AVANCES EN LA COMPRENSION DE LAS INTRINCADAS REDES REGULADORAS DE LOS GENES QUE CONTROLAN EL ENGROSAMIENTO DE LA PARED CELULAR VEGETAL PODRÍAN LLEVAR A MEJORAR LA EFICIENCIA EN LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES

Unos genetistas especializados en plantas que incluyen a Sam Hazen de la Universidad de Massachusetts Amherst, y Siobhan Brady de la Universidad de California, han resuelto las redes reguladoras de los genes que controlan el engrosamiento de la pared celular por la síntesis de tres polímeros, la celulosa, la hemicelulosa y la lignina.

Los autores dicen que el más rígido de los polímeros, la lignina, representa un gran obstáculo para extraer los azúcares de la biomasa vegetal que pueden ser utilizados para producir biocombustibles. Se espera este avance sirva como base para la comprensión de la regulación de un componente vegetal integral y complejo (pared celular) y como un mapa de cómo los futuros investigadores podrían manipular los procesos formadores de polímeros para mejorar la eficiencia de la producción de biocombustibles.

Los tres polímeros claves, que se encuentran en tejidos vegetales conocidos como xilema, proporcionan a las plantas resistencia mecánica y de células resistentes al agua que transportan el liquido elemento. Trabajando en la planta modelo Arabidopsis thaliana, Hazen, Brady y sus colegas exploraron cómo un gran número de factores de transcripción interconectados regulan el engrosamiento del xilema y de la pared celular.

Entender cómo se controlan las proporciones relativas de estos biopolímeros en el tejido vegetal abriría oportunidades para rediseñar las plantas para el uso de biocombustibles.En este estudio se identificaron cientos de nuevos reguladores los cuales ofrecen una importante visión de la regulación del desarrollo de la diferenciación de las células del xilema.

En concreto, usando una serie de sistemas para identificar las interacciones proteína-DNA, ellos realizaron el barrido de más de 460 factores de transcripción expresados en el xilema de la raíz para explorar su capacidad de unirse a los promotores de unos 50 genes que se sabe están involucrados en los procesos que producen los componentes de la pared celular. Hazen indica que esto reveló una red altamente interconectada de más de 240 genes y más de 600 interacciones proteína-DNA que no se habían conocido antes.

Ellos también encontraron que cada gen de la pared celular en la red reguladora del xilema está unido a un promedio de cinco factores de transcripción diferentes de 35 familias distintas de proteínas reguladoras. Además, muchos de los factores de transcripción forman un número sorprendentemente grande de bucles feed-forward que coregulan los genes diana.

En otras palabras, en lugar de una serie de interruptores de encendido y apagado que conduce a una acción final como la fabricación de celulosa, la mayoría de las proteínas, incluyendo los reguladores del ciclo celular y la diferenciación se unen directamente a los genes de celulosa y a otros reguladores de la transcripción. Esto le da a las plantas un gran número de posibles combinaciones para responder y adaptarse al estrés ambiental, tales como la sal o la sequía, señalan los autores.

Aunque este estudio pudo identificar nodos interactivos, las técnicas utilizadas no fueron capaces de permitir a los autores determinar exactamente que tipos de bucles fee-forward están presentes en la red de regulación del xilema. Sin embargo, el trabajo ofrece un marco para futuras investigaciones que deberian permitir a los investigadores identificar maneras de manipular esta red y diseñar cultivos energéticos para la producción de biocombustibles.

LOGRAN AUMENTAR LA PRODUCCIÓN DE METILCETONAS EN E.COLI UNAS CIENTO SESENTA VECES MEDIANTE INGENIERÍA METABÓLICA

Hace dos años, los investigadores del U.S. Department of Energy's Joint BioEnergy Institute (JBEI) modificaron una bacteria de Escherichia coli para convertir la glucosa en cantidades importantes de metilcetonas, una clase de compuestos químicos que se utilizan principalmente para fragancias y sabores, pero altamente prometedores como agentes de mezcla limpios, verdes y renovables para el diesel. Ahora, después de nuevas modificaciones genéticas, han logrado aumentar dramáticamente la producción de metilcetona unas 160 veces en la E. coli.

Harry Beller, microbiólogo  de la JBEI, y quien dirigió el estudio, comenta que hacer una mejora tan grande en la producción de metilcetonas con un número relativamente pequeño de modificaciones genéticas es alentador y creen que podrán mejorar aún más la producción utilizando los conocimientos adquiridos a partir de estudios in vitro de la nueva vía metabólica.

Las metilcetonas son compuestos naturales que se descubrieron hace más de un siglo en la planta de hoja perenne aromática conocida como ruda. Desde entonces han sido encontrados de forma común en los tomates y otras plantas, así como en insectos y microorganismos. Hoy en día se utilizan para proporcionar aromas en aceites esenciales y sabores en el queso y otros productos lácteos. Aunque las E. coli nativas producen cantidades prácticamente indetectables de metilcetonas, Harry Beller, Ee-Been Goh (coautor) y sus colegas han sido capaces de superar esta deficiencia utilizando las herramientas de la biología sintética.

Para la producción de metilcetonas los investigadores hicieron dos modificaciones importantes en la E. coli, primero se modificaron pasos específicos en la beta-oxidación, la vía metabólica que la E. coli utiliza para descomponer los ácidos grasos, y luego aumentaron la expresión de un enzima nativa de la E. coli llamada FadM. Estas dos modificaciones se combinaron para mejorar en gran medida la producción de las metilcetonas.

En un último esfuerzo, los investigadores hicieron otras modificaciones que incluyeron equilibrar la sobreexpresión de otras dos enzimas de la E. coli, llamadas fadR y fadD, para incrementar el flujo de ácidos grasos en la vía; consolidando dos vías plasmídicas en una; optimizando el uso de codones para los genes no nativos de la ruta de E. coli; y silenciando las rutas claves de producción de acetato. Los resultados llevaron a una produccion de 3,4 gr/litro de metilacetona después de aproximadamente 45 horas de fermentación discontinua alimentado con glucosa. Esto es cerca del 40% del rendimiento teórico máximo para metilcetonas.

Aunque la producción mejoró aún no está a un nivel comercial en el mercado de los biocombustibles, pero está cerca al nivel comercial para su uso en sabores y aromas, donde ciertas metilcetonas son mucho más valoradas de lo que serían en el mercado de los biocombustibles.

Los estudios in vitro realizados por Beller y Goh dieron ideas sobre la ruta metabólica, algunas de las cuales apuntan a ulteriores alzas de producción. Un hallazgo clave fue la confirmación de que una enzima descarboxilasa no se requiere en la ruta metabólica de las metilcetonas pues varias diferentes vías se han desarrollado en los últimos dos años para la producción de metilcetonas en E. coli, un par de los cuales usan enzimas descarboxilasa para catalizar el último paso de la vía. 

Los estudios in vitro también se encargaron de las preocupaciones acerca de la enzima FadM siendo algo "promiscua" en sus actividades hidrolizantes. Beller y Goh encontraron que FadM puede actuar sobre productos intermedios en la vía metabólica de las meticetonas y reducir efectivamente el flujo de carbono a los productos finales de metilcetona. Sin embargo, ellos dicen que con un poco de conocimientos sobre ingeniería metabólica, esto no necesita ser un problema y conocer el fenómeno podría incluso ser utilizado para mejorar la producción.

Beller concluye que con toda probabilidad hay un punto ideal en el nivel de expresión de la enzima FadM que permitirá la producción máxima de metilcetonas sin desviar los intermediarios metabólicos.

MODIFICAN GENÉTICAMENTE UNA CEPA DE LEVADURA QUE LA HACE MÁS TOLERANTE AL CALOR PARA UNA ELABORACIÓN MÁS EFICIENTE Y BARATA DE ETANOL

Con una simple mutación, la levadura usada en la producción de bioetanol para vehículos puede crecer con normalidad pese a estar expuesta a temperaturas superiores a las normales. Unos científicos de instituciones suecas y danesas lo han demostrado en una investigación reciente. Los resultados de esta podrían conducir hacia una elaboración más eficiente y barata de etanol como combustible para vehículos, así como incrementar la posibilidad de utilizar desechos vegetales como materia prima.

