Experimento para producir material plástico biodegradable (polihidroxialcanoatos) a partir de bacterias endófitas asociadas a plantas de rabanito

Paul R. Gill Investigador Asociado Instituto de investigaciones Biológicas Clemente Estable 24871616 int.145 [email protected]

Danilo Segovia Pasante Instituto de investigaciones Biológicas Clemente Estable [email protected]

Laura Fuentes Pasante Instituto de investigaciones Biológicas Clemente Estable [email protected]

INTRODUCCIÓN Los PHAS (polihidroxialcanoatos) son una familia de compuestos químicos que incluyen a una amplia gama de políésteres de hidroxiácidos. Son sintetizados por varios tipos de procariotas como reserva de carbono y energía. Entre estos polímeros, el más estudiado ha sido el PHB (polihidroxibutirato) formado por unidades de 3-hidroxibutirato. En muchos casos se ha observado que los microorganismos productores de PHAS pueden acumular copolímeros, formados por más de una clase de monómeros. La diversidad de monómeros posibles determina que los materiales producidos puedan exhibir propiedades físicas y químicas variadas. La importancia de estos compuestos radica en sus propiedades termoplásticas, similares a las del plástico sintético fabricado a partir de derivados del petróleo. Estos polímeros biológicos pueden ser utilizados para la producción de plásticos y biocombustibles. Al ser producidos por organismos vivos, estos materiales son biodegradables, lo que los diferencia de los plásticos derivados del petróleo que tardan mucho tiempo en degradarse. En la Figura 1 se observa la secuencia de biodegradación de botellas fabricadas con plástico derivado de PHAS. En el marco del proyecto de ANEP – PEDECIBA “Estímulo a la Cultura Científica y Tecnológica”, nuestro equipo de trabajo tuvo la oportunidad de trabajar con niños escolares de sexto, cuarto y segundo año de la Escuela Austria, realizando actividades experimentales que buscaban la producción de plástico biodegradable por parte de bacterias endofíticas asociadas a plantas de rabanito. El experimento consistía básicamente en la inoculación de plantas de rabanito con bacterias Figura 2. Degradación de botellas plásticas fabricadas a partir de PHAS. Se observa el Herbaspirillum seropediceae, para que las bacterias grado de degradación luego de 1, 2, 4, 8 y 10 pudieran colonizar las raíces de la planta. De esta semanas de izquierda a derecha. manera, se les brinda a las bacterias un medio rico en nutrientes, como es el interior de la raíz de la planta, lo que daría como resultado el almacenamiento de cantidades significativas de polihidroxialcanoatos producidos por las bacterias, que posteriormente se podrían aislar exitosamente. La propuesta de trabajo implica el aprovechamiento de procesos naturales como la fotosíntesis de la planta y la relación de mutualismo existente entre la planta y la bacteria para la producción biotecnológica de PHAS, que posteriormente podrían utilizarse como plástico biodegradable (Fig. 2).

El proceso de fotosíntesis acoplado a la producción de PHAS por la bacteria (Fig. 3), permite que los productos de la fotosíntesis sean almacenados como material plástico.

Figura 2. Ejemplo de asociación planta-bacteria

Asimismo, se captura el dióxido de carbono atmosférico para la producción de dicho material. Uno de los inconvenientes para la producción a gran escala de plásticos y combustibles a partir de PHAS utilizando este sistema experimental, es que el sistema inmune de la planta tiende a limitar la colonización bacteriana. Al tener menos bacterias, la producción de PHAS es menor, haciendo que el uso de este sistema no sea viable económicamente en la actualidad. Dentro de la línea de investigación, estamos estudiando formas de manipulación del genoma de Herbaspirillum seropediceae para disminuir los agentes disparadores del sistema inmunológico de la planta producidos por la bacteria, para que esta no sea reconocida por la planta y la colonización pueda ser más extensa.

Figura 3. Bacteria productora de PHAS. Las flechas indican las reservas de PHAS dentro de la célula.

