Alcoholes de 4 y 5 carbonos: Biocombustibles alternativos.

En el sector de los biocombustibles se consideran diferentes generaciones, que se distinguen unas de otras por la materia prima utilizada y la tecnología de proceso. Los biocombustibles de primera generación utilizan materias primas de uso alimentario y tecnologías de proceso como la fermentación (para el etanol) y la transesterificación (para el biodiésel). Los de segunda generación se obtienen a partir de materias primas que no tienen usos alimentarios y semillas oleaginosas no comestibles por las vías convencionales antes mencionadas. Los biocombustibles de tercera generación no utilizan suelos fértiles para su producción, recurren a sistemas de cultivos en bioreactores (fotobioreactores) y pueden incorporan técnicas de biología molecular en su proceso productivo.  En la actualidad los trabajos de investgación estan centrados en generar desarrollos tecnológicos en los biocombustibles de tercera generación.

En el mundo de los biocombustibles con base en alcoholes, reina a placer el etanol (alcohol de 2 átomos de carbono); sin embargo, no es la molécula con el mejor potencial como combustible. Alcoholes de cadena más larga poseen mejores características combustibles, de hecho moléculas como el pentanol o el butanol son más parecidas a los componentes de la gasolina, que el etanol. Como ejemplo cabe mencionar que el butanol funciona bastante bien en los motores de combustión sin necesidad de realizar grandes modificaciones. El principal problema que tiene es su alta viscosidad, unas diez veces mayor que la gasolina.

Teniendo en cuenta lo anterior, hoy les traigo dos muestras de los esfuerzos de la Universidad de California en el campo de los biocombustibles con base alcohólica, utilizando ingeniería metabólica en microorganismos:

El primer caso, publicado en Nature Chemical Biology (1), es el estudio realizado en los Departamentos de  Química y Biología Molecular y Celular, que se centraron en el desarrollo de una cepa de Escherichia coli productora de butanol. 

De manera natural, este alcohol es producido por Clostridium acetobutylicum, una bacteria Gram positiva endosporulada anaeróbica. Pero esta bacteria no tiene las características de un microorganismo de uso biotecnológico ya que las condiciones de manejo, cultivo y producción son muy especiales y además en su proceso fermentativo se produce acetona e hidrógeno lo que hace una mezcla peligrosa. La estrategia a seguir fue tomar los genes de las cinco enzimas responsables de la ruta de producción de butanol en C. acetobutylicum y clonarlos e introducirlos en E. coli. Pero al hacerlo se encontró que no producía tanto butanol como se esperaba. Las reacciones de la ruta son reversibles y las enzimas incorporadas en E. coli estaban realizando tambien la conversión del butanol en sus precursores metabólicos. De manera que decidieron rediseñar la ruta reemplazando 2 de las 5 enzimas por enzimas análogas obtenidas de otros dos microorganismos, de manera tal que no permitan que la ruta de biosíntesis tome la dirección contraria, destruyendo parte del butanol producido. Ahora la ruta funciona sólo en una dirección y el rendimiento de producción de butanol es óptimo.

El segundo caso consiste en el trabajo llevado a cabo en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, publicado en Nature Biotechnology (2), y cuyo enfoque fue el uso de las proteínas como materia prima para generar biocombustibles, ya que generalmente se usan carbohidratos o grasas.

Las proteínas, en cambio, no han sido utilizados para sintetizar biocombustibles debido a las dificultades en la desaminación de los  hidrolizados de proteínas. El grupo de investigación modificó genéticamente una cepa de Escherichia coli para conseguir que desaminara eficientemente estos hidrolizados de proteínas, transformándolos en alcoholes de 4 y 5 carbonos. Esto se consiguió mediante la introducción de los genes necesarios para que se lleven a cabo tres ciclos de transaminación y desaminación; genes que proceden de otras especies bacterianas. Con esta modificación se consigue una producción de alcoholes de alrededor de un sorprendente 56% de la producción teórica. Tambien evaluaron el uso potencial de biomasa procedente de bacterias, de levaduras y microalgas como materia prima (fuente proteica) observando producciones de 4.035 mg/l de alcoholes a partir de biomasa que contiene alrededor de 22 g/l de aminoácidos libres. El crecimiento de microalgas con altos contenidos proteicos tendría interés en un futuro como insumo para la obtención de biocombustibles.

