Si la sociedad sacude o no su adicción al petróleo y la gasolina dependerá de una serie de factores ambientales, geopolíticos y sociales profundos.
Pero con los precios actuales del petróleo rondando los $ 50 dólares por barril, probablemente no sea pronto.
A pesar de varias importantes iniciativas nacionales de investigación, nadie ha sido capaz de encontrar la tecnología innovadora de biocombustibles renovables que conduciría a una alternativa más barata a la gasolina.
Ese desafío de investigación llevó a los científicos de ASU, Reed Cartwright y Xuan Wang, a participar en la refriega, uniéndose para tratar de romper el cuello de botella de la innovación para la bioproducción renovable de combustibles y productos químicos.
"Mi laboratorio ha estado muy interesado en convertir la biomasa como los desechos agrícolas e incluso el dióxido de carbono en productos biológicos útiles y renovables", dijo Wang, profesor asistente en la Facultad de Ciencias de la Vida. "Como microbiólogo, yo 'Estoy interesado en manipular microbios como biocatalizadores para hacer un mejor trabajo ".
Para hacerlo, han estudiado un nuevo enfoque: aprovechar el poder de la evolución de prueba y error para convencer a la naturaleza de que revele la respuesta.
Al cultivar bacterias durante generaciones bajo condiciones especialmente controladas en tanques de fermentación, han desarrollado bacterias en tubos de ensayo para fermentar mejor los azúcares derivados de la biomasa, una fuente rica y potencial de energía renovable para la producción de biocombustibles y productos químicos.
Sus resultados aparecieron recientemente en la edición en línea de PNAS .
El equipo de investigación incluye al académico postdoctoral Christian Sievert, Lizbeth Nieves, Larry Panyon, Taylor Loeffler y Chandler Morris, y fue dirigido por Reed Cartwright y Xuan Wang, en colaboración entre la Facultad de Ciencias de la Vida de la ASU y el Instituto de Biodiseño.
Un dulce problema
El atractivo de las plantas es ideal. Solo agregue un poco de dióxido de carbono, agua y abundante luz solar, y ¡listo! La sociedad tiene una nueva fuente rica de carbonos renovables para usar.
El etanol de maíz utilizando almidón de maíz para la producción de alcohol principalmente en los EE. UU. Ha sido una importante vía de biocombustibles, y la caña de azúcar otra alternativa abundante en Brasil, pero hay un gran inconveniente.la caña de azúcar en etanol compite con el suministro de alimentos.
Por lo tanto, los científicos en las últimas décadas han migrado para investigar la conversión de materiales vegetales no alimenticios en biocombustibles y productos químicos. Estas llamadas biomasas lignocelulósicas, como pastos altos y las partes no comestibles del maíz y la caña de azúcar cascarillas, cáscaras,bagazos, etc. son ricos en xilosa, un pariente de azúcar de cinco carbonos y rico en energía de glucosa.
La biomasa lignocelulósica tiene abundancia de glucosa y xilosa, pero las cepas industriales de E. coli no pueden usar xilosa porque cuando hay glucosa disponible, desactiva el uso de xilosa. Y, hasta la fecha, ha sido ineficiente y costosocosechar y convertir la xilosa en biocombustibles.
Evolución de mesa
Wang y Cartwright querían exprimir más energía de los azúcares de xilosa. Para hacerlo, desafiaron a las bacterias E coli que podían prosperar cómodamente con glucosa, y cambiaron el caldo del medio de crecimiento para crecer únicamente en xilosa.
Las bacterias se verían obligadas a adaptarse al nuevo suministro de alimentos o perderían la competencia de crecimiento.
Comenzaron con una sola colonia de bacterias que eran genéticamente idénticas y realizaron tres experimentos de evolución separados con xilosa. Al principio, las bacterias crecieron muy lentamente. Pero notable, en no más de 150 generaciones, las bacterias se adaptaron y eventualmente aprendieronprosperar en el caldo de xilosa.
Luego, aislaron el ADN de las bacterias y utilizaron la tecnología de secuenciación de ADN de próxima generación para examinar los cambios dentro de los genomas de las bacterias. Cuando leyeron los datos del ADN, pudieron identificar los signos reveladores de la evolución en acción, mutaciones.
La naturaleza encuentra un camino
Cuando las bacterias fueron desafiadas, mutaron su ADN al azar hasta que pudiera adaptarse a las nuevas condiciones. Se aferraron a las mutaciones más adecuadas durante generaciones hasta que se convirtieron en mutaciones beneficiosas fijas.
Y en cada caso, cuando se la desafió con xilosa, la bacteria podía crecer bien. Su siguiente tarea era descubrir cuáles eran estas mutaciones beneficiosas y cómo funcionaban. Para crecer mejor con xilosa, las tres líneas bacterianas de E. coli tenían"descubrió" un conjunto diferente de mutaciones para los mismos genes. Las mutaciones individuales que el equipo de investigación identificó podrían mejorar la fermentación de xilosa al cambiar el metabolismo bacteriano del azúcar.
"Esto sugiere que existen soluciones evolutivas potencialmente múltiples para el mismo problema, y el fondo genético de una bacteria puede predeterminar sus trayectorias evolutivas", dijo Cartwright, investigador del Instituto de Biodiseño de ASU y profesor asistente en la Facultad de Ciencias de la Vida.
La mutación más interesante ocurrió en una proteína reguladora llamada XylR cuya función normal es controlar la utilización de xilosa. Solo dos interruptores de aminoácidos en XylR podrían mejorar la utilización de xilosa y liberar la represión de glucosa, incluso en los huéspedes originales no mutados.
A través de algunos trucos genéticos inteligentes, cuando el mutante XlyR se volvió a colocar en una cepa "natural" normal o en un biocatalizador industrial de E. coli, ahora también podría crecer en xilosa y glucosa, mejorando enormemente el rendimiento. El equipo de Wang viohasta un 50 por ciento de aumento en el producto después de 4 días de fermentación.
Juntos, la invención de Wang y Cartwright ahora ha aumentado significativamente el potencial de E. coli industrial para ser utilizado para la producción de biocombustibles a partir de materiales lignocelulósicos. Además, podrían usar este mismo enfoque genético para otras cepas de E. coli para diferentes productos.
Arizona Technology Enterprises AzTE está presentando una patente no provisional para su descubrimiento. Wang espera poder asociarse con la industria para ampliar su tecnología y ver si esta invención aumentará la viabilidad económica de la bioproducción.
"Con estos nuevos resultados, creo que hemos resuelto un gran cuello de botella persistente en este campo", concluyó Wang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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