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ENERGÍA. ¿Ingeniería de levaduras para impulsar la producción de biocombustibles?

 

Los investigadores del MIT han encontrado una manera de lograr altos rendimientos de etanol con diferentes tipos de materias primas celulósicas, que incluyen pasto varilla, paja de trigo y rastrojo de maíz. Fuente: MIT News, con imágenes de iStockphoto

Al hacer que los microbios sean más tolerantes a los subproductos tóxicos, los investigadores demuestran que pueden utilizar una gama más amplia de materias primas, además del maíz.

Impulsar la producción de biocombustibles como el etanol podría ser un paso importante hacia la reducción del consumo mundial de combustibles fósiles. Sin embargo, la producción de etanol está limitada en gran parte por su dependencia del maíz, que no se cultiva en cantidades lo suficientemente grandes como para cubrir una parte significativa de las necesidades de combustible de países como EE.UU.

Para tratar de expandir el impacto potencial de los biocombustibles, un equipo de ingenieros del MIT ha encontrado una manera de expandir el uso de una gama más amplia de materias primas no alimentarias para producir dichos combustibles. 

Por el momento, las materias primas como la paja y las plantas leñosas son difíciles de usar para la producción de biocombustibles porque primero deben descomponerse en azúcares fermentables, un proceso que libera numerosos subproductos que son tóxicos para la levadura, los microbios más comúnmente utilizados para producir biocombustibles.

Los investigadores del MIT desarrollaron una forma de eludir esa toxicidad, haciendo factible el uso de esas fuentes, que son mucho más abundantes, para producir biocombustibles. También demostraron que esta tolerancia se puede transformar en cepas de levadura utilizadas para fabricar otros productos químicos, lo que potencialmente hace posible el uso de material vegetal leñoso "celulósico" como fuente para fabricar biodiésel o bioplásticos.

Gregory Stephanopoulos, profesor Willard Henry Dow en Ingeniería Química, y Gerald Fink, profesor Margaret y Herman Sokol en el Instituto Whitehead de Investigación Biomédica y profesor de Genética de la Sociedad Estadounidense del Cáncer en el Departamento de Biología del MIT, son los autores principales del artículo, que fue publicado el 25 de junio de 2021 en Science Advances .

Impulsando la tolerancia

Actualmente, alrededor del 40 por ciento de la cosecha de maíz de Estados Unidos se destina al etanol. El maíz es principalmente un cultivo alimenticio que requiere una gran cantidad de agua y fertilizantes, por lo que el material vegetal conocido como biomasa celulósica se considera una fuente atractiva y no competitiva de combustibles y productos químicos renovables. Esta biomasa, que incluye muchos tipos de paja y partes de la planta de maíz que normalmente no se utilizan, podría ascender a más de mil millones de toneladas de material por año, según un estudio del Departamento de Energía de EE.UU., suficiente para sustituir de 30 a 50 por ciento del petróleo utilizado para el transporte.

Sin embargo, dos obstáculos principales para el uso de biomasa celulósica son que la celulosa primero debe liberarse de la lignina leñosa, y luego la celulosa debe descomponerse en azúcares simples que la levadura puede usar. El preprocesamiento particularmente agresivo necesario genera compuestos llamados aldehídos, que son muy reactivos y pueden matar las células de levadura.

Para superar esto, el equipo del MIT se basó en una técnica que habían desarrollado hace varios años para mejorar la tolerancia de las células de levadura a una amplia gama de alcoholes, que también son tóxicos para la levadura en grandes cantidades. En ese estudio, demostraron que agregar al biorreactor compuestos específicos que fortalecen la membrana de la levadura ayudó a la levadura a sobrevivir mucho más tiempo en altas concentraciones de etanol. Usando este enfoque, pudieron mejorar el rendimiento del etanol combustible tradicional de una cepa de levadura de alto rendimiento en aproximadamente un 80 por ciento.

En su nuevo estudio, los investigadores diseñaron levadura para que pudieran convertir los aldehídos del subproducto celulósico en alcoholes, lo que les permitió aprovechar la estrategia de tolerancia al alcohol que ya habían desarrollado. Probaron varias enzimas naturales que realizan esta reacción, de varias especies de levadura, e identificaron una que funcionó mejor. Luego, utilizaron la evolución dirigida para mejorarla aún más.

“Esta enzima convierte los aldehídos en alcoholes, y hemos demostrado que la levadura se puede hacer mucho más tolerante a los alcoholes como clase que a los aldehídos, utilizando los otros métodos que hemos desarrollado”, dice Stephanopoulos.

Las levaduras generalmente no son muy eficientes para producir etanol a partir de materias primas celulósicas tóxicas; sin embargo, cuando los investigadores expresaron esta enzima de alto rendimiento y agregaron aditivos de refuerzo de la membrana al reactor, la cepa triplicó con creces su producción de etanol celulósico, a niveles que igualan al etanol de maíz tradicional.

Abundantes materias primas

Los investigadores demostraron que podían lograr altos rendimientos de etanol con cinco tipos diferentes de materias primas celulósicas, que incluyen pasto varilla, paja de trigo y rastrojo de maíz (las hojas, tallos y cáscaras que quedan después de la cosecha del maíz).

"Con nuestra cepa de ingeniería, esencialmente puede obtener la máxima fermentación celulósica de todas estas materias primas que suelen ser muy tóxicas", dice Lam. “Lo mejor de esto es que no importa si tal vez una temporada los residuos de maíz no sean tan buenos. Puede cambiar a pajitas energéticas, o si no tiene una alta disponibilidad de pajitas, puede cambiar a algún tipo de residuo pulposo y leñoso ".

Los investigadores también diseñaron su enzima aldehído a etanol en una cepa de levadura que ha sido diseñada para producir ácido láctico, un precursor de los bioplásticos. Como sucedió con el etanol, esta cepa pudo producir el mismo rendimiento de ácido láctico a partir de materiales celulósicos que a partir del maíz.

Esta demostración sugiere que podría ser factible modificar la tolerancia al aldehído en cepas de levadura que generan otros productos como el diesel. Los biodiésel podrían tener un gran impacto en industrias como el transporte pesado, el transporte marítimo o la aviación, que carecen de una alternativa libre de emisiones como la electrificación y requieren grandes cantidades de combustible fósil.

“Ahora tenemos un módulo de tolerancia que puede atornillar a casi cualquier tipo de vía de producción”, dice Stephanopoulos. “Nuestro objetivo es extender esta tecnología a otros organismos que sean más adecuados para la producción de estos combustibles pesados, como aceites, diesel y combustible para aviones”.

Fuente: “Engineered yeast tolerance enables efficient production from toxified lignocellulosic feedstocks” by Felix H. Lam, Burcu Turanli-Yildiz, Dany Liu, Michael G. Resch, Gerald R. Fink and Gregory Stephanopoulos, 25 June 2021, Science AdvancesDOI: 10.1126/sciadv.abf7613

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