References:
(1) Bond-Watts BB, Bellerose RJ, Chang MC. 2011. Enzyme mechanism as a kinetic control element for designing synthetic biofuel pathways. Nat Chem Biol. Feb 27. PMID: 21358636

(2) Huo YX, Cho KM, Rivera JG, Monte E, Shen CR, Yan Y, Liao JC. 2011.

Conversion of proteins into biofuels by engineering nitrogen flux. Nat Biotechnol. Mar 6. PMID: 21378968

Sintetiza tu propia bactera

La iniciativa buscar complementar el esfuerzo de acercar el mundo de la microbiología a la comunidad estudiantil en secundaria y a la comunidad en general.

Se trata de un un juego interactivo que conecta el foro "Esos pequeños bichitos" con el libro “Ni contigo ni sin ti: guía para entender los microbios”. La búsqueda se inspira en la construcción de una bacteria sintética, hecho publicado el año pasado por el equipo liderado por Craig Venter. El equipo de Venter sintetizó el ADN que forma el genoma de una bacteria y lo introdujo en el citoplasma de otra. 

En consecuencia se propone al usuario ensamblar una bacteria de forma virtual. Para lograr esta tarea el usuario debe responder las preguntas que plantean diez enigmas. Con cada solución se obtiene una pieza de las diez que se necesitan para el ensamblaje. La pregunta de cada enigma puede responderse consultando un artículo del mencionado foro. Con cada solución se accede a una página que proporciona una pieza más de esa bacteria “virtual”. Cada solución lleva al enlace de una nueva página que proporcionará la pista para resolver el siguiente enigma utilizando un nuevo artículo del foro. 

Una vez se completa la "bacteria sintética virtual", se alcanza el nivel para responder a dos claves adicionales que permiten al usuario obtener un diploma de Biotecnólogo Honorario. Para esto último parece ser necesario disponer del libro mencionado anteriormente. Incluso a los residentes en España se les remite el diploma firmado por el Centro Nacional de Biotecnología.

Se agradece este tipo de esfuerzos que buscan que la Microbiología sea mas accesible a la población juvenil. La iniciativa es liderada por Miguel Vicente, profesor de Investigación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en el Centro Nacional de Biotecnología. Tambien participan Marta García-Ovalle y Javier Medina, profesor de educación secundaria y experto en la integración de tecnologías de la información y la comunicación en la educación.

Fuente: 

http://www.cnb.csic.es/~entendermicrobios/index.php

Evidencia fósil de vida extraterrestre?

Recientemente en el Journal of Cosmology, Richard Hoover investigador del Centro Espacial Marshall de la NASA, ha publicado los resultados de un estudio llevado a cabo sobre los restos de un tipo muy poco frecuente de meteoritos, recolectados en zonas como la Antártida, Siberia y Alaska. En esencia, Hoover descubrió unas estructuras fosilizadas similares a bacterias (específicamente cianobacterias) en el interior de meteoritos condritos carbonáceos del tipo CI1.

Microfósil de un filamento de crecimiento polarizado, sinuoso, con un extremo helicoidal que contiene un apéndice cónico (<1.3 μm) y un heterociste terminal,  características muy similares a las de la cianobacteria  Cylindrospermopsis sp.

En nuestro sistema solar, los meteoritos condritos carbonáceos son considerados de los más antiguos, además de caracterizarse por tener cantidades considerables de agua, un porcentaje significativo de carbono y algo de oxígeno, lo cual los hacen buenos candidatos para transportar moléculas orgánicas más complejas que podrían haber llegado a la Tierra hace miles de millones de años. Los del tipo CI1 son muy escasos y se caracterizan porque cerca del 20% de las moléculas minerales que los conforman se encuentran hidratadas, de manera similar a las arcillas. 

