Científicos podrían haber encontrado una solución radical para hacer que las hamburguesas sean más sostenibles

Sushi, un ternero de raza Holstein de cuatro semanas, estaba acostado en un corral bajo el zumbido de un ventilador de metal cuando un grupo de profesores y estudiantes de posgrado llegó para tomar una muestra de su estómago. El ternero macho saludó a los investigadores con un amistoso mordisqueo en su ropa, y luego se dejó caer perezosamente sobre una cama de cascarilla de arroz.

Pero incluso mientras el ternero dormía, en lo profundo de su estómago de cuatro cámaras, diminutos organismos estaban trabajando arduamente. Hongos, bacterias y otras criaturas minúsculas descomponían el alimento en energía y productos químicos, poniendo en marcha un antiguo proceso que hoy calienta la Tierra más que todos los vuelos de todo el mundo combinados.

Los científicos aquí están buscando una manera de transformar el intestino de Sushi para que ya no libere metano, un gas de efecto invernadero que calienta el planeta.

El ternero de 56.7 kilogramos pertenece a la primera ola de un experimento de varios años y aproximadamente 30 millones de dólares por parte de científicos de la Universidad de California en Davis y el Instituto de Genómica Innovadora para cambiar el funcionamiento interno del estómago de la vaca. Las vacas, una de las criaturas más consumidas en el planeta, producen enormes cantidades de metano, un potente gas de efecto invernadero responsable del 30% del calentamiento global.

Utilizando herramientas que cortan y transfieren ADN, los investigadores planean diseñar genéticamente microbios en el estómago de la vaca para eliminar esas emisiones. Si tienen éxito, podrían acabar con la mayor fuente de metano de origen humano en el mundo y ayudar a cambiar la trayectoria del calentamiento planetario.

“Es completamente innovador,” dijo Ermias Kebreab, profesor de ciencia animal en UC-Davis. “Nadie lo ha hecho antes.”

Hay aproximadamente 1.5 mil millones de vacas en el planeta. Sus sistemas digestivos son nada menos que milagrosos: pueden sobrevivir con pasto, maíz y alfalfa, pero también con los subproductos destrozados de cultivos humanos: cascaras de almendra, cascaras de maíz, incluso aserrín. Las vacas tienen ayuda.

Un rico microbioma en la cámara más grande de su estómago, conocida como el rumen, desmantela estos alimentos y los transforma en energía utilizable.

“Es increíble,” dijo Spencer Diamond, jefe de modelado de microbiomas en el instituto de genómica.

Funciona de manera asombrosa y nunca falla.”

Pero el rumen tiene un lado oscuro. La cámara porosa y carnosa alberga organismos unicelulares llamados arqueas, que descomponen hidrógeno y dióxido de carbono, produciendo metano. Incapaces de procesar el gas, las vacas lo eructan. La vaca promedio produce alrededor de 99.8 kilogramos de metano por año, o alrededor de la mitad de las emisiones de un automóvil promedio; las vacas son actualmente responsables de alrededor del 4% del calentamiento global, según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura.

Existen soluciones parciales. Empresas como Impossible Foods y Beyond Meat han desarrollado productos de carne a base de plantas que se ven, huelen y saben como la carne real. Los ambientalistas han instado a los consumidores a reducir el consumo de carne de res y optar por pollo y pescado de menor emisión en su lugar. Pero a medida que los países se vuelven más ricos, la producción de carne de res continúa aumentando: en los últimos 15 años, un 13% a nivel mundial.

Agregar algas marinas, orégano o ajo a la dieta de las vacas puede reducir las emisiones de metano, a veces hasta en un 80%. Pero sólo alrededor de 1 de cada 10 ganado en los Estados Unidos, en su mayoría aquellos que producen leche, son alimentados diariamente por humanos. La proporción es similar a nivel mundial. El resto, en su mayoría ganado de carne, deambula libremente en pastizales, sobreviviendo con pasto y forraje. Lograr que esos miles de millones de ganado en libertad coman algas marinas o ajo es logísticamente casi imposible.