Con las levaduras convencionales, si la temperatura de su proceso industrial de cultivo no es reducida, las células de levadura mueren por el calor que ellas mismas producen. El cultivo de levadura actualmente se refrigera hasta una temperatura de 30 grados, la cual resulta óptima para que las células de levadura hagan su trabajo, producir etanol.
Sin embargo, la producción de bioetanol podría ser menos costosa y más eficaz si se pudiera mantener la temperatura a 40 grados. Se podría ahorrar una gran cantidad de dinero por costes de refrigeración, y se reduciría el riesgo de crecimiento bacteriano. Además, la materia prima, por ejemplo almidón, debe descomponerse en azúcares que la levadura pueda utilizar, un proceso que funciona mejor a temperaturas altas.
El equipo internacional de Jens Nielsen, profesor en la Universidad Chalmers de Tecnología en Suecia, ha resuelto ahora este asunto, identificando un modo de hacer a la levadura más resistente al calor. Para lograrlo basta con una mutación.
La levadura tiene una sustancia en su membrana celular llamada ergosterol, en lugar del colesterol que tenemos los humanos. La mutación en el gen C-5 sterol desaturasa intercambia el ergosterol por una sustancia llamada fecosterol. Esto tiene varios efectos diferentes en las células, lo cual permite que la levadura se desarrolle a 40 grados.
Una característica importante de las nuevas cepas de levadura es que son estables, o sea que trasmiten su tolerancia al calor a las generaciones posteriores.
La producción actual de bioetanol se basa bastante en la remolacha y el maíz. Este etanol, valorado en más de 100.000 millones de dólares al año, se produce en la actualidad usando levadura. Si se introdujera una mejora, incluso pequeña, en el proceso, se podrían ahorrar millones de dólares cada año.

CIENTÍFICOS LOGRAN PRODUCIR COMBUSTIBLE FÓSIL RENOBABLE EN BACTERIAS MEDIANTE INGENIERÍA METABÓLICA

Investigadores han logrado modificar las bacterias intestinales E. coli para generar propano renovable. El desarrollo es un paso hacia la producción comercial de una fuente de combustible que algún día podría proporcionar una alternativa a los combustibles fósiles. 

El propano es una fuente atractiva de combustible limpio ya que tiene un mercado global existente en la actualidad. Ya es producido como un subproducto durante el procesamiento del gas natural y el refinamiento del petróleo, pero ambos son recursos finitos. En su forma actual constituye la mayor parte del LPG (gas licuado de petróleo), que se utiliza en muchas aplicaciones, desde calefacción a las estufas de camping y vehículos motorizados convencionales. 

En un nuevo estudio, el equipo de científicos del Imperial College de Londres y la Universidad de Turku en Finlandia utilizó Escherichia coli para interrumpir el proceso biológico que convierte los ácidos grasos en membranas celulares. Los investigadores utilizaron enzimas para canalizar los ácidos grasos hacia una vía biológica diferente, de modo que las bacterias hacen propano renovable listo para su uso en motores en lugar de membranas celulares. 

Su objetivo final es la inserción de este sistema de ingeniería metabótica en bacterias fotosintéticas, y así algún día convertir directamente la energía solar en combustible químico.

El Dr. Patrik Jones, del Departamento de Ciencias de la Vida del Imperial College de Londres, afirma que aunque esta investigación está en una etapa muy temprana, su estudio ofrece un método para la producción renovable de un combustible que antes sólo era accesible desde las reservas fósiles. Aunque los cientificos sólo han producido pequeñas cantidades hasta ahora, el combustible que han producido está listo para ser utilizado en un motor de inmediato. Esto abre posibilidades para la futura producción sostenible de combustibles renovables que en un principio podrían complementar, y posteriormente sustituir a los combustibles fósiles como el diesel, la gasolina, el gas natural y el combustible para aviones.

Los científicos eligieron como objetivo el propano, ya que puede escapar fácilmente de la célula como un gas, sin embargo, requiere pequeñas cantidades de energía para transformarse desde su estado gaseoso natural en un líquido fácil de transportar, almacenar y utilizar. 

EL Dr. Jones añade que los combustibles fósiles son un recurso finito y como la población sigue creciendo se va a tener que encontrar nuevas formas de satisfacer las crecientes demandas de energía. Por lo tanto, es un reto importante desarrollar un proceso renovable que sea barato y económicamente sustentable.

Por el momento las algas se pueden utilizar para hacer biodiesel, pero no es comercialmente viable pues la cosecha y el procesamiento requieren una gran cantidad de energía y dinero; por el contrario, el propano puede ser separado del proceso natural con un mínimo de energía.

Usando la E. coli como organismo huésped, los científicos interrumpieron el proceso biológico que convierte los ácidos grasos en membranas celulares. Al detener este proceso en una etapa temprana ellos pudieron  remover el ácido butírico, un compuesto con olor desagradable que es un precursor esencial para la producción de propano. 

Para interrumpir el proceso, los investigadores descubrieron una nueva variante de una enzima llamada tioesterasa que actúa específicamente sobre los ácidos grasos y las libera del proceso natural. Luego utilizaron una segunda enzima bacteriana, denominada CAR, para convertir el ácido butírico en butiraldehído. Finalmente, añadieron una enzima recientemente descubierta llamada ADO, conocida por crear hidrocarburos naturalmente , con el fin de formar propano. 

Los intentos anteriores de utilizar la enzima ADO han resultado decepcionantes, ya que los científicos han sido incapaces de aprovechar el poder natural de la enzima para crear un combustible más limpio. Pero los científicos del Imperial College descubrieron que mediante la estimulación de la ADO con electrones serían capaces de mejorar sustancialmente la capacidad catalítica de la enzima, y en última instancia producir propano. 

El nivel de propano que los científicos produjeron es en la actualidad mil veces menos de lo que sería necesario para convertirlo en un producto comercial, por lo que ahora están trabajando en el perfeccionamiento de su proceso de síntesis recientemente diseñado. El Dr. Jones indica que no tienen una comprensión completa de cómo exactamente se hacen las moléculas de combustible, por lo que ahora están tratando de averiguar exactamente cómo se desarrolla este proceso. Ël espera que en los próximos 5 a 10 años sean capaces de lograr procesos comercialmente viables que alimentarán de forma sostenible nuestra demanda energética.

ESTUDIAN UNA CIANOBACTERIA MARINA PARA LA PRODUCCIÓN MÁS ECONÓMICA Y EFICIENTE DE BIOCOMBUSTIBLES

En la búsqueda de fuentes renovables de energía, los sistemas que utilizan algas parecen ser una buena opción. Las algas pueden crecer con notable rapidez y en altas concentraciones en zonas que no son aptas para la agricultura; y a medida que crecen, acumulan grandes cantidades de lípidos, que son moléculas que contienen carbono que puede ser extraído y transformado en biogasóleo (biodiésel) y otros combustibles ricos en energía. Sin embargo, tras tres décadas de trabajo, no se ha conseguido producir biocombustibles a partir de algas de forma comercialmente viable, en parte debido a que los procesos necesarios para degradar las algas y capturar los lípidos son costosos y de alto consumo energético.
Durante los últimos 25 años, Sallie Chisholm, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge, Estados Unidos, ha estado estudiando a las Prochlorococcus, uno de los tipos más abundantes de las cianobacterias marinas popularmente conocidas con nombres como "algas verdiazules", y capaces de realizar la fotosíntesis. Las bacterias Prochlorococcus poseen una cualidad singular: De entre todos los organismos que realizan la fotosíntesis, esta criatura unicelular es la más abundante y la más pequeña (mide menos de 1 micrómetro de diámetro). Es responsable del 10% de toda la fotosíntesis en la Tierra, y constituye la base de la cadena alimentaria oceánica. De entre todas las células fotosintéticas conocidas, la Prochlorococcus es la que tiene el genoma más pequeño. Tres mil millones de años de evolución han eliminado todo lo superfluo en su genoma, y ahora contiene justo lo necesario para crear biomasa a partir de dióxido de carbono y energía solar.
Tiene pues sentido tomar a este organismo como referencia y estudiarlo a fondo, a fin de vislumbrar formas idóneas de producir biogasóleo por vía microbiana y a partir de luz solar como fuente energética del proceso. Sobre todo, teniendo en cuenta que, tal como el equipo de Chisholm descubrió tiempo atrás, a medida que crece esta bacteria, produce y libera de forma natural vesículas extracelulares, paquetes esféricos ricos en sustancias grasas parecidas a las que hacen tan atractivas a las algas para el sector de los biocombustibles.

