicio mínimo (d).

Microorganismos alternativos a S. cerevisiae, incluidos los naturalmente autótrofos como la cianobacteria Arthrospira platensis y el alga Chlorella vulgaris, ya se consumen como suplementos dietéticos o aditivos alimentarios y, por tanto, podrían utilizarse como fuente de alimento. Sin embargo, estos y la mayoría de los otros organismos suelen estar menos caracterizados y ser menos manejables genéticamente en comparación con la levadura, lo que significa que los atributos sensoriales y nutricionales diseñados pueden ser difíciles de implementar. Otro microbio con una profundidad de caracterización y manejabilidad genética similar a la de la levadura es la bacteria Escherichia coli. Sin embargo, podría decirse que E. coli es menos adecuada como fuente de alimento humano debido a la naturaleza patógena de algunas cepas de E. coli y su falta de historia en la cadena alimentaria humana.

En ciertos destinos extraterrestres, como Marte, los nutrientes indispensables para sustentar el crecimiento microbiano, como el carbono y el nitrógeno, pueden estar fácilmente disponibles y adquirirse del medio ambiente (mediante la utilización de recursos in situ)7,19. Sin embargo, durante los tránsitos espaciales y en destinos donde los nutrientes microbianos esenciales son inaccesibles, estos recursos podrían recuperarse parcialmente de los desechos generados por la tripulación (mediante sistemas de circuito cerrado)1.

Se estima que un ser humano promedio necesita alrededor de 8700 kJ de alimento y expulsará alrededor de 740 gramos de dióxido de carbono (CO2) por día20. Si esta cantidad de CO2 pudiera usarse para cultivar microorganismos en biorreactores con un contenido nutricional de ~12,5 kJ por gramo de células13 y de 0,2 a 0,5 g de células producidas por gramo de CO2 por día21,22, entonces la energía total disponible de Los alimentos microbianos cultivados con CO2 reciclado estarían entre 1850 y 4625 kJ por persona por día. Recientemente se cubrió con gran detalle la utilización potencial de diferentes fuentes de un carbono (C1) utilizando metabolismo fotoautótrofo o quimioautótrofo en varios microorganismos13,23. Suponiendo que los residuos o el CO2 disponible in situ puedan capturarse y liberarse fácilmente en un biorreactor, existen numerosas opciones para cultivar alimentos microbianos directamente en CO2 o reduciendo el CO2 a fuentes líquidas de C1, como el formiato o el metanol. Si bien es posible la reducción electroquímica de CO2 a C1 líquidos como formiato y metanol, esta tecnología aún no está madura ni es eficiente debido a las bajas eficiencias de conversión y los altos costos de energía24. Alternativamente, una posibilidad tecnológica más madura implica la reducción electroquímica del dióxido de carbono con hidrógeno para formar metanol en un proceso ya comercializado en la Tierra por la empresa Carbon Recycling International. Dado que la levadura Pichia pastoris puede crecer eficientemente en metanol (tasa de crecimiento de 0,15/h)25, y existen cepas de S. cerevisiae que pueden crecer eficientemente en etanol elaborado a partir de un proceso similar18, la reducción electroquímica de CO2 con hidrógeno plantea una solución prometedora para el reciclaje de residuos de carbono en alimentos en un entorno de viajes espaciales. Una vez que se resuelvan estos problemas, este proceso podría resultar muy atractivo ya que las fuentes de carbono líquido son más fáciles de almacenar y se utilizan más fácilmente en un biorreactor.

La principal limitación de S. cerevisiae como sistema de producción de alimentos es su necesidad de azúcares como fuente de carbono y energía. Dado que el rendimiento de biomasa de la levadura es ~0,5 g por gramo de glucosa26, y el hecho de que la glucosa es en sí misma una fuente de alimento humano, la utilización de levadura cultivada azucarera disminuiría el total de calorías disponibles para el consumo humano. Un enfoque sencillo para superar esta limitación sería desarrollar sistemas de producción de alimentos en los que se utilicen levaduras junto con microorganismos autótrofos. La configuración más simple en este paradigma probablemente sería que S. cerevisiae crezca en azúcares derivados de la fermentación de CO2 de cianobacterias fotosintéticas o de biomasa de cianobacterias27,28. Anteriormente se han diseñado cepas de cianobacterias para secretar azúcares en el medio de crecimiento29, que podrían suministrarse a un segundo biorreactor que contenga levaduras que utilicen azúcares, o incluso utilizarse dentro del mismo recipiente a través de un sistema de cocultivo. Además, en teoría, el CO2 producido por el metabolismo de la levadura podría reabastecerse a las cianobacterias. Alternativamente, la asimilación de C1 podría posiblemente diseñarse directamente en S. cerevisiae, eliminando así el requisito de parejas autótrofas (Fig. 1).

