Abundante, repleto de energía y atado con tanta fuerza que la única forma de liberar su energía es a través de la combustión: la lignina ha frustrado a los científicos durante años. Con la ayuda de una bacteria del suelo inusual, los investigadores de Sandia National Laboratories creen que ahora sabencómo romper la lignina, un avance que podría transformar la economía de la producción de biocombustibles.
La lignina es un componente de la biomasa lignocelulósica, la materia vegetal seca que se encuentra prácticamente en todas partes. Como fuente de biomasa que no compite con alimentos o piensos, la lignina es fundamental para la producción de biocombustibles. La lignina constituye las paredes celulares de las plantas en forma de fortaleza parapermite el transporte de agua contra la gravedad mientras los protege del ataque microbiano y el estrés ambiental. Estos rasgos beneficiosos hacen que la lignina sea difícil de descomponer y aún más difícil de convertir en algo valioso.
Al seguir la vía metabólica de una bacteria del suelo inusual que vive de la lignina, los miembros del equipo de investigación de Sandia dirigidos por el investigador principal Seema Singh creen que pueden desarrollar tecnologías para descomponer la lignina y extraer valiosos químicos de la plataforma. Químicos de alto valor como el ácido mucónico yel ácido adípico puede derivarse de los productos químicos de la plataforma.
"La lignina es un recurso sin explotar", dijo Singh. "Pero como base para productos químicos de alto valor, tiene un valor inmenso. Esos productos químicos de alto valor pueden ser la base para poliuretano, nylon y otros bioplásticos".
El trabajo se informa en un documento titulado "Decodificando cómo una bacteria del suelo extrae los bloques de construcción y la energía metabólica de la ligninólisis proporciona una hoja de ruta para la valorización de la lignina" publicado el 15 de septiembre Procedimiento de la Academia Nacional de Ciencias . El trabajo está financiado por el programa de investigación y desarrollo dirigido por el laboratorio de Sandia.
Clave de producción química para la economía de la biorrefinería
Los biocombustibles simplemente no funcionan como reemplazo de la gasolina debido al alto costo de producción.
Pero si agrega la producción de productos químicos de alto valor al modelo de negocio de biorrefinería, la economía encaja, al igual que con la industria de la refinería, donde el petróleo crudo se utiliza para producir productos químicos de alto valor y polímeros de alto volumen utilizados ennuestras vidas diarias.
"La gasolina es un producto de bajo valor y alto volumen. Esto se equilibra con los químicos de alto valor derivados de aproximadamente 6-10 por ciento de cada barril de petróleo", dijo Singh.
La lignina se ve como un subproducto de uso limitado, quemada típicamente por su contenido energético. El uso de biomasa para la producción química podría producir al menos 10 veces más valor, en comparación con quemarlo para generar electricidad.
viviendo de la lignina
Para inspirarse en cómo descomponer la lignina, los investigadores analizaron la naturaleza.
"Sabemos que durante un largo período de tiempo los hongos y las bacterias eventualmente descomponen la lignina", explicó Singh. "Si podemos entender este proceso, podemos usar lo que la naturaleza ya sabe para la producción de biocombustibles y químicos a partir de la lignina".
Dado que las bacterias son más fáciles de diseñar para la producción industrial de los productos químicos deseados, los investigadores se centraron en las bacterias. El mejor candidato fue el Sphingobium, o SYK-6, que se encuentra en el flujo de residuos ricos en lignina de la producción de pulpa de madera.
SYK-6 fue extremadamente intrigante porque solo se alimenta de lignina. Los microbios generalmente viven del azúcar, que es mucho más fácil de descomponer y extraer energía. Imagine una elección entre comer un grano de maíz o una hoja de maíz.
"En términos de termodinámica, no tiene sentido que esta bacteria vaya tras la lignina en lugar del azúcar", dijo Singh. "No metaboliza el azúcar. Entonces, ¿cómo sobrevive? Sabíamos que SYK-6 debe tenerun mecanismo especial para romper los fuertes vínculos de la lignina polimérica "
mapeo de la ruta metabólica
Así como seguir el dinero es clave para investigar la corrupción, los investigadores se propusieron seguir el carbono para comprender cómo SYK-6 vive de la lignina. Cuando la bacteria metaboliza la lignina, termina a través de diferentes vías en varios metabolitos y bloques de construcción.Al seguir el carbono de principio a fin en varias redes, un método llamado análisis de flujo metabólico, los investigadores esperaban mapear la ruta metabólica.
"Esta fue la primera vez que se utilizó el análisis del flujo metabólico para rastrear el metabolismo de la lignina en un microbio", dijo Singh. "La identificación y localización de la fuente etiquetada para el sustrato de carbono que podría servir como un sustituto realista resultó muy difícil".
Debido a la complejidad de las rutas metabólicas, ejecutar los experimentos no dio una respuesta inmediata. Singh lo describe como "armar las piezas de un rompecabezas fascinante impulsado por el análisis".
El trabajo del equipo de Sandia informa el método utilizado para descifrar la vía metabólica de SYK-6.
Valorizando la lignina a través de la producción química
El siguiente paso es diseñar un chasis microbiano para aprovechar la ruta metabólica de SYK-6. El truco consistirá en detener la ruta en el paso correcto para extraer un producto útil. Productos químicos de la plataforma, que pueden usarse para obtener productos químicos valiosos como el mucónicoácido y ácido adípico, son el objetivo.
Un camino hacia adelante es diseñar genéticamente SYK-6 para detener su proceso metabólico en un punto en que los productos químicos de la plataforma se puedan extraer de la lignina. Otro camino sería empalmar los genes responsables del importante proceso metabólico deseado en SYK-6 enun host industrial fuerte como E. coli para crear un chasis para los combustibles y productos químicos deseados. Singh y los otros investigadores esperan explorar ambas opciones.
"Esta comprensión arroja lignina bajo una luz completamente nueva", dijo Singh. "Ahora que sabemos cómo comenzar a obtener valor de la lignina, se abre un vasto recurso. La decodificación de la ruta metabólica SYK-6 está proporcionando una hoja de ruta para la valorización de la lignina."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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