Las implicaciones de todo esto para el uso industrial, incluyendo la producción de biocombustibles, son significativas. A partir de tan solo luz solar, dióxido de carbono, y agua, la Prochlorococcus liberaría continuamente vesículas ricas en lípidos, las cuales podrían ser capturadas sin perturbar a las bacterias en crecimiento. Sería un enfoque mucho más productivo que los tradicionales, en los cuales se extraen lípidos directamente de las algas, en un proceso que requiere destruir un lote de células y comenzar con uno nuevo. Con la Prochlorococcus, el proceso sería de cultivo ininterrumpido.

La línea de investigación y desarrollo en la que trabaja el equipo de Chisholm y Steven Biller no va encaminada expresamente a crear una tecnología que permita recolectar las citadas vesículas en viveros de Prochlorococcus, ya que esas vesículas no son del tipo óptimo para fabricar biocombustibles. Pero debido a la sencillez de su genoma, es un buen modelo para hurgar en él y aprender a manejar los mecanismos que regulan la formación y emisión de vesículas y determinan su contenido. Una vez que los científicos conozcan bien cómo funciona, ese mecanismo podría llegar a ser usado en organismos más robustos y de rápido crecimiento, y se podría manipular el contenido de las vesículas.

DISEÑAN BACTERIAS MODIFICADAS GENÉTICAMENTE PARA LA CONVERSIÓN DIRECTA DE BIOMASA A BIOCOMBUSTIBLE

La promesa de los combustibles asequibles a partir de biomasa ha sido dejado perpetuamente en suspenso por los costos del proceso de conversión. Una nueva investigación de la Universidad de Georgia (UGA) ha superado este obstáculo que permite la conversión directa del pasto varilla (hierba nativa de Norteamérica) en combustible.

El estudio documenta la transformación directa de la biomasa en biocombustible sin tratamiento previo, utilizando la bacteria Caldicellulosiruptor bescii genéticamente modificada.

El pretratamiento de la materia prima de biomasa (cultivos no alimentarios como el mijo) consiste en romper las paredes celulares de la planta antes de la fermentación en etanol. Esta etapa de pretratamiento ha sido por mucho tiempo el cuello de botella económico que dificulta la producción de combustibles a partir de materias primas de biomasa lignocelulósica.

Janet Westpheling, profesora en el departamento de genética del Colegio Franklin de Artes y Ciencias, y su equipo de investigadores, miembros del Centro de Ciencias de la BioEnergía (BESC), tuvieron éxito en la modificación genética de la bacteria C. bescii para desensamblar la biomasa vegetal sin tratamiento previo.

Westpheling pasó dos años y medio en el desarrollo de métodos genéticos para la manipulación genética de la bacteria C. bescii  y que haga posible el trabajo actual. Ella afirma que la parte mas dificil de enseñar al microorganismo fue la de cómo desensamblar la biomasa.

El grupo de investigación de la UGA diseñó una ruta sintética en la bacteria, introduciendo genes de otra bacteria anaerobia que producen etanol, y construyeron una ruta en el microbio para producir etanol directamente.

Westpheling comenta que ahora, sin ningún tratamiento previo, se puede simplemente tomar el pasto varilla, molerlo, añadir un medio mínimo de sales de bajo costo, y obtener etanol. Este es el primer paso hacia un proceso industrial económicamente factible.

La recalcitrancia de la biomasa vegetal para la producción de combustibles evolucionó en las plantas durante millones de años, y es resultado de sus paredes celulares rígidas que han sido la clave de su supervivencia y el principal obstáculo para la producción de biocombustibles. El entender la base científica y en última instancia eliminar la recalcitrancia ha sido la misión central de los investigadores.

Paul Gilna, director del Centro de Ciencias de la BioEnergía (BESC), cometa que tomar un organismo prácticamente desconocido y sin caracterizar y utilizar técnicas de ingeniería para producir un biocombustible de elección en el plazo de unos pocos años es un logro científico imponente para el grupo de la Dr. Westpheling y para BESC.

Las bacterias Caldicellulosiruptor se han aislado alrededor del mundo, desde un manantial caliente en Rusia al Parque Nacional de Yellowstone en Estados Unidos. Westpheling explicó que muchos microbios en la naturaleza demuestran capacidades preciadas en la química y la biología, pero que desarrollar los sistemas genéticos para usarlos es el reto más importante. La biología de sistemas permite el diseño de rutas artificiales dentro de organismos que les permiten hacer cosas que ellos no pueden hacer de otra manera.

El etanol no es más que uno de los productos que se le puede enseñar a la bacteria a producir. Otros productos incluyen butanol e isobutanol, así como otros combustibles y productos químicos que utilizan la biomasa como una alternativa al petróleo.

UTILIZAN MICROALGAS DE AGUA DULCE PARA LA OBTENCIÓN DE BIODIESEL DE FORMA MÁS EFICIENTE Y ECONÓMICA

La empresa biotecnológica Bioamin, en México, trabaja un proyecto para la obtención de biodiesel a partir de microalgas de agua dulce, que a diferencia de otras materias primas reduce costos de producción, es más eficiente energéticamente y genera menos efectos nocivos para el medio ambiente.

La gerente de investigación de Bioamin y especialista en química Yolanda Sánchez Salazar, explicó que para extraer el biodiesel, primero se someten las microalgas a un método de ultrasonido para provocar una reacción que rompa sus capas celulares y se libere el aceite que contiene ácidos grasos.

Una vez obtenido el aceite con los ácidos grasos se procede al método de transesterificación, que consiste en calentar el aceite hasta llegar a una temperatura de 70 grados centígrados, en ese momento se debe agregar una cantidad determinada de metanol o etanol, para obtener el biodiesel y la glicerina. Posteriormente, se realiza una decantación para separar estas dos sustancias, la glicerina obtenida puede tener un uso comercial que reditúe ganancias al proceso.

Con esta técnica se han logrado extraer dos litros de biodiesel por cada 15 kilogramos del cultivo de microalgas. Para comprobar la eficacia del combustible se utilizó en un vehículo y el resultado fue favorable ya que la emisión de contaminantes fue menor, y los emitidos se degradarán en tres meses.

La especialista en procesos químicos de Bioamin, explicó que producir este combustible con microalgas de agua dulce resulta más barato que hacerlo con sus símiles marinas, porque existe un gran volumen y pueden ser extraídas de lagos o ríos con mayor facilidad. De igual modo, dijo, que al no obtener el biodiesel de un cultivo agrícola, (como ocurre con la planta jatrofa), por ejemplo no se genera contaminación con solventes al realizar el proceso de extracción del aceite, y a la vez se reducen los costos.

Las microalgas dulces pertenecen al grupo de microorganismos fotosintéticos simples, condición que permite el rápido crecimiento celular, razón por la cual es más accesible obtener una mayor cantidad.

Debido a que las microalgas sólo requieren de la luz solar para sobrevivir, los químicos idearon adaptar en el laboratorio una especie de invernadero que permitiera almacenar y realizar los medios de cultivo de las microalgas, con el propósito de tener su propia reserva.

La empresa agrícola Bioamin, localizada en Coahuila, ha desarrollado hasta el momento el experimento a nivel laboratorio, y utilizó un fotobiorreactor, donde se depositan 15 kilogramos de medio de cultivo para obtener microalgas o biomasa que generan dos litros de biodiesel.

La gerente de Bioamin comentó que el proyecto es apoyado por el Fondo Mixto del Conacyt- Gobierno de Coahuila, y aún se sigue investigando para poder elevar la escala de producción y en futuro lograr comercializarla. La investigación fue apoyada la Universidad Autónoma de Coahuila con la participación de estudiantes de prácticas tutelares que fueron dirigidos por el químico Juan Genaro Osuna Alarcón.

OBTIENEN BIOCOMBUSTIBLE PARA COHETES MEDIANTE LA MODIFICACIÓN GENÉTICA DE BACTERIAS E. COLI

Gracias a bacterias manipuladas genéticamente, se ha conseguido producir un biocombustible alternativo y lo bastante energético como para impulsar a un motor cohete.

La síntesis bacteriana de pineno abre nuevas y fascinantes perspectivas en el sector de los biocombustibles. El pineno es un hidrocarburo proveniente de los árboles que podría llevar a sustituir por alternativas sostenibles a combustibles de origen fósil y alta energía como el JP-10, un combustible usado en vehículos aeroespaciales, incluyendo misiles. Con las mejoras adecuadas en la eficiencia de su proceso de elaboración, el biocombustible podría facilitar incluso el desarrollo de una nueva generación de motores más potentes.