Los avances recientes han permitido la integración funcional de enzimas fijadoras de carbono autótrofas en S. cerevisiae30,31 y han permitido que la levadura P. pastoris y E. coli crezcan directamente sobre CO2, con el poder reductor proporcionado por el formiato del sustrato C1 en E. coli32. 33. Los sustratos C1, como el formiato y el metanol, también pueden servir como fuentes de carbono para la producción microbiana de alimentos en el espacio, ya que pueden derivarse fácilmente del CO2 mediante reacciones adicionales de oxidación y reducción que se están volviendo económicas y eficientes34. Estos avances hacen que la reciente ingeniería de la utilización de formato35 y metanol en S. cerevisiae21,22,36 sea relevante para la producción microbiana de alimentos en el espacio. Si bien las tasas de crecimiento y los rendimientos de biomasa de estos sistemas sintéticos que utilizan C1 aún están lejos de ser óptimos y aún se necesitan cosustratos, es inevitable que se mejoren utilizando las herramientas de la evolución de laboratorio, la biología sintética y la biología de sistemas. Aunque las cepas de S. cerevisiae con vías sintéticas de fijación de C1 pueden ser la solución definitiva para los alimentos microbianos diseñados, el despliegue más inmediato de microbios que utilizan residuos de C1 en el espacio o en la Tierra requeriría el uso de autótrofos naturales como los hidrogenotróficos, metanotróficos, o microorganismos fotosintéticos, que han sido tratados recientemente1,23,27,28,37.

Además del carbono, los microorganismos necesitan una fuente de nitrógeno. La cantidad necesaria de nitrógeno en los medios de crecimiento microbiano es a menudo comparable al carbono en términos de peso, lo que la convierte en otra consideración importante para las empresas espaciales de larga duración y el reciclaje de recursos. La orina humana es una fuente potencial de nitrógeno residual que podría usarse para la fermentación microbiana, ya que tiene altas concentraciones de urea (~10 g/L). La urea es una fuente de nitrógeno fácilmente asimilable para muchos microorganismos, incluida la levadura38. La levadura Yarrowia lipolytica se ha cultivado con éxito en orina tanto sintética como natural39. Aunque S. cerevisiae puede utilizar urea como única fuente de nitrógeno, no pudimos encontrar ningún informe sobre su crecimiento en la orina. Sin embargo, dada la similitud del metabolismo del nitrógeno con Y. lipolytica, es probable que el crecimiento de S. cerevisiae pueda sustentarse en el medio a base de orina. Además de la urea, la orina humana tiene otros componentes, como fosfatos y sales, que formarían parte de un medio de crecimiento microbiano normal, lo que hace que su uso sea particularmente adecuado para apoyar la producción de alimentos microbianos.

Vale la pena señalar que, aunque la recuperación de nutrientes de los desechos para apoyar el crecimiento microbiano es factible, los sistemas de recuperación de desechos diseñados por bioingeniería siempre estarán acompañados de ineficiencias biológicas inherentes y costos energéticos asociados. Además, es importante reconocer que, si bien el reciclaje de residuos mediante microorganismos sintéticos podría en teoría prolongar una misión espacial, reducir el peso del lanzamiento o proporcionar un suministro de alimentos de emergencia, no podría hacerlo indefinidamente, ya que habría pérdidas irrecuperables de nutrientes y carbono a nivel mundial. cada etapa de reciclaje.

