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Manera rentable de convertir plantas en fuentes de energía renovables

Los científicos han demostrado una nueva tecnología en la que las bacterias creadas mediante bioingeniería pueden producir químicos/polímeros rentables a partir de energías renovables. planta fuentes

Lignina es un material que forma parte de la pared celular de todas las plantas terrestres. Es el segundo polímero natural más abundante después de la celulosa. Este material es el único polímero que se encuentra en las plantas y que no está compuesto de carbohidratos (azúcar) monómeros. Los biopolímeros de lignocelulosa aportan forma, estabilidad, resistencia y rigidez a las plantas. Los biopolímeros de lignocelulosa constan de tres componentes principales: la celulosa y la hemicelulosa forman una estructura en la que se incorpora la lignina como una especie de conector solidificando así la pared celular. La lignificación de la pared celular hace que las plantas sean resistentes al viento y a las plagas y les ayuda a no pudrirse. La lignina es un recurso de energía renovable vasto pero muy infrautilizado. La lignina, que representa hasta el 30 por ciento de la biomasa de lignocelulosa, es un tesoro sin explotar, al menos desde el punto de vista químico. La industria química depende principalmente de compuestos de carbono para crear diferentes productos como pinturas, fibras artificiales, fertilizantes y, lo más importante, plástico. Esta industria utiliza algunos recursos renovables como aceite vegetal, almidón, celulosa, etc., pero esto comprende sólo el 13 por ciento de todos los compuestos.

Lignina, una alternativa prometedora al petróleo para fabricar productos

De hecho, la lignina es la única fuente renovable del mundo que contiene una gran cantidad de compuestos aromáticos. Esto es importante porque los compuestos aromáticos generalmente se extraen del petróleo de fuente no renovable y luego se usan para producir plástica, pinturas, etc. Por tanto, el potencial de la lignina es muy alto. En comparación con el petróleo, que es un combustible fósil no renovable, las lignocelulosas se derivan de madera, paja o Miscanthus que son fuentes renovables. La lignina se puede cultivar en campos y bosques y, por lo general, es neutra con el clima. Las lignocelulosas se están considerando como una seria alternativa al petróleo en las últimas décadas. El petróleo impulsa la industria química en la actualidad. El petróleo es una materia prima para muchos productos químicos básicos que luego se utilizan para producir productos útiles. Pero el petróleo es una fuente no renovable y está disminuyendo, por lo que es necesario centrarse en encontrar fuentes renovables. Esto introduce la lignina en el panorama, ya que parece ser una alternativa muy prometedora.

La lignina está llena de alta energía, pero recuperar esta energía es complicado y un proceso costoso y, por lo tanto, incluso el biocombustible generado, ya que el resultado final generalmente tiene un costo muy alto y no puede reemplazar económicamente la "energía de transporte" actualmente en uso. Se han investigado muchos enfoques para desarrollar formas rentables de descomponer la lignina y convertirla en sustancias químicas valiosas. Sin embargo, varias limitaciones han restringido la conversión de una materia vegetal táctil como la lignina para usarla como fuente de energía alternativa o incluso intentar hacerla más rentable. Un estudio reciente ha logrado que las bacterias (E. Coli) actúen como una fábrica de células de bioconversión eficiente y productiva. Las bacterias crecen y se multiplican muy rápido y son capaces de soportar duros procesos industriales. Esta información se combinó con la comprensión de los degradadores de lignina disponibles de forma natural. El trabajo fue publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU.

El equipo de investigadores dirigido por el Dr. Seema Singh de los Laboratorios Nacionales Sandia resolvió tres problemas principales que surgen al convertir la lignina en productos químicos de plataforma. El primer gran obstáculo es que bacterias fotosintéticas E. Coli generalmente no produce las enzimas necesarias para la conversión. Los científicos tienden a resolver este problema de producir enzimas agregando un "inductor" al anillo de fermentación. Estos inductores son eficaces pero muy caros y, por tanto, no encajan bien en el concepto de biorrefinerías. Los investigadores probaron un concepto en el que un compuesto derivado de la lignina, como la vainilla, se utilizaba como sustrato y como inductor mediante la ingeniería del bacterias fotosintéticas E. coli. Esto evitaría la necesidad de un inductor costoso. Sin embargo, como descubrió el grupo, la vainilla no era una buena opción, particularmente porque una vez que la lignina se descompone, la vainilla se produce en grandes cantidades y comienza a inhibir la función de E. Coli, es decir, la vainilla comienza a crear toxicidad. Pero esto funcionó a su favor cuando diseñaron el bacterias fotosintéticas. En el nuevo escenario, la misma sustancia química que es tóxica para la E. Coli se utiliza para iniciar el complejo proceso de “valorización de la lignina”. Una vez que la vainilla está presente, activa las enzimas y las bacterias comienzan a convertir la vainillina en catecol, que es la sustancia química deseada. Además, la cantidad de vainillina nunca alcanza el nivel tóxico, ya que se autorregula en el sistema actual. El tercer y último problema fue el de la eficiencia. El sistema de conversión era lento y pasivo, por lo que los investigadores buscaron transportadores más eficaces de otras bacterias y los diseñaron en E. Coli, que luego aceleró el proceso. Superar los problemas de toxicidad y eficiencia mediante soluciones tan innovadoras puede ayudar a que la producción de biocombustibles sea un proceso más económico. Y la eliminación de un inductor externo junto con la incorporación de autorregulación puede optimizar aún más el proceso de fabricación de biocombustibles.

Está bien establecido que una vez que la lignina se descompone, tiene la capacidad de proporcionar o, más bien, "otorgar" valiosos productos químicos de plataforma que luego se pueden convertir en nailon, plásticos, productos farmacéuticos y otros productos importantes que actualmente se derivan del petróleo, un no -Fuente de energía renovable. Este estudio es relevante por ser un paso hacia la investigación y el desarrollo de soluciones rentables para biocombustibles y bioproducción. Mediante el uso de la tecnología de bioingeniería, podemos producir grandes cantidades de sustancias químicas de plataforma y varios otros productos finales nuevos, no solo con E. coli bacteriana sino también con otros huéspedes microbianos. La investigación futura de los autores se centrará en demostrar una producción económica de estos productos. Esta investigación tiene un gran impacto en los procesos de generación de energía y la expansión del abanico de posibilidades de los productos ecológicos. Los autores señalan que en un futuro cercano la lignocelulosa debería complementar definitivamente el petróleo, si no reemplazarlo.

***

{Puede leer el trabajo de investigación original haciendo clic en el enlace DOI que figura a continuación en la lista de fuentes citadas}

Fuentes)

Wu W y col. 2018. Hacia la ingeniería de E. coli con un sistema autorregulador para la valorización de la lignina ', Actas de la Academia Nacional de Ciencias. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115

Equipo SCIEU
Equipo SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
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