Al conseguir dotar de enzimas de árboles a las bacterias, el equipo de Stephen Sarria y Pamela Peralta-Yahya, del Instituto Tecnológico de Georgia (Georgia Tech), ubicado en la ciudad estadounidense de Atlanta, ha logrado multiplicar por seis la producción de pineno, en comparación con el nivel de producción alcanzado en investigaciones anteriores de bioingeniería.

Aunque será necesaria una mejora más drástica antes de que los dímeros de pineno puedan competir con el JP-10 elaborado a partir de petróleo, el equipo de Sarria y Peralta-Yahya cree que ha identificado los principales obstáculos a superar para alcanzar ese objetivo.

Mediante la estrategia de tomar colonias de bacterias E. coli modificadas genéticamente para producir pineno y colocarlas dentro de tubos de ensayo conteniendo glucosa, los investigadores han conseguido determinar qué combinaciones de enzimas producen con mayor eficiencia el hidrocarburo.Ellos obtuvieron 28mg/l mediante la mejor combinacion de la expresion  de tres enzimas pineno sintasas y tres enzimas geranil difosfato sintetasas.

Los combustibles con alta densidad de energía son importantes en aplicaciones en las que la reducción del peso del combustible es fundamental. La gasolina utilizada para los automóviles y el gasóleo utilizado principalmente en camiones contienen menos energía por litro que el JP-10.

INVESTIGADORES MODIFICAN GENÉTICAMENTE ÁRBOLES PARA HACER MAS FÁCIL LA PRODUCCIÓN DE PAPEL ENTRE OTROS BENEFICIOS

Investigadores han manipulado genéticamente árboles que serán más fáciles de descomponer para producir papel y biocombustible, un avance que supondrá el uso de menos productos químicos, menos energía y creación de menos contaminantes ambientales.

Uno de los mayores impedimentos para la industria de la  pulpa y el papel, así como la industria emergente de los biocombustibles es un polímero que se encuentra en la madera conocida como la lignina. La lignina constituye una parte sustancial de la pared celular de la mayoría de las plantas y es un impedimento para el procesamiento de la pulpa, del papel y de biocombustibles. Actualmente la lignina debe ser removida, un proceso que requiere significativamente de productos químicos y de energía, además de producir residuos indeseables.

Los investigadores utilizaron la ingeniería genética para modificar la lignina y hacerla más fácil de romper sin afectar negativamente a la fuerza del árbol. Shawn Mansfield, profesor de Ciencias de la Madera de la Universidad de Columbia Británica indica que están modificando los árboles para que sean procesados ​​con menor energía y menos productos químicos , y en última instancia recuperar más carbohidratos de la madera que en la actualidad.

Los investigadores habían intentado previamente hacer frente a este problema mediante la reducción de la cantidad de lignina en los árboles por supresión de genes, que a menudo resultó en árboles con retraso en el crecimiento o eran susceptibles al viento, la nieve, a las plagas y patógenos.

La estructura de la lignina naturalmente contiene enlaces éter que son difíciles de degradar. Los científicos utilizaron la ingeniería genética para introducir enlaces éster en la cadena principal de la lignina los cuales son más fáciles de descomponer químicamente.

La nueva técnica permite que la lignina pueda ser recuperada más eficazmente y usada en otras aplicaciones, tales como adhesivos, fibras de carbono y aditivos para pinturas.

La estrategia de modificación genética empleada en este estudio también podría utilizarse en otras plantas como los pastos los cuales podrían ser utilizados como un nuevo tipo de combustible que reemplace al petróleo.

La modificación genética de este tipo es un tema polémico, pero hay maneras de asegurar que los genes en cuestión no se diseminen al bosque. Estas técnicas incluyen cultivos bajo control lejos de bosques nativos, así la polinización cruzada no sea posible; introducción de genes para hacer solo árboles masculinos o femeninos o en su defecto, plantas estériles; y talar los árboles antes de que alcancen la madurez reproductiva.

En el futuro, los árboles modificados genéticamente podrían ser plantados como un cultivo agrícola, y no en los bosques nativos. El álamo es un cultivo con potencial energético para la industria de los biocombustibles debido a que el árbol crece rápidamente y en tierras agrícolas marginales. 

Por ultimo, Mansfield opina que nuestra sociedad es dependiente del petróleo  pues confiamos en el mismo recurso para todo, desde teléfonos inteligentes a la gasolina. Se tiene que diversificar y aliviar la presión de los combustibles fósiles. Árboles y plantas tienen un enorme potencial para contribuir carbono a nuestra sociedad.

CONVIERTEN LEVADURAS EN PEQUEÑAS GRANDES FUENTES DE LÍPIDOS PARA BIOCOMBUSTIBLES MEDIANTE INGENIERÍA METABÓLICA

Investigadores de la Universidad de Texas han desarrollado una nueva fuente de energía renovable, un biocombustible, a partir de células de levaduras manipuladas genéticamente y de azúcar común de mesa. Esta levadura produce aceites y grasas, conocidas como lípidos, que se pueden utilizar en lugar de los productos derivados del petróleo.

El profesor adjunto Hal Alper, en el departamento McKetta de Ingeniería Química de la Escuela Cockrell, junto con su equipo de estudiantes, creó esta nueva plataforma basada en células. Dado que las células de levadura crecen en azúcares, Alper llama al biocombustible producido por este proceso " una versión renovable de crudo dulce".

La plataforma produce la mayor concentración de aceites y grasas reportados a través de la fermentación, el proceso de cultivo de células para convertir el azúcar en productos como el alcohol, gases o ácidos.

El equipo de investigación fue capaz de rehacer células de levadura para permitir que hasta el 90% de la masa celular se convierta en lípidos, que luego se pueden utilizar para la producción de biodiesel. El investigador afirma que este valor se está acercando a la concentración observada en muchos procesos bioquímicos industriales.

Dado que los materiales grasos son bloques de construcción para muchos productos de uso doméstico, este proceso podría ser utilizado para producir una variedad de productos hechos con petróleo o aceites. Los biocombustibles y productos químicos producidos a partir de organismos vivos representan una parte prometedora del mercado de la energía renovable. En general, se espera que el mercado mundial de biocombustibles se duplique durante los próximos años, al pasar de $ 82.7 mil millones en 2011 a $ 185.3 mil millones en 2021.

El biocombustible que los investigadores formularon es similar en composición al biodiesel de aceite de soja. Las ventajas del uso de las células de levadura para producir biodiesel de calidad comercial son que las células de levadura se pueden cultivar en cualquier parte, no compiten con los recursos de la tierra y son más fáciles de alterar genéticamente que otras fuentes de biocombustibles.

El equipo de investigadores tomó como inicio una cepa de la levadura Yarrowia lipolytica, y fueron capaces de convertirla en una fábrica de aceite a partir de azúcar. Al rehacer genéticamente la Yarrowia lipolytica, el Dr. Alper y su grupo de investigación han creado un biocatalizador casi comercial que produce altos niveles de aceites biológicos durante la fermentación de hidratos de carbono.

Hasta ahora, la producción de biocombustibles de alto nivel y aceites renovables ha sido una meta difícil de alcanzar, pero los investigadores creen que la producción de la industria a gran escala es posible con esta plataforma.

En un esfuerzo de ingeniería que abarca más de cuatro años, los investigadores modificaron genéticamente Yarrowia lipolytica mediante la eliminación y la sobreexpresión de los genes específicos que influyen en la producción de lípidos. Además , el equipo identificó condiciones de cultivo óptimas que difieren de las condiciones estándar. Los métodos tradicionales se basan en la ausencia de fuente nitrógeno para engañar a las células de levadura en el almacenamiento de grasa y materiales. La investigación de Alper proporciona un mecanismo para el crecimiento del contenido de lípidos sin falta de fuente de nitrógeno. 

La plataforma produce los más altos niveles de contenido lipídico creados hasta ahora usando una célula de levadura genéticamente modificada. Para comparar, otras plataformas basadas en levaduras producen un contenido lipídico que va del 50% al 80%. Sin embargo, estas plataformas alternativas no siempre producen los lípidos directamente del azúcar como esta tecnología lo hace.

