211service.com
Maíz preparado para producir biocombustible
En un esfuerzo por ayudar a impulsar el suministro nacional de biocombustibles, los investigadores han creado tres cepas de maíz modificado genéticamente para fabricar enzimas que descomponen la celulosa de la planta en azúcares que pueden fermentarse en etanol. La incorporación de dichas enzimas directamente en las plantas podría reducir el costo de convertir la celulosa en biocombustible.
Brotes y hojas: Para facilitar la descomposición de la celulosa en azúcares fermentables para producir etanol, Mariam Sticklen de la Universidad Estatal de Michigan está modificando genéticamente el maíz con genes que producen enzimas que degradan la celulosa en los tallos y hojas de la planta. Las enzimas se activan solo después de la cosecha del maíz, cuando la planta está triturada.
El año pasado, las nuevas regulaciones federales exigieron que la producción de combustibles renovables aumentara a 36 mil millones de galones anuales, casi cinco veces los niveles actuales, para el 2022. Hoy en día, casi todo el etanol combustible en los Estados Unidos se produce a partir de granos de maíz. Para cumplir con el aumento requerido, los investigadores están recurriendo a otras fuentes, como la celulosa, un carbohidrato complejo que se encuentra en todas las plantas. Las hojas y tallos de maíz, las hierbas de las praderas y las astillas de madera son los principales candidatos para el suministro de celulosa. El etanol celulósico tiene muchas ventajas sobre el producido a partir de granos de maíz. La celulosa no solo es extremadamente abundante y barata; Los estudios también sugieren que la producción y el uso de etanol a partir de celulosa podrían producir menos gases de efecto invernadero.
Sin embargo, el mayor obstáculo para que el etanol celulósico sea comercialmente viable es la descomposición de la celulosa. Las enzimas que degradan la celulosa, llamadas celulasas, generalmente son producidas por microbios que crecen dentro de grandes biorreactores, un proceso costoso y que consume mucha energía. Para hacer que el etanol celulósico sea realmente competitivo, realmente necesitamos reducir esos costos, dice Michael J. Blaylock, vicepresidente de desarrollo de sistemas en Edenspace, una empresa de biotecnología de cultivos con sede en Manhattan, KS.
Mariam Sticklen, profesora de ciencias de cultivos y suelos en la Universidad Estatal de Michigan, en East Lansing, pensó que podría eliminar el costo de fabricación de enzimas mediante la ingeniería de plantas de maíz para producir las enzimas por sí mismas. En lugar de depender del proceso de producción intensiva de energía en biorreactores, las plantas usan la energía libre del sol para producir las enzimas, dice ella.
Normalmente, la descomposición de la celulosa requiere tres celulasas diferentes. El año pasado, Sticklen informó haber modificado el maíz con un gen de celulasa que corta las largas cadenas de celulosa en trozos más pequeños. El gen proviene de un microbio que vive en una fuente termal. Un mes después, Sticklen insertó un gen derivado de un hongo del suelo en el genoma del maíz. Ese gen codifica una enzima que rompe los trozos más pequeños de celulosa en pares de moléculas de glucosa. En este último esfuerzo, Sticklen ha modificado el maíz para producir una enzima que divide los pares de glucosa en moléculas de azúcar individuales; la enzima es producida naturalmente por un microbio que vive dentro del estómago de una vaca. El resultado final: tres cepas de maíz, cada una de las cuales produce una enzima esencial para la descomposición completa de la celulosa.
Para evitar la posibilidad de transferir los genes a otros cultivos o plantas silvestres, las enzimas solo se producen en las hojas y los tallos de la planta, no en sus semillas, raíces o polen, dice Sticklen. Es más, para evitar que el maíz se digiera a sí mismo, diseñó las plantas para que las enzimas se acumulen solo en compartimentos especiales de almacenamiento dentro de las células, llamados vacuolas. Las celulasas se liberan solo después de la cosecha de la planta, durante el procesamiento. Sticklen describió sus cultivos modificados la semana pasada en la reunión nacional de la American Chemical Society en Nueva Orleans.
Aunque es posible incorporar los tres genes en una sola planta, dice Sticklen, usar tres variedades diferentes de maíz, cada una con un gen diferente, le permitirá controlar la conversión de celulosa en azúcares. Los estudios preliminares muestran que las enzimas son tan eficientes como las enzimas disponibles comercialmente cuando se combinan en una proporción de 1: 4: 1, dice ella. Los resultados sugieren que mezclar las tres plantas diferentes usando las mismas proporciones proporcionará el mejor resultado.
Creo que la estrategia de compartimentar las enzimas en las vacuolas es excelente, dice Susan Leschine, microbióloga de la Universidad de Massachusetts Amherst. La pregunta que tengo es, ¿funcionan las enzimas en condiciones realistas? Por ejemplo, diferentes especies de microbios secretan sus propias celulasas que funcionan sinérgicamente para eliminar las fibras de celulosa. No está claro, dice Leschine, qué tan bien funcionará una enzima extraída de un microbio que vive en una fuente termal con una enzima extraída de un hongo del suelo. Estas diferentes enzimas pueden no estar activas en las mismas condiciones, dice ella.
Edenspace, que actualmente está desarrollando la tecnología de Sticklen, espera comenzar las pruebas de campo de su maíz modificado genéticamente dentro de un año, con el objetivo de comercializar la tecnología en los próximos tres años, dice Blaylock. La empresa no es la única que persigue esta estrategia: Agrivida, una empresa de biotecnología agrícola con sede en Medford, MA, también modifica genéticamente el maíz para simplificar la producción de etanol celulósico.
Este es realmente un camino que vale la pena seguir, dice Michael Ladisch, profesor de ingeniería agrícola y biológica en la Universidad de Purdue, en West Lafayette, IN. Sin embargo, al final del día, es más complicado de lo que parece. El principal obstáculo es encontrar formas de garantizar que las enzimas sobrevivan al pretratamiento químico y físico necesario para eliminar la lignina, el polímero resistente en las paredes celulares que proporciona fuerza a las plantas, de las fibras de celulosa, dice Ladisch, quien actualmente se encuentra de licencia de Purdue se desempeñará como director técnico en Mascoma, una empresa de biocombustibles con sede en Brighton, MA.
Una solución es diseñar las plantas de modo que solo requieran un pretratamiento suave. Por ejemplo, Sticklen está trabajando para reducir la cantidad de lignina contenida en el maíz, además de modificar la configuración molecular de la lignina, lo que facilitaría su degradación. Aunque su trabajo se centra actualmente en modificar el maíz, Sticklen dice que la tecnología podría eventualmente transferirse también a otros cultivos, como el pasto varilla.