A medida que las temperaturas globales y la demanda de energía aumentan simultáneamente, la búsqueda de fuentes de combustible sostenibles es más urgente que nunca.
por Grace Niewijk, Universidad Purdue
Pero, ¿cómo es posible que la energía renovable se amplíe para reemplazar las grandes cantidades de petróleo y gas que consumimos?
La energía de las plantas es una parte importante de la respuesta, dice la científica de Purdue Maureen McCann.
«Las plantas son la base de la bioeconomía futura», dice. «En mi opinión, construir una economía sostenible significa que dejamos de extraer carbono del suelo y comenzamos a utilizar mil quinientos millones de toneladas de biomasa disponible en los EE. UU. Anualmente. Esa es la reserva estratégica de carbono que debemos explotar. para desplazar el aceite «.
McCann es profesor de ciencias biológicas, ex director del Energy Center en Purdue’s Discovery Park y presidente electo de la American Society of Plant Biologists. Ha dedicado su carrera académica a estudiar las paredes de las células vegetales , que contienen algunas de las moléculas más complicadas de la naturaleza. Al estudiar una amplia gama de plantas, desde álamos hasta zinnias, su laboratorio ha caracterizado cientos de genes de plantas y sus productos en un esfuerzo por comprender cómo interactúan todos y cómo podrían manipularse de manera ventajosa.
La industria del etanol utiliza enzimas para descomponer los granos de maíz con almidón en moléculas de glucosa que, a su vez, son fermentadas por microorganismos para producir combustible utilizable. Muchos investigadores han estado trabajando en la posibilidad de obtener más glucosa al descomponer la celulosa, el componente fibroso principal de todas las paredes celulares de las plantas, que es mucho más abundante que el almidón. Sin embargo, McCann dice que sus métodos podrían estar ignorando un recurso valioso.
Además de la celulosa, las paredes celulares contienen muchas moléculas complejas poliaromáticas llamadas ligninas. Estos compuestos pueden interferir con las enzimas y los catalizadores que intentan acceder a la celulosa y descomponerla en glucosa útil. Como resultado, muchos laboratorios han intentado previamente crear plantas que tengan más celulosa y menos ligninas en sus paredes celulares.
Pero resulta que las ligninas son importantes para el desarrollo de las plantas y pueden ser una valiosa fuente de productos químicos. Como director del Centro de Conversión Catalítica Directa de Biomasa en Biocombustibles (C3Bio) de Purdue, McCann colaboró con químicos e ingenieros químicos para maximizar la utilización de la biomasa disponible, incluidas las ligninas. Una subvención de nueve años del Departamento de Energía de EE. UU. Financió el trabajo de los investigadores de C3Bio hacia el uso de catalizadores químicos para transformar celulosa y ligninas en hidrocarburos líquidos, que son más densos en energía que el etanol y totalmente compatibles con los motores y la infraestructura de combustible existente.
A la luz de la utilidad de las ligninas, McCann y sus colegas están interesados en estrategias alternativas de optimización de biocombustibles que no impliquen reducir el contenido de lignina de las plantas. Por ejemplo, si los investigadores pueden modular la fuerza del «pegamento» entre las células vegetales, pueden facilitar el acceso de las enzimas a la celulosa y también reducir la cantidad de energía necesaria para triturar el material vegetal . Otro enfoque implica la ingeniería genética de plantas vivas en crecimiento para incorporar catalizadores químicos en sus propias paredes celulares, lo que ayudará a que la descomposición final sea más rápida y completa.
«En ambos casos, este trabajo es un reflejo del pensamiento de la biología sintética», dice McCann. «No tomamos simplemente lo que nos da la naturaleza; pensamos en formas de mejorar el rendimiento de la biomasa utilizando la totalidad del conjunto de herramientas de genética».
McCann anima a otros a pensar en las «vías del carbono».
«Si pensamos en cómo crecen las plantas, son químicos maravillosos. Están absorbiendo dióxido de carbono de la atmósfera y agua a través de sus raíces, y convirtiendo esas moléculas simples en estructuras de pared celular altamente complejas», dice. «Cuando pensamos en hacer uso de material vegetal en una biorrefinería, un objetivo clave es asegurarnos de que cada átomo de carbono que las plantas atraparon tan cuidadosamente como parte de sus cuerpos termine en una molécula objetivo útil, ya sea un hidrocarburo líquido o un componente de algún material con propiedades avanzadas «.
Como biólogos sintéticos, McCann y los miembros de su laboratorio piensan de manera integral en la optimización de cultivos para producir alimentos, biocombustibles y materiales útiles como productos químicos especializados. Independientemente del propósito final, dice, tiene en cuenta tres dimensiones cuando piensa en la optimización: aumentar el rendimiento por acre, aumentar la calidad y el valor de cada planta y aumentar el área de tierra en la que los cultivos se pueden cultivar de manera rentable. El enfoque holístico es particularmente importante para garantizar que los científicos y los productores agrícolas logren estos objetivos sin comprometer el medio ambiente global o los ecosistemas locales.
«A medida que surge una nueva bioeconomía impulsada por las ciencias de la vida, las plantas están en la raíz de la misma de muchas maneras, tanto en términos de la energía que pueden proporcionar como del tipo de moléculas que pueden producir», dice McCann.
Por ahora, reconoce que poner fin a la dependencia económica de los combustibles fósiles es un trabajo en progreso. La transición a una economía de energía renovable requerirá múltiples niveles de cambio a lo largo del tiempo. Por ejemplo, incluso si hiciéramos el cambio por completo a automóviles eléctricos, es probable que todavía necesitemos combustibles de hidrocarburos para extraer litio para las baterías y hacer funcionar máquinas con una vida útil más larga que los automóviles, como aviones y embarcaciones oceánicas. Sin embargo, mantiene una perspectiva positiva.
«Algo que me da un gran optimismo es que estamos atravesando una revolución en nuestra capacidad para realizar nuevos descubrimientos que conduzcan a tecnologías que permitan acelerar el ritmo de los descubrimientos», dice. «Vamos a encontrar nuevas formas de convertir la energía de una forma a otra que ni siquiera habíamos imaginado. La capacidad de realizar este cambio sustancial de una economía basada en los fósiles a una basada en las energías renovables estará ahí. sólo necesito impulsarlo «.
