La importancia de la levadura sintética para el futuro de la humanidad

La investigación está recreando artificialmente los 16 cromosomas del hongo unicelular responsable de la cerveza. Su éxito podría conducir a algas de diseño que producen combustible, órganos a prueba de enfermedades e incluso la resurrección de especies extintas.

La relación entre el Homo sapiens y el hongo unicelular​ Saccharomyces cerevisiae, más conocido como levadura de cerveza, se remonta como mínimo a los sumerios. Los humanos descubrieron que podían aprovecharse de una especie microscópica a través de la fermentación. En la actualidad, las células de levadura se han vuelto expertas en la producción de etanol e insulina, y son el caballo de batalla de los laboratorios de investigación.

Pero esto no significa que el S. cerevisiae no pueda mejorarse aún más, o al menos eso es lo que está intentando Jef Boeke. El director del Instituto de Genética de Sistemas de la Universidad Langone Health en Nueva York (EE. UU.) dirige un equipo internacional de cientos de personas, cuyo objetivo consiste en sintetizar las 12,5 millones de letras genéticas que componen el genoma de las células de levadura.

Para ello, deben reemplazar cada uno de los 16 cromosomas de la levadura por ADN sintético producido en sintetizadores químicos del tamaño de una estufa. Poco a poco, Boeke y su equipo, que procede de casi una 12 de instituciones distintas, están modernizando el genoma de la levadura y asegurándolo para que los investigadores puedan juguetear con sus genes. Al final, la levadura sintética, llamada Sc2.0, debería ser 100% personalizable.

Boeke afirma: "En los próximos 10 años, la biología sintética producirá todo tipo de compuestos y materiales con microorganismos. Esperamos que nuestra levadura juegue un papel importante en este cambio".

El proyecto podría compararse con el del primer auto fabricado por Henry Ford: hecho a mano y el único de su clase. Pero gracias a él, algún día podríamos diseñar genomas en la pantalla de un ordenador de forma rutinaria. En lugar de diseñar o editar el ADN original de un organismo, imprimir una copia nueva podría resultar más fácil. Imagine algas de diseño que producen combustible; órganos a prueba de enfermedades; o incluso, especies extintas que vuelven a la vida. "Esto podría ser más importante que la revolución espacial y la informática", opina el experto en genómica de la Escuela de Medicina de Harvard (EE. UU.), George Church.

Vídeo: Un vídeo producido por la Universidad de Nueva York describe el análisis de la levadura con ADN parcialmente sintético. DOCTORBEE54 | Youtube

Los investigadores ya han conseguido sintetizar las instrucciones genéticas que operan a virus y bacterias. Pero las células de levadura son eucarióticas, lo que significa que sus genomas están encerrados dentro del núcleo celular y agrupados en forma de cromosomas, igual que los de los humanos. Sus genomas son también mucho más grandes, lo que complica la tarea, ya que sintetizar ADN es mucho más caro que leerlo.

Actualmente se puede secuenciar un genoma humano por unos 800 euros, y el precio sigue bajando. En comparación, para reemplazar cada letra de ADN en la levadura, Boeke tendrá que gastarse unos 1,2 millones de euros. A ese coste hay que añadir la mano de obra y los gastos informáticos, por lo que el coste total del proyecto, que lleva en marcha desde hace una década, será considerablemente mayor.

Junto a Church y otros investigadores, Boek lidera la organización GP-write, que de defensa de la investigación internacional centrada en reducir el coste del diseño, la ingeniería y los análisis genómicos por un factor de 1.000 durante la próxima década. Boeke detalla: "Tenemos toda clase de desafíos como especie en este planeta, y la biología podría tener un gran impacto en ellos. Pero para ello necesitamos reducir los costes".

Fuente: Technologyreview

Un microbio crea butanol directamente a partir de celulosa

El butanol—una prometedora nueva generación de biocombustibles—posee más energía que el etanol y puede ser distribuido a través de oleoductos. Sin embargo, al igual que el etanol, la producción de biobutanol se centra en el uso de materias primas comestibles como la remolacha, el almidón de maíz y la caña de azúcar.

James Liao, ingeniero biomolecular de la Universidad de California en Los Ángeles, acaba de desarrollar dos vías para liberar al butanol de su dependencia de los cultivos alimentarios. Liao, con experiencia en procesos de comercialización de biocarburantes innovadores, ha demostrado que los microbios pueden producir el biocombustible avanzado directamente a partir de desechos agrícolas, así como de materias primas de proteínas como las algas.

La demostración de conversión directa de celulosa a butanol que ha hecho Liao podría reducir el coste de los biocombustibles de celulosa, que es actualmente prohibitivo. Su proceso basado en proteínas proporciona opciones de materias primas totalmente nuevas al campo de los biocombustibles.