Alper y su equipo continúan buscando formas de mejorar aún más los niveles de producción de lípidos y el desarrollo de nuevos productos que utilicen esta levadura modificada .

GENETISTAS CONSIGUEN AVANCES SIGNIFICATIVOS EN ÁLAMOS MODIFICADOS GENÉTICAMENTE

Genetistas forestales en la Universidad Estatal de Oregón (OSU) han creado álamos genéticamente modificados que crecen más rápido, tienen resistencia a las plagas de insectos y son capaces de mantener la expresión de los genes insertados durante al menos 14 años.

El avance podría ser especialmente útil en las industrias del papel y la pulpa, y en la industria emergente de los biocombustibles que podría basarse en las plantaciones de álamos híbridos.

Los investigadores afirman que el uso comercial de dichos árboles podría hacerse con álamos que también han sido modificados genéticamente para ser estériles por lo que sería improbable que sus características se propaguen a otros árboles.

El desarrollo de árboles masculinos estériles se ha demostrado en el campo. La esterilidad femenina aún no se ha realizado pero debería ser factible, dijeron. Sin embargo, no está claro si los organismos reguladores podrían permitir el uso de estos árboles, con la esterilidad como un factor clave para su mitigación.

Steven Strauss, un distinguido profesor de la biotecnología forestal en la OSU afirma que en términos del rendimiento de madera, salud y productividad de las plantaciones, estos árboles transgénicos podrían ser muy importantes, pues los experimentos de campo y la continua investigación mostraron resultados que superaron las expectativas.

Un estudio a gran escala con 402 árboles de nueve eventos de inserción rastreó el resultado de colocar el gen Cry3Aa en álamos híbridos. La primera fase se llevó a cabo en pruebas de campo entre 1998 y 2001, y en 14 años desde entonces, el estudio continuó en un "banco de clones" en la OSU para asegurar que las características valoradas fueran retenidas con la edad.

Todos los árboles fueron retirados o cortados a la edad de dos años antes de tener la edad suficiente para florecer y reproducirse, con el fin de evitar cualquier flujo de genes en poblaciones de árboles silvestres.

Con esta modificación genética, los árboles fueron capaces de producir una proteína insecticida que ayudó a protegerlos contra el ataque de insectos, pues estos pueden hacer que los árboles sean más vulnerables a otros problemas de salud. Este método ha demostrado ser eficaz como medida de control de plagas en otras especies de cultivos como el maíz y la soja, lo que resulta en una reducción sustancial en el uso de plaguicidas y una disminución de las pérdidas de cultivos.

Los álamos híbridos, que por lo general se cultivan en densas hileras en terreno llano, son especialmente vulnerables a las epidemias de insectos. La aplicación manual de plaguicidas es cara y son dirigidos a una amplia gama de insectos, en lugar de sólo a los insectos que atacan a los árboles.

Varios de los árboles transgénicos en este estudio también habían mejorado significativamente sus características de crecimiento. En comparación con los controles, los árboles transgénicos crecieron en promedio un 13% más después de dos temporadas de cultivo, y en el mejor de los casos, un 23%.

Algunos de los trabajos también usaron un clon de álamo tolerante a la sequía, otra ventaja en lo que puede ser un futuro clima más cálido y seco.

Los cultivos anuales como el algodón y el maíz ya se cultivan habitualmente como productos trangénicos con genes de resistencia a insectos. Los árboles, sin embargo, tienen que crecer y vivir por años antes de la cosecha y están sometidos a múltiples generaciones de ataques de plagas de insectos. Es por eso que la protección manipulada contra insectos puede ofrecer un mayor valor comercial, y, por lo tanto, las pruebas extendidas eran necesarias para demostrar que los genes de resistencia todavía se expresarían más de una década después de la siembra .

Según Strauss, algunos álamos híbridos genéticamente modificados ya se utilizan comercialmente en China, pero ninguno en los Estados Unidos. El uso de árboles transgénicos en los EE.UU. todavía se enfrenta a obstáculos regulatorios. Los organismos reguladores son propensos a requerir extensos estudios sobre el flujo de genes y sus efectos sobre los ecosistemas forestales, los cuales son difíciles de llevar a cabo.

Strauss aboga por la modificación de los genes de esterilidad entre los árboles como un mecanismo para controlar el flujo de genes, lo que unido a una mayor investigación ecológica podría ofrecer un camino socialmente aceptable para su despliegue comercial .

CIENTÍFICOS LOGRAN UN GRAN AVANCE PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE A PARTIR DE DIMINUTAS ALGAS MARINAS MEDIANTE SU MANIPULACIÓN GENÉTICA

Los investigadores de la Institución Scripps de Oceanografía en la Universidad de California en San Diego han desarrollado un método para mejorar en gran medida la producción de biocombustibles en pequeñas algas marinas.

En la búsqueda por disminuir la dependencia humana sobre el consumo tradicional de combustibles fósiles, y con ello el aumento de las concentraciones de dióxido de carbono y sus efectos perjudiciales sobre el medio ambiente, encontrar combustibles económicamente viables de fuentes biológicas ha sido difícil de alcanzar.

Un obstáculo importante en la investigación de biocombustibles de algas circunda la producción de aceites lipídicos, las moléculas de grasa que almacenan energía que puede ser producida para biocombustible. Una paradoja ha obstaculizado la producción de biocombustibles económicamente eficiente porque las algas producen los aceites deseados principalmente cuando se mueren de hambre. Sin embargo, si se limitan los nutrientes, no crecen bien. Con una dieta robusta las algas crecen bien, pero producen carbohidratos en lugar de los lípidos deseados para biocombustible.

En un avance significativo que elimina el obstáculo, Emily Trentacoste y sus colegas utilizaron una serie de datos de expresión genética (transcriptómica) para enfocarse a una enzima específica dentro de un grupo de algas microscópicas conocidas como diatomeas (Thalassiosira pseudonana). Mediante un "knock-down" por ingeniería metabólica de las enzimas reductoras de grasa, llamadas lipasas, los investigadores fueron capaces de aumentar los lípidos sin comprometer el crecimiento. Las cepas genéticamente alteradas que desarrollaron, dicen los investigadores, podrían ser producidas ampliamente en otras especies.
Emily Trentacoste afirma que estos resultados demuestran que las manipulaciones metabólicas específicas pueden utilizarse para aumentar la acumulación de moléculas relevantes para combustible sin efectos negativos sobre el crecimiento, demostrándose que la ingeniería en esta vía es un enfoque único y práctico para aumentar los rendimientos de lípidos.
Además de reducir el costo de la producción de biocombustibles por el aumento del contenido lipídico, el nuevo método ha llevado a avances en la velocidad de producción de biocombustible a partir de algas debido al proceso de selección eficaz utilizado en el nuevo estudio.
El mantenimiento de altas tasas de crecimiento y la acumulación de alta biomasa es imprescindible para la producción de biocombustibles de algas a grandes escalas económicas, señalan los autores.

AUMENTAN LA PRODUCCIÓN DE COMPUESTOS VALIOSOS EN CIANOBACTERIAS MEDIANTE LA MANIPULACIÓN GENÉTICA DE SU RELOJ BIOLÓGICO

Engañar el reloj biológico de las algas a permanecer en su franja temporal diurna puede aumentar dramáticamente la cantidad de compuestos valiosos que estas plantas marinas pueden producir cuando se cultivan bajo luz constante.

Esa es la conclusión de un experimento que encontró que cuando se detenían los relojes biológicos de las cianobacterias en su franja temporal diurna, la cantidad producida de varias biomoléculas aumentó hasta en un 700 por ciento en cultivo bajo luz constante.

Carl Johnson, profesor de Ciencias Biológicas en la Universidad de Vanderbilt ,afirma que mediante la manipulación de los genes del reloj biológico de cianobacterias se puede aumentar la producción de biomoléculas de gran valor comercial. En los últimos 10 años, él y sus colaboradores han descubierto la manera de detener los relojes circadianos en la mayoría de las especies de algas y en muchas plantas superiores, por lo que la técnica debe ser de aplicación general.

Parar el reloj biológico podría tener importantes beneficios económicos: Las microalgas se utilizan para una amplia variedad de aplicaciones comerciales que van desde medicamentos contra el cáncer a los cosméticos, bioplásticos, biocombustibles y nutracéuticos. Además, las empresas de biotecnología están actualmente irrumpiendo en establecer biofábricas que utilizan microorganismos para crear una amplia variedad de sustancias que son demasiado difíciles o costosas de sintetizar utilizando métodos químicos convencionales. Muchos de ellos se basan en los microorganismos con relojes biológicos.

