Los científicos han demostrado una nueva tecnología en la que bacterias modificadas genéticamente pueden producir productos químicos/polímeros rentables a partir de fuentes vegetales renovables.
La lignina es un material que constituye 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 que no está compuesto por monómeros de carbohidratos ( azúcares ). Los biopolímeros de lignocelulosa proporcionan forma, estabilidad, resistencia y rigidez a las plantas. Estos biopolímeros constan de tres componentes principales: la celulosa y la hemicelulosa forman una estructura en la que la lignina se incorpora 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 las protege de la putrefacción. La lignina es un recurso energético renovable vasto pero muy subutilizado. La lignina, que representa hasta el 30 por ciento de la biomasa lignocelulósica, es un tesoro sin explotar, al menos desde un punto de vista químico. La industria química depende principalmente de los compuestos de carbono para la creación de diversos productos como pinturas, fibras artificiales, fertilizantes y, sobre todo, plásticos. Si bien esta industria utiliza algunos recursos renovables como aceite vegetal, almidón, celulosa, etc., estos representan solo el 13 por ciento del total de compuestos.
Lignina, una alternativa prometedora al petróleo para fabricar productos
De hecho, la lignina es la única fuente renovable en la Tierra que contiene una gran cantidad de compuestos aromáticos. Esto es importante porque los compuestos aromáticos generalmente se extraen del petróleo, una fuente no renovable, y luego se utilizan para producir plásticos , pinturas, etc. Por lo tanto, el potencial de la lignina es muy alto. En comparación con el petróleo, que es un combustible fósil no renovable, la lignocelulosa se deriva de la madera , la paja o el Miscanthus, que son fuentes renovables. La lignina se puede cultivar en campos y bosques y, en general, es neutra para el clima. La lignocelulosa se ha considerado una alternativa seria al petróleo en las últimas décadas. El petróleo impulsa la industria química en la actualidad. El petróleo es la 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 hace que la lignina entre en escena como una alternativa muy prometedora.
La lignina posee una alta energía, pero su recuperación es un proceso complejo y costoso. Por lo tanto, incluso el biocombustible generado como resultado final suele tener un costo muy elevado y no puede reemplazar económicamente la energía utilizada actualmente para el transporte. Se han investigado diversos enfoques para desarrollar métodos rentables de descomposición de la lignina y su conversión en productos químicos valiosos. Sin embargo, varias limitaciones han restringido la conversión de materia vegetal delicada como la lignina a su uso como fuente de energía alternativa o incluso a la búsqueda de una mayor rentabilidad. Un estudio reciente ha logrado modificar genéticamente bacterias (E. coli) para que actúen como una fábrica celular de bioconversión eficiente y productiva. Estas bacterias crecen y se multiplican muy rápidamente y son capaces de soportar procesos industriales agresivos. Esta información se combinó con el conocimiento de los degradadores de lignina disponibles de forma natural. El trabajo se publicó en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos.
El equipo de investigadores liderado por la Dra. Seema Singh en los Laboratorios Nacionales Sandia resolvió tres problemas principales que se presentan al convertir la lignina en productos químicos básicos. El primer gran obstáculo es que la bacteria E. coli generalmente no produce las enzimas necesarias para la conversión. Los científicos suelen resolver este problema de la producción de enzimas agregando un "inductor" al anillo de fermentación. Estos inductores son efectivos pero son muy costosos y, por lo tanto, no se ajustan bien al concepto de biorrefinerías. Los investigadores probaron un concepto en el que se utilizó un compuesto derivado de la lignina, como la vainilla, como sustrato y también como inductor mediante ingeniería genética de la bacteria 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 la E. coli, es decir, la vainilla comienza a generar toxicidad. Pero esto funcionó a su favor cuando modificaron genéticamente la bacteria . En el nuevo escenario, el mismo compuesto químico tóxico para la E. coli se utiliza para iniciar el complejo proceso de "valorización de la lignina". Una vez presente la vainilla, activa las enzimas y las bacterias comienzan a convertir la vainillina en catecol, el compuesto químico deseado. Además, la cantidad de vainillina nunca alcanza niveles tóxicos, ya que se autorregula en el sistema actual. El tercer y último problema radicaba en la eficiencia. El sistema de conversión era lento y pasivo, por lo que los investigadores buscaron transportadores más eficaces de otras bacterias y los incorporaron a la E. coli, lo que aceleró el proceso. Superar los problemas de toxicidad y eficiencia mediante estas soluciones innovadoras puede contribuir a que la producción de biocombustible sea un proceso más económico. Asimismo, la eliminación de un inductor externo, junto con la incorporación de la autorregulación, puede optimizar aún más el proceso de producción de biocombustible.
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.
***
Fuentes)
Wu W et al. 2018. Hacia la ingeniería de E. coli con un sistema autorregulatorio para la valorización de la lignina', Proceedings of the National Academy of Sciences . 115(12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
***
 monomers.){kind=link}