Además de permitir la utilización de fuentes de carbono alteradas, las capacidades actuales de la biología sintética permiten proponer la ingeniería de múltiples rasgos para la mejora nutricional y sensorial de S. cerevisiae con el fin de reutilizarla para producir biomasa microbiana comestible. Prevemos que una colección de cepas de levadura diseñadas para una nutrición óptima y una variedad de texturas, sabores, aromas y colores ayudaría a mantener una dieta saludable y permitiría personalizar los alimentos según las preferencias individuales para aumentar la aceptabilidad de los alimentos y prevenir la fatiga del menú, desafíos críticos para el espacio. sistemas alimentarios3. Una colección de levadura de este tipo podría conservarse y secarse al aire (se ha demostrado que el secado al aire maximiza la viabilidad de las células de levadura a largo plazo en el espacio40) sin necesidad de refrigeración y minimizaría el tamaño y el peso, lo que sería conveniente para fines de transporte y almacenamiento. Cepas de levadura seleccionadas cultivadas en biorreactores microbianos con fuentes C1 o azúcares derivados de la fotosíntesis podrían generar rápidamente biomasa comestible para el consumo humano según sea necesario (Fig. 1).

Muchas cepas de la colección de levaduras propuesta podrían generarse mediante inactivaciones de genes nativos y la adición de un número relativamente pequeño de genes heterólogos. Sin embargo, diseñar múltiples vías genéticas que comprendan muchos genes y consolidarlas en un número mínimo de cepas de levadura puede ser un desafío mediante enfoques clásicos de ingeniería genética. Una forma de superar esta limitación sería combinar numerosas vías genéticas de interés en neocromosomas sintéticos41,42 diseñados para implementar muchas características dietéticas nuevas en la levadura simultáneamente (Fig. 1). Visualizamos estos neocromosomas dedicados a la dieta como plataformas versátiles en las que se podrían agregar vías genéticas para diferentes texturas, sabores, olores, pigmentos y nutrientes como módulos dependiendo de las características de la cepa deseada. El diseño de estos módulos multigénicos como 'operones eucarióticos sintéticos' (por ejemplo, explotando construcciones policistrónicas basadas en proteasa del virus del grabado del tabaco o del péptido 2A43,44) permitiría minimizar los tamaños de los neocromosomas y simplificaría su construcción al reducir drásticamente el número de promotores y terminadores. requerido.

También prevemos que la ingeniería de cepas podría integrarse con el desarrollo de biorreactores inteligentes capaces de controlar dinámicamente las propiedades de la biomasa de levadura ajustando las condiciones de cultivo y la fisiología celular45,46. Mediante el uso de enfoques de biología sintética, como biosensores, optogenética y electrogenética, estos biorreactores podrían programarse para orquestar la expresión de genes específicos para personalizar las características sensoriales y nutricionales de la levadura y producir biomasa microbiana comestible personalizada según requisitos específicos según la demanda (Fig. 1). Para mitigar las posibles penalizaciones de crecimiento derivadas de cualquier carga metabólica causada por la actividad de vías diseñadas, la levadura podría cultivarse hasta alcanzar una densidad celular óptima solo para inducir la expresión de vías de transmisión de atributos alimentarios antes de la recolección de biomasa. Además, una vez alcanzada la densidad celular deseada, la biomasa de levadura podría dividirse en lotes separados, cada uno de los cuales podría inducirse a mostrar características particulares para permitir un menú variado (por ejemplo, diferentes comidas para el desayuno, el almuerzo y la cena) y la preparación de elaborados platos múltiples. alimento componente (p. ej., un pastel de capas, una hamburguesa).

Como se mencionó anteriormente, la levadura es una fuente de alimento nutritivo para los humanos y se ha consumido en alimentos y bebidas durante miles de años. Si bien es incierto hasta qué punto una dieta humana saludable puede consistir en levadura, el ganado lechero ha sido alimentado con dietas con hasta un 40% de células de levadura líquidas (11% de materia seca) sin ningún efecto negativo sobre el rendimiento o la salud47. Aquí, proponemos que el valor nutricional de la levadura podría mejorarse aún más para desarrollar alimentos microbianos para una nutrición humana óptima (Fig. 1).

