¿Qué tiene en común el combustible para aviones con las pantimedias y las botellas de refresco de plástico? Todos son productos actualmente derivados del petróleo. Los científicos de Sandia National Laboratories han demostrado una nueva tecnología basada en bacterias de bioingeniería que podría hacer económicamente factible producir las tres a partir de fuentes de plantas renovables.

Conversión económica y eficiente de materia vegetal resistente, llamado lignina, ha sido durante mucho tiempo un obstáculo para un uso más amplio de la fuente de energía y para hacerla competitiva en costos. Juntando mecanismos de otros degradadores de lignina conocidos, La bioingeniera de Sandia Seema Singh y dos investigadores postdoctorales, Weihua Wu, ahora en Lodo Therapeutics Corp., y Fang Liu, han convertido a E. coli en una fábrica de células de bioconversión eficiente y productiva.

"Durante años, hemos estado investigando formas rentables de descomponer la lignina y convertirla en valiosos productos químicos de plataforma, ", Dijo Singh." Aplicamos nuestro conocimiento de los degradadores naturales de lignina a E. coli porque esa bacteria crece rápidamente y puede sobrevivir a los duros procesos industriales ".

La obra, "Hacia la ingeniería E. coli con un sistema de autorregulación para la valorización de la lignina, "fue publicado recientemente en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias y fue apoyado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Sandia.

Ingeniería de un proceso costoso para que sea rentable

La lignina es el componente de las paredes celulares de las plantas que les da su increíble fuerza. Está rebosante de energía, pero llegar a esa energía es tan costoso y complejo que el biocombustible resultante no puede competir económicamente con otras formas de energía de transporte.

Una vez descompuesto, la lignina tiene otros regalos que ofrecer en forma de valiosos productos químicos de plataforma que se pueden convertir en nailon, plástica, productos farmacéuticos y otros productos valiosos. La investigación futura puede centrarse en demostrar la producción de estos productos, ya que podrían ayudar a equilibrar la economía de los biocombustibles y la bioproducción. O como dice Singh, "valoran la lignina".

Resolviendo tres problemas:costo, toxicidad y velocidad

Singh y su equipo han resuelto tres problemas para convertir la lignina en sustancias químicas para plataformas. El primero fue el costo. E. coli normalmente no producen las enzimas necesarias para el proceso de conversión. Los científicos deben persuadir a las bacterias para que produzcan las enzimas agregando algo llamado inductor al caldo de fermentación. Si bien es efectivo, para activar la producción de enzimas, los inductores pueden ser tan costosos que resultan prohibitivos para las biorrefinerías.

La solución fue "eludir la necesidad de un inductor costoso modificando la E. coli de modo que los compuestos derivados de la lignina, como la vainillina, sirvan como sustrato y como inductor", dijo Singh.

La vainillina no es una opción obvia para reemplazar un inductor. El compuesto se produce cuando la lignina se descompone y puede, a concentraciones más altas, inhibir el mismísimo E. coli trabajando para convertirlo. Esto planteó el segundo problema:la toxicidad.

"Nuestra ingeniería le da la vuelta al problema de la toxicidad del sustrato al permitir que el mismo químico que es tóxico para el E. coli para iniciar el complejo proceso de valorización de la lignina. Una vez que la vainillina en el caldo de fermentación activa las enzimas, los E. coli comienza a convertir la vainillina en catecol, nuestro químico deseado, y la cantidad de vainillina nunca alcanza un nivel tóxico, ", Dijo Singh." Se regula automáticamente ".

El tercer problema fue la eficiencia. Mientras que la vainillina en el caldo de fermentación se mueve a través de las membranas de las células para ser convertida por las enzimas, fue un lento movimiento pasivo. Los investigadores buscaron transportadores efectivos de otras bacterias y microbios para acelerar este proceso. Dijo Wu.

"Tomamos prestado un diseño de transportador de otro microbio y lo diseñamos en E. coli , que ayuda a bombear la vainillina a las bacterias, "Dijo Liu." Suena bastante simple, pero fue necesario realizar muchos ajustes para que todo funcionara en conjunto ".

Soluciones de ingeniería como estas, que superan los problemas de toxicidad y eficiencia tienen el potencial de hacer que la producción de biocombustibles sea económicamente viable. El inductor externo libre, El método de autorregulación para valorizar la lignina es solo una de las formas en las que los investigadores están trabajando para optimizar el proceso de producción de biocombustibles.

"Hemos encontrado esta pieza del rompecabezas de valorización de la lignina, proporcionando un excelente punto de partida para futuras investigaciones sobre escalabilidad, soluciones rentables, ", Dijo Singh." Ahora podemos trabajar en la producción de mayores cantidades de productos químicos para plataformas, caminos de ingeniería hacia nuevos productos finales, y considerando huéspedes microbianos distintos a E. coli . "