Un equipo desarrolla un bioproceso para convertir materiales vegetales en productos químicos valiosos

19.08.2021 - Estados Unidos

Un equipo de científicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ha desarrollado un bioproceso con levaduras modificadas que convierte de forma completa y eficaz materia vegetal compuesta por acetato y xilosa en bioproductos de alto valor.

Photo by L. Brian Stauffer

El catedrático de ciencias de la alimentación y nutrición humana Yong-Su Jin dirigió un equipo que desarrolló una metodología para convertir eficazmente la hemicelulosa del pasto varilla en bioproductos de alto valor utilizando una levadura de ingeniería y el acetato y la xilosa de las paredes celulares de las plantas.

La lignocelulosa, el material leñoso que da a las células vegetales su estructura, es la materia prima más abundante en la Tierra y desde hace tiempo se considera una fuente de energía renovable. Contiene principalmente acetato y los azúcares glucosa y xilosa, que se liberan durante la descomposición.

En un artículo publicado en Nature Communications, el equipo describe su trabajo, que ofrece un método viable para superar uno de los principales obstáculos que impiden la comercialización de los biocombustibles lignocelulósicos: la toxicidad del acetato para los microbios fermentadores, como la levadura.

"Este es el primer enfoque que demuestra la utilización eficiente y completa de la xilosa y el acetato para la producción de biocombustible", dijo el profesor de ciencias de la alimentación y nutrición humana Yong-Su Jin. Afiliado al Instituto de Biología Genómica Carl R. Woese, Jin dirigió la investigación con el entonces estudiante de grado Liang Sun, primer autor del artículo.

Su metodología utilizó plenamente la xilosa y el acetato de las paredes celulares del pasto varilla, transformando el acetato, que era un subproducto no deseado, en un valioso sustrato que aumentaba la eficacia de la levadura para convertir los azúcares en los hidrosolatos.

"Descubrimos que podemos utilizar lo que se ha considerado una sustancia tóxica e inútil como fuente de carbono suplementaria con la xilosa para producir económicamente productos químicos finos" como la lactona de ácido triacético, o TAL, y la vitamina A, que se derivan de la misma molécula precursora, la acetil coenzima A, dijo Jin.

El TAL es un producto químico de plataforma versátil que se obtiene actualmente mediante el refinado del petróleo y se utiliza para producir plásticos e ingredientes alimentarios, explicó Sun, que actualmente es estudiante de posdoctorado en la Universidad de Wisconsin, en Madison.

En un trabajo anterior, la coautora Soo Rin Kim, entonces miembro del Instituto de Biociencias de la Energía, diseñó una cepa de la levadura Saccharomyces cerevisiae para que consumiera xilosa de forma rápida y eficaz. Kim es actualmente miembro de la facultad de la Universidad Nacional de Kyungpook (Corea del Sur).

En el estudio actual, utilizaron pasto varilla cosechado en la Granja de Energía de la U. de I. para crear hidrolizados de hemicelulosa. Las células de levadura modificadas se utilizaron para fermentar la glucosa, la xilosa y el acetato de los hidrosalatos.

Cuando la glucosa y el acetato se suministraron juntos, S. cerevisiae convirtió rápidamente la glucosa en etanol, disminuyendo el nivel de pH del cultivo celular. Sin embargo, el consumo de acetato se vio fuertemente inhibido, haciendo que el cultivo se volviera tóxico para las células de levadura en condiciones de pH bajo.

Cuando se suministró xilosa junto con acetato, "estas dos fuentes de carbono formaron sinergias que promovieron el metabolismo eficiente de ambos compuestos", dijo Sun. "La xilosa favoreció el crecimiento celular y suministró suficiente energía para la asimilación del acetato. Por tanto, la levadura podía metabolizar el acetato como sustrato de forma muy eficiente para producir una gran cantidad de TAL".

Al mismo tiempo, el nivel de pH del medio aumentaba a medida que se metabolizaba el acetato, lo que a su vez fomentaba el consumo de la xilosa por parte de la levadura, dijo Sun.

Cuando analizaron la expresión génica de S. cerevisiae mediante la secuenciación de ARN en , descubrieron que los genes clave implicados en la captación y el metabolismo del acetato estaban drásticamente regulados por la xilosa en comparación con la glucosa, dijo Sun.

Las células de levadura alimentadas con acetato y xilosa acumularon más biomasa, junto con un aumento del 48% y el 45% en sus niveles de lípidos y ergosterol, respectivamente. El ergosterol es una hormona fúngica que desempeña un papel importante en la adaptación al estrés durante la fermentación.

La coutilización de acetato y xilosa también aumentó el suministro de acetil-CoA de la levadura, una molécula precursora del ergosterol y los lípidos, y proporcionó un atajo metabólico: convertir el acetato en acetil-CoA, acercando la producción de TAL, dijo Sun.

"Al coutilizar la xilosa y el acetato como fuentes de carbono, pudimos mejorar la producción de TAL de forma espectacular, 14 veces más de lo que se había informado anteriormente utilizando S. cerevisiae de ingeniería", dijo Sun. "Empleamos esta estrategia también para la producción de vitamina A, demostrando su potencial para sobreproducir otros bioproductos de alto valor derivados del acetil-CoA, como los esteroides y los flavonoides".

Dado que el proceso utiliza a fondo las fuentes de carbono de la biomasa lignocelulósica, Jin y Sun dijeron que puede integrarse perfectamente en las biorrefinerías celulósicas.

"Se trata de la sostenibilidad de nuestra sociedad", dijo Sun. "Tenemos que aprovechar al máximo estos recursos sin explotar para construir un futuro sostenible. Esperamos que en 50 o 100 años dependamos principalmente de estas materias primas renovables y abundantes para producir la energía y los materiales que necesitamos para nuestra vida diaria. Ese es nuestro objetivo. Pero por ahora, sólo estamos haciendo pequeñas cosas para asegurarnos de que esto ocurra gradualmente".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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