Una de las deficiencias más obvias en el perfil nutricional de S. cerevisiae es su contenido relativamente bajo de lípidos (~1,5%)13. Una dieta humana saludable requiere entre un 20% y un 35% de grasas, lo que significa que sería necesario modificar el perfil metabólico de S. cerevisiae para satisfacer esta demanda si constituyera una parte importante de la dieta humana. Se han logrado avances considerables en el aumento del contenido de lípidos de S. cerevisiae combinando la evolución adaptativa de laboratorio con la ingeniería metabólica para desarrollar levaduras con altos niveles de ácidos grasos48. Estas y otras estrategias podrían emplearse para contribuir a la sensación en boca de los alimentos microbianos y a una dieta equilibrada, incluido el suministro de cantidades adecuadas de nutrientes esenciales (es decir, ácido linoleico y ácido alfa-linolénico49) y promotores de la salud (por ejemplo, omega-3). ácidos grasos50,51) grasas. Alternativamente, las especies microbianas que acumulan lípidos de forma natural, como la levadura oleaginosa Y. lipolytica, que también se utiliza ampliamente para la producción comercial de alimentos52, podrían usarse para aumentar las grasas dietéticas. El peso seco de Y. lipolytica puede comprender ~50% de lípidos53, y se encuentran disponibles muchas herramientas modernas de biología sintética para facilitar su manipulación metabólica52.

La levadura se ha diseñado con éxito para producir muchos nutracéuticos54 y nutrientes esenciales que los seres humanos deben obtener de fuentes dietéticas, incluidas la vitamina A55, la vitamina C56 y el 7-deshidrocolesterol, que se convierte directamente en vitamina D3 en la piel mediante luz ultravioleta (UV). exposición57. La producción de otras vitaminas esenciales por parte de la levadura, como las vitaminas B, E y K, aún no se ha logrado por completo, pero los avances recientes en la investigación en este campo indican que esto puede lograrse en un futuro previsible58. Hasta que la producción por levadura de todos los nutrientes humanos esenciales y deseados en cantidades suficientes se convierta en realidad, otros microorganismos naturales o modificados que ya los sintetizan58 podrían usarse para complementar la biomasa de levadura para formular alimentos microbianos para una nutrición óptima.

Además de satisfacer las necesidades nutricionales humanas, si queremos desarrollar alimentos basados ​​en microbios, será esencial que la biomasa microbiana comestible también permita la producción de alimentos atractivos. En esta sección, analizamos la bioingeniería de los atributos sensoriales de los alimentos en microorganismos (Fig. 1).

Las sensaciones de gusto y olfato de los alimentos están íntimamente entrelazadas y son fundamentales para que disfrutemos mientras comemos. Por lo tanto, la ingeniería de microorganismos para proporcionar un repertorio de sabores y olores de los alimentos sería crucial para el desarrollo de alimentos microbianos. Oportunamente, las aplicaciones generalizadas en las industrias de alimentos, piensos, cosmética y farmacéutica han motivado avances significativos en la generación de compuestos de sabor y aroma en múltiples levaduras59,60,61. Los ejemplos van desde olores de frutas, como S. cerevisiae diseñado para producir una cetona que imparte aroma a frambuesa62, y agentes aromatizantes como la vainillina, el componente clave del sabor natural de vainilla, producido en S. cerevisiae y Schizosaccharomyces pombe63, hasta sabor y aroma de la carne por la producción de leghemoglobina de soja en P. pastoris64.

Otro atributo clave de los alimentos es la textura, que está muy determinada tanto por la composición como por la estructura. Por lo tanto, diseñar S. cerevisiae de manera que pueda proporcionar elementos de textura será un aspecto importante para el desarrollo de alimentos a base de levadura. Ya se han producido de forma recombinante en microbios varias moléculas que podrían utilizarse con este fin. Los ejemplos incluyen la celulosa y el almidón, que son componentes estructurales y de textura importantes de la materia vegetal, y el colágeno y la gelatina, que se utilizan como agentes de textura en productos alimenticios como el yogur y los malvaviscos65,66,67. Además, como se mencionó anteriormente, también se han implementado con éxito diferentes enfoques para alterar el contenido de lípidos de la levadura48. Los lípidos no sólo contribuyen a la nutrición y el sabor de los alimentos, sino también a la textura, por lo que alterar el contenido de lípidos de la levadura también podría servir para modificar las propiedades texturales de los productos alimenticios a base de levadura. Finalmente, existe un repertorio de compuestos biológicos, como pectina, lecitina, transglutaminasas y goma xantana, que posiblemente podrían explotarse para lograr manipulaciones texturales adicionales en productos alimenticios microbianos.

