Un nuevo proceso biológico para convertir materiales vegetales en valiosos productos químicos.

Un equipo de científicos de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, ha desarrollado un bioproceso que utiliza levadura de ingeniería que transforma de manera completa y eficiente la materia vegetal compuesta de acetato y xilosa en bioproductos de alto valor.

La lignocelulosa, la sustancia leñosa que da estructura a las células vegetales, es la materia prima más abundante en la Tierra y durante mucho tiempo se la ha considerado una fuente de energía renovable. Contiene principalmente acetato, glucosa y xilosa, que se liberan durante la descomposición.

En un artículo publicado en Conexiones con la naturaleza, el equipo describió su trabajo, que ofrece un método viable para superar uno de los principales obstáculos para la comercialización de biocombustibles lignocelulósicos: la toxicidad del acetato para microbios fermentables como la levadura.

«Este es el primer enfoque para demostrar el uso eficiente y completo de xilosa y acetato para la producción de biocombustible», dijo Yong Soo-Jin, profesor de ciencias alimentarias y nutrición humana. Jin, afiliado al Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, dirigió la investigación con el entonces estudiante graduado Liang Sun, el primer autor del artículo.

Su metodología utilizó por completo la xilosa y el acetato de las paredes celulares del pasto varilla, convirtiendo el acetato de un subproducto no deseado en un sustrato valioso que mejoró la eficiencia de la levadura en la conversión de azúcares en hidrosoles.

“Descubrimos que podíamos usar lo que se consideraba una sustancia tóxica e inútil como una fuente adicional de carbono con xilosa para producir productos químicos finos de manera económica” como el ácido triacético, lactona o tal y la vitamina A, que se derivan de la misma molécula precursora. acetil coenzima A, dijo Jane.

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

En un trabajo anterior, el coautor Soo Rin Kim, entonces miembro del Instituto de Biociencias Energéticas, diseñó una cepa de levadura Saccharomyces cerevisiae para consumir xilosa de manera rápida y eficiente. Kim es actualmente miembro de la facultad de la Universidad Nacional de Kyungpook, Corea del Sur.

En el estudio actual, utilizaron la hierba varilla cosechada en la U. de I. Energy Farm para crear hidrolizados de hemicelulosa. Se utilizaron células de levadura modificadas para fermentar glucosa, xilosa y acetato en líquidos disueltos.

Cuando se suministraron glucosa y acetato juntos, S. cerevisiae convirtió rápidamente la glucosa en etanol, lo que reduce el nivel de pH en el cultivo celular. Sin embargo, el consumo de acetato se inhibió fuertemente, lo que provocó que el cultivo se volviera tóxico para las células de levadura en condiciones de pH bajo.

Cuando la xilosa se complementó con acetato, «estas dos fuentes de carbono formaron una sinergia que promovió el metabolismo eficiente de ambos compuestos», dijo Sun. «La xilosa apoya el crecimiento celular y proporciona suficiente energía para la absorción de acetato. Por lo tanto, la levadura puede metabolizar el acetato como sustrato de manera muy eficiente para producir una gran cantidad de TAL».

Al mismo tiempo, el nivel de pH del medio aumentó con el metabolismo del acetato, lo que a su vez mejoró el consumo de xilosa por parte de la levadura.

Sun dijo que cuando analizaron la expresión génica de S. cerevisiae mediante secuenciación de ARN, encontraron que los genes clave involucrados en la absorción y el metabolismo de acetato estaban significativamente aumentados por la xilosa en comparación con la glucosa.

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

El uso combinado de acetato y xilosa también aumentó el suministro de acetil CoA de la levadura, una molécula precursora de ergosterol y lípidos, y proporcionó un atajo metabólico: la conversión de acetato en acetil CoA, lo que acercó un paso más la producción de TAL, dijo Son.

«Al participar en el uso de xilosa y acetato Como fuentes de carbono, pudimos mejorar significativamente la producción de TAL, una producción 14 veces mayor que la que se informó anteriormente utilizando S. cerevisiae modificada. «Bioproductos de alto valor derivados de acetil-CoA, como esteroides y flavonoides».

Debido a que el proceso utilizó por completo las fuentes de carbono en la biomasa lignocelulósica, Jin y Sun dijeron que podría incorporarse sin problemas a las biorrefinerías celulósicas.

«Se trata de la sostenibilidad de nuestra comunidad», dijo Son. «Necesitamos hacer un uso completo de estos recursos sin explotar para construir un futuro sostenible. Esperamos que en 50 o 100 años, seamos esencialmente dependientes de estas materias primas abundantes y renovables para producir la energía y los materiales que necesitamos para nuestra vida diaria». El objetivo. Pero por ahora, solo estamos haciendo pequeñas cosas para asegurarnos de que eso suceda gradualmente «.