Las levaduras son fundamentales para elaborar pan y cerveza y bioetanol. Pero un grupo de científicos creen que puede usarse para crear un combustible aún más eficiente. Isobutanol.
En condiciones normales, con las levaduras de hoy solo es posible lograr una pequeña cantidad de isobutanol. Pero investigadores de la Universidad de Princeton han descubierto un ruta genética que aumenta significativamente los rendimientos de conversión.
Los hallazgos, publicados recientemente en la revista Cell Systems, mostraron que los investigadores pudieron aumentar la producción de isobutanol aproximadamente cinco veces más que las cepas de levadura estándar, al lograr que sea mucho más tolerante a los efectos los tóxicos del isobutanol.
El isobutanol tiene una densidad energética aproximadamente 25% mayor que el etanol y es mucho más adecuado para su uso en vehículos que los combustibles actuales. Los biocombustibles son la mejor alternativa renovable y ecológica a los combustibles derivados del petróleo.
Es bueno para la levadura que solo produzca pequeñas cantidades de isobutanol, ya que es 10 veces más tóxico para la levadura que el etanol. Pero mucho antes de que se alcance ese nivel tóxico, el isobutanol actúa como una señal para una célula de levadura, diciéndole que se está muriendo de hambre, algo así como el ruido de la panza que nos alerta que necesitamos comer. Así notificada, la levadura deja de crecer, deja de producir isobutanol adicional y, en general, conserva los recursos, una respuesta no deseada cuando el objetivo es bombear isobutanol en las escalas a granel necesarias para la producción comercial.
En su nuevo estudio, los investigadores de Princeton identificaron un gen involucrado en la respuesta al hambre de la levadura al isobutanol. La eliminación de este gen resultó mejorar profundamente la tolerancia de la levadura a la sustancia química. Libre de pensar que le faltan comidas cuando no es así, la levadura reasigna sus recursos para evitar los efectos tóxicos de las concentraciones de isobutanol más altas de lo normal.
«Sorprendentemente, una sola deleción genética es suficiente para interrumpir el mecanismo de adaptación que hace que una célula de levadura vea el isobutanol como una señal de inanición», dijo el autor principal del estudio, José Avalos, profesor asistente de ingeniería química y biológica del Centro Andlinger de Energía y Ambiente. «Diseñada de esta manera, la célula puede mantener su metabolismo energético en marcha, formar los componentes necesarios para protegerse del isobutanol y seguir produciendo isobutanol».
En general, las células de levadura genéticamente modificadas produjeron cinco veces más isobutanol que la levadura normal, un avance prometedor en el desarrollo de biocombustibles renovables como parte de la estrategia de múltiples puntas para mitigar los impactos del cambio climático.
«En términos de combatir el cambio climático, es muy emocionante saber que podemos modificar genéticamente la levadura para que sea más tolerante al isobutanol y más productiva», dijo Avalos. «La toxicidad es actualmente el problema más apremiante para los productores de isobutanol porque limita las concentraciones que pueden alcanzarse».
La levadura en el estudio de Princeton es Saccharomyces cerevisiae, un caballo de batalla den la producción de biocombustibles. La levadura depende en gran medida de la producción de etanol, el biocombustible líquido más común en todo el mundo, que es un subproducto de la descomposición por microorganismos de las materias primas vegetales, incluido el maíz y la caña de azúcar.
Para obtener información sobre cómo mejorar el rendimiento de isobutanol de S. cerevisiae, Avalos y sus colegas analizaron una biblioteca genética de miles de cepas, en la que cada gen no esencial se elimina individualmente en cada cepa. La biblioteca documenta los efectos de cada eliminación en el crecimiento y la salud de la levadura. Algunas cepas (variantes genéticas) de la levadura exhiben naturalmente una mayor resistencia contra el isobutanol y otros alcoholes, mientras que otras cepas demuestran significativamente menos resistencia. Los investigadores de Princeton observaron estas cepas hipertolerantes e hipersensibles, respectivamente, para comprender mejor qué es exactamente lo que confiere la resistencia deseada.
Un gen se destacó, designado GLN3, por cómo señala la presencia de isobutanol a la célula de levadura. El isobutanol se forma cuando la levadura come sus propias proteínas, lo que indica una falta de nutrientes. Sin embargo, esta respuesta evolucionada es la respuesta incorrecta en el contexto de la producción de biocombustibles, donde en realidad hay suficientes materias primas y la principal preocupación de la célula de levadura debería ser evitar el daño celular debido a los niveles acumulados de isobutanol, secretados por la célula misma y otra levadura en el ambiente de producción.
«Eliminar el gen GLN3 hace que la levadura deje de escuchar estos mensajes contraproducentes», dijo Avalos. «Eso le da a la levadura una mejor oportunidad de combatir los efectos tóxicos del isobutanol, continuar creciendo y producir más isobutanol para nosotros».
El isobutanol ha atraído un gran interés en la comunidad de biocombustibles porque tiene una mayor densidad de energía, menor higroscopicidad (capacidad de absorber agua) y menor volatilidad que el etanol. Lo más importante, como combustible, es mucho más compatible con las infraestructuras de almacenamiento y transporte existentes que el etanol, así como con los motores convencionales de automóviles de gasolina, por lo que es posible hacer mezclas de combustible con mayor contenido de isobutanol para reemplazar más gasolina. Como beneficio adicional, el líquido incoloro e inflamable también puede convertirse en combustible para aviones, un contribuyente relativamente pequeño pero potente a las emisiones globales.
«A diferencia del etanol, los microbios normalmente no producen biocombustibles avanzados», dijo Chris Todd Hittinger, profesor asociado de genética en la Universidad de Wisconsin-Madison que no participó en el estudio. «La ingeniería genética, quizás de vías inesperadas como se sugiere aquí, será necesaria para producir biocombustibles avanzados de manera sostenible».
Avalos y sus colegas tienen la intención de investigar más a fondo los medios de ingeniería óptima para que las células de levadura sean fábricas de isobutanol.
«Los descubrimientos que informamos en este estudio son muy interesantes e impactantes, sin embargo, es probable que solo sean la punta del iceberg», dijo Avalos. «Tenemos información sobre cómo miles de genes afectan la tolerancia de la levadura al isobutanol. Esta es una mina de oro potencial, que probablemente continuará proporcionando información útil sobre la tolerancia a la levadura en los próximos años».
