Fijación bicíclica de carbono:los científicos del NREL han diseñado una vía para acelerar el CO2 fermentación en algunas especies de bacterias. La molécula resultante, acetil-CoA, con sus dos asas de carbono únicas (C2), se puede usar para fabricar una variedad de importantes combustibles y productos químicos básicos. Crédito:Besiki Kazaishvili, NREL
Los panaderos fermentan la masa para obtener una hogaza de pan bien levantada. Los cerveceros fermentan el trigo y la cebada para obtener un vaso de cerveza suave y malteado. Y como los principales panaderos y cerveceros de la naturaleza, algunos microbios pueden hacer aún más. Ciertas especies de bacterias fermentan dióxido de carbono (CO2 ) gas para hacer sus propios nutrientes de elección, que podrían aprovecharse para ayudar a energizar nuestro mundo.
Esta extraordinaria capacidad de fermentar CO2 en energía química, no se pierde en los investigadores que estudian las reacciones químicas sutiles y complejas en las bacterias.
Entre ellos se encuentra el científico Wei Xiong del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), quien dijo que las bacterias que fermentan gases ofrecen lecciones sobre cómo convertir gases residuales como CO2 en combustibles sostenibles.
"CO2 eliminación y conversión son de interés mundial como CO2 Es el gas más importante que atrapa el calor (efecto invernadero) en la atmósfera. Vías para el CO2 fijación son un quid", explicó Xiong. "Tenemos un interés especial en el diseño de nuevos CO2 vías de fijación en bacterias para ayudarlas a sintetizar precursores clave de biocombustibles, por ejemplo, acetil-CoA".
El acetil-CoA es el ingrediente principal para fabricar múltiples combustibles químicos, incluidos los ácidos grasos, el butanol y el isopropanol. Y como se detalla en un artículo publicado en Nature Synthesis , Xiong y sus colegas han demostrado cómo mejorar la producción del precursor del combustible utilizando una vía novedosa en bacterias fermentadoras de gases.
Al hacerlo, aumentan la posibilidad de usar métodos biológicos para capturar y convertir CO2 a escala industrial.
Contabilidad de carbono simple:C1 + C1 =C2
Naturalmente, la fermentación de gas en bacterias sigue una serie lineal de reacciones, conocida por los científicos como la vía Wood-Ljungdahl, llamada así por los profesores Harland G. Wood y Lars G. Ljungdahl, quienes la descubrieron en la década de 1980. En términos simples, las enzimas eliminan el CO2 de su carbono utilizando la energía eléctrica del hidrógeno cercano o del gas monóxido de carbono. Luego fijan dos de estos átomos de un carbono (C1) en una molécula más grande que ya está presente en las bacterias, llamada coenzima A (CoA). Al unir dos asas de carbono (C2) a esta molécula auxiliar, se vuelven más accesibles para otras reacciones.
¿El resultado final? Acetil-CoA, una molécula más densa en energía y carbono que apoya el crecimiento de bacterias y un precursor útil para fabricar biocombustibles valiosos y amigables con el clima.
Sin embargo, a pesar de su ingenio, la ruta Wood-Ljungdahl por sí sola podría no ser suficiente para uso industrial. Y su matemática aparentemente simple (C1 + C1 =C2) es la consecuencia de una cantidad vertiginosa de reacciones químicas.
"La ingeniería de esta vía para mejorar la eficiencia es un desafío debido a la complejidad de las enzimas", explicó Xiong.
Para eludir la mejora directa de la vía Wood-Ljungdahl, los científicos se propusieron conceptualizar una vía completamente nueva para producir acetil-CoA. Usando un modelo de computadora desarrollado por NREL llamado PathParser, y herramientas genéticas de última generación, el equipo inventó un nuevo CO2 -vía de fijación en una especie de bacteria fermentadora de gas llamada Clostridium ljungdahlii.
Al final, las matemáticas salen igual:C1 + C1 =C2.
Pero para llegar allí, incorpora un par de reacciones paralelas:una bicicleta fija de carbono con dos ruedas que trabajan juntas para capturar CO2 , transfórmelo usando una serie de engranajes químicos y rediríjalo para impulsar la generación de acetil-CoA (ilustrado en la figura anterior). Si se agrega a las bacterias que fermentan gases, la vía podría complementar la vía Wood-Ljungdahl para producir acetil-CoA de manera más eficiente.
¿Podemos fermentar nuestro camino hacia la neutralidad de carbono?
No hay escasez de gases residuales hoy y probablemente en el futuro. Millones de toneladas de CO2 son liberados cada año por la industria pesada, un subproducto de la refinación de biocombustibles, la fabricación de acero o la mezcla de concreto. Los científicos están explorando tecnologías para capturar y almacenar, mejor aún usando, CO2 mucho antes de que llegue a la atmósfera.
"En el contexto del calentamiento global y el cambio climático, los científicos buscan nuevas soluciones a partir del metabolismo microbiano para convertir el CO2 combustibles y productos químicos", dijo Xiong. "Las bacterias que fermentan gases en realidad fijan el CO2 y representan una forma de carbono negativo para satisfacer nuestras demandas energéticas y ambientales".
Quién mejor para aprender que las bacterias fermentadoras de gases que han fijado el CO2 con facilidad durante millones de años? Una vía metabólica recién descubierta utiliza gases de carbono individuales como materia prima
