Los árboles son el recurso natural más abundante que habita en las masas terrestres de la Tierra, y los científicos e ingenieros de la Universidad Estatal de Carolina del Norte están avanzando para encontrar 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 degradación, ha resultado problemática. Ahora esos investigadores de NC State saben por qué: han identificado propiedades moleculares específicas de la lignina (su componente metoxi) que determinan qué tan difícil o fácil será utilizar la fermentación microbiana para convertir árboles y otras plantas en productos químicos industriales. .
La investigación nos ha acercado un paso más a la fabricación de productos químicos industriales a partir de plantas como alternativas económica y ambientalmente sostenibles a los productos químicos derivados del petróleo, dijo Robert Kelly, autor correspondiente de un artículo en la revista. Avances de la ciencia Detalles del descubrimiento.
El grupo de Kelly demostró previamente que algunas bacterias termófilas extremas, que prosperan en lugares como las aguas termales del Parque Nacional de Yellowstone, pueden degradar la celulosa vegetal, pero “no en gran medida”, dijo. “En otras palabras, no a un nivel que tenga sentido económico y ambiental para la producción química industrial”.
Como explica Kelly, “Resulta que hay más en juego que el bajo nivel de lignina”.
Para resolver el problema del alto contenido de lignina en los árboles, Kelly, director del programa de biotecnología de NC State y profesor Alco en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, ha estado trabajando con Jack Wang, profesor asociado de biotecnología forestal, durante más de 10 años. 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 composición de lignina alterados. Se centraron en los álamos porque crecen rápidamente, requieren un uso mínimo de pesticidas y crecen en tierras marginales donde los cultivos alimentarios son difíciles de cultivar.
El grupo de Kelly descubrió que algunas, pero no todas, de estas plantas editadas con CRISPR funcionaban bien para la degradación y fermentación microbiana. Su antiguo doctorado. 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 en lugares como el Parque Nacional de Yellowstone para comer material vegetal y convertirlo en productos de interés. Sin embargo, estas bacterias tienen diferentes apetitos por diferentes tipos de plantas”, dijo Bing, quien es Ahora en Virginia, Capra se desempeña como ingeniero metabólico senior en biociencias.
“La pregunta era ¿por qué? ¿Qué hace que un árbol sea mejor que el otro?” Explicó. “Encontramos una 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, Anarocellum bassii, descomponía los álamos modificados por Wang con contenido y composición de lignina significativamente diferentes.
Los investigadores descubrieron que cuanto menor era el contenido de metoxi de la lignina en el árbol, más degradada estaba.
“Aclaró el misterio de 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 desarrolló álamos bajos en lignina para hacerlos mejores para la fabricación de papel y otros productos de fibra, pero investigaciones recientes sugieren que los álamos modificados que no sólo tienen menos lignina sino también un menor contenido de metoxi son los mejores para producir el químico mediante fermentación microbiana.
El álamo diseñado por Wang crece bien en invernaderos, 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 se mantienen en el campo y “si continuamos trabajando por nuestra parte”, dijo Kelly, “tendremos microbios que producirán muchos químicos a partir de los álamos, ahora sabemos cuál es el marcador que debemos buscar: el contenido de metoxi.”
Esto brinda a investigadores como Wang un objetivo específico para crear las líneas de álamo más adecuadas para la producción química. Wang y sus colegas comenzaron recientemente pruebas de campo con álamos mejorados modificados con lignina para abordar esta cuestión.
Actualmente es posible fabricar productos químicos a partir de árboles de forma tradicional: cortando la madera en trozos pequeños y pretratándola para su posterior procesamiento utilizando productos químicos y enzimas.
El uso de microbios diseñados para descomponer la lignina ofrece ventajas que incluyen menores requisitos de energía y un menor impacto ambiental, dijo Kelly.
Se pueden utilizar enzimas para descomponer la celulosa en azúcares simples, pero deben agregarse continuamente al proceso. Algunos microorganismos, por otro lado, producen continuamente enzimas clave que hacen que el proceso microbiano sea más económico, afirmó.
“Pueden funcionar mucho 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 evita la necesidad de trabajar en condiciones estériles, porque hay que trabajar con microorganismos menos termófilos para evitar la contaminación”, añadió. “Esto significa que el proceso de convertir plantas en productos químicos puede funcionar como un proceso industrial convencional, lo que hace que sea más probable que se adopte”.
Daniel Sulis, otro autor Avances de 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 para encontrar formas de reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
“Una solución prometedora es plantar árboles para satisfacer las necesidades de la sociedad en materia de productos químicos, combustibles y otros productos de origen biológico, protegiendo al mismo tiempo el planeta y el bienestar humano”, añadió Sulis.
“Estos hallazgos no sólo hacen avanzar el campo sino que también sientan las bases para una mayor innovación en el uso de árboles para aplicaciones sustentables de base biológica”.