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

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.

Vertido en el Golfo de México: "biorremediación intrínseca"

El desastre ocasionado por la petrolera British Petroleum (BP) en el Golfo de México podría estar siendo combatido silenciosamente por microorganismos psicrófilos degradadores de hidrocarburos.

Los efectos biológicos del derrame de petróleo en el Golfo de México, son inciertos debido a la magnitud y profundidad del vertido. Sin embargo, hace unas semanas, Washington publicó su informe sobre las consecuencias del vertido y se organizó una enorme controversia. En él se decía que cerca del 75% del crudo estaba desapareciendo de las aguas. Pero aquello no parecía posible. Ahora, con los nuevos datos aportados por el equipo de trabajo liderado por Terry Hazen todo encaja. 

El grupo del Dr Hazen, científico del laboratorio Lawrence de la Universidad de Berkeley y experto en ecología microbiana, recogió más de 200 muestras de las profundidades de 17 lugares, todos ellos afectados por el vertido, entre el 25 de mayo y el 2 de junio, es decir, poco más de un mes después de que se produjera el accidente. 

Al analizar las muestras encontraron muchos más microorganismos de los que esperaban, principalmente gamma-proteobacterias psicrófilas filogenéticamente relacionadas con bacterias degradadoras de hidrocarburos ya conocidas. Adicionalmente hallaron y caracterizaron una nueva especie bacteriana, que fue la mas frecuente en las muestras, la cual fue clasificada dentro de la familia de las Oceanospirillales, y es muy similar a otras bacterias de ese grupo que habitan en las aguas antárticas, en condiciones especiales. En el caso del nuevo microorganismo, su hábitat son las aguas profundas a unos cinco grados de temperatura y bajo elevadas presiones (barófilos). 

Todo parece indicar que la abundancia de estas gamma-proteobacterias en las aguas afectadas por el vertido constituye una de las principales razones por las cuales el crudo ha disminuido rápidamente en la profundidad de las aguas del golfo. Se observó que el nuevo grupo bacteriano biodegrada hidrocarburos a un ritmo superior al de las bacterias conocidas hasta ahora y usadas para tal fin. Lo mejor de todo es que llevan a cabo el proceso de degradación sin afectar el nivel de oxígeno en el agua. Se propone que las frecuentes fugas de petróleo que se producen de forma natural en el fondo marino del golfo parecen haber provocado la adaptación de esta comunidad de microorganismos que hacen mucho más rápido «ese trabajito». La rápida desaparición del crudo, se ve explicada tambien porla propia composición de los hidrocarburos del subsuelo del golfo, ya que contienen un mayor número de componentes volátiles. Lo anterior explicaría los polémicos datos que maneja el Gobierno de Obama.

"Esta investigación demuestra que las poblaciones microbianas psicrófilas y los microorganismos relacionados con ellas, juegan un rol importante en las consecuencias medioambientales de las manchas de petróleo submarinas en el Golfo de México”,  Recalcó el Dr. Hazen. Estos resultados constituyen un buen ejemplo de lo que se denomina como biorremediación intrínseca, es decir, el  propio entorno se encarga de mitigar o resolver el problema de contaminación generado.

Más información

abstract paper

Referencia:

Hazen TC et al. 2010. Deep-Sea Oil Plume Enriches Indigenous Oil-Degrading Bacteria. Science. Aug 24.Epub ahead of print.

Hot, Deep, and Alone

Una de las preguntas más frecuentes que se hacen los científicos cuando se plantean la posibilidad de encontrar vida en otros planetas es si algún organismo es capaz de vivir de forma independiente, sin necesidad de recibir la luz del sol o de alimentarse de otros seres vivos. La duda ha quedado siempre sin respuesta. El descubrimiento en una mina de oro, a casi tres kilómetros de profundidad, de una nueva bacteria ha conseguido abrir una nueva puerta hacia la investigación en astrobiología.

El hallazgo supone la primera prueba de un ecosistema formado por una única especie biológica. La bacteria encontrada en una nueva galería de la mina de oro de Mponeng, cercana a Johanesburgo (Sudáfrica), en condiciones anoxigénicas y de total oscuridad, a más de 60 grados centígrados de temperatura, vive de forma totalmente aislada de otras formas de vida. Se trata de una bacteria mótil, endoesporulante y que consigue sobrevivir en un hábitat semejante gracias a la energía que extrae, no del Sol, sino del hidrógeno y del sulfato producidos por la descomposición radiactiva del uranio presente en la mina. Además, como vive aislada de otras formas de vida, obtiene sus moléculas orgánicas de la humedad presente en la tierra, del carbono inorgánico de las rocas y del nitrógeno que proviene del amonio que rodea los minerales. Además, el agua en la que vive no ha visto la luz del día en más de 3 millones de años, lo cual indica lo antigua que es esta especie.

El nombre propuesto para esta nueva bacteria es Desulforudis audaxviator. Este nombre procede de la literatura de ciencia ficción del maestro Julio Verne. En un momento de su Viaje al centro de la Tierra, el protagonista, el profesor Lidenbrock, descifra un mensaje que dice en latín: "desciende, 'Audax viator', y alcanza el centro de la Tierra".

Casi todos los organismos viven en comunidades, con diferentes papeles dentro de cada ecosistema, pero Desulforudis audaxviator es el único miembro de este ecosistema, algo inédito en el mundo microscópico. Este descubrimiento ha sido reportado en Science (Vol. 322, pp. 275 – 278) y plantea que en el largo trayecto evolutivo hasta las profundidades de la Tierra, esta bacteria ha conseguido hacerse a un arsenal de genes que le permiten hacer cosas muy poco frecuentes en otras formas de vida. El análisis de su genoma demuestra que Desulforudis audaxviator posee genes que presentan una elevada homología con genes de otros organismos, como las arqueas, hecho que permite suponer que el proceso de transferencia horizontal ha debido jugar un papel importante en la configuración actual de su genoma. Gracias a estos genes, ha podido enfrentar una serie de condiciones adversas mediante diferentes estrategias, tales como: la obtención de nitrógeno directamente del nitrógeno elemental del medio ambiente, el uso exclusivo de materia inorgánica, o el hecho de convertirse en una espora cuando hay periodos pobres en nutrientes o protegerse a sí mismo del ataque de los virus. Tiene además los genes que producen todos los aminoácidos que necesita.

Los científicos creen que Desulforudis audaxviator representa al tipo de organismo que podría sobrevivir bajo la superficie de Marte o en una de las lunas de Saturno, Enceladus.