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Estudio permite crear levadura modificada para producir etanol de segunda generación



La investigación brasileña abre 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. Recientemente se publicó un artículo con los resultados del trabajo en Scientific Reports.

Todas las bases de datos del trabajo están disponibles para 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 los ingenios. Pero este residuo es rico en celulosa y hemicelulosa, tipos de carbohidratos poliméricos que se encuentran en plantas y árboles, que les dan rigidez. Por lo tanto, también se pueden usar para producir más etanol, llamado 2G, ya que se pueden convertir 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 convertir la celulosa y la 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 pueden convertirse en etanol mediante levaduras. Estos procesos son costosos, consumen mucha energía y pueden generar subproductos altamente inhibidores que alteran la capacidad fermentativa de las levaduras encargadas de producir este alcohol.

“La producción de etanol 2G aún necesita optimizarse para aumentar su eficiencia. Uno de los enfoques necesarios para esa optimización es identificar levaduras que puedan resistir el 'poiling' de moléculas inhibidoras derivadas del procesamiento de estos 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 industrial brasileña de etanol combustible que demostró alta resistencia a los inhibidores producidos por el pretratamiento de complejos celulósicos y el foco de nuestro estudio publicado en Scientific Reports”, él añade.

Los análisis están en línea con la propuesta del Proyecto Temático de la FAPESP “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


Metodología



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 poner este trabajo en contexto con la investigación sobre etanol 2G, ya sabíamos que ciertas cepas de S. cerevisiae eran resistentes a estas moléculas con actividad inhibidora, pero el mecanismo molecular que utilizan estas levaduras para resistir tales inhibidores es complejo e involucra múltiples procesos. y vías de regulación”, explica Basso.

Según el científico de la USP, otro punto que apoyó la publicación es que uno de los principales subproductos resultantes del procesamiento del bagazo de caña de azúcar en la producción de etanol 2G es el ácido p-cumárico (pCA), uno de los principales inhibidores presentes en el bagazo después de dicho procesamiento. “Los datos disponibles en la literatura indican que este químico generalmente inhibe el crecimiento de S. cerevisiae y, como resultado, baje su rendimiento en la producción de etanol”.

El equipo decidió utilizar un enfoque bioinformático para integrar datos de "multiómica" en el estudio. En otras palabras, reunió datos de transcriptómica -el estudio del conjunto de mRNA, ácido ribonucleico mensajero, producido por un organismo en un momento dado- con datos de fisiología cuantitativa. “Eso nos permitió comprender mejor cómo respondía esta levadura al ambiente de cultivo”, dice Brandão. Con los datos en mano, el estudio se centró en la caracterización molecular y fisiológica de la respuesta general de la levadura a un inhibidor relevante para el proceso que utiliza bagazo de caña de azúcar 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 los aspectos fisiológicos y genéticos de estos microorganismos, sin la interferencia de otras variables que dificulten la interpretación de las alteraciones. en la expresión/transcripción de genes en estos microorganismos. Así, la levadura SA-1 se cultivó en quimiostatos anaerobios, en presencia y ausencia del inhibidor (pCA). De estos cultivos se recogieron muestras en estado estacionario para la determinación de 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 SA-1 para sobrevivir bajo la influencia de estos inhibidores son mucho más complejos de lo que se creía 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 consumo de azúcar y producción de etanol.

Brasil ha avanzado en la investigación para un mejor aprovechamiento de la biomasa disponible en su biodiversidad para la producción de bioproductos, aquellos bienes de consumo que pueden ser construidos/ensamblados/producidos a partir de la transformación de una parte de un organismo, como es el caso de tejidos y vegetales. fibras, o como resultado del metabolismo de estos seres vivos. “En este último caso, podemos mencionar la producción de alcohol carburante, un bien de gran impacto en la economía nacional”, destaca Brandão.

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