23 enero, 2012

Desarrollan bacteria que produce etanol a partir de algas marrones

Científicos insertaron los genes necesarios para la fermentación del alginato generando un rendimiento superior al 80% del esperado.

brown-seaweed

Los precios de los combustibles aumentan, las reservas se van agotando y el mundo demanda cada vez más energía. Una solución a este problema son los combustibles renovables obtenidos a partir de materias primas vivas (plantas). Sin embargo, las plantas también son la base de nuestra alimentación. Sin ellas no tendríamos frutas, verduras, carnes, huevos, leche, etc. Esto nos ha llevado a una encrucijada: decidir entre usar los campos de cultivo para la producción de energía o alimentos.

Por suerte el mundo cuenta con biólogos. Ellos vieron la posibilidad de usar cualquier cosa de origen vivo como materia prima, por ejemplo: los desechos de la industria agrícola, las malezas, las algas marinas, etc., y así no competir con la biomasa destinada a la alimentación.

El problema es degradar y fermentar los azúcares complejos que componen estas materias primas, por ejemplo: la lignocelulosa. Los avances en la biotecnología y la ingeniería genética han permitido superar este obstáculo gracias a que conocemos ciertos organismos capaces de degradar cada uno de estos azúcares. Lo único que debemos hacer es caracterizar la enzima empleada para ese trabajo y el gen que la codifica. Luego sólo queda sintetizarlo e  insertarlo en un microorganismo que sea más fácil de manejar.

Se ve un trabajo sencillo pero no lo es. Insertar una nueva reacción bioquímica a un organismo tiene sus pros y sus contras. Por un lado solucionamos el problema de degradar y fermentar la materia prima; mientras que por el otro podemos afectar reacciones propias del organismo, reduciendo así su eficiencia y rendimiento (cantidad de etanol producido por gramo de biomasa).

Una de estas materias primas abundantes pero difíciles de degradar son las algas marrones, las cuales son cultivadas industrialmente con rendimientos que alcanzan las 60 toneladas métricas por hectárea por año. No requieren de mano de obra para su mantenimiento, tampoco el uso de fertilizantes y el principal uso que se le da en la actualidad es como ingrediente en la producción de alimento para animales, fertilizantes y biopolímeros.

Lamentablemente los azúcares que componen esta alga —glucanos, manitol y alginato— complican su fermentación. Se han identificado enzimas que degradan los glucanos y el manitol, es más, se han desarrollado bacterias capaces de producir etanol a partir de ellos, pero los rendimientos no son muy altos debido a que se requieren de ambientes con pequeñas cantidades de oxígeno (microaeróbicos) para neutralizar el exceso de agentes reductores generados por la fermentación del manitol.

Otro inconveniente es que no hay microorganismos industriales que degraden el alginato. Por suerte, en los últimos años se han identificado bacterias capaces de hacerlo. Estos cuentan con tres enzimas principales: i) la alginato liasa (Aly), que es la encargada de romper los polímeros del alginato y convertirlos en cadenas más pequeñas (de 2, 3 o 4 azúcares); ii) la oligoalginato liasa (Oal), que rompe estas pequeñas cadenas en sus azúcares individuales; y iii) una enzima que transforma estos azúcares en otros más fáciles de fermentar.

Un grupo de investigadores de Bio Architecture Lab, liderados por Adam Wargacki desarrollaron una E. coli capaz de degradar y fermentar el alginato mediante la introducción de los genes requeridos para este trabajo. Según el artículo publicado el 20 de Enero en Science, la bacteria fue capaz de producir etanol con un rendimiento que alcanzó el 80% del máximo teórico predicho, abriendo el camino para la producción de bioetanol de forma más barata y sostenible.

alginato

Lo primero que hicieron fue buscar una enzima capaz de romper los polímeros de alginato (Aly) y la hallaron en una bacteria conocida como Pseudoalteromonas sp. Luego buscaron la forma de secretar la enzima para que su función la realice fuera de la bacteria. Para esto fusionaron la enzima con una proteína de membrana externa de E. coli llamada antígeno 43 (Ag43). Esta proteína tiene una actividad proteasa propia, así que se aprovechó de ella para cortar la enzima Aly fusionada y liberarla al medio externo una vez que alcance la membrana extracelular.