Entra un equipo de editores de genes. Los científicos imaginan una especie de píldora probiótica, dada a la vaca al nacer, que pueda transformar su microbioma de manera permanente. Utilizando herramientas de edición genética, los investigadores ya han criado ganado sin cuernos o con abrigos especiales que les ayudan a mantenerse frescos en medio de temperaturas crecientes. El proyecto actual no se dirige solo a una especie particular de vaca, sino que apunta al microbioma en sí, ofreciendo una solución que podría aplicarse a todas ellas.

Brad Ringeisen, director ejecutivo del instituto de genómica, se formó dirigiendo biotecnología en la agencia de investigación de defensa de EE.UU. DARPA, la cual ayudó a pioneros transformadores, incluyendo la internet, el GPS miniaturizado, los aviones de sigilo y el ratón de computadora.

“Estoy adoptando la mentalidad de DARPA aquí,” dijo. “Resolvamos esto para todas las vacas, no solo para una fracción de ellas.”

En la lechería de Davis, dos estudiantes de posgrado y un postdoctorado manejaron un largo tubo de metal tres pies dentro del estómago de Sushi y conectaron una bomba. Salió un líquido delgado, de color avena, una muestra del rumen de Sushi, llena de microbios y alimento parcialmente digerido.

El ternero parecía sorprendido, pero no particularmente incómodo. (Este es uno de los métodos menos invasivos para probar el rumen de la vaca; otro involucra hacer un puerto en el costado de la vaca).

Paulo de Méo Filho, un postdoctorado con acento brasileño, usó una pipeta tan larga como su brazo para mover cuidadosamente las muestras del rumen a pequeños frascos. Luego, envuelto en una tenue franja de niebla, sumergió los frascos en un recipiente del tamaño de un cubo lleno de nitrógeno líquido para preservarlos para análisis de ADN.

Durante las últimas cuatro semanas de su vida, a Sushi se le ha alimentado con unos gramos de aceite destilado de algas rojas, uno de los métodos más probados y verdaderos para reducir la producción de metano en los estómagos de las vacas.

Ahora, los científicos están tratando de entender exactamente cómo ese aceite ha transformado el intestino de Sushi. Luego planean replicar esos cambios con la edición de genes.

A pesar de cuán dependiente es la humanidad de las vacas – producen alrededor de 76 millones de toneladas de carne de res y 930 millones de toneladas de leche en un año – el funcionamiento interno de la cámara más grande del estómago de la vaca todavía es en gran parte un misterio. A lo largo de millones de años, el microbioma de la vaca ha evolucionado para ayudar al animal a convertir el alimento en energía.

Es una sopa caótica de diminutos organismos, todos luchando por recursos limitados, invisibles a simple vista.

“El mundo microbiano es un desierto brutal, al estilo de Mad Max™,” dijo Diamond, uno de los investigadores genéticos. “Los microbios simplemente se matan entre sí.”

No será fácil cambiarlo. El sistema es complejo, y los científicos rara vez han transformado con éxito los microbiomas de rumiantes como vacas, ovejas y cabras.

Cuando las vacas comen, mastican su alimento, mezclándolo con saliva, y luego lo tragan. (Una vaca puede producir hasta 40 galones de saliva por día, dependiendo de su dieta.) Parte de esa comida se descompone aún más a través del “rumiado” o la “rumiación” - en la cual la vaca regurgita parte de su alimento, lo mastica más, luego lo traga nuevamente.

Pero los científicos señalan que no tiene que ser así. No hay nada inherente en las vacas que las obligue a liberar gases que calientan el planeta: es solo la acumulación de hidrógeno y los microbios que han evolucionado para consumir ese gas volátil.

“No hay razón para que una vaca tenga que producir metano,” dijo Ringeisen.

Entonces, ¿y si los científicos pudieran simplemente… apagarlo?

A aproximadamente una hora del corral de Sushi, Diamond y sus colegas están utilizando esos frascos congelados de alimento medio digerido para mapear el interior del estómago de Sushi.