El color también es un atributo sensorial importante de los alimentos, y muchos pigmentos derivados de microbios se utilizan ampliamente como colorantes para hacer que los productos alimenticios sean más atractivos68. Por lo tanto, se podría emplear pigmentación diseñada para mejorar el atractivo visual de los alimentos microbianos. Si bien la levadura es normalmente de color beige blanquecino, mediante manipulación genética se pueden generar cepas de levadura de colores muy diferentes. Por ejemplo, se pueden usar genes de carotenoides para impartir color en el rango de amarillo a rojo, mientras que la vía de la violaceína y genes de bacterias y corales se pueden usar para conferir coloraciones púrpura, verde, azul y magenta69,70,71,72. El uso de genes para variantes de cromoproteínas amplía aún más las posibilidades de diseñar muchas pigmentaciones diferentes73.

La forma más sencilla de consumir biomasa microbiana de calidad alimentaria probablemente podría ser como alimento líquido o en puré homogéneo o en forma de productos alimenticios sólidos como fideos o barritas. Sin embargo, las tecnologías de impresión de alimentos en 3D permiten fabricar alimentos más complejos en términos de propiedades sensoriales y crear comidas personalizadas estéticamente agradables74. Por lo tanto, el desarrollo de métodos de impresión 3D para células microbianas podría permitir la realización de una gran cantidad de alimentos atractivos diferentes a partir de biomasa microbiana. Este enfoque también podría permitir una producción máxima de alimentos con un desperdicio mínimo, ya que toda la biomasa microbiana comestible recolectada de los biorreactores podría usarse potencialmente para imprimir alimentos.

Se está desarrollando tecnología para la impresión 3D en microgravedad75, y sería un enfoque poderoso para usarla junto con la bioingeniería sensorial de microorganismos para fabricar alimentos con un diseño totalmente personalizado. Por ejemplo, imaginamos que se podrían imprimir células microbianas con diferentes perfiles sensoriales en 3D para imitar la textura y apariencia de verduras o carnes o en nuevos productos alimenticios con formas diseñadas que combinen múltiples tipos de texturas y diferentes sabores (Fig. 1).

Un aspecto crucial de las futuras empresas espaciales humanas de larga duración será el desarrollo de nuevos enfoques que permitan la producción sostenible de alimentos fuera de la Tierra. En este contexto, hemos considerado la bioingeniería de microorganismos para desarrollar alimentos de base microbiana. Sostenemos que las levaduras, particularmente S. cerevisiae, presentan ventajas que hacen atractivo reutilizarlas como plataforma microbiana fundamental para desarrollar un sistema completo de producción de alimentos. Aunque persisten inmensos obstáculos, los enfoques de la biología sintética ofrecen una manera de superar las limitaciones naturales de la levadura y otorgarle atributos alimentarios sensoriales y nutricionales personalizados, como se analizó anteriormente. Con el tiempo, el progreso en nuestra capacidad para diseñar minuciosamente otros microorganismos (por ejemplo, cianobacterias) y células sintéticas autorreplicantes que puedan programarse para sintetizar exclusivamente compuestos específicos nos permitiría ampliar el repertorio de plataformas celulares para producir nuevos productos alimenticios. Esta visión también requerirá avances en la infraestructura de ingeniería para el crecimiento microbiano (por ejemplo, las condiciones de microgravedad pueden requerir el desarrollo de diseños de biorreactores y composición de medios específicos) y el procesamiento (por ejemplo, el consumo de biomasa microbiana puede requerir la reducción del contenido de ácido nucleico ya que, en concentraciones demasiado altas, su El catabolismo en humanos conduce a la acumulación de ácido úrico, que puede causar síntomas similares a los de la gota13), así como a una impresión que interactúa con la biología y tiene una huella de masa y energía baja. Cabe destacar que los sistemas microbianos de producción de alimentos no estarán exentos de riesgos que podrían comprometer la seguridad alimentaria, como fallas del biorreactor, contaminación e inestabilidad de los rasgos de bioingeniería. Estos riesgos podrían mitigarse implementando infraestructuras y reservas microbianas de respaldo, y es importante señalar que es probable que se apliquen desafíos comparables a cualquier sistema de producción de alimentos. La experimentación a bordo de la Estación Espacial Internacional y las misiones tripuladas planificadas a la Luna y Marte en las próximas tres décadas1 brindan una ventana de oportunidad para crear prototipos y optimizar las tecnologías necesarias, de modo que maduren y se vuelvan viables para respaldar la presencia humana de larga duración en el espacio.