En 2004, Johnson fue miembro del equipo que determinó la estructura molecular de una proteína del reloj circadiano por primera vez. El trabajo subsecuente determinó el mecanismo entero del reloj biológico en las cianobacterias, el más simple en la naturaleza. Los investigadores descubrieron que el reloj se componía de tres proteínas: KaiA, KaiB y KaiC. El conocimiento detallado de la estructura del reloj biológico les permitió determinar cómo encender y apagar el reloj. 

En este ultimo estudio, los investigadores descubrieron que dos componentes del reloj, KaiA y KaiC, actúan como interruptores que encienden y apagan los genes diurnos y nocturnos de la célula. Han llamado a esta regulación como "yin-yang ". Cuando KaiA se produce en grandes cantidades y KaiC en cantidades más pequeñas, el 95% de los genes de la célula que son activos durante el día están encendidos , y el 5% de los genes de la célula que funcionan durante la noche están desactivados. Sin embargo, cuando KaiC es aumentada y KaiA disminuida, entonces los genes diurnos se apagan y los genes nocturnos se encienden.

Como resultado de ello, el profesor Johnson piensa que todo lo que se tiene que hacer para bloquear el reloj biológico en su franja temporal diurna es regular genéticamente la expresión del gen KaiA, que es una simple manipulación genética en las cianobacterias.

Para ver qué efectos tiene esta capacidad en la habilidad de las bacterias para producir compuestos comercialmente importantes, los investigadores insertaron un gen de la insulina humana en algunas de las células de cianobacterias, un gen para una proteína fluorescente (luciferasa) en otras células y un gen para la hidrogenasa, una enzima que produce gas de hidrógeno, en otras. Ellos encontraron que las células con los relojes bloqueados producian 200% más de hidrogenasa, 500% más insulina y 700% más de luciferasa cuando se las cultivó bajo luz constante que cuando los genes se insertaron en las células con los relojes biologicos que funcionaban normalmente.

DISEÑAN LEVADURA CON UN AUMENTO EN SU PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLE MEDIANTE LA INSERCIÓN DE UN CONJUNTO DE GENES BACTERIANOS

Científicos informaron que han diseñado levaduras para consumir ácido acético, un subproducto no deseado del proceso de conversión de hojas, tallos y otros tejidos de las plantas, en biocombustibles. La innovación aumenta el rendimiento de etanol a partir de fuentes lignocelulósicas en aproximadamente un 10 por ciento.

La lignocelulosa es el material fibroso que compone los tejidos estructurales de las plantas. Es una de las más abundantes materias primas en el planeta y, ya que es rico en carbono es una fuente atractiva de biomasa renovable para la producción de biocombustibles.

La levadura Saccharomyces cerevisiae es buena en la fermentación de azúcares simples (tales como aquellas encontradas en los granos de maíz y caña de azúcar) para producir etanol. Pero persuadir a la levadura para que se den un festín de tallos y hojas de las plantas no es tan fácil. Hacerlo a escala industrial requiere una serie de medidas costosas, uno de los cuales consiste en separar la hemicelulosa, un componente clave de la lignocelulosa.

El profesor Yong-Su Jin de la Universidad de Illinois, quien dirigió la investigación, junto con Jamie Cate de la Universitdad de California en Berkeley, afirman que si se descompone la hemicelulosa, se obtiene xilosa y ácido acético. Entonces es posible diseñar levaduras para fermentar la xilosa. Sin embargo , el ácido acético es un compuesto tóxico que mata a la levadura. Esto es uno de los mayores problemas en la producción de etanol celulósico.

En un estudio anterior, se diseñó una S. cerevisiae para consumir de manera más eficiente la xilosa. Esto mejoró la producción de etanol, pero el proceso generó un exceso de NADH, una molécula de transferencia de electrones que es parte de la circulación energética de todas las células. La acumulación de ácido acético también mató a gran parte de la levadura.

Después de discutir el problema con Jin, Cate tuvo una idea, tal vez el equipo podría inducir a la levadura a consumir el ácido acético. Ese proceso también podría utilizar el excedente de NADH a partir del metabolismo de la xilosa.

Mediante la revisión de estudios anteriores, la investigadora postdoctoral Na Wei descubrió que otro organismo, una bacteria, podría consumir ácido acético. Ella identificó las enzimas que catalizaban este proceso y vio que uno de ellos no sólo convierte el ácido acético en etanol, sino también utilizaría el excedente de NADH a partir del metabolismo de la xilosa.

Sin embargo, el equipo no estaba preparado para empezar a poner los genes en la levadura. Primero tuvieron que determinar si sus esfuerzos eran propensos a tener éxito. Uno de los problemas que identifica Cate con la levadura, es que ha evolucionado para hacer una cosa muy bien y cuando se inicia la adición de estos nuevos genes en lo que ya está establecido, no es obvio que va a trabajar en adelante.

Para tener una mejor idea de la viabilidad de la idea, el estudiante graduado Josh Quaterman utilizó simulaciones por ordenador para ver cómo la adición de los nuevos genes al repertorio metabólico de la levadura afectaría la producción de etanol. Sus cálculos indican que la vía que Wei había identificado impulsaría la producción de etanol.

A continuación, Wei hizo el laborioso trabajo de la inserción de los genes deseables en la levadura, un proceso que tomó varios meses. Cuando se probó la levadura, vio que produce un 10% más etanol que antes, de acuerdo con cálculos de Quaterman. En otros experimentos , ella demostró que la nueva levadura estaba, de hecho, haciendo algo del etanol a partir del acetato.

El profesor Jin considera que el avance ayudará a aquellos quienes se centran en otras etapas del proceso de producción de biocombustibles. Además, los genetistas y los que participan en el pretratamiento puede dejar de preocuparse por encontrar formas de eliminar el ácido acético a partir de lignocelulosa.

DISEÑAN NUEVA VÍA METABÓLICA PARA CONVERTIR MAS EFICIENTEMENTE LOS AZÚCARES EN BIOCOMBUSTIBLES

Investigadores de la UCLA, en Estados Unidos, han creado una nueva vía metabólica sintética para descomponer la glucosa que podría conducir a un aumento del 50% en la producción de biocombustibles.

La nueva vía está destinada a sustituir la vía metabólica natural conocida como glucólisis, una serie de reacciones químicas que casi todos los organismos utilizan para convertir los azúcares en los precursores moleculares que las células necesitan. La glucólisis convierte cuatro de los seis átomos de carbono que se encuentran en la glucosa en moléculas de dos átomos de carbono conocidas como acetil-CoA, un precursor para los biocombustibles como el etanol y butanol, así como de los ácidos grasos, aminoácidos y productos farmacéuticos. Sin embargo, los dos carbonos de glucosa restantes se pierden como dióxido de carbono.

La glucólisis se utiliza actualmente en biorefinerias para convertir los azúcares derivados de la biomasa vegetal en biocombustibles, pero la pérdida de dos átomos de carbono por cada seis se considera como una obstáculo importante en la eficiencia del proceso. La vía glucolítica sintética del equipo de investigación de la UCLA convierte los seis átomos de carbono de la glucosa en tres moléculas de acetil-CoA sin que se pierdan en dióxido de carbono.

El investigador principal es James Liao, quien afirma que esta vía sintética resolvió una de las limitaciones más importantes en la producción de biocombustibles y biorrefinería: la pérdida de un tercio del carbono.

Esta ruta sintética utiliza enzimas que se encuentran en varias vías distintas en la naturaleza.

El equipo la probó por primera vez y confirmó que la nueva vía trabajaba in vitro. Luego, manipularon genéticamente a bacterias E.coli para utilizar la nueva vía metabólica y demostraron la conservación completa de los carbonos. Las moléculas de acetil-CoA resultantes se pueden utilizar para producir un compuesto químico deseado con una mayor eficiencia de carbono. Los investigadores llamaron a su nueva vía híbrida como "glucólisis no oxidativa" o NOG .

Los investigadores también observaron que esta nueva vía de síntesis podría ser utilizada con muchos otros tipos de azúcares, que en cada caso tienen diferentes números de átomos de carbono por molécula, y ningún carbono se desperdiciaría.

