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¿Podrían las vacas hacer mejores biocombustibles?
Un estudio de los microbios que permiten a las vacas digerir el pasto podría conducir a mejores formas de producir biocombustibles celulósicos.
Moo-crobes: Los científicos obtuvieron acceso al rumen de esta vaca a través de la abertura visible en el lado izquierdo del animal. Los investigadores utilizaron bolsas de pasto varilla colocadas dentro de los rumen de las vacas para capturar microbios que pueden fermentar la planta resistente.
Los biocombustibles elaborados a partir de desechos agrícolas, aserrín y pasto de la pradera prometen ser más económicos que los biocombustibles derivados del maíz, la caña de azúcar y otros cultivos alimentarios.
El primer paso en los biocombustibles celulósicos es convertir materiales vegetales resistentes hechos de celulosa y lignina en azúcares que luego pueden fermentarse para producir combustibles. Pero esto es caro y actualmente requiere una gran cantidad de enzimas para degradar la celulosa. Estamos hablando de camiones cargados, dice Frances Arnold , profesor de ingeniería química en Caltech que no participó en la investigación de las vacas. Necesitamos una reducción de dos a cinco veces en el costo de las enzimas, dice ella.
Por el contrario, los microbios que viven en la parte del tracto digestivo bovino llamada rumen han convertido la celulosa en azúcar de manera eficiente durante millones de años. Los investigadores esperan que una nueva base de datos de 28.000 genes secuenciados a partir de microbios implicados en la digestión bovina ayude a los ingenieros a encontrar nuevas enzimas y a reducir el coste de fabricación de biocombustibles celulósicos.
Hasta ahora, los fabricantes han reducido los costos de fabricación de enzimas celulolíticas principalmente cambiando los métodos de procesamiento. Otro enfoque sería producir enzimas que funcionen más rápido o que funcionen en diferentes condiciones, como temperaturas extremas, que podrían facilitar la descomposición de la materia vegetal. Para comenzar a reducir los costos de fabricación de biocombustibles celulósicos, necesitamos nuevas enzimas que hagan más, dice Eddy Rubin , director del Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de EE. UU. Rubin dirigió el estudio de microbios en vacas.
El problema es que se estima que el 99,9 por ciento de todos los microbios en la tierra, incluidos los del rumen de las vacas, no se pueden cultivar en el laboratorio. Por lo tanto, los bioprospectores que buscan enzimas microbianas naturales con promesas industriales han tenido un grupo muy limitado de material con el que trabajar. Afortunadamente, las nuevas tecnologías de secuenciación de genes están cambiando eso, lo que permite a los investigadores descubrir enzimas microbianas al observar sus genes. Sin tener que cultivar microbios en el laboratorio, los investigadores pueden secuenciar todo el material genético presente en un ecosistema completo y luego analizar estos datos en busca de genes de interés. Este tipo de investigación se llama metagenómica.
El grupo de Rubin comenzó su búsqueda de mejores enzimas celulolíticas mediante el estudio de las termitas en 2007. Los microbios que viven en las entrañas de las termitas fermentan el forraje leñoso en azúcares. El problema con las termitas, dice Rubin, era que era difícil conseguir mucho material para trabajar porque las tripas de las termitas son pequeñas. Los estudios no generaron muchos de los genes completos necesarios para producir enzimas de trabajo.
El rumen de la vaca puede contener más de 150 litros de alimentos para digerir, lo que brinda a los investigadores suficiente material con el que trabajar. Las vacas son sujetos de prueba particularmente ventajosos para este tipo de estudio por otra razón. Los científicos agrícolas han desarrollado un sistema para colocar una abertura cubierta por una ventana en el rumen de las vacas. Es literalmente posible mirar dentro del estómago a través de esta ventana, llamada fístula, y colocar muestras experimentales dentro y luego extraerlas. Trabajando con investigadores de la Universidad de Illinois que tienen vacas con fístulas en el campus, los investigadores del Joint Genome Institute colocaron bolsas de hierba varilla en el estómago de las vacas, las dejaron reposar durante 48 horas y las sacaron nuevamente. Se presume que los microbios que se encuentran adheridos al pasto varilla están involucrados en su fermentación.
Luego, los investigadores separaron los microbios, los descompusieron y secuenciaron todo el material genético que encontraron. Los investigadores pudieron producir una enorme cantidad de datos sobre los genes y algunos de los genomas que se encuentran en el rumen de las vacas. Encontraron alrededor de 250 mil millones de pares de bases de genes, aproximadamente 10 veces más de los que componen el genoma humano.
El desafío fue entonces interpretar todos esos datos. Usando las instalaciones de computación de alto rendimiento en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de California, el grupo comparó las secuencias de microbios de vaca con una base de datos de secuencias que se sabe que codifican enzimas que descomponen los carbohidratos. Esto condujo a un conjunto de 28.000 genes para estudios adicionales. Luego, los investigadores utilizaron bacterias de laboratorio para producir las proteínas codificadas por 90 de estos genes y probaron su funcionalidad. Aproximadamente la mitad de ellos pudieron descomponer los materiales celulósicos.
Además de los 28.000 genes identificados, los investigadores pudieron volver a ensamblar los genomas de varias especies microbianas no descubiertas anteriormente. Para probar esta parte del estudio, aislaron una sola célula bacteriana no cultivable de las muestras de rumen y secuenciaron su genoma. Coincidía con uno de los que habían ensamblado. Esta verificación de la realidad biológica nos da bastante confianza, dice Rubin.
No está claro cómo se utilizará la nueva base de datos. Es una enciclopedia para que la gente la saque, dice Rubin.
Los esfuerzos anteriores para crear nuevas enzimas celulíticas no han dado muchos frutos. Hay dos maneras de hacerlo. Una es tratar de hacer que las enzimas sean más activas. Otra forma, una que Rubin y Arnold de Caltech consideran más prometedora, es encontrar o producir enzimas que no solo sean más activas, sino que también funcionen en condiciones extremas que podrían ayudar a facilitar la descomposición de plantas difíciles, como las de alta temperatura, alta temperatura. -Soluciones de sal: condiciones que desestabilizan las enzimas actuales.
Mientras tanto, los investigadores están aplicando el análisis metagenómico a otras comunidades microbianas que fermentan plantas resistentes. David Weiner, director de investigación y desarrollo de la empresa de enzimas Verenium , dice que su compañía ya tiene enzimas de termitas y microbios en su línea de evaluación de productos. La compañía participó en los estudios anteriores de termitas realizados por los investigadores del Joint Genome Institute y ha desarrollado una plataforma para acelerar las pruebas de nuevas enzimas. Weiner dice que la compañía también está buscando genes de enzimas en otros rumiantes, incluidas las cebras, y en muestras tomadas, por ejemplo, de troncos en descomposición. Verenium vendió parte de su negocio de enzimas celulolíticas a BP el otoño pasado.