Si bien son renovables, los biocombustibles se enfrentan a los ataques de activistas del medio ambiente y los alimentos, y el biobutanol no es una excepción: la primera generación de plantas de biobutanol en fase de desarrollo funcionará a base de azúcar y almidón a base de maíz. "El butanol posee algunas ventajas técnicas, pero el problema real es la cantidad de comida que se necesita para crear un galón de combustible", señala Jeremy Martin, científico senior de la Unión de Científicos Preocupados, un grupo de defensa con sede en Cambridge, Massachusetts, que forma parte de una amplia coalición que está presionando al Congreso para poner fin a los lucrativos créditos fiscales para el etanol de maíz.

Las innovaciones de Liao podrían poner fin a la asociación del biobutanol con el maíz—una asociación que, irónicamente, es en parte su responsabilidad. En 2008, Liao desarrolló una vía microbiana para convertir el azúcar en isobutanol, un isómero de butanol de alto octanaje. Esa innovación está siendo actualmente comercializada por Gevo, una startup con sede en Englewood, Colorado, de la que Liao es cofundador. Gevo recaudó 107 millones de dólares en una oferta pública inicial el mes pasado para apoyar sus planes de modernización de las plantas de etanol de maíz, y con ello pasar a producir isobutanol en su lugar.

Los planes para un cambio a la producción de biocombustibles a partir de materias primas de biomasa tales como el pasto varilla, los tallos de maíz, y el bagazo de caña de azúcar (o residuos vegetales) están, por su parte, moviéndose lentamente, debido a sus mayores costes. La Agencia de Protección Ambiental de los EE.UU. obligó al uso de sólo 6,6 millones de galones de etanol celulósico este año—menos de un 3 por ciento del objetivo de 250 millones de galones fijados por el Congreso hace cuatro años. El retraso viene dado por los pasos de procesamiento necesarios para descomponer estas materias primas celulósicas y generar así los azúcares para la fermentación; el proceso aumenta los costes considerablemente, por lo que las instalaciones de producción son difíciles de financiar.

El proceso directo de celulosa a butanol, desarrollado en colaboración con investigadores del Oak Ridge National Laboratory, promete simplificar las cosas, mediante la ampliación de las capacidades de fermentación de los microbios. La clave fue la adición de la vía de azúcar-a-isobutanol de Liao a un microbio, el Clostridium cellulolyticum, al que le gusta masticar la biomasa, pero que no suele crear butanol. El microbio fue aislado originalmente a partir de la hierba de abono, y hace dos años, Instituto Compuesto de Genoma del Departamento de Energía de los EE.UU. completó una secuencia de su genoma.

El resultado de la ingeniería genética, publicado este mes en la revista Applied and Environmental Microbiology, es un solo organismo que toma la celulosa y produce isobutanol. Liao afirma que la tasa de salida y la conversión son bajas, pero explica que esta "prueba de principio" es probablemente la parte más complicada del proceso de desarrollo. "El resto es relativamente sencillo. No es trivial, pero sencillo. Se convierte en una cuestión de financiación y recursos", afirma Liao.

El siguiente paso es mover las modificaciones genéticas a una variante de más rápido crecimiento del Clostridium o algún otro microbio. Liao apuesta que la tecnología podría estar lista para la producción en tan sólo dos años.

Un bache que podría ralentizar las cosas es el litigio sobre derechos de uso de la tecnología de Liao. Gevo está siendo demandada por violación de patente por el competidor Butamax Advanced Biofuels, una unión entre BP y DuPont que, al igual que Gevo, tiene planes para convertir las plantas de etanol basado en maíz en isobutanol. Butamax alega que el uso de Gevo de la ingeniería genética para crear butanol viola una amplia patente que los EE.UU. emitió a Butamax en diciembre de 2010.

Otro obstáculo es la preocupación sobre el impacto ambiental del uso de biomasa pesada. En enero, la EPA emitió un borrador de informe al Congreso sobre los impactos ambientales de la producción de biocombustibles. El informe destacaba varios problemas relacionados con la producción de combustibles basados ​​en biomasa. Señalaba que el uso de rastrojo de maíz (las hojas y tallos que quedan después de la cosecha) para producir combustibles, en lugar de arar los rastrojos de nuevo en tierras de cultivo, podría dar lugar a la degradación del suelo y ahogar los arroyos y ríos con mayores residuos. Los ecologistas han expresado su preocupación por el cultivo de tierras marginales que hayan sido reservadas para impulsar la diversidad biológica y proporcionar barreras de protección alrededor de cuerpos acuáticos.

La demostración de Liao de la E. coli modificada por ingeniería capaz de convertir la proteína en isobutanol también ofrece una alternativa potencial a las materias primas de biomasa: algas fotosintéticas de crecimiento rápido. Los proyectos actuales de I+D para el desarrollo de biocombustibles a base de algas tratan de convertir las grasas producidas por algas, que representan aproximadamente una cuarta parte de la masa de algas. Las proteínas, por el contrario, constituyen aproximadamente las dos terceras partes.