Numerosas investigaciones se están realizando en el mundo en la actualidad en busca de una forma de producción de polihidroxialcanoatos en masa que haga viable su utilización masiva en el mercado. OBJETIVOS El objetivo principal de este proyecto fue motivar a los niños en el campo de la investigación científica mediante la realización de actividades prácticas y teóricas para contribuir a su educación y comprensión de trabajos científicos actualizados. Durante el desarrollo de las actividades se introdujo a los niños a temáticas como la situación actual de la humanidad en cuanto a su dependencia de los productos derivados del petróleo, tanto para utilizarlos como fuente de energía o para la fabricación de productos como el plástico sintético, y la imperativa necesidad de encontrar alternativas que nos permitan mantener nuestro nivel de vida cuando el petróleo se acabe. Por otro lado se trabajó con los niños el tema de la importancia de producir materiales que sean más amigables con el medio ambiente, a fin de evitar la contaminación. El plástico biodegradable es un ejemplo de los esfuerzos que la investigación científica debe realizar para lograr un futuro en el que los intereses de las sociedades humanas no interfieran con el bienestar del planeta. Por otro lado, para la comprensión del experimento fue necesario trabajar varios temas relacionados con la biología molecular y la microbiología, esclareciendo conceptos que se escuchan con frecuencia pero que no siempre son comprendidos, como por ejemplo qué es el ADN, qué es una bacteria, qué es una célula, etc. Para los niños esta fue una experiencia nueva y enriquecedora ya que tuvieron la posibilidad de familiarizarse con conceptos nuevos, conocer el laboratorio y realizar actividades científicas en el salón de clase, utilizando materiales que tradicionalmente no son utilizados hasta alcanzar un nivel universitario. Además, fue una manera de acercar la investigación científica a la vida diaria del escolar, ya que tuvieron la posibilidad de descubrir que la investigación no se hace solo en las películas o en los documentales que vemos por la televisión, sino que la ciencia está presente en todo lo que nos rodea y todos podemos participar en su construcción.

ORGANIZACIÓN DE LAS ACTIVIDADES Se trabajó con alumnos de siete grupos de la escuela Nº48 “Austria”, ubicada en la calle Abacú 2120; dos sextos, dos cuartos y tres segundos siendo un total de 220 estudiantes. Con las clases de sexto y cuarto año se llevaron a cabo todas las actividades. Dada la complejidad de los temas tratados y falta de tiempo, en el caso de segundo año, se optó por hacer una única clase en la cual los alumnos de sexto año presentaban todas las actividades realizadas mediante el uso de maquetas, posters y material del laboratorio con el que se había trabajado. Los niños de sexto año pudieron realizar entonces divulgación científica además de investigación, lo cual fue una manera de mostrarles que la forma de trabajo en ciencia no solo consiste en el trabajo de investigación sino que también implica hacer llegar a los otros los resultados y las conclusiones de nuestro trabajo. El equipo docente fue conformado por Sandra Tarduña y Mariela Fretes (6to); Rosana Lema y Virginia Pallierio (4to); Beatriz Monzón, Cristina Pereiras, Verónica Zubillaga (2do) y participó también la maestra directora María Elena Vidal. Las actividades se iniciaron el 19 de octubre de 2011 y finalizaron el 18 de noviembre de 2011. El trabajo se distribuyó en cuatro jornadas y una quinta jornada que involucraba a las actividades entre sexto y segundo. Primer día: Primera parte: Explicativa acerca del proyecto de investigación y su importancia. Exposición de conceptos teóricos para la comprensión del experimento a realizar. Segunda parte: Trabajo práctico. Se formaron grupos de tres estudiantes y a cada grupo se le entregó una placa de Petri con agar-agua en la cual los alumnos sembraron las semillas de rabanito esterilizadas previamente por el equipo de investigadores. Segundo día: Primera parte: Breve explicativa acerca de la asociación de la planta con la bacteria, la que fue ilustrada con videos interactivos e imágenes para facilitar su comprensión. Segunda parte: Trabajo práctico. Se inocularon las plantas de rabanito con agua (simulando las bacterias) utilizando una micropipeta. (Fig. 4)

Figura 4. Inoculación de plantitas de rabanito con bacterias, utilizando una micropipeta.

Tercer día: Primera parte: Breve explicativa acerca de conceptos básicos sobre la hidroponía y todo el equipamiento a utilizar.

Segunda parte: Trabajo práctico. Los estudiantes transfirieron plantitas de rabanito previamente inoculadas (por el equipo de investigadores) con bacterias Herbaspirillum seropediceae a una cámara de cultivo hidropónico. (Fig. 5) Tercera parte: Juego de preguntas y respuestas relacionadas con los temas tratados en las actividades. Los ganadores se llevaban la placa de Petri con la que habían trabajado.

