El carbono es dinero. En ninguna parte es esto más evidente que en nuestra dependencia de los hidrocarburos en forma de combustibles fósiles. Los científicos e ingenieros han estado lidiando con la pregunta de qué fuentes alternativas de carbono están disponibles cuando nuestra demanda de combustibles fósiles eventualmente supera nuestra ofertaEste desafío ha proporcionado la motivación para usar la experiencia y el equipo disponible en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, para crear tecnologías que utilicen fuentes de carbono sostenibles a partir de biomasa.
El carbono en las formas más abundantes de biomasa, madera y plantas no leñosas, se compone de tres componentes principales: celulosa y hemicelulosa, que son polímeros de azúcar; y lignina, un polímero aromático. Aunque los azúcares en celulosa y hemicelulosapueden ser fermentados a biocombustibles, los investigadores no han encontrado una forma efectiva de usar lignina, que es aproximadamente un tercio de la biomasa, para generar energía o bioquímicos.
"Existe la urgencia de aumentar la viabilidad económica de los biocombustibles y los bioproductos", dijo Scott Baker, el líder del tema de ciencias para la dinámica y el diseño de biosistemas en EMSL. "Comprender cómo los microbios deconstruyen y utilizan la lignina es un desafío científico importante. A través delos proyectos del Programa de usuarios de EMSL que trabajan con científicos en esta área, estamos trabajando para acelerar y amplificar el impacto de la investigación de deconstrucción de lignina ".
disolviendo madera con sal líquida
Las dificultades para degradar la lignina han obstaculizado la explotación de todo el potencial de la biomasa utilizada actualmente en biotecnología para la producción de biocombustibles y productos químicos renovables. El desafío de superar estas dificultades subyace en gran parte de la investigación de deconstrucción de lignina en EMSL. En su mayor parte, las tecnologías tempranaspara la deconstrucción de la madera como las de las fábricas de pulpa y papel se ha descartado la lignina por su potencial como fuente de productos químicos renovables y, por lo general, la queman para la producción de calor y energía. Esta mentalidad de lignina como flujo de desechos se ha trasladado a procesos biotecnológicos más nuevos.para producir biocombustibles.
"El objetivo principal ha sido básicamente deshacerse de la lignina para que la celulosa se pueda digerir fácilmente con enzimas", dijo Seema Singh, directora de Pretratamiento de Biomasa en el Instituto de Bioenergía Conjunta financiado por el Departamento de Energía, o JBEI. Singh no está de acuerdo conesta idea, sin embargo, "si quiere ser autosuficiente para la seguridad energética y no depender del petróleo extranjero, no puede simplemente producir combustible, debe reemplazar todo el barril de petróleo".
Según Singh, el uso de biomasa para reemplazar todos los usos de un barril de petróleo requiere la producción de productos químicos relevantes para la industria con aromáticos. Aquí es donde la lignina es importante. "La lignina es la única fuente de compuestos aromáticos renovables", agregó.
Crear equivalentes basados en biomasa para lo que se puede encontrar en un barril de petróleo es el enfoque del proyecto en el que Singh está trabajando con EMSL, en asociación con JBEI y los Laboratorios Nacionales Sandia. Ella y su equipo tienen dos objetivos interdependientes principales.El primero es encontrar líquidos iónicos efectivos para disolver la lignina unida a la madera en sus moléculas aromáticas componentes. El segundo objetivo es determinar cómo se pueden combinar estas moléculas aromáticas para crear productos químicos de alto valor.
Para lograr el primer objetivo, Singh planea utilizar las capacidades de espectrometría de masas, resonancia magnética nuclear y espectrómetro de resonancia paramagnética electrónica de EMSL para determinar la composición y estructura de las moléculas componentes de la lignina. Esto implicará disolver lignina y productos químicos similares a la lignina en líquidos iónicos.