Igor Bogorad, uno estudiante graduado del laboratorio de Liao, afirma que para biorefinación, una mejora del 50% en el rendimiento sería un enorme aumento y el NOG puede ser una buena plataforma con diferentes azúcares para una conversión del 100% a acetil-CoA. Además prevee que NOG tendrá aplicaciones de amplio alcance y abrirá nuevas posibilidades debido a la manera en que podemos conservar el carbono.

Los investigadores también sugieren que esta nueva vía podría ser utilizada en la producción de biocombustibles utilizando microorganismos fotosintéticos.

NUEVA TÉCNICA PARA LA PRODUCCIÓN DE GASOLINA MICROBIANA MEDIANTE INGENIERÍA METABÓLICA

Durante muchas décadas, los seres humanos han confiado en los recursos fósiles para producir combustibles líquidos como la gasolina, diesel, y muchos productos químicos industriales y de consumo para el uso diario. Sin embargo, el aumento de las tensiones en los recursos naturales, así también los problemas ambientales como el calentamiento global han provocado un gran interés en el desarrollo de formas sostenibles de obtener combustibles y productos químicos.

En anteriores trabajos de investigación,  a través de ingeniería metabólica (rama de la ingeniería genética) de Escherichia coli, se han producido algunos resultados en la producción de alcanos de cadena larga, que constan de 13 a 17 átomos de carbono, adecuados para reemplazar el diesel. Sin embargo , no ha habido ningún informe sobre la producción microbiana de alcanos de cadena corta, un posible sustituto de la gasolina.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por el profesor coreano Sang Yup Lee del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular en el Instituto Superior Coreano de Ciencia y Tecnología ( KAIST ) informó, por primera vez, el desarrollo de una nueva estrategia para la producción de gasolina microbiana a través de ingeniería metabólica sobre cepas de E. coli.

El equipo de investigación modificó el metabolismo de ácidos grasos para proporcionar los derivados de ácidos grasos que son más cortos que los metabolitos de ácidos grasos intracelulares normales, y se introdujo una nueva ruta sintética para la biosíntesis de alcanos de cadena corta. Esto permitió el desarrollo de una cepa de E. coli capaz de producir gasolina por primera vez.

En el trabajo publicado en Nature, los investigadores coreanos describen estrategias detalladas para la detección de las enzimas asociadas con la producción de ácidos grasos, el diseño de enzimas y rutas biosintéticas de ácidos grasos para concentrar el flujo de carbono hacia la producción de ácidos grasos de cadena corta, y la conversión de los ácidos grasos de cadena corta a sus correspondientes alcanos (gasolina) mediante la introducción de una nueva vía sintética y la optimización de las condiciones de cultivo. Por otra parte , el equipo de investigación mostró la posibilidad de producir ésteres grasos y alcoholes mediante la introducción de las enzimas responsables en la misma cepa.

El profesor Sang Yup Lee afirmó ademas que es sólo el comienzo de los trabajos para la producción sostenible de la gasolina. El título es bastante bajo debido al bajo flujo metabólico hacia la formación de ácidos grasos de cadena corta y sus derivados. Actualmente están trabajando en aumentar el título, el rendimiento y la productividad de biogasolina. 

UNA PRODUCCIÓN MÁS EFICIENTE DE BIOCOMBUSTIBLE MEDIANTE EL SILENCIAMIENTO DE UN GEN EN LA VÍA DE BIOSÍNTESIS DE LA LIGNINA

La limitada disponibilidad de combustibles fósiles estimula la búsqueda de diferentes fuentes de energía. El uso de biocombustibles es una de las alternativas. Los azúcares derivados de los granos de los cultivos agrícolas se pueden utilizar para producir biocombustible, pero estos cultivos ocupan suelos fértiles necesarios para la producción de alimentos y piensos.

Las plantas de crecimiento rápido como el álamo, eucalipto o varios residuos de hierba, como el rastrojo de maíz y el bagazo de caña no compiten y pueden ser una fuente sostenible de biocombustibles. Una colaboración internacional de científicos han identificado un nuevo gen en la vía de biosíntesis de la lignina, un importante componente de las paredes celulares secundarias de plantas, que limita la conversión de biomasa en energía.

Estos hallazgos abren el camino a nuevas iniciativas de apoyo a una economía de base biológica. Sally M. Benson, director del Stanford University's Global Climate and Energy Project cree que este emocionante y fundamental  descubrimiento proporciona una vía alternativa para modificar la lignina en las plantas y tener el potencial de aumentar considerablemente la eficiencia de la conversión de cultivos energéticos para biocombustibles.

La pared celular de una planta se compone principalmente de lignina y moléculas de azúcar, tales como la celulosa. La celulosa se puede convertir en glucosa, que luego se puede utilizar en un proceso de fermentación clásica para producir alcohol, similar a hacer cerveza o vino. La lignina es un tipo de cemento que incorpora las moléculas de azúcar y por lo tanto da firmeza a las plantas. Por desgracia, la lignina reduce gravemente la accesibilidad a las moléculas de azúcar para la producción de biocombustibles. La lignina tiene que ser eliminada a través de un proceso medioambientalmente inamistoso que consume energía. Las plantas con una menor cantidad de lignina o con  lignina de más fácil descomposición pueden ser un verdadero beneficio para la producción de biocombustibles y bioplásticos. Lo mismo es cierto para la industria del papel que utiliza las fibras de celulosa para producir papel.

Durante muchos años los investigadores han estado estudiando la vía de biosíntesis de lignina en las plantas. Incrementando la percepción de este proceso se puede conducir a nuevas estrategias para mejorar la accesibilidad a las moléculas de celulosa. Utilizando el modelo de planta Arabidopsis thaliana, los científicos han identificado una nueva enzima en la vía de biosíntesis de la lignina. Esta enzima llamada cafeoil shikimato esterasa (CSE), cumple un papel fundamental en la biosíntesis de lignina. El silenciamiento del gen CSE, dió lugar a 36% menos de lignina por gramo de material de tallo. Además, la lignina restante tenía una estructura alterada. Como resultado, la conversión directa de la celulosa en glucosa a partir de la biomasa de la planta sin tratamiento previo aumentó cuatro veces, a partir de 18% en las plantas de control a 78% en las plantas mutantes.

Estas nuevas perspectivas ahora se pueden utilizar para proteger poblaciones naturales de cultivos energéticos como el álamo, eucalipto, mijo u otras especies de pastos. Alternativamente, la expresión del gen CSE puede modificarse por ingeniería genética en cultivos energéticos. Una cantidad reducida de lignina o una estructura de lignina adaptada puede contribuir a una conversión más eficiente de la biomasa a energía.

UNA ELABORACIÓN MAS BARATA DE BIOCOMBUSTIBLE A TRAVÉS DE HONGOS

Unos ingenieros genéticos han encontrado un truco gracias al cual ciertos hongos pueden ser usados para la producción de biocombustibles a un costo mucho menor que anteriormente.

Es bastante fácil obtener biocombustible a partir de vegetales ricos en almidón, pero esto coloca la producción de combustible en competencia directa con la producción de alimentos. Fabricar biocombustible a partir de lignocelulosa es por lo tanto una opción mejor.

La lignocelulosa de residuos de madera o paja es la materia prima renovable más común del mundo, pero, debido a su estructura compleja, es significativamente más difícil de usar para elaborar biocombustibles que el almidón.

Los desechos de lignocelulosa pueden ser usados para producir biocombustible solamente si las cadenas largas de celulosa y xilanos pueden ser escindidas con éxito, de manera que el resultado sea un conjunto de moléculas de azúcares más pequeñas. A tal fin, se utilizan hongos que, por medio de una señal química específica, pueden ser inducidos a producir las enzimas necesarias. Sin embargo, este procedimiento es muy caro.

La situación va ahora a cambiar drásticamente. Especialistas de la Universidad Tecnológica de Viena en Austria han estado investigando el "interruptor" molecular que regula la producción de enzimas en el hongo. Y han descubierto cómo aprovecharlo.

Trichoderma reesei es un organismo involucrado en la degradación de la biomasa celulósica y hemicelulósica. Por consiguiente, las enzimas correspondientes se utilizan comúnmente en diferentes tipos de industrias, y recientemente ganaron una importante importancia para la producción de biocarburantes de segunda generación. Muchas cepas de T. reesei industriales actualmente en uso se derivan de la cepa Rut-C30, en el que la expresión de celulasa y hemicelulasa es liberada de la represión de catabolitos de carbono.

