Los árboles son el recurso natural más abundante que existe en la Tierra, y los científicos e ingenieros de la Universidad Estatal de Carolina del Norte están explorando formas de utilizarlos como una alternativa sostenible y ambientalmente benigna a la producción de productos químicos industriales a partir del petróleo.
La lignina, un polímero que hace que los árboles sean fuertes y resistentes a la descomposición, ha resultado problemática. Ahora los investigadores de NC State saben por qué: han identificado una propiedad molecular específica de la lignina (su contenido de metoxi) que determina la capacidad microbiana de convertir árboles y otras plantas en productos químicos industriales. ¿Qué tan difícil o fácil sería utilizar la fermentación? .
Los hallazgos nos acercan un paso más a la fabricación de productos químicos industriales a partir de árboles como una alternativa económica y ambientalmente sostenible a los productos químicos derivados del petróleo, dijo Robert Kelly, autor correspondiente de un artículo en la revista. Avances en la ciencia Descripción del descubrimiento.
El grupo de Kelly había demostrado previamente que algunas bacterias extremadamente termófilas, que prosperan en lugares como las aguas termales del Parque Nacional de Yellowstone, pueden degradar la celulosa de los árboles, pero “no en gran medida”, señalaron. “En otras palabras, no a un nivel que tenga sentido económico y medioambiental para producir productos químicos industriales”.
Como explicó Kelly, “Resulta que hay mucho más en juego que el bajo nivel de lignina”.
Para abordar el problema del exceso de lignina en los árboles, Kelly, director del Programa de Biotecnología de Carolina del Norte y profesor de Alcoa en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, ha estado trabajando con el profesor asociado Jack Wang, jefe de biotecnología forestal durante 10 años. mucho tiempo. programa en la Facultad de Recursos Naturales del Estado de Carolina del Norte. Wang también es miembro del cuerpo docente de la Iniciativa de Ciencias Vegetales de Carolina del Norte.
Como se informó en la revista Science en 2023, Wang y sus colegas utilizaron la tecnología de edición del genoma CRISPR para crear álamos con contenido y estructura de lignina modificados. Se han centrado en los álamos porque crecen rápidamente, requieren un uso mínimo de pesticidas y crecen en tierras marginales en las que es difícil cultivar alimentos.
El grupo de Kelly descubrió que algunos, pero no todos, de estos árboles modificados con CRISPR funcionaban bien para la degradación y fermentación microbiana. Como ex Ph.D. Resulta que estas bacterias tienen diferentes apetitos por diferentes tipos de plantas, explicó el estudiante Ryan Bing.
“Podemos aprovechar la capacidad de ciertas bacterias termófilas de aguas termales como el Parque Nacional de Yellowstone para consumir materia vegetal y convertirla en productos de interés. El apetito varía”, dijo Bing. Ahora trabaja como ingeniero metabólico senior para Capra Biosciences en Sterling, Virginia.
“La pregunta era ¿por qué? ¿Qué hace que una planta sea mejor que la siguiente?” explicó. “Obtuvimos la respuesta observando cómo estas bacterias se alimentan de materia vegetal de diferentes composiciones”.
En un estudio de seguimiento, Kelly y Bing probaron si una bacteria genéticamente aislada originalmente de aguas termales en Kamchatka, Rusia, Anaerocellum bescii, produjo los álamos modificados por Wang con un contenido y una composición de lignina marcadamente diferentes.
Los investigadores descubrieron que cuanto menor era el contenido de lignina metoxi en el árbol, más degradado estaba.
“Esto reveló por qué la lignina inferior por sí sola no era la clave: el diablo estaba en los detalles”, dijo Kelly. “Un menor contenido de metoxi probablemente hace que la celulosa esté más disponible para las bacterias”.
Wang diseñó álamos con bajo contenido de lignina para mejorar la fabricación de papel y otros productos de fibra, pero investigaciones recientes han demostrado que los álamos diseñados que no solo tienen menos lignina sino también un menor contenido de metoxi a través de la fermentación microbiana son excelentes para fabricar productos químicos.
Los álamos diseñados por Wang crecen bien en el invernadero, pero los resultados de las pruebas de campo aún no están disponibles. El grupo de Kelly ha demostrado anteriormente que los álamos con bajo contenido de lignina se pueden convertir en productos químicos industriales, como acetona y gas hidrógeno, con resultados económicos favorables y un bajo impacto ambiental.
Si estos árboles permanecen en el campo y “si continuamos trabajando en nuestro objetivo”, dijo Kelly, “tendremos microbios que producirán grandes cantidades de sustancias químicas a partir de los álamos, ahora que tenemos el marcador. busque… contenido de metoxi”.
Esto ofrece a investigadores como Wang un objetivo específico para desarrollar líneas de álamo más adecuadas para la producción química. Wang y sus colegas comenzaron recientemente pruebas de campo con álamos avanzados modificados con lignina para abordar esta cuestión.
En este momento, es posible producir químicos a partir de árboles usando métodos tradicionales: cortando la madera en pedazos pequeños y luego usando químicos y enzimas para prepararla para su posterior procesamiento.
El uso de microbios diseñados para descomponer la lignina ofrece ventajas, incluidos menores requisitos de energía y menor impacto ambiental, dijo Kelly.
Se pueden usar enzimas para descomponer la celulosa en azúcares simples, pero es necesario agregarlas constantemente al proceso. Algunos microorganismos, por otro lado, producen continuamente enzimas críticas que hacen que el proceso microbiano sea más económico, afirmó.
“Pueden funcionar incluso mejor que las enzimas y los productos químicos”, añadió Kelly. “No sólo descomponen la celulosa sino que también la fermentan en productos como el etanol, todo en un solo paso.
“La alta temperatura a la que crecen estas bacterias también evita la necesidad de trabajar en condiciones estériles, como sería necesario hacerlo con microorganismos menos termófilos para evitar la contaminación”, añade. “Esto significa que el proceso de convertir árboles en productos químicos puede funcionar como un proceso industrial tradicional, lo que hace que sea más probable que se adopte”.
Daniel Solís, otro escritor Avances en la ciencia El artículo y un investigador postdoctoral en el laboratorio de Wang dijeron que los desastres ambientales causados por el cambio climático resaltan la necesidad urgente de realizar investigaciones que encuentren formas de reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
“Una solución prometedora consiste en utilizar árboles para satisfacer las necesidades de la sociedad en materia de productos químicos, combustibles y otros productos de origen biológico, protegiendo al mismo tiempo tanto el planeta como el bienestar humano”, añadió Sils.
“Estos hallazgos no sólo hacen avanzar el campo, sino que también sientan las bases para futuras innovaciones en el uso de árboles para aplicaciones biológicas sostenibles”.
