Algunos productos químicos utilizados para acelerar la descomposición de las plantas para la producción de biocombustibles como el etanol son venenos para las levaduras que convierten los azúcares de las plantas en combustible.
Investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison y varios laboratorios del Departamento de Energía han identificado dos cambios en un solo gen que puede hacer que la levadura tolere los químicos de pretratamiento. Publicaron sus hallazgos recientemente en la revista Genética .
Incluso en una fábrica de vanguardia, convertir material vegetal como pastos o restos de maicena en biocombustibles a menudo imita la forma en que la naturaleza devuelve los nutrientes de la planta al suelo, el aire y el agua. De una forma u otra, las células vegetales se descomponen física, químicamentey con microbios, casi como si se descompusiera naturalmente.
"Pero el proceso de descomposición del material vegetal es realmente lento. Se necesitan años para que un árbol caído se descomponga por completo", dice Trey Sato, científico principal del Centro de Investigación de Bioenergía Great Lakes con sede en UW-Madison e investigador principal enestudio de levadura: "Ese período de tiempo no es compatible con situaciones industriales, donde el objetivo es hacer la mayor cantidad de producto lo más rápido posible para llevarlo al mercado para la venta".
Por lo tanto, los fabricantes de biocombustibles aceleran el proceso en parte al tratar previamente la biomasa de la planta cruda. El tratamiento previo puede incluir la aplicación de gas amoniaco, ácidos, calor y presión, sales llamadas líquidos iónicos o alguna combinación de esos y otros esquemas.
Después del pretratamiento, la celulosa que forma las paredes y fibras celulares de las plantas se descompone con enzimas para liberar azúcar. El azúcar es fermentado en combustible por microbios, a menudo versiones cuidadosamente creadas y modificadas de la levadura Saccharomyces cerevisiae, también utilizada parafermentar vino y cerveza y pan de levadura.
"Esos líquidos iónicos son útiles para pretratar y comenzar el proceso", dice Sato. "El problema es que incluso después de tomarse la molestia de eliminar y recuperar la mayor cantidad posible de líquidos iónicos de su biomasa antes defermentando, la cantidad que no puede salir es suficiente para ser tóxico para muchos microbios "
Esta toxicidad es suficiente para hacer que la levadura sea hasta un 70 por ciento menos eficiente para convertir el azúcar en biocombustible, una pérdida devastadora para un proceso industrial.
Sato y colaboradores de UW-Madison, el Joint BioEnergy Institute y los laboratorios nacionales Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley y Sandia buscaron una manera de superar esta barrera.
"La naturaleza es probablemente el mejor ingeniero que existe. Ha tenido millones de años de evolución para desarrollar y optimizar los sistemas biológicos", dice Sato. "Entonces, una solución podría ser salir y encontrar un reemplazo para la levadura, un microbio diferente quepodría fermentar azúcares celulósicos y también contener los líquidos iónicos ".
Pero muchas compañías e ingenieros de biocombustibles han invertido una gran cantidad de tiempo y recursos en ajustar su propia levadura y construir reactores de biocombustibles alrededor de sus cepas preferidas. Un organismo de fermentación diferente podría ponerlos nuevamente en el punto de partida.
Entonces, los investigadores observaron una variedad de cepas de S. cerevisiae que se aislaron de diferentes nichos ecológicos. De los 136 aislamientos de levadura que estudiaron, encontraron una cepa con tolerancia sobresaliente a los líquidos iónicos. Analizaron secuencias de ADN de esta cepa yidentificó un par de genes clave para sobrevivir a los productos químicos de pretratamiento que de otro modo serían tóxicos. Uno de los genes, llamado SGE1, produce una proteína que se deposita en la membrana celular de la levadura y funciona como una bomba para eliminar toxinas.
"Si tiene más de estas bombas en la superficie celular, puede obtener más de las moléculas de líquido iónico fuera de su célula", dice Sato.
Un cambio de solo dos nucleótidos individuales entre más de 12 millones que componen el genoma de la levadura es suficiente para aumentar la producción de esas bombas celulares y proteger la levadura de los líquidos iónicos. Los investigadores utilizaron la herramienta de edición de genes CRISPR para alterar una cepade una levadura iónica susceptible a los líquidos, que introduce los dos cambios de un solo nucleótido y produce con éxito una levadura que puede sobrevivir y fermentar junto con cantidades de líquido iónico que normalmente son tóxicos.
"Ahora cualquiera que use esta levadura puede observar un gen específico en su propia cepa y saber si es compatible y útil con un proceso de líquido iónico o no", dice Sato. "Es un procedimiento de ingeniería simple, que no lleva mucho tiempoy no es costoso. Y se puede arreglar con CRISPR en cuestión de una semana o dos ".
Sato dice que el siguiente paso es probar la levadura modificada fuera del laboratorio, incorporando el material vegetal del mundo real utilizado como materia prima para biocombustibles.
Los colaboradores en el estudio incluyeron a Michael Thelen del Joint BioEnergy Institute y los profesores de genética UW-Madison Audrey Gasch y Chris Hittinger y el profesor de bioquímica y bacteriología Robert Landick.
Esta investigación fue apoyada por subvenciones del Departamento de Energía DE-SC0018409, DE-FC02-07ER64494 y DE-AC02-05CH11231.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Chris Barncard. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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