El Instituto de Genómica Innovadora - cofundado por Jennifer Doudna, la química ganadora del Premio Nobel que ayudó a pioneros la edición de genes CRISPR - ocupa un edificio de vidrio en Berkeley, California, justo al otro lado de la calle del campus principal.

CRISPR - repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas - es un conjunto de secuencias de ADN que se encuentran en bacterias y arqueas. Cuando se combina con una enzima conocida como Cas9, CRISPR puede usarse como un par de tijeras guiadas: cortando y recortando piezas de ADN antes de reemplazarlas con nuevos segmentos.

Desde que Doudna y la científica francesa Emmanuelle Charpentier descubrieron CRISPR-Cas9 en 2012, la tecnología o sus variantes se ha utilizado para diseñar con ingeniería genética conejos fluorescentes, granos de café libres de cafeína e incluso los embriones de dos niñas gemelas para supuestamente hacerlas inmunes al VIH. (El investigador chino responsable de ese último experimento fue encarcelado por usar ilegalmente CRISPR en humanos.)

Hoy, los científicos en el instituto están tratando de usar herramientas de edición de genes para resolver problemas sociales. Mucho se ha dicho sobre cómo CRISPR podría ayudar a resolver problemas de salud humana, como la enfermedad de células falciformes, el cáncer o el VIH. Pero algunos científicos aquí piensan que la aplicación más poderosa de la herramienta podría ser para el metano. El metano, un gas de efecto invernadero potente, permanece en la atmósfera durante siete a 12 años, mientras que el dióxido de carbono puede persistir durante cientos de años.

“Personalmente creo que este es el que puede tener el mayor impacto en el mundo,” dijo Ringeisen. “Supongamos que pudieras agitar una varita mágica y eliminar todas esas emisiones.”

Todavía quedan muchas preguntas sobre el enfoque. “Eso es el santo grial, si es posible manipular el microbioma del rumen,” dijo Alexander Hristov, profesor de nutrición láctea en la Universidad Estatal de Pensilvania que no está involucrado en el proyecto. “Pero hay que tener en cuenta que este microbioma se ha desarrollado durante millones de años - es muy, muy difícil de cambiar o modificar de manera permanente,” dijo.

James Marsh, profesor de ingeniería de microbiomas en el Instituto Max Planck de Biología en Alemania, dice que los científicos todavía están en las primeras etapas de aplicar la ingeniería genética a todo el microbioma. “Necesitamos poder aplicarlo a todos los organismos para que realmente podamos liberar el potencial de la ingeniería microbiana,” dijo.

Abajo en el laboratorio del instituto de genómica, Diamond, vestido con una bata de laboratorio azul oscuro, abrió un congelador del tamaño de una vaca adulta donde se almacena material genético. Después de que el fluido del rumen de Sushi es congelado de inmediato y procesado en un laboratorio en Davis, los científicos transportan el material genético aquí y extraen el ADN. Luego, comienzan a reensamblar las especies en el rumen desde cero.

Mapeo genético del microbioma completará un inventario microbiano

Mientras los científicos entienden los contornos básicos del rumen de la vaca, todavía están mapeando todas las especies en funcionamiento - una especie de inventario microbiano de cada bacteria, hongo y arquea. Eso es esencial tanto para comprender qué especies están produciendo metano, como para ajustar el proceso.

“Es como un safari,” dijo Diamond.

Lo describe como ensamblar 100 rompecabezas al mismo tiempo. El proceso de extracción rompe el ADN de cada microorganismo en cientos de pequeñas piezas; con la ayuda de una computadora y el aprendizaje automático, los investigadores reensamblan cada uno de esos genomas.

Desde allí, pueden ver cómo ha cambiado el microbioma bajo el tratamiento de algas marinas, y cómo imitarlo.

Hasta ahora, han descubierto que el aceite de algas bloquea una enzima que las arqueas utilizan para procesar el hidrógeno. Sin ella, la cantidad de arqueas disminuye. Eso deja más hidrógeno para las bacterias, como el duodenibacillus. Al igual que las arqueas, el duodenibacillus devora el hidrógeno, pero en lugar de convertir H2 en metano, lo convierte en más energía para la vaca.

