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.

MEDIANTE EL COCULTIVO DE BACTERIAS DE DOS TIPOS DISTINTOS Y COMPLEMENTARIOS, CIENTÍFICOS LOGRAN GENERAN ELECTRICIDAD

Las células bacterianas usan una impresionante gama de estrategias para crecer, desarrollarse y mantenerse. A pesar de su pequeño tamaño, estas máquinas especializadas interactúan unas con otras en formas intrincadas.

En una nueva investigación llevada a cabo en el Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona, Jonathan Badalamenti, César Torres y Rosa Krajmalnik-Brown exploran las relaciones de dos formas bacterianas importantes, lo que demuestra su capacidad para producir electricidad mediante la coordinación de sus actividades metabólicas. El grupo demuestra que la bacteria del azufre Chlorobium sensible a la luz verde puede actuar en conjunto con la Geobacter, bacteria generadora de electricidad. El resultado es una forma de generación de electricidad con respuesta a la luz.

Badalamenti , autor principal del proyecto, afirma que la Geobacter no es sensible por sí mismo a la luz, porque no es un organismo fotosintético. Por el contrario, la Chlorobium  si es fotosintética e incapaz de llevar a cabo la forma de respiración necesaria para la producción de electricidad. Pero al poner estos dos organismos juntos, se obtiene tanto una respuesta a la luz y la capacidad para generar corriente.

Los electrones que la Geobacter adquiere de su compañera fotosintética Chlorobium se pueden medir y se recogen en forma de electricidad, usando un dispositivo conocido como celda de combustible microbiana (MFC por sus siglas en ingles), una especie de batería biológica.

Las celdas de combustible microbianas pueden algún día llegar a generar electricidad limpia de diversas corrientes de residuos orgánicos, simplemente mediante la explotación de las capacidades de transferencia de electrones de diversos microorganismos.

En este estudio, los investigadores exploran la posibilidad de aumentar la producción de electricidad en MFC mediante el examen de la función de respuesta a la luz de la Chlorobium. La configuración experimental resultante, en el que las bacterias sensibles a la luz juega un papel en la generación de energía, se conoce como celda fotoelectroquímica microbiana (MPC por sus siglas en ingles).
Los resultados experimentales del estudio sugieren el siguiente escenario: las bacterias Chlorobium recogen la energía de la luz con el fin de fijar el dióxido de carbono e impulsar su metabolismo. Durante las fases oscuras; sin embargo, las bacterias se sostienen cambiando la fotosíntesis por una fermentación oscura, utilizando la energía que han almacenado. Acetato se produce como un subproducto metabólico de esta fermentación en fase oscura.
Durante los períodos de oscuridad, la bacteria Geobacter gana electrones desde el acetato producido a través del metabolismo de la Chlorobium, transfiriéndolos al ánodo del MPC, produciendo de este modo corriente eléctrica. Cuando las dos comunidades bacterianas se ven obligadas a interactuar, quedaba claro que la Chlorobium estaba ayudando a alimentar a la Geobacter, de una manera sensible a la luz.
Los autores señalan que una de las ventajas atractivas de su estudio es que en vez de tener que medir los metabolitos o crecimiento celular ya sea microscopicamente o por medio de intermediarios químicos, el construir un sistema de cocultivo en el que una de las lecturas es la electricidad permite controlar el metabolismo en el sistema en tiempo real.
Otras cuestiones se referían a si la presencia de la Chlorobium puede proporcionar beneficios para la Geobacter en cultivos que ocurren naturalmente, no confinados en un MFC. En experimentos libres de ánodos el grupo demostró que la supervivencia misma de la Geobacter a falta de otras fuentes de electrones dependía de la presencia del acetato derivado de la Chlorobium.
Además de establecer un mecanismo para la generación de energía eléctrica sensible a la luz en un MFC o MPC, las investigaciones apuntan al potencial de estudios similares para esclarecer una serie de interacciones microbianas productoras de energía.

OBTIENEN NUEVOS METABOLITOS CON POSIBLES PROPIEDADES ANTIBIÓTICAS MEDIANTE LA MANIPULACIÓN GENÉTICA DE UN HONGO

Investigadores de la Universidad Estatal de Oregón (OSU) han descubierto que un gen en un hongo común actúa como un regulador maestro y eliminándolo se ha abierto el acceso a una gran cantidad de nuevos compuestos que nunca antes habían sido estudiados con el potencial para identificar nuevos antibióticos.

Los científicos lograron encender un interruptor genético que habría silenciado a más de 2.000 genes de este hongo, el patógeno de cereales Fusarium graminearum. Hasta ahora, esto ha evitado la producción de nuevos compuestos que pueden tener propiedades útiles sobre todo para el uso en la medicina y quizás también en la agricultura, la industria o en la producción de biocombustibles.

Michael Freitag , profesor asociado de bioquímica y biofísica en la Facultad de Ciencias de la OSU afirma que alrededor de un tercio del genoma de muchos hongos siempre ha estado silenciado en el laboratorio. Además, muchos hongos tienen propiedades antibacterianas y no fue casualidad que la penicilina fuera descubierta de un hongo, y que los genes de estos compuestos están por lo general en las zonas silenciosas de los genomas. El hallazgo debe abrir la puerta al estudio de docenas de nuevos compuestos, y probablemente se verá bioquímica que nunca se ha visto antes.

En el pasado, la búsqueda de nuevos antibióticos por lo general se realizaba cambiando el entorno en el que un hongo u otra forma de vida crecían, y ver si esos cambios generaban la formación de un compuesto con propiedades antibióticas.

El problema es que con los enfoques del pasado ya se ha encontrado la mayoría de los compuestos con propiedades antibióticas, y es por eso que se ha tenido que buscar en otros lugares como los respiraderos de aguas profundas o corales para encontrar algo nuevo. Ahora se puede realizar cambios en la expresión de todo el genoma de los hongos, y asi poder ver toda una nueva gama de compuestos que ni siquiera se sabía que existían.

El gen que se ha eliminado en este caso regula la metilación de las histonas, las proteínas alrededor de las cuales se enrolla el ADN. La creación de un mutante sin este gen por parte de los investigadores permitió la nueva expresión o sobreexpresión de alrededor del 25 por ciento del genoma de este hongo, y la formación de muchos metabolitos secundarios.

El gen que se ha eliminado, llamado kmt6, codifica un regulador principal que afecta a la expresión de cientos de vías genéticas. Se ha conservado a través de millones de años, en formas de vida tan diversas como plantas, hongos, moscas de la fruta y seres humanos.

El descubrimiento de nuevos antibióticos es cada vez más importante, dicen los investigadores, debido a que las bacterias, parásitos y hongos son cada vez más resistentes a los medicamentos más antiguos.

Este estudio abrirá la puerta a la futura ingeniería epigenética de grupos de genes que generan compuestos bioactivos, por ejemplo, micotoxinas putativas, antibióticos y materias primas industriales.

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.