Más allá de su potencial para apoyar esfuerzos humanos extendidos en el espacio, los alimentos basados ​​en microbios obtenidos mediante bioingeniería también podrían abrir oportunidades para abordar la seguridad alimentaria global y tener un impacto inmediato en la industria alimentaria de la Tierra. El crecimiento de la población mundial y las crecientes demandas de alimentos asociadas, junto con la necesidad de reducir los impactos ambientales negativos de la agricultura moderna, indican que se necesitarán innovaciones radicales para lograr de manera sostenible la seguridad alimentaria en las próximas décadas. Además de una nueva generación de plantas de cultivo con mayor productividad y resiliencia al estrés ambiental, el desarrollo de alimentos microbianos tiene un enorme potencial para abordar estos desafíos. El enfoque aquí previsto podría encontrar aplicaciones en la fabricación de alimentos, los servicios alimentarios y de catering y la venta minorista de alimentos, pero también aumentar la autosuficiencia en áreas con infraestructura inadecuada o que necesitan apoyo de emergencia donde la capacidad local de producción de alimentos o la disponibilidad de fuentes externas de alimentos son insuficientes. está comprometida (por ejemplo, durante crisis, conflictos, lugares remotos). Dada la importancia cultural de los alimentos y el hecho de que son ingeridos por el cuerpo, el conservadurismo y una alta dosis de escepticismo probablemente acompañarán el desarrollo de alimentos microbianos. Sin embargo, el uso de microbios para la fabricación industrial de piensos y productos de calidad alimentaria está ganando importancia37,76, y pronto llegará el día en que los supermercados y restaurantes ofrezcan productos alimenticios microbianos, y los biorreactores de cocina y las impresoras 3D de alimentos microbianos sean algo común en los hogares. accesorios.

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Agradecemos a Scott M. Smith (Dirección de Desempeño y Salud Humana, Centro Espacial Johnson de la NASA) y Nils JH Averesch (Universidad de Stanford y Centro para la Utilización de Ingeniería Biológica en el Espacio) por sus valiosas discusiones sobre el manuscrito. El apoyo externo a la iniciativa de biología sintética de la Universidad Macquarie recibe el reconocimiento de Bioplatforms Australia, el ingeniero y científico jefe de Nueva Gales del Sur (NSW) y el Departamento de Industrias Primarias del gobierno de Nueva Gales del Sur. Se agradece la financiación del gobierno australiano a través de su agencia de inversión, el Consejo Australiano de Investigación, para el Centro de Excelencia ARC para Biología Sintética dirigido por la Universidad Macquarie. BL cuenta con el apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore (GBMF9319, subvención https://doi.org/10.37807/GBMF9319), el Centro de Excelencia ARC para Biología Sintética, Twist Bioscience y la Fundación Allen. Se agradece a Bronte Turner de Serpentine Studio por el arte utilizado en las figuras. Partes de la figura fueron creadas con BioRender.com. Pedimos disculpas a aquellos colegas cuyo trabajo relevante no ha sido citado debido a limitaciones de espacio.

Centro ARC de Excelencia en Biología Sintética, Universidad Macquarie, Sydney, NSW, 2109, Australia

Briardo Llorente, Thomas C. Williams, Hugh D. Goold, Isak S. Pretorius e Ian T. Paulsen

Facultad de Ciencias Naturales, Universidad Macquarie, Sydney, NSW, 2109, Australia

Briardo Llorente, Thomas C. Williams, Hugh D. Goold y Ian T. Paulsen

Departamento de Industrias Primarias de Nueva Gales del Sur, Orange, NSW, 2800, Australia

Hugh D. Goold

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BL concibió, desarrolló y dirigió la redacción del artículo. TCW, HDG, ISP e ITP ayudaron a perfeccionar y desarrollar el concepto, hicieron contribuciones clave y coescribieron algunas secciones del artículo.

Correspondence to Briardo Llorente.

TCW es accionista y cofundador de Number 8 Bio Pty Ltd. Los autores restantes no declaran tener intereses en competencia.

Nature Communications agradece a Kevin Verstrepen y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

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Reimpresiones y permisos

Llorente, B., Williams, TC, Goold, HD et al. Aprovechar los microbios creados por bioingeniería como una plataforma versátil para la nutrición espacial. Nat Comuna 13, 6177 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33974-7

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Recibido: 25 de febrero de 2022

Aceptado: 10 de octubre de 2022

Publicado: 19 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-33974-7

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