La investigación brasileña allana el camino para aumentar la eficiencia en la producción de etanol de segunda generación (2G) con el descubrimiento de nuevos objetivos para la ingeniería metabólica hacia una cepa de levadura industrial más robusta. El artículo con los resultados del trabajo fue publicado recientemente en la revista Informes científicos.
Todas las bases de datos del trabajo están a disposición de la comunidad científica en el repositorio de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), que forma parte de la iniciativa internacional Dataverse, apoyada por la FAPESP.
El etanol de primera generación (1G) se produce a partir de fuentes ricas en carbohidratos (como la sacarosa), principalmente caña de azúcar, en el caso de Brasil. El procesamiento de la caña de azúcar genera una gran cantidad de residuos fibrosos, como el bagazo, que pueden utilizarse para generar vapor y electricidad en las plantas. Pero este residuo es rico en celulosa y hemicelulosa, tipos de carbohidratos poliméricos que se encuentran en plantas y árboles, y que les confieren rigidez. Así, también se pueden utilizar para producir más etanol, llamado 2G, ya que pueden convertirse en moléculas más pequeñas para ser fermentadas por levaduras y otros microorganismos.
Sin embargo, el mayor desafío para la producción de etanol 2G es la eficiencia de conversión de celulosa y hemicelulosa en etanol, ya que son polímeros difíciles de descomponer (hidrólisis). El proceso requiere la eliminación de la lignina, un polímero resistente que forma los desechos fibrosos, y la hidrólisis de la celulosa y la hemicelulosa en azúcares simples, que la levadura puede convertir en etanol. Estos procesos son costosos, consumen mucha energía y pueden generar subproductos altamente inhibidores que dificultan la capacidad fermentativa de las levaduras, encargadas de producir este alcohol.
“Aún es necesario optimizar la producción de etanol 2G para aumentar su eficiencia. Uno de los enfoques necesarios para esa optimización es identificar levaduras que puedan resistir el 'deterioro' de las moléculas inhibidoras derivadas del procesamiento de esos residuos”, explica el biólogo Marcelo Mendes Brandão, investigador del Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética (CBMEG) en la Unicamp. “Ya se sabe que algunas cepas de levadura industrial tienen niveles más altos de tolerancia a estos compuestos. Un ejemplo bien documentado es la levadura industrial. Saccharomyces cerevisiae SA-1, una cepa brasileña de etanol combustible industrial que demostró alta resistencia a los inhibidores producidos por el pretratamiento de complejos celulósicos y el enfoque de nuestro estudio publicado en Informes científicos", él añade.
Los análisis están en línea con la propuesta del Proyecto Temático FAPESP “Un enfoque integrado para explorar un paradigma novedoso para la producción de biocombustibles a partir de materias primas lignocelulósicas” (Un enfoque integrado para explorar un nuevo paradigma para la producción de biocombustibles a partir de materias primas lignocelulósicas), coordinado por Telma Franco, de la Facultad de Ingeniería Química de la Unicamp. El trabajo del grupo también ha recibido financiación a través de otros cuatro proyectos (18 / 17172-2, 11 / 00417-3, 18 / 01759-4 e 19 / 13946-6).
Los experimentos fueron realizados por Dielle Pierotti y Felipe Ciamponi, entonces estudiantes de doctorado, en una colaboración entre los laboratorios coordinados por Thiago Olitta Basso, del Departamento de Ingeniería Química de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (USP), y Brandão, del CBMEG-Unicamp.
“Para contextualizar dónde encaja este trabajo en la investigación del etanol 2G, ya sabíamos que ciertas cepas de S. cerevisiae eran resistentes a estas moléculas con actividad inhibidora, pero el mecanismo molecular utilizado por estas levaduras para resistir tales inhibidores es complejo e involucra múltiples procesos y vías reguladoras”, detalla Basso.
Según el científico de la USP, otro punto que sustenta la publicación es que uno de los principales subproductos resultantes del procesamiento del bagazo de caña en la producción de etanol 2G es el ácido p-cumárico (pCA), uno de los principales inhibidores presentes en bagazo después de dicho procesamiento. “Los datos disponibles en la literatura indican que esta sustancia química generalmente inhibe el crecimiento de S. cerevisiae y, como resultado, su desempeño en la producción de etanol disminuye”.
El equipo decidió utilizar un enfoque bioinformático para integrar datos "multiómicos" en el estudio. Es decir, reunió datos transcriptómicos –el estudio del conjunto de ARNm, ácido ribonucleico mensajero, producido por un organismo en un momento determinado– con datos cuantitativos de fisiología. "Esto nos permitió comprender mejor cómo respondió esta levadura al entorno de crecimiento", dice Brandão. Con los datos en la mano, el estudio se centró en la caracterización molecular y fisiológica de la respuesta general de la levadura a un inhibidor de relevancia para el proceso que utiliza bagazo de caña como materia prima para la producción de etanol 2G.
Los experimentos biológicos fueron realizados por Pierotti y Ciamponi en el Laboratorio de Bioprocesos (BELa) del Departamento de Ingeniería Química de la Poli-USP. Los experimentos se llevaron a cabo utilizando cultivos continuos en biorreactores (quimiostatos). Dichos cultivos garantizan un ambiente muy bien controlado y definido para los microorganismos evaluados, donde es posible estudiar el efecto del inhibidor sobre aspectos fisiológicos y genéticos de estos microorganismos, sin la interferencia de otras variables que dificulten la interpretación de cambios en el expresión/transcripción de genes en estos microorganismos. Así, la levadura SA-1 se cultivó en quimiostatos anaeróbicos, en presencia y ausencia del inhibidor (pCA). De estos cultivos, se recolectaron muestras en estado estacionario para determinar parámetros fisiológicos y parte del material biológico se envió a Taiwán para la secuenciación del ARN.
Los resultados fueron analizados en el Laboratorio de Biología Integrativa y Sistémica del CBMEG. Muestran que los mecanismos biológicos utilizados por S. cerevisiae La capacidad de SA-1 para sobrevivir bajo la influencia de estos inhibidores es mucho más compleja de lo que se pensaba anteriormente. Los datos fisiológicos cuantitativos sugieren que el estrés pCA puede inducir una mayor actividad celular en la cepa SA-1 en condiciones anaeróbicas (relevantes para el proceso industrial), con un aumento en la tasa de absorción de azúcar y producción de etanol.
Brasil ha avanzado en investigaciones para un mejor uso de la biomasa disponible en su biodiversidad para la producción de bioproductos, aquellos bienes de consumo que pueden construirse/ensamblarse/producirse a partir de la transformación de parte de un organismo, como en el caso de tejidos y fibras vegetales. o como resultado del metabolismo de estos seres vivos. “En este último caso, podemos mencionar la producción de alcohol carburante, un commodity con gran impacto en la economía nacional”, destaca Brandão.
Oh artigo El modelo de red multiómica revela genes clave asociados con la respuesta al estrés del ácido p-cumárico en una cepa de levadura industrial la negociación de accedido aquí.
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