¿Son los árboles el futuro de la producción química industrial?
El hallazgo podría ayudar a convertir los árboles en productos químicos industriales más ecológicos y asequibles
Los árboles son el recurso natural más abundante que habita las masas terrestres de la Tierra, y los científicos e ingenieros de la Universidad Estatal de Carolina del Norte están avanzando en la búsqueda de formas de utilizarlos como alternativas sostenibles y respetuosas con el medio ambiente a la producción de productos químicos industriales a partir del petróleo.
Bob Kelly (i) y Jack Wang observan los álamos en un invernadero del Centennial Campus de NC State.
Photo courtesy of Dee Shore, NC State University
La lignina, un polímero que hace que los árboles sean rígidos y resistentes a la degradación, ha resultado problemática. Ahora los investigadores de NC State saben por qué: Han identificado la propiedad molecular específica de la lignina -su contenido en metoxi- que determina lo difícil o fácil que sería utilizar la fermentación microbiana para convertir árboles y otras plantas en productos químicos industriales.
Estos hallazgos nos acercan un poco más a la fabricación de productos químicos industriales a partir de árboles como alternativa económica y medioambientalmente sostenible a los derivados del petróleo", afirma Robert Kelly, autor de un artículo publicado en la revista Science Advances en el que se detalla el descubrimiento.
El grupo de Kelly había demostrado anteriormente que ciertas bacterias termófilas extremas, que prosperan en lugares como las fuentes termales del Parque Nacional de Yellowstone, pueden degradar la celulosa de los árboles, pero "no en gran medida", dijo. "En otras palabras, no al nivel que tendría sentido económico y medioambiental para producir productos químicos industriales".
Como explicó Kelly, "resulta que hay algo más que un bajo nivel de lignina en juego".
Para sortear el problema de la lignina alta en los árboles, Kelly, director del Programa de Biotecnología de NC State y catedrático de Alcoa en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, lleva más de 10 años trabajando con el profesor asociado Jack Wang, director del Programa de Biotecnología Forestal de la Facultad de Recursos Naturales de NC State. Wang también es miembro del profesorado de la Iniciativa de Ciencias Vegetales de Carolina del Norte.
Como se publicó en la revista Science en 2023, Wang y sus colegas utilizaron la tecnología de edición del genoma CRISPR para crear álamos con un contenido y una composición de lignina modificados. Se han centrado en los álamos porque crecen rápido, requieren un uso mínimo de pesticidas y crecen en tierras marginales en las que es difícil cultivar alimentos.
El grupo de Kelly descubrió que algunos de estos árboles editados con CRISPR, aunque no todos, funcionaban bien para la degradación microbiana y la fermentación. Como explicó su antiguo estudiante de doctorado Ryan Bing, resulta que estas bacterias tienen diferentes apetitos por distintos tipos de plantas.
"Podemos aprovechar la capacidad de ciertas bacterias termófilas de fuentes termales de lugares como el Parque Nacional de Yellowstone para comer la materia vegetal y convertirla en productos de interés. Sin embargo, estas bacterias tienen distintos apetitos por diferentes tipos de plantas", explica Bing, que ahora trabaja como ingeniero metabólico senior para Capra Biosciences en Sterling (Virginia).
"La pregunta era ¿por qué? ¿Qué hace que una planta sea mejor que otra? "Encontramos una respuesta a esto observando cómo estas bacterias comen materia vegetal de diversas composiciones".
En un estudio de seguimiento, Kelly y Bing comprobaron hasta qué punto una bacteria modificada genéticamente y aislada originalmente de las aguas termales de Kamchutka (Rusia), Anaerocellum bescii, descomponía los álamos modificados por Wang con contenidos y composición de lignina marcadamente diferentes.
Los investigadores descubrieron que cuanto menor era el contenido de metoxi de lignina del árbol, más degradable era.
"Esto aclara el misterio de por qué la lignina baja por sí sola no es la clave: el problema está en los detalles", afirma Kelly. "Un contenido bajo en metoxi probablemente hace que la celulosa esté más disponible para las bacterias".
Wang había creado los álamos bajos en lignina para que fueran mejores para la fabricación de papel y otros productos de fibra, pero la investigación reciente sugiere que los álamos manipulados que no sólo tienen baja lignina sino también bajo contenido en metoxi son mejores para fabricar productos químicos mediante fermentación microbiana.
Los álamos modificados de Wang crecen bien en el invernadero, pero aún no hay resultados de las pruebas de campo. El grupo de Kelly ya ha demostrado que los álamos con bajo contenido en lignina pueden convertirse en productos químicos industriales, como acetona y gas hidrógeno, con resultados económicos favorables y un bajo impacto ambiental.
Si estos árboles aguantan en el campo y "si seguimos trabajando por nuestra parte", dijo Kelly, "tendremos microbios que fabrican grandes cantidades de productos químicos a partir de álamos, ahora que conocemos el marcador que hay que buscar: el contenido de metoxi".
Esto da a los investigadores, como Wang, un objetivo específico para producir las líneas de chopo más adecuadas para la producción química. Wang y sus colegas han iniciado recientemente ensayos de campo con álamos modificados con lignina avanzada para abordar esta cuestión.
En la actualidad, la producción de productos químicos a partir de los árboles se puede hacer por medios tradicionales: cortando la madera en trozos más pequeños y utilizando productos químicos y enzimas para pretratarla para su posterior procesamiento.
El uso de microbios artificiales para descomponer la lignina ofrece ventajas, como menores necesidades energéticas y menor impacto ambiental, explica Kelly.
Las enzimas pueden utilizarse para descomponer la celulosa en azúcares simples, pero hay que añadirlas continuamente al proceso. Ciertos microorganismos, en cambio, producen continuamente las enzimas clave que hacen que el proceso microbiano sea más económico.
"Además, pueden hacer un trabajo mucho mejor que las enzimas y los productos químicos", añadió Kelly. "No sólo descomponen la celulosa, sino que también la fermentan para obtener productos, como el etanol, todo en un solo paso".
"Las altas temperaturas a las que crecen estas bacterias también evitan la necesidad de trabajar en condiciones estériles, como habría que hacer con microorganismos menos termófilos para evitar la contaminación", añadió. "Esto significa que el proceso para convertir árboles en sustancias químicas puede funcionar como un proceso industrial convencional, lo que hace más probable su adopción".
Daniel Sulis, otro de los autores del artículo de Science Advances e investigador postdoctoral en el laboratorio de Wang, afirmó que los desastres medioambientales provocados por el cambio climático ponen de relieve la urgente necesidad de llevar a cabo investigaciones que encuentren formas de reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
"Una solución prometedora consiste en aprovechar los árboles para satisfacer las necesidades de la sociedad en cuanto a productos químicos, combustibles y otros productos biológicos, salvaguardando al mismo tiempo el planeta y el bienestar humano", añadió Sulis.
"Estos hallazgos no sólo hacen avanzar este campo, sino que también sientan las bases para otras innovaciones en el uso de árboles para aplicaciones de base biológica sostenibles".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Ryan G. Bing, Daniel B. Sulis, Morgan J. Carey, Mohamad J. H. Manesh, Kathryne C. Ford, Christopher T. Straub, Tunyaboon Laemthong, Benjamin H. Alexander, Daniel J. Willard, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Jack P. Wang, Michael W. W. Adams, Robert M. Kelly; "Beyond low lignin: Identifying the primary barrier to plant biomass conversion by fermentative bacteria"; Science Advances, Volume 10
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