27 diciembre, 2010

Se supera un gran obstáculo en la producción del bioetanol a partir de residuos celulósicos

La fermentación microbiana del almidón de maíz o del azúcar de la caña ha sido, por mucho tiempo, la mejor forma de obtener etanol para ser usado como biocombustible. Sin embargo, estos dos cultivares también son destinados para el consumo humano, generando una competencia entre la alimentación y los combustibles renovables. Fue así que a muchos investigadores se les ocurrió la idea de usar los residuos dejados por la industria agrícola (hojas, tallos, paja, turba, pulpa de madera, aserrín, etc.) como buenos sustratos para la producción de biocombustibles.

Pero, a diferencia del almidón o el azúcar, que al hidrolizarse generan puras hexosas (azúcares de seis carbonos como la glucosa), que pueden entrar directamente al metabolismo fermentativo; los residuos agrícolas están compuestos de celulosa y hemicelulosa, principales componentes de las paredes celulares de las plantas. Estos compuestos deben someterse a tratamientos previos para así poder generar azúcares fermentables.

La celulasa —una enzima que está presente en algunas bacterias y hongos— hidroliza la celulosa cortándola en pequeñas moléculas conformadas por dos glucosas unidas llamada celobiosa. Luego, la celobiosa debe ser cortada por la mitad para generar las glucosas que entrarán al metabolismo fermentativo, esta corte es realizado por la enzima β-glucosidasa. Sin embargo, la hemicelulosa está conformada por una mezcla heterogénea de azúcares de 5 y 6 carbonos. Cuando es sometida a un pre-tratamiento con ácidos genera xilosas y arabinosas (azúcares de 5 carbonos), los cuales no pueden ser fermentados por los organismos usados industrialmente. Además, la presencia de estas pentosas puede alcanzar el 30% de los azúcares totales de la biomasa vegetal, reduciendo el rendimiento de producción de etanol.

El organismo más usado en los procesos fermentativos es la levadura Saccharomyces cerevisiae, la cual no puede fermentar la xilosa por no tener una vía de asimilación para este azúcar. Sin embargo, las cepas silvestres de S. cerevisiae y otras como Pichia stipitis lo pueden hacer gracias a las enzimas que tienen. Al insertar los genes que codifican estas enzimas en las cepas mejoradas de S. cerevisiae se logró fermentar la xilosa pero los rendimientos fueron muy bajos. Esto se debe a que cuando los niveles de etanol en el medio de fermentación alcanzan un determinado porcentaje, las levaduras empiezan a inactivarse y morir.

De manera natural, las levaduras silvestres no soportan más de ~7% de etanol en el medio pero, gracias a la ingeniería genética, se ha logrado aumentar este umbral hasta 15%. Sin embargo, cuando se tiene en un medio de fermentación una mezcla de glucosa y xilosa, la levadura preferirá asimilar y fermentar primero la glucosa, y cuando ésta se agote, la concentración de etanol será tan alta que la fermentación de la xilosa será menos eficiente, bajando el rendimiento de producción. A esto se le llama represión por glucosa. La glucosa reprime el ingreso de la xilosa para ser fermentada (Figura B).

Es como si te dieran a escoger entre una pizza y un plato de locro de zapallo. Primero te comerás la pizza, y cuando llegues al locro, estarás tan lleno que ya no te lo terminarás.

Entonces, una estrategia para aumentar el rendimiento de producción de etanol en medios de fermentación mixtos sería inactivando el mecanismo de represión por glucosa, para que tanto la xilosa como la glucosa sean fermentados al mismo tiempo. Una estrategia sería cofermentar la celobiosa y la xilosa al mismo tiempo, de esta manera se supera la represión por glucosa. Sin embargo, para que esto proceda, la cepa de S. cerevisiae debe tener —a parte de los genes necesarios para la fermentación de xilosa— un transportador de celobiosa y una β-glucosidasa.

Fue así que Suk-Jin Ha y colaboradores de la Universidad de Illinois y Berkeley insertaron el gen de un transportador de celobiosa y el gen de una β-glucosidasa intracelular de Nuerospora  crassa, así como los genes de fermentación de xilosa de Pichia stipitis a S. cerevisiae, consiguiendo que la levadura pueda fermentar xilosa y celobiosa al mismo tiempo (Figura A y C). Los resultados fueron publicados hoy en PNAS.

xilosa

Se ve bastante sencillo no?… Tomar un poquito de Neurospora y un poquito de Pichia, para generar una levadura capaz de fermentar celobiosa y xilosa. La ingeniería genética hace que esto se vea sencillo, pero no es así. Si bien se logró producir etanol en lotes de fermentación mixtos, los rendimientos obtenidos (Figura 2B) no fueron mayores a los que se obtiene a partir del almidón o el azúcar, sin embargo, si fue superior al obtenido usando medios de fermentación sólo con xilosa (Figura 2A)o sólo con celobiosa (Figura 2C) en el mismo periodo de tiempo. Además, también fueron superiores a los obtenidos cuando se usan cultivos mixtos de glucosa y xilosa.

xilosa1

Lo principal fue que se logró aliviar la represión por glucosa, ya que la xilosa también usa el transportador de glucosa para entrar a las células, pero no es tan eficiente como la glucosa, por eso se ve obstaculizado su ingreso a la célula cuando hay glucosa en el medio. Pero, cuando la celobiosa se degrada dentro de la célula y no afuera, la glucosa ya no bloqueará el ingreso de la xilosa a través de los transportadores, y los dos azúcares se encontrarán presentes dentro de la célula al mismo tiempo, facilitando su fermentación.

Sin dudas es un gran avance en la producción de etanol a partir de los desechos de la industria agrícola. Aunque, el aumento en el rendimiento y productividad es significativo —comparado con otros tipos de cepas cofermentadoras— aún no es comparable a los obtenidos de la fermentación del almidón y el azúcar. Pero usando las herramientas proporcionadas por la ingeniería genética y la biotecnología, dentro de unos años será común la producción de biocombustibles y sus derivados a partir de residuos celulósicos, y se empezarán a consolidar las biorefinerías.

Referencia:

ResearchBlogging.orgSuk-Jin Ha, Jonathan M. Galazka, Soo Rin Kim, Jin-Ho Choi, Xiaomin Yang, Jin-Ho Seo, N. Louise Glass, Jamie H. D. Cate, & Yong-Su Jin (2010). Engineered Saccharomyces cerevisiae capable of simultaneous cellobiose and xylose fermentation PNAS : 10.1073/pnas.1010456108

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