El costo y el impacto ambiental de producir biocombustibles líquidos y bioquímicos como alternativas a los productos derivados del petróleo podrían reducirse significativamente, gracias a una nueva técnica de ingeniería metabólica.
Los biocombustibles líquidos se utilizan cada vez más en todo el mundo, ya sea como un reemplazo directo "directo" de la gasolina o como un aditivo que ayuda a reducir las emisiones de carbono.
Los combustibles y productos químicos a menudo se producen utilizando microbios para convertir azúcares de maíz, caña de azúcar o masa de plantas celulósicas en productos como el etanol y otros productos químicos, por fermentación. Sin embargo, este proceso puede ser costoso y los desarrolladores han tenido problemas para costar- Incremente la producción de biocombustibles avanzados a niveles de fabricación a gran escala.
Un problema particular que enfrentan los productores es la contaminación de los recipientes de fermentación con otros microbios no deseados. Estos invasores pueden competir con los microbios productores de nutrientes, reduciendo el rendimiento y la productividad
Se sabe que el etanol es tóxico para la mayoría de los microorganismos distintos de la levadura que se usa para producirlo, Saccharomyces cerevisiae, evitando naturalmente la contaminación del proceso de fermentación. Sin embargo, este no es el caso para los biocombustibles y bioquímicos más avanzados en desarrollo.
Para matar a los microbios invasores, las empresas deben utilizar esterilización por vapor, que requiere la construcción de recipientes de fermentación a partir de aceros inoxidables caros o antibióticos costosos. La exposición de grandes cantidades de bacterias a estos medicamentos fomenta la aparición de cepas bacterianas tolerantes, que puedencontribuir al creciente problema global de resistencia a los antibióticos.
Ahora, en un artículo publicado hoy en la revista ciencia , los investigadores del MIT y la startup de Cambridge Novogy describen una nueva técnica que le da a los microbios productores la ventaja sobre los invasores no deseados, eliminando la necesidad de métodos de esterilización costosos y potencialmente dañinos.
Los investigadores diseñaron microbios, tales como Escherichia coli , con la capacidad de extraer nitrógeno y fósforo, dos nutrientes vitales necesarios para el crecimiento, de fuentes no convencionales que podrían agregarse a los recipientes de fermentación, según Gregory Stephanopoulos, profesor de ingeniería química y biotecnología de Willard Henry Dow en el MITy Joe Shaw, director sénior de investigación y desarrollo de Novogy, quien dirigió la investigación.
Además, debido a que las cepas modificadas solo poseen esta ventaja cuando se las alimenta con estos productos químicos no convencionales, las posibilidades de que escapen y crezcan de manera incontrolada fuera de la planta en un entorno natural son extremadamente bajas.
"Creamos microbios que pueden utilizar algunos compuestos xenobióticos que contienen nitrógeno, como la melamina", dice Stephanopoulos. La melamina es una sustancia química xenobiótica o artificial que contiene un 67 por ciento de nitrógeno en peso.
Las refinerías de biofermentación convencionales generalmente usan amonio para suministrar a los microbios una fuente de nitrógeno. Pero los organismos contaminantes, como Lactobacilli, también pueden extraer nitrógeno del amonio, lo que les permite crecer y competir con los microorganismos productores.
En contraste, estos organismos no tienen las vías genéticas necesarias para utilizar la melamina como fuente de nitrógeno, dice Stephanopoulos.
"Necesitan esa vía especial para poder utilizar la melamina, y si no la tienen no pueden incorporar nitrógeno, por lo que no pueden crecer", dice.
Los investigadores diseñaron E. coli con una vía sintética de seis pasos que le permite expresar las enzimas necesarias para convertir la melamina en amoníaco y dióxido de carbono, en una estrategia que han denominado ROBUSTO Operación robusta por utilización de tecnología de sustrato.
Cuando experimentaron con una cultura mixta de ingeniería E. coli cepa y una cepa natural, descubrieron que el tipo de ingeniería superó rápidamente el control, cuando se alimentó con melamina.
Luego investigaron la ingeniería de la levadura S accharomyces cerevisiae para expresar un gen que le permitió convertir la cianamida química que contiene nitrilo en urea, de la cual podría obtener nitrógeno.
La cepa diseñada fue capaz de crecer con cianamida como su única fuente de nitrógeno.
Finalmente, los investigadores diseñaron ambos S. cerevisiae y la levadura Yarrowia lipolytica para usar fosfito de potasio como fuente de fósforo.
como el diseñado E. coli cepa, ambas levaduras modificadas fueron capaces de superar las cepas naturales cuando se alimentan con estos productos químicos.
"Entonces, al diseñar las cepas para que sean capaces de utilizar estas fuentes no convencionales de fósforo y nitrógeno, les damos una ventaja que les permite competir con cualquier otro microbio que pueda invadir el fermentador sin esterilización", dice Stephanopoulos.
Los microbios se probaron con éxito en una variedad de materias primas de biomasa, incluyendo puré de maíz, hidrolizado celulósico y caña de azúcar, donde no demostraron pérdida de productividad en comparación con las cepas naturales.
La estrategia ROBUSTA ahora está lista para la evaluación industrial, dice Shaw. La técnica fue desarrollada con investigadores de Novogy, que han probado las cepas diseñadas a escala de laboratorio y pruebas con recipientes de fermentación de 1,000 litros, y con Felix Lam del Instituto Whitehead del MITpara Biomedical Research, que dirigió la prueba de hidrosilato celulósico.
Novogy ahora espera usar la tecnología en su propia producción avanzada de biocombustibles y bioquímicos, y también está interesado en autorizar su uso por otros fabricantes, dice Shaw.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Helen Knight. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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