En este tipo de meteoritos, usando técnicas de cromatografía (HPLC) se han encontrado trazas de aminoácidos como la alanina, glicina, etc. Cuando analizaron estas biomoléculas por espectrometría de masas, determinaron que las abundancias isotópicas del carbono, especialmente de carbono-13 son diferentes a los encontrados en muestras terrestres, lo que indica que estas biomoléculas son propias del meteorito y no son producto de una contaminación con biomoléculas de la Tierra. Las características que presentan estos meteoritos permiten la existencia de moléculas biológicas complejas como los ácidos nucleicos, clave para que haya vida.


Para determinar si los meteoritos portaban fósiles de formas de vida extraterrestre, se procedió a tomar muestras del interior de las rocas, manteniéndolas confinadas en cámaras especiales y usando equipos esterilizados a fin de evitar cualquier tipo de contaminación. Las muestras fueron analizadas mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo, observándose microestructuras filamentosas integradas a la superficie de las pequeñas partículas del meteorito.


El tamaño y las características morfológcas (tricomas) de estos filamentos son similares al de las cianobacterias. Por ejemplo, hay filamentos con las dimensiones de la cianobacteria filamentosa Spirulina subtilissima (diámetro del filamento de 0.6 a 0.9μm) y S. laxissimai (diámetro del filamento de 0.7 a 0.8μm). Aunque también se podrían parecer a los filamentos de bacterias fototróficas anoxigénicas como las bacterias verdes no del azufre (Chloroflexi). Pero lo mas interesante es que adicionalemnte Hoover encontró fósiles que evidencian estructuras celulares especializadas que las cianobacterias usan para su reproducción (baeocitos, acinetos y hormogonios), para fijar Nitrógeno (heterocistes basales o apicales) y para su movilidad (fimbrias).


Al respecto de su publicación Hoover señala: "En muchos casos los microfósiles son reconocibles y pueden ser relacionados con especies genéricas ya conocidas, pero algunos son verdaderamente extraños y no se parecen a nada que pueda identificar. Interpreto que es un indicio de que la vida está distribuida más allá de los límites que impone el planeta Tierra. Este es un campo de estudio apenas explorado porque, francamente, muchos grandes científicos dirían que es imposible".  Lo que sin duda resulta curioso que un hallazgo de esta magnitud e impacto, halla sido publicado en una revista como el Journal of Cosmology, en lugar de haber recurrido a revistas de la talla de Science, Nature o incluso PNAS, como lo ha hecho la doctora Pizzarello en descubrimientos no tan relevantes en el mismo tipo de meteoritos.


Dada la controvertida naturaleza del descubrimiento, el doctor Rudy Schild, del Centro Astrofísico Harvard-Smithsonian y editor del Journal of Cosmology, ha invitado a 100 expertos y a más de 5.000 científicos para que revisen el artículo y ofrezcan sus análisis críticos.

Izquierda: Filamento que evidencia glóbulos ricos en Azufre (S) y una terminación redondeada (R) que es similar en tamaño, morfología y composición interna a la bacteria terrestre Titanospirillum velox.

Referencias:
(1)  Pizzarello S, Williams LB, Lehman J, Holland GP, Yarger JL. 2011. Abundant ammonia in primitive asteroids and the case for a possible exobiology. Proc Natl Acad Sci U S A.  Feb 28. [Epub ahead of print]. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21368183
(2) Richard B. Hoover. Fossils of Cyanobacteria in CI1 Carbonaceous Meteorites. Journal of Cosmology, 2011, Vol 13. http://journalofcosmology.com/Life100.html

Proyecto: "Microbioma Tierra"

El desarrollo de la biotecnología, sus aplicaciones y la industria asociada a ellas depende en gran medida del conocimiento derivado del estudio del mundo de los microorganismos. Sin embargo, es bien sabido que las estrategias clásicas de cultivo en medios sintéticos o semisintéticos no consiguen mas que una pobre aporximación a la diversidad biológica de los microorganismos. Esto se ve corroborado en resultados tan contundentes como el hecho de que un simple gramo de suelo pueda contener entre 2000 y 8’300.000 diferentes genomas, donde únicamente alrededor del 1% de estos son accesibles con técnicas dependientes de cultivo (1). Es claro entonces que existe una gran cantidad de información con un potencial de aplicaciones biotecnológicas, que hacen parte de la porción no cultivable de microorganismos. 