Sin embargo, sustancias inductoras son todavía necesarias para una cantidad satisfactoria de la formación de proteínas.

Como resultado del trabajo realizado por el equipo de Robert Mach y Christian Derntl, ahora es posible fabricar hongos genéticamente modificados que produzcan las enzimas necesarias de modo totalmente independiente, haciendo así mucho más barata la producción de biocombustible.

Ellos reportaron de una cepa de T. reesei, que presenta un alto nivel de expresión de xilanasa sin importar si se utilizan sustancias inductoras (por ejemplo, D-xilosa, xilobiosa). Ademas, encontraron que una única mutación puntual en el gen que codifica el regulador de xilanasa 1 (Xyr1) es responsable de esta fuerte desregulación de la expresión de endoxilanasa y, ademas, un muy elevado nivel basal de expresión de celulasa. Sólo el uso de soforosa como inductor todavía conduce a una ligera inducción de la expresión de celulasa. 

El dominio regulador donde se encuentra la mutación descrita es sin duda un objetivo de investigación interesante para todos los organismos que también dependen de ciertas condiciones de inducción.

DISEÑAN BACTERIAS CAPACES DE PRODUCIR LOS PRECURSORES PARA UN POTENTE BIOCOMBUSTIBLE

Nuevas líneas de bacterias han sido diseñadas puede producir a medida los principales precursores de biocombustibles de alto octanaje que algún día podrían reemplazar a la gasolina. Pamela Silver, investigadora de la Universidad de Harvard y lider del equipo, afirma que han sido capaces de programar células para que produzcan precursores específicos de los combustibles.

El etanol, el biocombustible más popular en el mercado, contiene sólo dos tercios de la energía de la gasolina y los combustibles que contienen etanol también corroen las tuberías, tanques y otro tipo de infraestructura utilizada para el transporte y almacenamiento de gasolina. Por otro lado, la quema de la propia gasolina añade enormes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera; sin embargo, la gasolina produce más energía que los biocombustibles actuales cuando se quema en un motor de combustión interna, y permanece en estado líquido a temperaturas que van de las más frías a las más calientes .

Silver y su equipo están buscando nuevas maneras de hacer biocombustibles parecidos a la gasolina que podrían ser almacenados en las estaciones de gas y utilizados para alimentar los coches que ya tenemos. Para desarrollar estos, ellos alistaron bacterias E. coli para que ayuden a hacer los precursores de la gasolina, es decir, ácidos grasos.

En concreto, se están centrando en los ácidos grasos de cadena media, aquellas de cadenas de entre 4 y 12 carbonos de largo. Los ácidos grasos con cadenas más cortas no almacenan la energía suficiente para ser buenos combustibles y tienden a vaporizarse fácilmente, mientras que aquellos con cadenas de más de 12 carbonos son demasiado cerosos. Sin embargo, los ácidos grasos de longitud media poseen la longitud correcta para ser transformados en un combustible líquido lleno de energía para los motores de combustión interna.

Para lograr esto, los investigadores ajustaron una vía metabólica de las bacterias E.coli que produce ácidos grasos. Específicamente, ellos produjeron en masa un ácido graso de ocho carbonos llamado octanoato que puede ser convertido en octano.

En esta vía, el carbono del azúcar de la que se alimenta la bacteria, fluye a través de la vía como un río, creciendo cada vez más mientras fluye. Al final, sale como un ácido graso de cadena larga.

Como primera estrategia los investigadores "represaron parcialmente el río y construyeron una sanja" con un fármaco que bloquea las enzimas que extienden las cadenas de ácidos grasos. Esto causó que los ácidos grasos de cadena media se retengan detrás de la "presa", al tiempo que se permite fluir lo suficiente del "río" para las bacterias y puedan construir sus membranas y permanecer vivas. La estrategia aumentó los rendimientos de octanoato, pero la droga utilizada es demasiado cara para que el proceso sea escalado a nivel industrial.

Por esa razón, los científicos intentaron una segunda estrategia que podría ser escalada con más facilidad. Dejaron que las células crezcan, entonces "represaron el río" utilizando un truco genético. También alteraron genéticamente una segunda enzima que normalmente elabora  ácidos grasos de cadena larga tal que solo extiende los ácidos grasos a ocho átomos de carbono y no más. Esta doble estrategia dio a los científicos los más altos rendimientos de octanoato.

Según Don Ingber, otro miembro del equipo,  la sostenibilidad es uno de los mayores problemas que enfrentan hoy en día, y el desarrollo de los biocombustibles potentes para reemplazar la gasolina es un reto importante, el equipo de científicos ha dado un paso gigante hacia la superación de este desafío al usar estrategias de biología sintética para diseñar microbios que puedan producir octanaje.

A posterior, los científicos planean diseñar bacterias E. coli para convertir el octanoato y otros en alcoholes.

TABACO MODIFICADO GENÉTICAMENTE, EL BIOCOMBUSTIBLE DEL FUTURO

El tabaco podría ser el biocombustible del futuro y generar energía en vez de humo. Los científicos tratan de modificar genéticamente la planta del tabaco para producir combustible con el fin de reducir costes. Los experimentos acaban de empezar.

En el laboratorio de la Universidad de Berkeley, California, los investigadores intentan incorporar en la planta del tabaco características genéticas de algas para la biosíntesis de hidrocarburos, de tal manera que la planta pueda optimizar la absorción de luz y de carbono.

Actualmente, una estrategia para producir biocombustibles consiste en desestructurar la biomasa vegetal y utilizar microorganismos para fermentar los azúcares resultantes en alcohol. Por el contrario, este grupo de científicos trabajó para desarrollar una planta capaz de tomar el dióxido de carbono del aire y convertirlo directamente en un combustible prácticamente listo para ser utilizado.

Fue necesario desarrollar plantas de tabaco optimizadas en la captación de CO2 y energía solar, y en la producción de moléculas de hidrocarburos. Respecto al último punto, los científicos usaron versiones sintéticas de genes presentes en las cianobacterias que codifican enzimas para la síntesis de alcanos, una clase de hidrocarburo. 

Para aumentar la captación de CO2, el equipo utilizó nuevamente genes de cianobacterias que están involucrados en la incorporación de carbonato a partir del agua circundante, lográndose así facilitar, en el caso de las plantas, el transporte del carbono presente en el aire, al interior de los cloroplastos.

Anastasios Melis, un biólogo que forma parte de la investigación dijo que han modificado las hojas del tabaco de modo que se acumulen aceites en los espacios de aire dentro de la misma. Como parte del protocolo que han desarrollado, están eliminando todos los productos lipofílicos incluida la clorofila y otros compuestos de la clorofila.

Según los expertos, una fotosíntesis más eficaz permite producir más biocombustible. Pero, además, el tabaco transgénico tiene ventajas añadidas sobre la soja, el maíz o la caña de azúcar transgénica, ya que un aumento de precios, que resulta nefasto en el caso de los alimentos, no tendría consecuencias en este caso.

"El tabaco es perfecto porque no se come. Solo se necesita una infraestructura para su cultivo y producción. Y por eso es una excelente opción para hacer combustible", declaró la investigadora Peggy Lemaux, que trabaja en el departamento de biología microbiana de las plantas en la misma universidad.Pero antes de que lo hiciera la Universidad de Berkeley, diversas empresas y centros de investigación de todo el mundo detectaron también las virtudes del tabaco en diversos proyectos. El objetivo es la obtención de bioetanol y biodiésel de diversas formas, una de ellas, mediante la utilización de ingeniería genética.

Los impulsores de este tipo de proyectos señalan las ventajas económicas y medioambientales que supondría la producción de biocombustible a partir del tabaco: se da una salida a las plantaciones de este cultivo, se genera empleo en el mundo rural, se aprovechan terrenos no aptos para alimentos y se reduce la dependencia de los combustibles fósiles y su impacto en la contaminación y el cambio climático.

El interés en los biocombustibles ha crecido en las últimas décadas. La actual producción de biocombustibles supera los 100 millones de litros en todo el mundo, lo que representa casi un 3% del combustible para el transporte en carretera.

Por su parte, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) se ha fijado como objetivo que una cuarta parte de la demanda mundial de combustibles sea de origen biológico de aquí al año 2050.

Para mas información aquí les dejo un vídeo de  euronews:

http://es.euronews.com/2013/05/30/el-tabaco-podria-ser-el-biocombustible-del-futuro/