Home Bioenergía Brasil: salto biotecnológico acerca la viabilidad económica del etanol de segunda generación

Brasil: salto biotecnológico acerca la viabilidad económica del etanol de segunda generación

Científicos del Centro Brasileño de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM) han modificado genéticamente un hongo para producir un cóctel de enzimas que descomponen los carbohidratos presentes en la biomasa en azúcar fermentescible para su conversión industrial eficiente en biocombustible.

El desarrollo de cócteles enzimáticos de bajo costo es uno de los principales desafíos en la producción de etanol de segunda generación.

Los biocombustibles de segunda generación se elaboran a partir de diversos tipos de biomasa no alimentaria, incluidos residuos agrícolas, astillas de madera y aceite de cocina usado. El proceso desarrollado por el grupo de investigación de CNPEM allana el camino para un uso optimizado de los residuos de la caña de azúcar para su conversión en combustibles renovables.

El hongo Trichoderma reesei es uno de los productores más prolíficos de enzimas que degradan la pared celular de las plantas y son utilizados ampliamente en la industria biotecnológica. Para mejorar su productividad como biofábrica para el cóctel de enzimas en cuestión, los investigadores introdujeron seis modificaciones genéticas a la cepa RUT-C30, disponible públicamente. Patearon el proceso y lo informaron en un artículo publicado en la revista Biotechnology for Biofuels.

«El hongo fue modificado racionalmente para maximizar la producción de estas enzimas de interés biotecnológico. Usando la técnica de edición genómica CRISPR/Cas9, modificamos los factores de transcripción para regular la expresión de genes asociados con las enzimas, eliminar proteasas que causan problemas con la estabilidad del cóctel de enzimas, y agregaron enzimas importantes que el hongo carece en su estado natural. Como resultado, pudimos permitir que el hongo produzca una gran cantidad de enzimas a partir de residuos agroindustriales, una materia prima barata y abundante en Brasil «, dijo Mario T. Murakami, científico Director del Laboratorio de Biorenovables del CNPEM (LNBR), a la Agencia FAPESP.

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Unos 633 millones de toneladas de caña se procesan por cosecha en Brasil, generando anualmente 70 millones de toneladas métricas de trash (un resido compuesto por partes de la planta que no se muelen en los ingenios, como las hojas y la punta del tallo), según la Empresa Nacional de Abastecimiento de Alimentos (CONAB). Estos residuos se subutilizan para la producción de etanol combustible.

Murakami destacó que prácticamente todas las enzimas utilizadas en Brasil para descomponer la biomasa son importadas de unos pocos productores extranjeros que mantienen la tecnología bajo protección de secreto comercial. En este contexto, el cóctel de enzimas importado puede representar hasta el 50% del costo de producción de un biocombustible.

«Bajo el paradigma tradicional, se necesitaban décadas de estudios para desarrollar una plataforma competitiva de producción de cócteles de enzimas», dijo. Además, los cócteles no se pudieron obtener únicamente mediante técnicas de biología sintética de cepas disponibles públicamente porque los productores utilizaron diferentes métodos para desarrollarlos, como la evolución adaptativa, la exposición del hongo a reactivos químicos y la inducción de mutaciones genómicas para seleccionar el fenotipo más interesante. Ahora, gracias a herramientas avanzadas de edición de genes como CRISPR/Cas9, hemos logrado establecer una plataforma competitiva con sólo unas pocas modificaciones racionales en dos años y medio».

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El bioproceso desarrollado por los investigadores del CNPEM produjo 80 gramos de enzimas por litro, el título más alto respaldado experimentalmente hasta ahora informado para T. reesei a partir de una materia prima a base de azúcar de bajo costo. Esto es más del doble de la concentración previamente reportada en la literatura científica para el hongo (37 gramos por litro).

«Un aspecto interesante de esta investigación es que no se limitó al laboratorio», dijo Murakami. «Probamos el bioproceso en un entorno de producción semi-industrial, ampliándolo a una planta piloto para evaluar su viabilidad económica».