En este contexto, la metagenómica es un campo nuevo de investigación que se ha desarrollado en la última década, con el objeto de entender la diversidad de diferentes nichos ecológicos conformados por microorganismos cultivables y no cultivables. La metagenómica supone la extracción, clonación, secuenciación y análisis del genoma de una comunidad microbiana, lo cual permite el estudio de una gran variedad de sus genes y sus rutas degradativas o biosintéticas. El potencial es enorme, ya que se estima que hay más células microbianas en la Tierra, que estrellas en el universo conocido.

El año pasado en el workshop "Terabase Metagenomics" celebrado en Utah (USA), y que reunía a investigadores en ecología microbiana, bioinformática y estadística, se puso sobre la mesa el reto de como como usar la actual tecnología de secuenciación masiva para explorar las comunidades microbianas de la Biosfera, teniendo como objetivo último dar respuesta a las preguntas fundamentales de la ecología microbiana. La idea propuesta generó lo que hoy conocemos como Proyecto Microbioma de la Tierra o EMP (por Earth Microbiome Project).

El mencionado proyecto es similar al Proyecto Microbioma Humano, pero es inmensamente más grande y ambicioso pues pretende caracterizar tanto a nivel taxonómico como funcional la biodiversidad microbiana de muestras tomadas a lo largo y ancho de este planeta. Inicialmente se piensa partir del análisis de unas pocas muestras: unas 200.000 más o menos. Se extraerá el DNA para producir un Atlas Global Metagenómico en el que se piensa que se llegará a reconstruir unos 500.000 genomas microbianos y determinar un primer inventario de la diversidad de las familias de proteínas codificadas por dichos genomas. En una segunda fase se piensa alcanzar los 5 millones de genomas.

El origen de las muestras puede ser cualquier lugar concebible: desde diversos tipos de suelo, salinas, hasta nieve. El EMP propone una lista de recomendaciones, objetivos preferentes y una estrategia para que la toma, análisis y almacenamiento de muestras por parte de los diferentes grupos participantes sea lo más homogénea posible. 

En resumen, el Proyecto Microbioma de la Tierra será un esfuerzo multidisciplinar que involucrará a ecólogos, genetistas, microbiólogos, físicos, geólogos, informáticos, matemáticos, químicos, ... Y se espera que, al igual que el proyecto del genoma humano ha revolucionado la medicina, este proyecto acabe revolucionando nuestro conocimiento de la biosfera.

Referencias:
(1) Roesch LFW, Fulthorpe R. R., Riva, A., Casella, G., Hadwin, K. M., Kent, A. D., Daroub, S. H., Camargo, F. A. O., Farmerie W. G., Triplett, E. W. 2007. Pyrosequencing enumerates and contrasts soil microbial diversity. The ISME Journal. 1: 283-290.
(2) Gilbert JA, Meyer F, Jansson J, Gordon J, Pace N, Tiedje J, Ley R, Fierer N, Field D, Kyrpides N, Glöckner FO, Klenk HP, Wommack KE, Glass E, Docherty K, Gallery R, Stevens R, Knight R. 2010. The Earth Microbiome Project: Meeting report of the "1 EMP meeting on sample selection and acquisition" at Argonne National Laboratory October 6 2010. Stand Genomic Sci. 3(3): 249-253
(3) Gilbert JA, Meyer F, Antonopoulos D, Balaji P, Brown CT, Brown CT, Desai N, Eisen JA, Evers D, Field D, Feng W, Huson D, Jansson J, Knight R, Knight J, Kolker E, Konstantindis K, Kostka J, Kyrpides N, Mackelprang R, McHardy A, Quince C, Raes J, Sczyrba A, Shade A, Stevens R. 2010. Meeting report: the terabase metagenomics workshop and the vision of an Earth microbiome project. Stand Genomic Sci. 3(3):243-248.