Impulsar la producción de biocombustibles como el etanol podría ser un paso importante hacia la reducción del consumo mundial de combustibles fósiles. Sin embargo, la producción de etanol está limitada en gran parte por su dependencia del maíz, que no se cultiva en cantidades suficientemente grandes para constituir unauna parte significativa de las necesidades de combustible de EE. UU..
Para tratar de expandir el impacto potencial de los biocombustibles, un equipo de ingenieros del MIT ha encontrado una manera de expandir el uso de una gama más amplia de materias primas no alimentarias para producir dichos combustibles. En este momento, las materias primas como la paja y las plantas leñosas son difícilesutilizar para la producción de biocombustibles porque primero deben descomponerse en azúcares fermentables, un proceso que libera numerosos subproductos que son tóxicos para la levadura, los microbios más comúnmente utilizados para producir biocombustibles.
Los investigadores del MIT desarrollaron una forma de eludir esa toxicidad, haciendo factible el uso de esas fuentes, que son mucho más abundantes, para producir biocombustibles. También demostraron que esta tolerancia se puede transformar en cepas de levadura utilizadas para fabricar otros productos químicos,haciendo posible el uso de material vegetal leñoso "celulósico" como fuente para fabricar biodiésel o bioplásticos.
"Lo que realmente queremos hacer es abrir las materias primas de celulosa a casi cualquier producto y aprovechar la gran abundancia que ofrece la celulosa", dice Felix Lam, investigador asociado del MIT y autor principal del nuevo estudio.
Gregory Stephanopoulos, profesor Willard Henry Dow en Ingeniería Química, y Gerald Fink, profesor Margaret y Herman Sokol en el Instituto Whitehead de Investigación Biomédica y profesor de Genética de la Sociedad Estadounidense del Cáncer en el Departamento de Biología del MIT, son los autores principales deel periódico, que aparece hoy en avances científicos .
aumento de la tolerancia
Actualmente, alrededor del 40 por ciento de la cosecha de maíz de EE. UU. Se destina al etanol. El maíz es principalmente un cultivo alimenticio que requiere una gran cantidad de agua y fertilizantes, por lo que el material vegetal conocido como biomasa celulósica se considera una fuente atractiva y no competitiva de combustibles renovables yEsta biomasa, que incluye muchos tipos de paja y partes de la planta de maíz que normalmente no se utilizan, podría ascender a más de mil millones de toneladas de material por año, según un estudio del Departamento de Energía de EE. UU., suficiente para sustituir30 a 50 por ciento del petróleo utilizado para el transporte.
Sin embargo, dos obstáculos principales para el uso de biomasa celulósica son que la celulosa primero debe liberarse de la lignina leñosa, y luego la celulosa debe descomponerse en azúcares simples que la levadura puede usar. El preprocesamiento particularmente agresivo necesario genera compuestos llamadosaldehídos, que son muy reactivos y pueden matar las células de levadura.
Para superar esto, el equipo del MIT se basó en una técnica que habían desarrollado hace varios años para mejorar la tolerancia de las células de levadura a una amplia gama de alcoholes, que también son tóxicos para la levadura en grandes cantidades. En ese estudio, demostraron que los picosel biorreactor con compuestos específicos que fortalecen la membrana de la levadura ayudó a la levadura a sobrevivir mucho más tiempo en altas concentraciones de etanol. Con este enfoque, pudieron mejorar el rendimiento de etanol combustible tradicional de una cepa de levadura de alto rendimiento en aproximadamente un 80 por ciento.
En su nuevo estudio, los investigadores diseñaron levadura para que pudieran convertir los subproductos celulósicos aldehídos en alcoholes, permitiéndoles aprovechar la estrategia de tolerancia al alcohol que ya habían desarrollado. Probaron varias enzimas naturales que realizan esta reacción, desdevarias especies de levadura, e identificaron una que funcionó mejor. Luego, utilizaron la evolución dirigida para mejorarla aún más.
"Esta enzima convierte los aldehídos en alcoholes, y hemos demostrado que la levadura se puede hacer mucho más tolerante a los alcoholes como clase que a los aldehídos, utilizando los otros métodos que hemos desarrollado", dice Stephanopoulos.
Las levaduras generalmente no son muy eficientes en la producción de etanol a partir de materias primas celulósicas tóxicas; sin embargo, cuando los investigadores expresaron esta enzima de alto rendimiento y agregaron aditivos reforzadores de la membrana al reactor, la cepa triplicó con creces su producción de etanol celulósico, a nivelesa juego con el etanol de maíz tradicional.
Abundantes materias primas
Los investigadores demostraron que podían lograr altos rendimientos de etanol con cinco tipos diferentes de materias primas celulósicas, que incluyen pasto varilla, paja de trigo y rastrojo de maíz las hojas, tallos y cáscaras que quedan después de la cosecha del maíz.
"Con nuestra variedad de ingeniería, esencialmente puede obtener la máxima fermentación celulósica de todas estas materias primas que generalmente son muy tóxicas", dice Lam. "Lo bueno de esto es que no importa si tal vez una temporada sus residuos de maíz no lo son".Eso es genial. Puede cambiar a pajitas energéticas, o si no tiene una alta disponibilidad de pajitas, puede cambiar a algún tipo de residuo leñoso y pulposo ".
Los investigadores también modificaron su enzima aldehído a etanol en una cepa de levadura que ha sido diseñada para producir ácido láctico, un precursor de los bioplásticos. Como lo hizo con el etanol, esta cepa pudo producir el mismo rendimiento de ácido lácticode materiales celulósicos como lo hace del maíz.
Esta demostración sugiere que podría ser factible modificar la tolerancia al aldehído en cepas de levadura que generan otros productos como el diesel. Los biodiésel podrían tener un gran impacto en industrias como el transporte pesado, el transporte marítimo o la aviación, que carecen de emisiones.alternativa gratuita como la electrificación y requieren grandes cantidades de combustible fósil.
"Ahora tenemos un módulo de tolerancia que puede incorporar a casi cualquier tipo de vía de producción", dice Stephanopoulos. "Nuestro objetivo es extender esta tecnología a otros organismos que son más adecuados para la producción de estos combustibles pesados, comoaceites, diesel y combustible para aviones. "
La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de EE. UU. Y los Institutos Nacionales de Salud.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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