MICROORGANISMOS QUE PUEDEN DEGRADAR PLÁSTICOS DE POLIURETANO

Hace cinco años, los productos plásticos de poliuretano comprendían cerca de 3,5 millones de toneladas de todos los plásticos producidos en Europa. En la actualidad, este tipo de plástico sigue siendo usado en la fabricación de diversos productos que aprovechan su ligereza y sus propiedades aislantes y flexibles, desde refrigeradores y edificios hasta zapatos y muebles.  

Desafortunadamente, el poliuretano es difícil de reciclar o destruir dado que la mayoría de estos tipos de plásticos son polímeros termoendurecibles; es decir, no se derriten cuando se calientan. La mayoría de sus residuos terminan en vertederos  donde liberan químicos tóxicos al ambiente, algunos de los cuales son carcinogénicos.

El uso de microorganismos para degradar plásticos en un área de investigación en curso; sin embargo, pocos estudios se han focalizado en la biodegradación de poliuretanos. Ahora, un grupo de investigadores alemanes han identificado y caracterizado a una cepa bacteriana capaz de degradar algunos de los bloques químicos del poliuretano. Las bacterias pueden usar estos compuestos como la única fuente de carbono, nitrógeno y energía. Para los investigadores, esto descubrimiento representa un paso importante para la reutilización de productos a base de poliuretano.
La investigación es parte del programa científico P4SB ( Plastic waste to Plastic value using Pseudomonas putida Synthetic Biology), el cual esta intentando encontrar microorganismos útiles que puedan bioconvertir plásticos derivados del petróleo en plásticos totalmente biodegradables, y como su nombre lo indica, se ha enfocado principalmente en la Pseudomonas putida; por otro lado, aparte del poliuretano, el programa también esta probando la eficacia de los microorganismos para degradar plástico hecho de tereftalato de polietileno (PET), el cual es ampliamente usado en botellas plásticas.

Primero que todo, el equipo alemán se las ingenió para aislar una bacteria, la Pseudomonas sp. TDA1, de un sitio rico en residuos plásticos que muestra ser prometedora en atacar algunos de los enlaces químicos que conforman los plásticos de poliuretano.
Luego los investigadores realizaron un análisis genómico de la bacteria para identificar rutas bioquímicas de degradación. Ellos hicieron descubrimientos preliminares acerca de los factores que ayudan al microorganismo a metabolizar ciertos compuestos químicos en el plástico para la obtención de energía ademas de otros análisis y experimentos para entender las capacidades de la bacteria.
Esta cepa en particular es parte de un grupo de bacterias que se destacan por su tolerancia a compuestos orgánicos tóxicos y otras formas de estrés, muy característico de los microorganismos extremófilos al cual no pertenece.
El Dr. Hermann J. Heipieper, parte del equipo, indica que el primer paso de cualquier futura investigación en Pseudomonas sp. TDA1 será identificar los genes que codifican enzimas extracelulares capaces de degradar ciertos compuestos químicos en los poliuretanos basados en poliesteres. Las enzimas extracelulares, también llamadas exoenzimas, son proteínas secretadas al exterior de la célula y que causan la reacción bioquímica. 
Sin embargo, no hay un plan inmediato para emplear estas u otras enzimas en técnicas de biología sintética para la producción de bioplásticos, lo cual podria involucrar, por ejemplo, convertir genéticamente la bacteria en minifábricas capaces de transformar compuestos químicos derivados del petroleo en compuestos biodegradables amigables con el medio ambiente, desde aquí esperamos que esta idea sea abordada a la brevedad para combatir los problemas ambientales que nos aquejan en la actualidad.

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.

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.

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.

EMPLEAN BACTERIAS MODIFICADAS PARA LA PRODUCCIÓN DE ÉSTERES DE IMPORTANCIA INDUSTRIAL A PARTIR DE BIOMASA RENOVABLE

Desde una fragancia de flores que parece traída por la brisa matinal, hasta el aroma de arándanos a punto de ser comidos, los perfumes que se perciben en el laboratorio de Shota Atsumi del Departamento de Química en la Universidad de California en la ciudad estadounidense de Davis, parecen fáciles de identificar, pero su origen no es el que podríamos suponer. Ni flores, ni bayas, ni otras de las fuentes tradicionales de esas fragancias son el origen de los aromas elaborados en el laboratorio. Los artífices de los olores son nada más ni nada menos que bacterias, modificadas para que realicen trabajos químicos de perfumería.

Concretamente, estas bacterias producen ésteres, que son sustancias ampliamente usadas para colonias y aromatizantes, así como también en procesos químicos para elaborar pinturas, combustibles y otros productos.

Infinidad de sustancias químicas industriales derivan de combustibles fósiles. El equipo de Atsumi aspira a cambiar esta situación, desarrollando una vía, industrialmente útil, para elaborar productos equivalentes pero hechos a partir de recursos renovables.

Los ésteres son moléculas en las que dos cadenas de átomos de carbono están enlazados a través de un átomo de oxígeno. Están hechos químicamente por la reacción de un alcohol con un ácido orgánico. Pero la termodinámica de esta reacción significa que tiende a funcionar en sentido contrario; es más fácil descomponer un éster que formarlo.

Las células vivas pueden también fabricar ésteres. Por ejemplo, las levaduras producen pequeñas cantidades de ésteres que les dan sabores al vino y la cerveza, sin requerir altas temperaturas o condiciones muy especiales. En pocas palabras, la reacción es químicamente difícil pero biológicamente fácil.

La naturaleza utiliza una clase de enzimas llamadas alcohol acetiltransferasas para hacer ésteres a partir de moléculas de acil-coenzima A (acil-CoA). Cambiando la parte acil- de la acil-CoA que entra en la reacción, se cambia el tipo de éster que se produce.

Atsumi, el estudiante graduado Gabriel Rodríguez y el investigador postdoctoral Yohei Tashiro tomaron genes de las vías bioquímicas de las levaduras y los introdujeron en bacterias E. coli, un sistema de prueba fiable para la ingeniería genética. Mediante la modificación de la vía de acil-CoA, ellos pudieron manipular una mitad del éster a producir: mediante el ajuste de la vía que produce alcoholes en la célula; y por el cierre de otras potenciales vías, ellos pudieron ajustar la otra mitad. Por lo tanto, ellos fueron capaces de recoger un éster final producido por las bacterias.

La técnica, que ha sido patentada, abre posibilidades para la producción de muchos ésteres diferentes en sistemas biológicos.  El material de partida para las bacterias está basada en azúcares, que pueden proceder de la biomasa renovable. En última instancia, Atsumi espera diseñar estas vías químicas en las cianobacterias, organismos unicelulares que pueden atraer la energía directamente de la luz solar y el carbono de la atmósfera.

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 .

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.

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.