Aunque la plataforma se personalizó para la producción de etanol celulósico a partir de residuos de caña de azúcar, agregó que puede descomponer otros tipos de biomasa y los azúcares avanzados se pueden utilizar para producir otros productos renovables como plásticos y productos químicos intermedios.

Clase de enzima novedosa

El proceso fue el resultado práctico (en términos de una aplicación industrial) de una amplia investigación realizada por LNBR para desarrollar enzimas capaces de descomponer los carbohidratos. En otro estudio apoyado por la FAPESP y publicado en Nature Chemical Biology, los investigadores revelaron siete nuevas clases de enzimas presentes en hongos y bacterias.

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Las nuevas enzimas pertenecen a la familia de las glucósido hidrolasa (GH). Según Murakami, estas enzimas tienen un potencial significativo para aplicaciones en el campo de los biocombustibles, así como también en la medicina, en el procesamiento de alimentos y la industria textil. Las enzimas inspirarán nuevos procesos industriales al aprovechar las diferentes formas en que la naturaleza descompone los polisacáridos (carbohidratos compuestos por muchos azúcares simples).

Estas enzimas descomponen los betaglucanos, algunos de los polisacáridos más abundantes que se encuentran en las paredes celulares de los cereales, bacterias y hongos, y una gran fracción de la biomasa disponible en el mundo, lo que indica el uso potencial de las enzimas en conservantes de alimentos y textiles. En el caso de los biocombustibles, la propiedad clave es su capacidad para digerir material rico en fibras vegetales.

«Gracias a los avances en la tecnología de secuenciación de ADN, ahora tenemos muchas secuencias genéticas conocidas y una capacidad bien establecida para estudiar y caracterizar moléculas y enzimas en términos de su funcionalidad. Como resultado, hemos podido refinar la metodología de redes de similitud y utilizaro por primera vez para estudiar las enzimas activas en los polisacáridos», dijo Murakami.

Utilizando el enfoque de la red de similitud, el grupo clasificó siete subfamilias de enzimas en función de la funcionalidad. Al caracterizar al menos un miembro de cada subfamilia, los investigadores accedieron en términos sistemáticos a la diversidad de estrategias moleculares para degradar los betaglucanos contenidas en miles de miembros de la familia de enzimas.

Tour de force bioquímico

El análisis filogenético se centra en las regiones de ADN que se han conservado a lo largo del tiempo, mientras que la clasificación por funcionalidad se basa en regiones no conservadas asociadas con la diferenciación funcional. «Esto nos dio eficiencia y nos permitió agrupar más de 1.000 secuencias en sólo siete subgrupos o clases con la misma función», dijo Murakami.

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Debido a que el enfoque era novedoso, los investigadores realizaron otros varios estudios para verificar y validar el método de clasificación. De los siete grupos de enzimas capaces de degradar polisacáridos, obtuvieron 24 estructuras completamente nuevas, incluidos varios complejos sustrato-enzima, considerados cruciales para proporcionar información para ayudar a comprender los mecanismos de acción involucrados.

El estudio comprendió análisis funcionales y estructurales para comprender cómo actúan estas enzimas sobre los carbohidratos en cuestión. «Los polisacáridos vienen en docenas de configuraciones y son capaces de muchos tipos de enlaces químicos», dijo Murakami. «Queríamos observar exactamente qué enlaces químicos y arquitecturas son reconocidas por cada enzima. Por esta razón, tenía que ser un estudio multidisciplinario, combinando datos estructurales y funcionales respaldados por análisis usando espectrometría de masas, espectroscopía, mutagénesis y experimentos de difracción para dilucidar la estructura atómica.»

En la sección «Noticias y opiniones» del mismo número de Nature Chemical Biology , el profesor Paul Walton, presidente de química bioinorgánica de la Universidad de York en el Reino Unido, calificó el estudio de la glucósido hidrolasa como un «tour de force» bioquímico por su enfoque innovador y elogió sus «tremendos conocimientos», añadiendo que los investigadores fueron «capaces de expresar y aislar ejemplos de cada clase [de enzimas] para examinar si las diferencias en las secuencias entre las clases se reflejaban en sus estructuras y actividades».

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