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domingo, julio 3, 2022
 

Científicos del MIT desarrollan levaduras modificadas genéticamente que podrían dar impulso a la producción de biocombustibles y polímeros celulósicos

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Impulsar la producción de biocombustibles como el etanol podría ser un paso importante hacia la reducción del consumo mundial de combustibles fósiles. Sin embargo, en muchos países la producción de etanol está limitada en gran parte por su dependencia de cereales, que no se cultivan en cantidades lo suficientemente grandes como para cubrir una parte significativa de sus necesidades energéticas.

Para tratar de expandir el impacto potencial de los biocombustibles, un equipo de ingenieros del MIT ha encontrado una manera de expandir el uso de una gama más amplia de materias primas para producir dichos combustibles.

Por el momento, las materias primas celulósicas como la paja y las plantas leñosas son difíciles de usar para la producción de biocombustibles porque primero deben descomponerse en azúcares fermentables, un proceso que libera numerosos subproductos que son tóxicos para la levadura, necesarias para la fermentación de esos azúcares.

Los investigadores del MIT desarrollaron una forma de eludir esa toxicidad, haciendo factible el uso de esas fuentes, mucho más abundantes para producir biocombustibles. También demostraron que esta tolerancia se puede transformar en cepas de levadura utilizadas para fabricar otros productos químicos, lo que potencialmente hace posible el uso de material vegetal leñoso «celulósico» como fuente para fabricar también biodiésel y bioplásticos.

«Lo que realmente queremos hacer es abrir las materias primas celulósicas a casi cualquier producto y aprovechar la gran abundancia que ofrece la celulosa», dijo Felix Lam, investigador asociado del MIT y autor principal del nuevo estudio.

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La biomasa celulósica, que incluye muchos tipos de paja y partes de la planta de maíz, como los residuos de cosecha que normalmente permanecen en el campo, representa un volumen de más de mil millones de toneladas de material por año, según un estudio del Departamento de Energía de EEUU, una cifra suficiente para sustituir entre el 30 y el 50 por ciento del combustible utilizado en el transporte estadounidense.

Sin embargo, hay dos obstáculos principales para el uso de biomasa celulósica. Primero, que de debe liberarse de la lignina leñosa, y luego, que la celulosa pueda descomponerse en azúcares simples para que las levaduras pueda actuar. El preprocesamiento particularmente agresivo necesario genera compuestos llamados aldehídos, que son muy reactivos y pueden matar las células de levadura.

Para superar esto, el equipo del MIT se basó en una técnica que habían desarrollado hace varios años para mejorar la tolerancia de las células de levadura a una amplia gama de alcoholes, que también son tóxicos para la levadura en grandes cantidades. En ese estudio, demostraron que agregar al biorreactor compuestos específicos que fortalecen la membrana de la levadura ayudó a la levadura a sobrevivir mucho más tiempo en altas concentraciones de etanol. Usando este enfoque, pudieron mejorar el rendimiento de etanol combustible tradicional de una cepa de levadura de alto rendimiento en aproximadamente un 80 por ciento.

En su nuevo estudio, los investigadores diseñaron levaduras para que pudieran convertir los aldehídos del subproducto celulósico en alcoholes, lo que les permitió aprovechar la estrategia de tolerancia al alcohol que ya habían desarrollado anteriormente. Probaron varias enzimas naturales que realizan esta reacción, de varias especies de levadura, e identificaron una que funcionó mejor. Luego, utilizaron la evolución dirigida para mejorarla aún más.

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«Esta enzima convierte los aldehídos en alcoholes, y hemos demostrado que la levadura se puede hacer mucho más tolerante a los alcoholes que a los aldehídos, utilizando los otros métodos que hemos desarrollado», dijo Gregoy Stephanopoulos, co-autor del estudio.

Las levaduras generalmente no son muy eficientes para producir etanol a partir de materias primas celulósicas tóxicas; sin embargo, cuando los investigadores expresaron esta enzima de alto rendimiento y agregaron aditivos reforzadores de la membrana al reactor, la cepa triplicó con creces su producción de etanol celulósico, a niveles que igualan al etanol de maíz tradicional.

Abundantes materias primas

Los investigadores demostraron que podían lograr altos rendimientos de etanol con cinco tipos diferentes de materias primas celulósicas, que incluyen pasto varilla, paja de trigo y rastrojos de maíz.

«Con nuestra cepa lograda con ayuda de la ingeniería genética, esencialmente se puede obtener la máxima fermentación celulósica de todas estas materias primas que generalmente son muy tóxicas», dijo Lam. «Lo mejor de esto es que no importa si tal vez una campaña sus residuos de maíz no sean tan buenos. Puede cambiar a pajas energéticas, o si no tiene una alta disponibilidad de ellas, puede cambiar a algún tipo de residuo pulposo y leñoso».

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Los investigadores también modificaron su enzima aldehído-a-etanol en una cepa de levadura que ha sido diseñada para producir ácido láctico, un precursor de los bioplásticos. Como sucedió con el etanol, esta cepa pudo producir el mismo rendimiento de ácido láctico a partir de materiales celulósicos que a partir del maíz.

Esta demostración sugiere que podría ser factible modificar la tolerancia al aldehído en cepas de levadura que generan otros productos como el diésel. El biodiésel podría tener un gran impacto en industrias como el transporte pesado, el transporte marítimo o la aviación, que carecen de una alternativa libre de emisiones como la electrificación y requieren grandes cantidades de combustible fósil.

«Ahora tenemos un módulo de tolerancia que puede atornillar a casi cualquier tipo de vía de producción», agrega Stephanopoulos. «Nuestro objetivo es extender esta tecnología a otros organismos que sean más adecuados para la producción de estos combustibles pesados, como aceites, diesel y combustible para aviones».

 
 
 
 
 
 
 

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