Los líquidos iónicos son sales que son líquidas a temperatura ambiente. Al igual que la sal de mesa, están formados por un ion con carga positiva y un ion con carga negativa catión y anión respectivamente. A diferencia de las sales que son sólidas a temperatura ambiente, enlíquidos iónicos el catión es grande en comparación con el anión, evitando la cristalización. El uso de líquidos iónicos como solventes permite a los científicos elegir y elegir los iones que usan para hacer la sal. "Los llamamos solventes de diseño", dijo Singh. "Entonces puedotener un líquido iónico que solo solubiliza la lignina, la celulosa o ambas ". A menudo con poco calor o presión añadidos para acelerar la reacción.
El segundo objetivo del proyecto de Singh utilizará recursos informáticos de EMSL y JBEI para modelar y comprender los mecanismos de reacción necesarios para construir productos químicos relevantes para la industria. Está especialmente interesada en crear productos químicos de plataforma, que son productos químicos que pueden usarse como bloques de construcción paraproductos de alto valor.
mapeo de rutas fúngicas
Blake Simmons, director de ciencia y tecnología y vicepresidente de la División de Deconstrucción de JBEI, es uno de los colaboradores de EMSL y miembro de EMSL Wiley. El objeto de la investigación de Simmons, financiado por JBEI y Sandia National Laboratories, escree un mapa metabólico de las vías utilizadas por los microorganismos para degradar la lignina.
"Tenemos un dispositivo [de mapeo] que es realmente bueno para comprender el metabolismo central y el metabolismo del azúcar en los organismos, pero todavía se sabe muy poco con el mismo nivel de detalle, matiz y robustez en torno a la conversión de lignina", dijo Simmons.
Para lograr una comprensión más profunda del metabolismo de la lignina, se cultivarán cuatro organismos en moléculas aromáticas similares a los productos de degradación de lignina. Simmons planea dilucidar las vías activas en los organismos utilizando el nuevo espectrómetro de masas 21 Tesla de EMSL para metabolitos, un espectrómetro de masas Orbitrappara proteómica y la plataforma de secuenciación SOLiD para transcriptómica.
Estos cuatro organismos son solo los primeros de muchos que finalmente conformarán una base de datos mucho más grande disponible para la comunidad científica. Según Simmons, "Queremos construir esa comprensión de las redes metabólicas en los organismos que pueden usar la lignina como carbonofuente, y luego desarrollar una herramienta de biología predictiva sobre la comprensión de su metabolismo ".
Los objetivos de Simmons hacen eco y complementan a los de Singh. "Un tercio de su biomasa es lignina, y en este momento no hay un uso convincente para eso, como lo hay para los azúcares", dijo Simmons. Pero como la lignina constituye una cantidad tan grandefracción de la biomasa leñosa total está convencido de que hay mejores usos que los desechos. "No creo que muchas industrias desechen o quemen un tercio de [su] materia prima de entrada solo porque [ellos] no saben qué hacer con ella,"Simmons agregó.
Una comprensión a nivel de sistema del hongo
Ronald de Vries, líder del grupo de fisiología fúngica en el Centro de Biodiversidad Fúngica CBS-KNAW en los Países Bajos, se hizo una pregunta en particular mientras escribía su propuesta de usuario de EMSL: "¿Qué haríamos con EMSL?nunca podría prescindir de EMSL? "
Esta pregunta fue importante para De Vries porque trabajar con EMSL le proporciona un acceso sin precedentes a la experiencia y el equipo. "La combinación de herramientas que tienen en EMSL probablemente no se encuentre en ningún otro lugar, ciertamente no en Europa", dijo.
La propuesta del usuario de De Vries pondrá a prueba a EMSL con un análisis exhaustivo de diferentes cepas de hongos de podredumbre blanca, también conocidos como basidiomicetos. De Vries y sus colaboradores de la Universidad de Helsinki, Kristiina Hildén y Miia Mäkelä, tienen la intención deuse una amplia gama de capacidades de EMSL para obtener una comprensión a nivel de sistema de la colonización y degradación de la biomasa leñosa por hongos de podredumbre blanca tanto a nivel de cepa como en sus dos fases sexuales diferentes. El plan de investigación incluye transcriptómica, proteómica, metabolómica y microscopía."Teníamos algo así como 500 muestras en total para todos los diferentes análisis", dijo de Vries. Generar las muestras tomó siete meses de trabajo a tiempo completo de uno de sus estudiantes de doctorado.
