Este blog está asociado a las páginas web de las asignaturas de Microbiología del Grado de Biotecnología y del Grado de Ciencias Ambientales de la UMH.

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sábado, 2 de junio de 2012

Producción de Biofuel

CONVERSIÓN DE PROTEINAS EN BIOFUEL POR INGENIERÍA DE FLUJO DE NITRÓGENO.

      Actualmente, la obtención de biofuel (alcoholes) se realiza a partir de carbohidratos y lípidos provenientes de diversos vegetales y conlleva la producción de proteínas como producto de desecho. Este producto secundario suele venderse a la industria ganadera como piensos. No obstante, esta industria no está preparada para amortiguar tan ingente cantidad de piensos. Además, esta acumulación de nitrógeno en forma de aminoácidos, que se agrava con la expansión de la esta industria, puede desequilibrar el ciclo de nitrógeno. Por tanto, se hace necesaria la búsqueda de un tratamiento para estos residuos proteicos.

La solución que nos plantean los autores del artículo Conversion of protein into biofuels by engineering nitrogen flux  es el tratamiento de estos residuos proteicos, para darles uso como materia prima en la producción de biofuel. Además, se obtendrían productos químicos de interés, como fármacos, plásticos… etc., utilizados en industria. Se presenta, por tanto, una alternativa versátil al petróleo, del que se derivan usualmente estos compuestos, además de extraer de él combustible.

Sin embargo, esta solución no es viable a día de hoy debido al alto coste que supone la desaminación de los aminoácidos (componentes de las proteínas), es decir, la eliminación de su grupo amino (ver imagen).


Estos investigadores, coordinados por James C Liao, han desarrollado un método mediante ingeniería metabólica que optimiza este proceso de desaminación. Es decir, han modificado el metabolismo de ciertos organismos para llevar a cabo el proceso de manera más eficiente.
Dada la dificultad de convertir los aminoácidos en biofueles de manera directa, debido al alto coste energético de esta reacción, se hace necesario realizar un paso intermedio: convertir los aminoácidos en cetoácidos, de los que sí podremos obtener alcoholes.
Pero, a pesar de esta desviación de la ruta normal, estas reacciones siguen siendo energéticamente desfavorables, por lo que se hace necesaria una fuerza que impulse todo este metabolismo. Para ello se usarán aminoácidos de nuevo que, en lugar de ser convertidos en cetoácidos,  serán desaminados a tricarboxilatos, desde los que se pueden obtener piruvato y obtener así el suplemento energético necesario.

Además, se bloqueará la recaptación de amoniaco inherente a la bacteria, de manera éste sólo saldría de la célula, con lo que las reacciones de desaminación se verían favorecidas por el desplazamiento del equilibrio hacia la aparición de amoniaco libre y con él, cetoácidos (Principio de Le Châtelier).

El procedimiento experimental seguido por los investigadores fue el que sigue:
Tomaron una estirpe inicial de Escherichia coli (JCL16), no productora de biofueles se llevaron a cabo una seria de métodos de modificación para obtener cepas de interés:

> Métodos para mutagenizar.
- Se mutagenizó al azar todo el genoma con N-metil-N’-nitro-N-nitrosoguanidina (NTG).
Recombinación homóloga con el fago P1 (mutagénesis dirigida).
> Métodos para seleccionar.
- Se utilizó un medio selectivo, en el que la única fuente de carbono eran proteínas, de manera que sólo crecerán en él cepas que sean capaces de servirse de proteínas como fuente de energía y carbono.
- Se añade norvalina, que  es un compuesto muy similar a la valina, y que  si se incorpora en una cadena polipeptídica resulta tóxica. Esta toxicidad sólo podría ser superada con una mutación de superproducción de la forma ceto de la valina, de modo que la bacteria sea capaz de sintetizar su propia valina a partir de la forma ceto y no requiera la captación de valina del medio. Si buscase valina exógena, también encontraría norvalina y, al incorporarla a sus cadenas moriría.

Secuencialmente, los pasos seguidos fueron los siguientes:

1. Modificar ruta de ceto-ácidos para dar carburantes. Se transforman las rutas de los ceto-ácidos para dar biofueles (alcoholes) y se prueba la producción de isobutanol.
2. Hacer estirpe menos sensible al etanol. Se muta un autoinductor (quorum-sensing) que se encarga de sensibilizar a la célula, de forma que detiene su crecimiento al alcanzarse en el medio ciertas concentraciones de alcohol, que no deja de ser para la célula un producto de desecho. En situaciones normales, se inhibe con la glucosa, pero al no haber más que proteínas como fuente de carbono, se hace necesaria una inhibición “forzada”. Se elegirán aquellos con menor sensibilidad a la presencia de alcoholes.
3. Eliminar la recaptación de NH3.  Como ya hemos comentado anteriormente, mediante recombinación homóloga. Se eliminaron las proteínas encargadas de la captación de amoníaco (NH3) de la bacteria.
4. Liberar los esqueletos peptídicos (modificar rutas de transaminación). Evitar que el grupo amino arrancado a un aminoácido se incorpore a otro cetoácido, lo cual es el mecanismo habitual en la célula, ya que esta tiende a no malgastar el nitrógeno, que suele ser un factor limitante.

Finalmente, se obtuvieron estirpes con una producción de alcoholes que ronda los 4000 mg de alcohol por litro de cultivo, lo cual demuestra que es posible usar las proteínas como materia prima para la producción de biofuel, con un rendimiento nada desdeñable (entorno al 56%). 

Es reseñable el aumento en la producción y el rendimiento que trae consigo la mutación de las rutas de transaminación (transamination cycles, en la figura adyacente). Además, considerando que este experimento se realizó a una escala relativamente pequeña, y que muchos de los procesos son aún susceptibles a mejorar, con lo que los horizontes de esta técnica parecen estar aún lejanos.

La investigación, hoy en día, de producción de biofueles de segunda generación se centra en el uso de algas, que requieren fotobiorreactores muy caros y cuenta con el problema adicional de la aparición de un compuesto recalcitrante, la lignocelulosa, que es un componente de la pared celular de las algas.

Con esta alternativa propuesta por los autores, se podrían evitar esos inconvenientes y además, no se desequilibraría el ciclo del nitrógeno (cerrándolo de manera sostenible) y teniendo posibles usos futuros como nitrógeno reciclado (refiriéndonos ahora al excedente de amonio que es expulsado por las estirpes). Por otro lado, se le daría a las proteínas mucha más utilidad de la que tienen actualmente. Al fin y al cabo, es un proceso a priori menos contaminante, más energético y más económico.

Es muy probable que las grandes ventajas que presentan la utilización de proteínas para la obtención de biofuel hagan que se empiece a desarrollar potencialmente esta alternativa y que se utilice a gran escala en los próximos años.



Referencia bibliográfica: 
  • Yi-Xin Huo, et al.
  • Conversion of proteins into biofuels by engineering nitrogen flux.


    Realizado por: Carlos Tarancón Pascual, Cristina Palacios Rodríguez, Daniel Blasco Espada, Eva Rodríguez Alcocer y Vicente Candela Noguera.


    1 comentario:

    1. Buenas

      Simplemente comentaros lo que he dicho a otros grupos. Sería conveniente añadir enlaces que completasen la información (además de los que habéis añadido) por ejemplo uno para el ciclo del nitrógeno en la naturaleza, o para el quorum -sensing.

      También sería conveniente que apareciera el vocablo "biocombustible" además del de biofuel.

      Saludos

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