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
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