Él y sus colaboradores esperan incorporar los datos multi-omics en un modelo. También desean la visualización microscópica tanto de la forma parental asexual el monokaryon como de la forma sexual, que se ve en la naturaleza como un hongo el dikaryon. Poco se sabe acerca de las propiedades degradantes de la lignina de cada forma sexual, o cómo cada uno coloniza la madera. "Queremos visualizar cómo el hongo entra en la madera, y ¿crece sobre la superficie o penetra?"de Vries.
Alcanzando la vuelta de la esquina
La visualización de la actividad fúngica también es un componente clave de la investigación de Jonathan Schilling, profesor asociado de la Universidad de Minnesota. Una propuesta que presentó en respuesta a una llamada especial de EMSL se centra en analizar la acción de degradación de los hongos de la podredumbre parda.
El hongo en sí es único porque usa un tipo de tratamiento previo en la madera "Se cree que el paso inicial [en la degradación] no involucra enzimas, sino un montón de química oxidativa que reduce la resistencia en la madera", dijo Schilling.
Según Schilling, los hongos de la podredumbre parda eluden la barrera de la lignina, "Están tratando de pasar la mano por la esquina y sacar los azúcares de la madera", dijo. Esta estrategia ha llevado a que se les pase por alto en términos debiotecnología, y la mayoría de las primeras investigaciones sobre estos organismos se centraron en cómo causaron daños estructurales a los edificios de madera. "Creo que la mayoría de la gente supondría que un sistema que degrada la lignina, que es muy singular, es en lo que debe centrarse,"dijo Schilling, pero desde su perspectiva, los hongos de podredumbre parda, con su pretratamiento combinado y acción enzimática, permiten una comprensión a nivel de sistema del proceso de degradación.
En los últimos años, la investigación y las instituciones gubernamentales han comenzado a reconocer posibles aplicaciones para estos hongos que históricamente se han considerado una molestia. Estos cambios se han reflejado en las fuentes de financiamiento de Schilling; el Departamento de Energía proporcionó fondos para el trabajo que está haciendo conEMSL, que incluye un premio de carrera temprana por estudiar estos mecanismos únicos.
La investigación previa de Schilling examinó la actividad del hongo de la podredumbre parda a escala micrométrica, pero ese nivel de resolución no proporcionó los detalles necesarios para ver el conjunto único de reacciones que tienen lugar en la unión entre el hongo y la madera.
Ahora Schilling y sus colaboradores pueden obtener imágenes de reacciones fúngicas hasta el submicrómetro con el microscopio de iones de helio de EMSL en el ala silenciosa. También podrán ver dónde se expresan ciertas funciones en el tejido fúngico al unir moléculas fluorescentes a los genesy visualizar su distribución espacial usando un microscopio de iluminación estructurado.
"El trabajo en EMSL es realmente valioso para nosotros porque las herramientas son espaciales y de alta resolución, y hay excelentes científicos allí para ayudarnos a aprovechar el potencial [de las herramientas]. Estamos mapeando cosas que están sucediendo en el espacio y obteniendouna sensación para no solo una enzima o un gen, sino para múltiples partes móviles ", dijo Schilling," en esta era de grandes datos, estos enfoques resueltos espacialmente son clave ".
Los resultados de los proyectos de deconstrucción de biomasa leñosa que tienen lugar en EMSL, cuando se combinen, culminarán en una comprensión más integral de la degradación de la lignina y el ensamblaje de productos químicos a base de lignina. Este conocimiento adicional trae un poco de energía renovable y sostenible al futurocerca.
Para Baker, lograr este futuro dependerá en última instancia del costo del carbono. Lo que significa no tirar ni quemar los recursos más valiosos.
"El carbono es clave", dijo Baker, "no queremos dejar nada de carbono sobre la mesa".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Original escrito por Amy Boaro. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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