Los árboles son el recurso natural más abundante que vive en 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 ambientalmente benignas a la producción de productos químicos industriales a partir del petróleo.
La lignina, un polímero que hace que los árboles sean rígidos y resistentes a la degradación, ha resultado problemática. Ahora esos investigadores de NC State saben por qué: han identificado la propiedad molecular específica de la lignina (su contenido de metoxi) que determina qué tan difícil o fácil sería utilizar la fermentación microbiana para convertir árboles y otras plantas en productos químicos industriales. .
Los hallazgos nos acercan un paso más a la fabricación de productos químicos industriales a partir de árboles como una alternativa económica y ambientalmente sostenible a los productos químicos derivados del petróleo, dijo Robert Kelly, autor correspondiente de un artículo en la revista Avances científicos detallando el descubrimiento.
El grupo de Kelly demostró previamente que ciertas bacterias termófilas extremas, que prosperan en lugares como las aguas 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 solucionar el problema del alto contenido de lignina en los árboles, Kelly, director del Programa de Biotecnología de Carolina del Norte y profesor de Alcoa en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, ha estado trabajando durante más de 10 años con el Profesor Asociado Jack Wang, director del Departamento de Biotecnología Forestal. Programa en la Facultad de Recursos Naturales de NC State. 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 modificados. Se han centrado en los álamos porque crecen rápidamente, 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, pero no todos, de estos árboles editados con CRISPR funcionaban bien para la degradación y fermentación microbiana. Como su anterior Ph.D. Como explicó el estudiante Ryan Bing, resulta que estas bacterias tienen diferentes apetitos por diferentes tipos de plantas.
«Podemos aprovechar la capacidad de ciertas bacterias termófilas de aguas termales en lugares como el Parque Nacional de Yellowstone para comer materia vegetal y convertirla en productos de interés. Sin embargo, estas bacterias tienen diferentes apetitos por diferentes tipos de plantas», dijo Bing, quien 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 la siguiente?» explicó. «Encontramos una respuesta a esto observando cómo estas bacterias comen materia vegetal de diversas composiciones».
En un estudio de seguimiento, Kelly y Bing probaron qué tan bien una bacteria genéticamente aislada originalmente de aguas termales en Kamchutka, Rusia, Anaerocellum bescii, descomponía los álamos diseñados por Wang con contenidos y composición de lignina marcadamente diferentes.
Los investigadores descubrieron que cuanto menor era el contenido de lignina metoxi del árbol, más degradable era.
«Esto aclaró el misterio de por qué la lignina inferior por sí sola no es la clave; el diablo estaba en los detalles», dijo Kelly. «El bajo contenido de 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 modificados que no sólo tienen un bajo contenido de lignina sino también un bajo contenido de metoxi son los mejores para producir productos químicos mediante fermentación microbiana.
Los álamos diseñados por Wang crecen bien en el invernadero, pero aún no se han obtenido resultados de las pruebas de campo. 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 seguimos trabajando por nuestra parte», dijo Kelly, «tendremos microbios que producirán grandes cantidades de sustancias químicas a partir de los álamos, ahora que sabemos cuál es el marcador que debemos buscar: el metoxi». contenido.»
Esto brinda a investigadores, como Wang, un objetivo específico para producir líneas de álamo más adecuadas para la producción química. Wang y sus colegas han iniciado recientemente pruebas de campo con álamos modificados con lignina avanzada para abordar esta cuestión.
Actualmente, fabricar productos químicos a partir de árboles es factible por medios tradicionales: cortar la madera en trozos más pequeños y luego utilizar productos químicos y enzimas para pretratarla y procesarla posteriormente.
El uso de microbios diseñados para descomponer la lignina ofrece ventajas, incluidos menores requisitos de energía y un menor impacto ambiental, dijo Kelly.
Se pueden utilizar enzimas para descomponer la celulosa en azúcares simples, pero es necesario agregarlas continuamente al proceso. Ciertos microorganismos, por otro lado, producen continuamente enzimas clave que hacen que el proceso microbiano sea más económico, dijo.
«También 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 en 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, ya que sería necesario hacerlo con microorganismos menos termófilos para evitar la contaminación», añade. «Esto significa que el proceso para convertir árboles en productos químicos puede funcionar como un proceso industrial convencional, lo que hace que sea más probable que se adopte».
Daniel Sulis, otro autor sobre el Avances científicos El artículo e investigador postdoctoral en el laboratorio de Wang, dijo que los desastres ambientales impulsados por el cambio climático resaltan la necesidad urgente de realizar investigaciones que encuentren formas de reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
«Una solución prometedora reside en aprovechar los árboles para satisfacer las necesidades de la sociedad en materia de productos químicos, combustibles y otros productos de origen biológico, salvaguardando al mismo tiempo tanto el planeta como el bienestar humano», añadió Sulis.
«Estos hallazgos no sólo hacen avanzar el campo, sino que también sientan las bases para futuras innovaciones en el uso de árboles para aplicaciones biológicas sostenibles».
