Investigadores del Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos (CABBI) han desarrollado una nueva variedad de sorgo que puede superar a la soja en la producción de petróleo y tiene un gran potencial como fuente limpia de combustible renovable.
Los científicos llevan mucho tiempo trabajando para desarrollar nuevas fuentes sostenibles de aceites vegetales, conocidos como triacilgliceroles (TAG), para satisfacer la creciente demanda de combustibles renovables, incluido el combustible de aviación sostenible y el diésel renovable.
Actualmente, la palma aceitera y las semillas oleaginosas como la soja proporcionan la mayor parte del TAG para los combustibles renovables, pero estas fuentes por sí solas no pueden satisfacer las necesidades globales futuras. Para resolver este problema, los investigadores están desarrollando pastos de alta biomasa, como el sorgo, para la producción de petróleo. Estos pastos son muy eficientes en la fotosíntesis, producen grandes cantidades de biomasa y pueden crecer en climas severos, lo que los convierte en excelentes candidatos.
En un nuevo estudio publicado en Plant Biotechnology Journal, los científicos de CABBI describen una tecnología para crear sorgo con alto contenido de TAG. Los investigadores diseñaron sorgo para que acumulara hasta un 5,5% de peso seco de TAG en sus hojas y un 3,5% de peso seco en sus tallos en condiciones de campo, 78 y 58 veces más que el sorgo no modificado, respectivamente. Este nivel de producción puede proporcionar aproximadamente 1,4 veces más aceite por hectárea que la soja, lo que la convierte en una nueva materia prima prometedora para combustibles renovables.
«Este trabajo es la culminación de un gran esfuerzo de equipo que demuestra cómo se puede utilizar la investigación básica para desarrollar nuevas materias primas agrícolas para satisfacer las necesidades energéticas globales», dijo Edgar Cahoon, director del Centro para la Innovación en Ciencias de los Cultivos de la Universidad de Nebraska y uno de los de los autores correspondientes del artículo. Cahoon trabajó con Kiyul Park, científico investigador principal del Departamento de Bioquímica de la Universidad de Nebraska y autor principal del artículo; Tom Clemente, profesor distinguido de biotecnología Eugene W. Price en la Universidad de Nebraska y en colaboración con muchos expertos de CABBI.
A diferencia de las semillas y frutos ricos en aceite de plantas como la palma aceitera y la soja, los TAG normalmente se acumulan sólo en los órganos vegetativos de la planta (hojas y tallos) como respuesta al daño por estrés de la membrana.
Para diseñar sorgo para que acumule aceite vegetal, el equipo utilizó una estrategia de «empujar-tirar-proteger» que los investigadores de CABBI han utilizado anteriormente para aumentar la acumulación de aceite vegetal en otras plantas. Introdujeron genes para «empujar» más carbono de la fotosíntesis hacia la producción de petróleo, «atraer» ácidos grasos a las moléculas TAG y «proteger» el aceite almacenado de la descomposición. El enfoque se basó en éxitos anteriores con otros cultivos, centrándose en el sorgo debido a su tolerancia al calor y la sequía y su genoma bien estudiado.
Utilizando técnicas avanzadas de transferencia de genes, los científicos del CABBI desarrollaron líneas de sorgo que, cuando se cultivaron en el campo en el Centro de Investigación, Extensión y Educación del Este de Nebraska, no sólo mantuvieron una producción de petróleo estable durante múltiples generaciones, sino que también evitaron las disminuciones de biomasa observadas en estudios similares con otros cultivos de biomasa.
Estas líneas de oleaginosas recientemente desarrolladas proporcionan nuevas fuentes potenciales de materia prima para combustibles renovables, reduciendo la dependencia de los cultivos tradicionales de semillas oleaginosas y satisfaciendo la creciente demanda de energía renovable. Y este sorgo oleaginoso también tiene el potencial de proporcionar nuevas fuentes de ingresos y mercados para los agricultores. La biorrefinación de sorgo oleaginoso abre nuevas formas de estimular la bioeconomía y apoyar la vitalidad rural.
El equipo de investigación continuará explorando formas de aumentar aún más el rendimiento de aceite para cumplir con el objetivo de CABBI de cultivar cultivos con un 10% de TAG en peso seco.
«La base para futuras mejoras en los rendimientos de TAG dependerá de un análisis en profundidad de los efectos del enfoque de ingeniería metabólica push-pull-protect aplicado en el estudio», dijo Jörg Schwender, científico principal del grupo de ciencias vegetales de Brookhaven. Laboratorio Nacional y otros artículos de autor correspondiente. «Por ejemplo, en el estudio actual, el equipo utilizó la secuenciación del transcriptoma completo (o secuenciación de ARN), un método que analiza la actividad de miles de genes simultáneamente en muestras de tejido».
Este análisis mostró que las líneas de sorgo oleaginoso aumentan la producción de una enzima en sus hojas que descompone los lípidos y, como tal, probablemente también ataca a los TAG.
Análisis adicionales del flujo metabólico con trazadores isotópicos confirmaron que los lípidos, aunque se producían a un ritmo mayor en las hojas de sorgo oleaginoso, también se degradaban a un ritmo más rápido. Es probable que estos resultados puedan traducirse en una estrategia de ingeniería mejorada que aumentará aún más los niveles de petróleo. El equipo de investigación pretende perfeccionar este enfoque para hacer del sorgo una materia prima para biocombustibles fiable y sostenible.
«La amplia experiencia de CABBI nos ha permitido tomar un concepto del laboratorio y ponerlo en práctica para producir nuevas materias primas bioenergéticas y bioproductos en el campo», concluyó Cahoon.
Fuente: Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Autor: Abril Wendling.
En la foto se muestra a Hyojin Kim empacando panículas de sorgo, un paso importante para las pruebas de campo de sorgo transgénico que cumple con los requisitos del APHIS. Autor de la foto: Edgar Kahun.