Cuarto día: Primera parte: Visita al laboratorio de Ecología Microbiana y Microbiología Molecular del IIBCE para mostrar todo el equipamiento y los pasos necesarios para la purificación de los PHAS. Observación del plástico biodegradable producido. Segunda parte: Observación de bacterias creciendo dentro de la raíz de la planta utilizando un microscopio de fluorescencia (Fig. 6).

Figura 5. Transferencia del sistema experimental planta – bacteria a un medio de crecimiento hidropónico.

Figura 6. Microscopio de fluorescencia.

Tercera parte: Conclusiones y puesta en común sobre el trabajo realizado. Quinto día. Presentación de posters: En esta instancia los alumnos de 6to año prepararon posters con los distintos temas dados en clase y se los presentaron a las clases de 2do año. (Fig.7) Posteriormente se hacía una puesta en común por parte de los investigadores, para facilitar la comprensión y discusión de los temas propuestos.

Figura 7. Póster de uno de los equipos

EVALUACIÓN DE LAS ACTIVIDADES Por parte de las maestras: Mostraron gran entusiasmo e interés en las actividades al igual que los alumnos. Consideraron que estuvo muy bien organizado y tanto la metodología propuesta como los contenidos fueron muy bien adaptados para cada nivel escolar. Las explicativas les parecieron claras y quedaron muy conformes con la preparación de la información. En el caso de segundos años las clases fueron consideradas muy extensas para la edad pero muy interesantes y productivas. Los alumnos de segundo año no pudieron vivenciar los distintos momentos del experimento sino que se les mostró el producto final, pero de todas formas, pudieron tener una primera aproximación al mundo de la investigación científica. Por parte de los alumnos: Quedaron muy contentos con las actividades, les resulto muy divertido y a la vez muy interesante. Les gustó mucho el haber visto las bacterias al microscopio de fluorescencia y como se desplazaban las mismas. La mayoría de ellos quedaron asombrados con la idea que una bacteria pudiera producir plástico. A muchos les entusiasmó la idea de querer investigar plantas y bacterias en un futuro. Por parte de los investigadores: Esta experiencia también fue muy positiva para nosotros, dado que es todo un desafío lograr poner al alcance de los escolares temas de ciencias naturales con cierto grado de complejidad. Quedamos muy satisfechos con el entusiasmo de los niños ya que no solo se cuestionaban y sugerían alternativas para la problemática del petróleo sino que también logramos en cierto punto que pensaran como científicos. Estamos seguros de que esta experiencia va a influir en su futuro académico. PERSPECTIVAS PARA EL FUTURO Todas las maestras coinciden en la importancia de continuar con los trabajos experimentales en su escuela y sugieren el abordaje de temas como el estudio de preparados celulares para observar al microscopio, microorganismos en general y tejidos celulares. En el caso de la directora, sugiere la elaboración de proyectos a largo plazo de dos o tres años para darles continuidad y que las temáticas respondan a necesidades de ambas instituciones, y siempre teniendo en cuenta las sugerencias de los niños. Por nuestra parte creemos que el desarrollo de actividades experimentales en enseñanza primaria es una experiencia más que positiva para todos los participantes. En el caso de los niños, es una experiencia novedosa, enriquecedora y estimulante, ya que entran en contacto con temáticas que les interesan y tienen la posibilidad de realizar actividades nuevas, entretenidas y muy didácticas. Para los maestros es también muy importante, porque les permite acercarse a temáticas de investigación científica actuales que no siempre están al alcance de la población en general y que siempre deberían estarlo. Para los investigadores es una experiencia nueva ponerse al frente de la realización de experimentos científicos con niños de escuela, trabajando en conjunto con maestros en forma cooperativa con la finalidad de mejorar el acercamiento a los temas y su comprensión por parte de los niños.

AGRADECIMIENTOS A ANEP y PEDECIBA por permitirnos formar parte de este proyecto y darnos la oportunidad de divulgar nuestra investigación y generar conciencia en los niños acerca de problemas actuales, brindándoles conocimientos teóricos muy importantes para su formación en ciencias naturales. A la maestra directora por su gran entusiasmo y por permitirnos participar en la escuela. A las maestras por su interés y dedicación. A Sandra Medina, madre de uno de los alumnos, por su colaboración y por ayudarnos a contactar a la escuela.