Sería posible, asegura Liao, crear un sistema de producción de reciclaje en el que los microbios productores de isobutanol estuvieran sostenidos por la proteína de las algas, así como por residuos industriales de fermentación recuperados de las rondas previas de la producción de butanol. Al igual que las algas, los residuos de fermentación están compuestos en gran parte de proteínas.

"Estos resultados demuestran la factibilidad del uso de proteínas para las bio-refinerías", escribió Liao y el equipo de UCLA este mes en la revista Nature Biotechnology.

Liao señala que las biorrefinerías de isobutanol alimentadas con proteínas probablemente tarden de cinco a 10 años en crearse, así que es probable que lo primero en llegar sea el isobutanol celulósico. Reconoce que las materias primas a base de proteínas de algas podrían, al igual que la biomasa celulósica, resultar tener costes imprevistos. Sin embargo una cosa es cierta, sostiene Liao: "Son sin duda mucho más sostenibles que el petróleo, el carbón o el azúcar".

Fuente: Technology Review

Obtienen biocombustibles con microalgas expuestas a la cocción a presión

Un nuevo mecanismo de producción de biocombustibles podría llegar a acelerar el desarrollo de esta fuente energética. Se trata de un sistema que emplea la cocción a presión de microalgas, y que fue elaborado por especialistas de la Universidad de Michigan. Las ventajas con relación a otros sistemas incluyen un menor costo, una mayor rapidez en la producción y más eficacia en el proceso. Al mismo tiempo, los ingenieros de Michigan están analizando diferentes bacterias que podrían tener también aplicación en el campo de los biocombustibles.

Justamente, los biocombustibles están considerados como la fuente energética alternativa con mayores posibilidades de suplantar a los combustibles fósiles en primera instancia, por lo menos en una buena cantidad de funciones. Sin embargo, para que eso suceda se necesita incrementar la producción y abaratar costos.

Enfoques hidrotermales, catalíticos y biológicos se han integrado en este nuevo sistema, para cuya investigación se ha logrado un subsidio de la National Science Foundation por dos millones de dólares. Arthur F. Thurnau y Phillip Savage, del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Michigan, son los principales responsables de este trabajo.

Según los investigadores, esta nueva técnica podría desempeñar un papel importante en el camino de Estados Unidos hacia la independencia energética, logrando al mismo tiempo una trascendente disminución en las emisiones de dióxido de carbono procedentes del sector hidrocarburífero. Lógicamente, también podría ser provechosa para muchos otros países.

Microalgas sometidas a presión

Las microalgas son especies de algas microscópicas, plantas simples y flotantes que no tienen hojas, raíces o tallos. Las mismas se descomponen más fácilmente que otras plantas empleadas para producir biocombustibles porque no cuentan con paredes celulares resistentes, de acuerdo a los datos aportados por los propios responsables de la investigación.

A diferencia de los combustibles fósiles, los biocombustibles a base de algas y obtenidos a partir de este sistema no producen dióxido de carbono, por lo tanto no generan emisiones contaminantes. Este nuevo método fue difundido a través de una nota de prensa de la Universidad de Michigan, que también fue reproducida por el medio especializados Science Daily.

El método empleado por los investigadores estadounidenses consiste en el cultivo de microalgas especiales, que posteriormente son sometidas a un tratamiento de cocción a presión, mediante el cual se obtienen los biocombustibles. Este sistema cuenta con múltiples ventajas con respecto a otros.

Por ejemplo, el proceso hidrotermal utilizado en el marco de este proyecto de investigación permite aprovechar los tipos de microalgas con menor tenor graso, además de eliminar el proceso de secado de las algas, dos obstáculos importantes para la conversión a gran escala de microalgas en combustibles líquidos.

Más detalles

Según el especialista Phillip Savage, el proceso realizado consiste sencillamente en una “sopa de algas". Las microalgas se someten a una temperatura de 300 grados centígrados, siempre manteniendo el agua a alta presión para preservar el estado líquido en lugar de crear vapor.

La cocción a presión se realiza durante un lapso de entre treinta minutos a una hora, tras lo cual se obtiene el biocombustible crudo. La alta temperatura y la presión elevada permiten que las algas se descompongan al reaccionar con el agua. Así se obtienen los hidrocarburos, pero también las proteínas y los carbohidratos presentes se descomponen, aportando al rendimiento del biocombustible.

Los ingenieros sostienen que este proceso intenta reproducir el mecanismo empleado por la naturaleza para desarrollar el petróleo, pero sin la necesidad de esperar millones de años. Vale destacar, igualmente, que no se trata de un sistema mágico y que aún restan resolver varios interrogantes. Al mismo tiempo, los especialistas están estudiando el potencial de algunas bacterias, como la E. coli, para el desarrollo de biocombustibles.

Savage resaltó que la parte más compleja de este nuevo método es transformar el biocombustible crudo que sale de la olla a presión y convertirlo en algo que pueda utilizarse para la propulsión de automóviles, por ejemplo. Para ello se requiere cambiar las propiedades del material para que pueda fluir con más facilidad, y hacerlo de una manera sencilla, rápida y económica.

Fuente: Tendencias21