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| Los investigadores del MIT han encontrado una forma de conseguir altos rendimientos de etanol con diferentes tipos de materias primas celulósicas, como la hierba de conmutación, la paja de trigo y el rastrojo de maíz. Crédito: MIT News, con imágenes de iStockphoto |
Impulsar la producción de biocombustibles como el etanol podría ser un paso importante para reducir el consumo mundial de combustibles fósiles. Sin embargo, la producción de etanol está limitada en gran parte por su dependencia del maíz, que no se cultiva en cantidades suficientes para cubrir una parte significativa de las necesidades de combustible de Estados Unidos.
Para intentar ampliar el impacto potencial de los biocombustibles, un equipo de ingenieros del MIT ha encontrado ahora una forma de ampliar el uso de una gama más amplia de materias primas no alimentarias para producir dichos combustibles. Por el momento, materias primas como la paja y las plantas leñosas son difíciles de utilizar para la producción de biocombustibles porque primero deben descomponerse en azúcares fermentables, un proceso que libera numerosos subproductos que son tóxicos para la levadura, los microbios más utilizados para producir biocombustibles.
Los investigadores del MIT desarrollaron una forma de eludir esa toxicidad, lo que hace factible el uso de esas fuentes, mucho más abundantes, para producir biocombustibles. También demostraron que esta tolerancia puede introducirse en las cepas de levadura que se utilizan para fabricar otros productos químicos, lo que podría hacer posible el uso de material vegetal leñoso "celulósico" como fuente para fabricar biodiésel o bioplásticos.
"Lo que realmente queremos hacer es abrir las materias primas celulósicas a casi cualquier producto y aprovechar la enorme abundancia que ofrece la celulosa", dice Felix Lam, investigador asociado del MIT y autor principal del nuevo estudio.
Gregory Stephanopoulos, catedrático Willard Henry Dow de Ingeniería Química, y Gerald Fink, catedrático Margaret y Herman Sokol del Instituto Whitehead de Investigación Biomédica y catedrático de Genética de la Sociedad Americana del Cáncer en el Departamento de Biología del MIT, son los autores principales del trabajo, que se publicó el 25 de junio de 2021 en Science Advances.
Potenciar la tolerancia
En la actualidad, alrededor del 40 por ciento de la cosecha de maíz de Estados Unidos se destina al etanol. El maíz es principalmente un cultivo alimentario que requiere una gran cantidad de agua y fertilizantes, por lo que el material vegetal conocido como biomasa celulósica se considera una fuente atractiva y no competitiva para los combustibles y productos químicos renovables. Esta biomasa, que incluye muchos tipos de paja y partes de la planta de maíz que normalmente no se utilizan, podría suponer más de 1.000 millones de toneladas de material al año, según un estudio del Departamento de Energía de EE.UU., suficiente para sustituir entre el 30 y el 50% del petróleo utilizado para el transporte.
Sin embargo, dos de los principales obstáculos para el uso de la biomasa celulósica son que primero hay que liberar la celulosa de la lignina leñosa, y que después hay que descomponer la celulosa en azúcares simples que puedan utilizar las levaduras. El preprocesamiento especialmente agresivo que se necesita genera unos compuestos llamados aldehídos, que son muy reactivos y pueden matar las células de la levadura.
Para superar esto, el equipo del MIT se basó en una técnica que había 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 añadir al biorreactor compuestos específicos que refuerzan la membrana de la levadura ayudaba a ésta a sobrevivir mucho más tiempo en altas concentraciones de etanol. Gracias a este método, pudieron mejorar el rendimiento de etanol de combustible tradicional de una cepa de levadura de alto rendimiento en aproximadamente un 80%.
En su nuevo estudio, los investigadores modificaron la levadura para que pudiera convertir los aldehídos subproductos de la celulosa en alcoholes, lo que les permitió aprovechar la estrategia de tolerancia al alcohol que ya habían desarrollado. Probaron varias enzimas naturales que llevan a cabo esta reacción, procedentes de varias especies de levadura, e identificaron la que mejor funcionaba. A continuación, utilizaron la evolución dirigida para mejorarla aún más.
"Esta enzima convierte los aldehídos en alcoholes, y hemos demostrado que la levadura puede ser mucho más tolerante a los alcoholes como clase que a los aldehídos, utilizando los otros métodos que hemos desarrollado", dice Stephanopoulos.
En general, las levaduras no son muy eficientes en la producción de etanol a partir de materias primas celulósicas tóxicas; sin embargo, cuando los investigadores expresaron esta enzima de alto rendimiento y añadieron al reactor los aditivos para reforzar la membrana, la cepa triplicó con creces su producción de etanol celulósico, hasta alcanzar niveles similares a los del etanol de maíz tradicional.
Materias primas abundantes
Los investigadores demostraron que podían conseguir altos rendimientos de etanol con cinco tipos diferentes de materias primas celulósicas, como la hierba de mimbre, la paja de trigo y el rastrojo de maíz (las hojas, los tallos y las cáscaras que quedan tras la cosecha).
"Con nuestra cepa modificada, se puede obtener la máxima fermentación celulósica a partir de todas estas materias primas, que suelen ser muy tóxicas", afirma Lam. "Lo bueno de esto es que no importa si una temporada tus residuos de maíz no son tan buenos. Puedes cambiar a pajas energéticas, o si no tienes una gran disponibilidad de pajas, puedes cambiar a algún tipo de residuo pulposo y leñoso".
Los investigadores también han diseñado su enzima de conversión de aldehído en etanol en una cepa de levadura que ha sido diseñada para producir ácido láctico, un precursor de los bioplásticos. Al igual que con el etanol, esta cepa fue capaz de producir el mismo rendimiento de ácido láctico a partir de materiales celulósicos que a partir del maíz.
Esta demostración sugiere que podría ser factible diseñar la tolerancia a los aldehídos en cepas de levadura que generen otros productos como el gasóleo. Los biodiésel podrían tener un gran impacto en sectores como el de los camiones pesados, el transporte marítimo o la aviación, que carecen de una alternativa libre de emisiones como la electrificación y requieren enormes cantidades de combustible fósil.
"Ahora tenemos un módulo de tolerancia que se puede atornillar a casi cualquier tipo de vía de producción", afirma Stephanopoulos. "Nuestro objetivo es ampliar esta tecnología a otros organismos más adecuados para la producción de estos combustibles pesados, como aceites, diésel y combustible para aviones".
Fuentes, créditos y referencias:
Referencia: "Engineered yeast tolerance enables efficient production from toxified lignocellulosic feedstocks" por Felix H. Lam, Burcu Turanli-Yildiz, Dany Liu, Michael G. Resch, Gerald R. Fink y Gregory Stephanopoulos, 25 de junio de 2021, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abf7613