Ahora se debía buscar la forma de meter éstas pequeñas cadenas de alginato al espacio que separa la membrana extracelular de la pared celular (periplasma). Se encontraron unos transportadores de alginato en una bacteria poco conocida llamada Sphingomonas sp. Sin embargo, fue muy difícil expresar el sistema de transporte en E. coli. Fue así que los investigadores buscaron una forma alternativa de hacerlo y la encontraron en una bacteria más relacionada llamada Erwinia chrysanthemi.

E. chrysanthemi tiene un sistema de transporte muy simple y usaron esta información para buscar una bacteria que degrade el alginato y que a su vez incluya éste transportador. En la base de datos del NCBI encontraron una bacteria llamada Vibrio splendidus que tenía un fragmento de ADN de casi 30,000 pares de base, el cual incluía los genes que codificaban para los transportadores, las enzimas que degradan los oligoalginatos (Oal) y las que transforman estos azúcares en unos más sencillos.

Wargacki y sus colegas clonaron esta secuencia y la introdujeron en la E. coli. Como resultado obtuvieron una bacteria que degrada las algas marrones (el alginato, manitol y glucanos) sin necesidad de someterlas a un tratamiento previo de sacarificación (romper los azúcares complejos en unos más simples mediante procesos químicos, térmicos o mecánicos). La E. coli, que de por sí puede degradar el manitol y los glucanos, ahora también degradaba el alginato.

La nueva bacteria fue probada en un medio con estos tres azucares en proporciones 5:8:1 (A:M:G) —la misma encontrada en las algas marrones— para determinar los parámetros óptimos de trabajo. Finalmente la probaron en cultivos de Saccharina japonica (una especie de alga marrón) y determinaron que su rendimiento de producción alcanzó el 80% del estimado teórico.

Sin dudas un trabajo que genera muy buenas expectativas para el futuro de la biología sintética y la producción de biocombustibles de manera rentable y eficiente. No obstante, como todo organismo vivo, las rutas metabólicas están integradas (el producto de una reacción sirve de sustrato para otra reacción), lo que podría traer consigo algunos efectos no deseados para la bacteria o en el producto final, por ejemplo, la contaminación con acetato, lactato y otros productos secundarios de la fermentación microbiana.

Si bien los investigadores cuantificaron los niveles de estas sustancias obteniendo valores casi indetectables, el proceso de escalamiento (llevarlo a volúmenes industriales) es el último obstáculo por superar, y muchas veces el más difícil, donde muchos proyectos biotecnológicos tienden a fallar. Esperemos que éste no sea el caso.


Referencia:

ResearchBlogging.orgWargacki, A., Leonard, E., Win, M., Regitsky, D., Santos, C., Kim, P., Cooper, S., Raisner, R., Herman, A., Sivitz, A., Lakshmanaswamy, A., Kashiyama, Y., Baker, D., & Yoshikuni, Y. (2012). An Engineered Microbial Platform for Direct Biofuel Production from Brown Macroalgae Science, 335 (6066), 308-313 DOI: 10.1126/science.1214547

Imagen: Flickr ©Black Balance.

2 comentarios:

  1. Como podéis decir que suerte que el mundo cuenta con biólogos que hagan eso?????
    Acaso no sabéis que eso que estáis explicando es biotecnología? sisi biotecnología , por lo tanto lo hacen los biotecnologos.

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  2. Biotecnología no sólo lo hacen los biotecnólogos, conozco químicos, físicos, ingenieros, geólogos y, por su puesto, biólogos que hacen biotecnología. Es una rama multidisciplinaria, eso es lo fantástico de la biotecnología. Pero quien se encarga de estudiar la vida es el biólogo, esa es la carrera que engloba a los genetistas, microbiólogos, virólogos, fisiólogos vegetales, etc. que participan, junto a otros especialistas, en todo trabajo de biotecnología. Disculpa si te ha ofendido. Yo soy biotecnólogo, esa es mi especialidad, pero ante todo soy biólogo.

    Un saludo.

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