El aumento de la producción de biocombustibles de segunda generación, aquellos hechos a partir de biomasa no alimentaria, como hierba de cambio, sorgo de biomasa y rastrojo de maíz, reduciría nuestra dependencia de la quema de combustibles fósiles, lo que contribuye al cambio climático.
por Brian Wallheimer, Universidad de Purdue
Varias barreras han impedido la conversión eficiente de esa biomasa. La lignina, un compuesto complejo en las paredes celulares, bloquea el acceso a los carbohidratos de las plantas que podrían dividirse en azúcares y luego fermentarse en biocombustibles. Los compuestos que mantienen unidas las células de las plantas , así como sus grupos de células muy compactas, también bloquean el acceso a los azúcares para la fermentación en combustibles.
Ahora, un equipo dirigido por la Universidad de Purdue se ha basado en el éxito en la eliminación de la barrera de lignina para resolver otros obstáculos celulares. Sus hallazgos, publicados en las revistas Plant Biotechnology Journal y Biotechnology for Biofuels , ofrecen oportunidades para aumentar significativamente la producción de biocombustibles renovables a partir de productos de desecho de cultivos y materias primas biológicas que podrían cultivarse en tierras marginales.
«La lignina ya no es un problema. Tenemos una forma de eliminarla y hacer productos útiles, así como obtener acceso a los carbohidratos de las plantas para la producción de biocombustibles», dijo Nick Carpita, profesor de Purdue en el Departamento de Botánica y Planta. Patología.
El Centro de Investigación de la Frontera Energética C3Bio de Purdue ha trabajado durante más de una década para adaptar las especies de cultivos de bioenergía para la conversión química en combustibles líquidos de hidrocarburos como la gasolina o el combustible para aviones. Dirigido por Maureen McCann, profesora de ciencias biológicas de Purdue, el equipo de C3Bio ha explorado los obstáculos además de la lignina que deben superarse para que los carbohidratos sean más accesibles para la producción de combustible.
«Eliminar la lignina no eliminó todos los problemas de recalcitración de la biomasa», dijo McCann. «Necesitábamos analizar los factores que dificultaban la degradación de la biomasa leñosa más allá de la lignina, y en su ausencia».
El ex químico de Purdue, Mahdi Abu-Omar, profesor y director de Química Verde de Mellichamp en la Universidad de California en Santa Bárbara, descubrió que usar un catalizador de níquel-carbono era un método económico y efectivo para eliminar la lignina sin degradar los carbohidratos de la planta. Sin embargo, incluso con la eliminación de la lignina, el equipo de Purdue tuvo que encontrar formas de separar las células vegetales estrechamente conectadas para que los catalizadores químicos o las levaduras utilizadas en el proceso de refinación de biocombustibles pudieran hacer su trabajo.
Los biólogos de plantas Clint Chapple, un distinguido profesor de bioquímica de Purdue, y Rick Meilan, profesor de fisiología del árbol molecular de Purdue, desarrollaron un árbol de álamo genéticamente modificado con una estructura de lignina alterada. La lignina está hecha de tres componentes básicos llamados monolignols: guaiacilo (G), p-hidroxifenol (H) y siringilo (S). Uno de los árboles desarrollados por Chapple y Meilan contiene más del 90 por ciento de S-lignina, que tiene enlaces más débiles con los carbohidratos de las plantas.
Otros álamos también fueron modificados genéticamente para permitir una fácil descomposición del rhamnogalacturonan, una sustancia similar a la pectina en la lámina media, la zona que pega las paredes de las células vegetales. Meilan y McCann sobreexpresaron genes que controlan la producción de rhamnogalacturonan liasa (RG-liasa), una enzima que descompone el rhamnogalacturonan, eliminando las conexiones entre las células.
«Aunque el rhamnogalacturonan está presente en solo el 2 por ciento de la masa de la pared celular , eliminarlo le permite deconstruir las partículas de biomasa en grupos más pequeños de células, y eso puede tener un ahorro real de energía cuando los árboles se trituran en partículas para cualquier proceso de conversión «, Dijo McCann. «La lignina también se deposita en la lámina media, pero al eliminar solo la lignina usando la catálisis de níquel-carbono, no permitió que las células se despegaran».
Con toda la lignina eliminada del álamo de Chapple y Meilan a través de la catálisis de níquel-carbono, el equipo trató las partículas de madera de álamo con ácido trifluoroacético para aflojar la celulosa cristalina apretada y su agregación en grandes haces en las paredes celulares de las plantas.
El ácido trifluoroacético hace que la celulosa se hinche, lo que facilita el acceso a las moléculas de glucosa presentes en las paredes celulares para la fermentación en etanol. O, utilizando otros catalizadores químicos descubiertos por el equipo de C3Bio, la celulosa y otros carbohidratos se pueden convertir en productos químicos de plataforma, como hidroximetilfurfural y ácido levulínico, que son sustratos o precursores de combustibles de hidrocarburos líquidos.
Por ahora, los álamos modificados no pueden cultivarse comercialmente como materia prima biológica porque son organismos genéticamente modificados. Necesitarían aprobaciones costosas y difíciles de obtener del gobierno federal para cultivar estos árboles para cualquier otro propósito que no sea la investigación. Pero el conocimiento que él, McCann y Carpita obtuvieron de ellos podría usarse en otros cultivos modificados mediante la tecnología CRISPR de edición de genes.
«Ahora sabemos cómo desmontar las paredes celulares para producir varios productos, incluido el combustible para el transporte», dijo Meilan. «Lo que estamos haciendo con el álamo puede ayudar a informar qué se está haciendo con otras materias primas celulósicas derivadas de los residuos del tallo del maíz, o el sorgo de biomasa y la hierba de cambio».
Carpita agregó que los biocombustibles pueden ser el principal producto producido, pero ciertamente no el único.
«Funcionaría para algo como el sorgo, donde podría usar CRISPR para modificar estas plantas para generar no solo biocombustibles, sino también productos químicos de la lignina y otros compuestos que eliminamos de las paredes celulares de las plantas «, dijo Carpita.
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