Los científicos creen que pueden imitar este efecto con la edición de genes. Podrían insertar ediciones en duodenibacillus – o en un organismo similar – que lo hagan más rápido y fuerte, ayudándolo a superar a las arqueas y comer aún más. Sin H2, las arqueas no tendrán nada que comer, y nada para convertir en metano.

Cuando se elimina una especie no deseada de un ecosistema, Diamond dice que el mundo microbiano es igual que el macromundo: puedes atacar la especie de diferentes maneras.

Una comunidad con una afluencia de ciervos podría iniciar un programa de caza - en el mundo microbiano, eso es el equivalente a insertar un gen en los productores de metano que los erradique.

“Es realmente muy difícil editar cada microbio de un grupo,” dijo Diamond.

Una alternativa - y una que Cress y Diamond piensan que es más probable que tenga éxito - es introducir un competidor, una especie de alce microbiano que pueda devorar el hidrógeno antes de que las arqueas tengan la oportunidad de convertirlo en metano. Una bacteria como el duodenibacillus podría recibir ventajas de edición genética que lo eleven por encima de las arqueas.

“Queremos desencadenar un cambio permanente,” dijo Matthias Hess, un profesor de ciencia animal en UC-Davis que probará algunos de los tratamientos en su laboratorio.

El tratamiento ideal sería una especie de tratamiento probiótico en la vida temprana de una vaca - una cápsula que un ternero podría tragar que crearía un cambio de por vida en su microbioma. Mientras que solo un pequeño número de vacas son alimentadas todos los días, la mayoría de ellas reciben al menos una vacuna en la vida temprana. Los investigadores imaginan una píldora probiótica administrada con esas vacunas tempranas, alcanzando a las vacas que de otro modo pasarán toda su vida en pastizales.

Tal probiótico también podría mejorar la productividad de una granja. Las vacas pueden perder hasta el 12% de su energía a través de eructos de metano; otros rumiantes, como las ovejas y las cabras, también pierden energía de esta manera. Si hay una manera de redirigir ese hidrógeno y convertirlo en leche, carne, lana - sería mucho más aceptado por los agricultores,” dijo Kebreab.

Tratamientos tempranos serán probados en las vacas en Davis, con los investigadores rastreando sus eructos para evaluar la caída en las emisiones de metano.

Todavía hay un largo camino por recorrer. Mientras los científicos han demostrado que pueden editar genéticamente microbios, los investigadores hasta ahora solo han demostrado que pueden editar una pequeña fracción de los microbios en el intestino de la vaca - o en el intestino humano, para el caso. Los investigadores del instituto están desarrollando herramientas de edición genética microbiana, incluso mientras están mapeando las especies del microbioma. Están construyendo el avión mientras lo vuelan.

Los equipos han recibido suficiente financiamiento para siete años de investigación. El proyecto comenzó el año pasado y esperan tener un tratamiento de prueba listo para ser probado en vacas en los próximos dos años.

Para algunos escépticos de la edición genética, una especie de píldora probiótica supercargada genéticamente podría parecer más aceptable que modificar toda una especie de vaca o cultivar carne en un biorreactor. Pero hay temores de consecuencias no deseadas, incluso para los investigadores. “Tenemos que ser conscientes del poder de estas tecnologías,” dijo Diamond. “La gente temerá lo desconocido.”

Aun así, la promesa de editar microbios es tentadora. No solo las vacas producen metano, sino también las cabras, las ovejas, antiguos puntos de permafrost en el Ártico y humedales pantanosos en regiones templadas. Las lecciones de las vacas, dice Ringeisen, podrían ayudar a diseñar intervenciones para otros animales e incluso ecosistemas. “Estoy convencido de que este es un problema soluble,” dijo.

De vuelta en la lechería de Davis, con el fluido de su rumen convenientemente congelado en laboratorios de toda el área de la Bahía de San Francisco, el ternero Sushi dobló sus patas debajo de él y se acostó en su cama de cascarilla de arroz para una siesta. Una mosca aterrizó en su oreja y la sacudió. A su alrededor, las vacas en la lechería exhalaban metano.

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