Los árboles son el recurso natural más abundante que vive en las masas terrestres de la Tierra, y los científicos e ingenieros de la Universidad Estatal de Carolina del Norte están avanzando en la búsqueda de formas de utilizarlos como alternativas sostenibles y ambientalmente benignas a la producción de productos químicos industriales a partir del petróleo.
por la Universidad Estatal de Carolina del Norte
La lignina, un polímero que hace que los árboles sean rígidos y resistentes a la degradación, ha resultado problemática. Ahora, los investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte saben por qué. Han identificado la propiedad molecular específica de la lignina (su contenido de metoxi) que determina cuán difícil o fácil sería utilizar la fermentación microbiana para convertir árboles y otras plantas en productos químicos industriales .
Los hallazgos nos acercan un paso más a la fabricación de productos químicos industriales a partir de árboles como una alternativa económica y ambientalmente sostenible a los productos químicos derivados del petróleo, dijo Robert Kelly, autor correspondiente de un artículo en la revista Science Advances que detalla el descubrimiento.
El grupo de Kelly ya había demostrado que ciertas bacterias termófilas extremas, que proliferan en lugares como las fuentes termales del Parque Nacional de Yellowstone, pueden degradar la celulosa de los árboles, pero «no en gran medida», dijo. «En otras palabras, no al nivel que tendría sentido económico y ambiental para producir sustancias químicas industriales».
Como explicó Kelly: «Resulta que hay más en juego que sólo la baja lignina».
Para solucionar el problema de la alta concentración de lignina en los árboles, Kelly, director del Programa de Biotecnología de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y profesor de Alcoa en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, ha estado trabajando durante más de 10 años con el profesor asociado Jack Wang, director del Programa de Biotecnología Forestal en la Facultad de Recursos Naturales de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Wang también es miembro del cuerpo docente de la Iniciativa de Ciencias Vegetales de Carolina del Norte.
Como se informó en la revista Science en 2023, Wang y sus colegas utilizaron la tecnología de edición genómica CRISPR para crear álamos con contenido y composición de lignina modificados. Se han centrado en los álamos porque crecen rápido, requieren un uso mínimo de pesticidas y crecen en tierras marginales en las que es difícil cultivar alimentos.
El grupo de Kelly descubrió que algunos de estos árboles modificados con CRISPR, pero no todos, funcionaban bien para la degradación y fermentación microbianas. Como explicó su exalumno de doctorado Ryan Bing, resulta que estas bacterias tienen distintos apetitos para distintos tipos de plantas.
«Podemos aprovechar la capacidad de ciertas bacterias termófilas de las fuentes termales en lugares como el Parque Nacional de Yellowstone para comer la materia vegetal y convertirla en productos de interés. Sin embargo, estas bacterias tienen distintos apetitos por distintos tipos de plantas», dijo Bing, quien ahora trabaja como ingeniero metabólico senior para Capra Biosciences en Sterling, Virginia.
«La pregunta era ¿por qué? ¿Qué hace que una planta sea mejor que otra?», explicó. «Encontramos la respuesta al observar cómo estas bacterias se alimentan de materia vegetal de diversas composiciones».
En un estudio de seguimiento, Kelly y Bing probaron qué tan bien una bacteria genéticamente modificada, originalmente aislada de fuentes termales en Kamchutka, Rusia, Anaerocellum bescii, descomponía los árboles de álamo modificados genéticamente de Wang con contenidos y composición de lignina marcadamente diferentes.
Los investigadores descubrieron que cuanto menor era el contenido de metoxi lignina del árbol, más degradable era.
«Esto aclaró el misterio de por qué un contenido bajo de lignina por sí solo no es la clave: el problema estaba en los detalles», dijo Kelly. «Un contenido bajo de metoxi probablemente hace que la celulosa esté más disponible para las bacterias».
Wang había creado los álamos con bajo contenido de lignina para que fueran mejores para la fabricación de papel y otros productos de fibra, pero investigaciones recientes sugieren que los álamos modificados genéticamente que no solo tienen bajo contenido de lignina sino también bajo contenido de metoxi son mejores para fabricar productos químicos a través de la fermentación microbiana.
Los álamos modificados genéticamente de Wang crecen bien en invernaderos, pero aún no se han obtenido resultados de las pruebas de campo . El grupo de Kelly ha demostrado anteriormente que los álamos con bajo contenido de lignina se pueden transformar en productos químicos industriales, como acetona y gas hidrógeno, con resultados económicos favorables y un bajo impacto ambiental.
Si estos árboles resisten en el campo y «si seguimos trabajando de nuestra parte», dijo Kelly, «tendremos microbios que producirán grandes cantidades de sustancias químicas a partir de los álamos, ahora que conocemos el marcador que debemos buscar: el contenido de metoxi».
Esto proporciona a los investigadores, como Wang, un objetivo específico para producir líneas de álamos más adecuadas para la producción química. Wang y sus colegas han iniciado recientemente ensayos de campo con álamos modificados con lignina avanzada para abordar esta cuestión.
En la actualidad, es posible fabricar productos químicos a partir de árboles mediante métodos tradicionales: cortando la madera en trozos más pequeños y luego utilizando productos químicos y enzimas para pretratarla para su posterior procesamiento.
El uso de microbios diseñados para descomponer la lignina ofrece ventajas, entre ellas menores requerimientos de energía y un menor impacto ambiental, dijo Kelly.
Se pueden utilizar enzimas para descomponer la celulosa en azúcares simples, pero es necesario añadirlas continuamente al proceso. Por otra parte, ciertos microorganismos producen continuamente las enzimas clave que hacen que el proceso microbiano sea más económico, afirmó.
«También pueden hacer un trabajo mucho mejor que las enzimas y los productos químicos», añadió Kelly. «No sólo descomponen la celulosa, sino que también la fermentan para obtener productos como el etanol, todo en un solo paso.
«Las altas temperaturas a las que crecen estas bacterias también evitan la necesidad de trabajar en condiciones estériles, como sería necesario con microorganismos menos termófilos para evitar la contaminación», añadió. «Esto significa que el proceso de transformación de árboles en productos químicos puede funcionar como un proceso industrial convencional, lo que hace que sea más probable su adopción».
Daniel Sulis, otro autor del artículo e investigador postdoctoral en el laboratorio de Wang, dijo que los desastres ambientales alimentados por el cambio climático resaltan la necesidad urgente de realizar investigaciones que encuentren formas de reducir la dependencia de los combustibles fósiles .
«Una solución prometedora consiste en aprovechar los árboles para satisfacer las necesidades de la sociedad en materia de productos químicos, combustibles y otros productos de origen biológico, salvaguardando al mismo tiempo el planeta y el bienestar humano», añadió Sulis.
«Estos hallazgos no sólo hacen avanzar el campo, sino que también sientan las bases para futuras innovaciones en el uso de árboles para aplicaciones biológicas sostenibles».
Más información: Ryan Bing et al, Beyond Low Lignin: Identifying the Primary Barrier to Plant Biomass Conversion by Fermentative Bacteria, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq4941 . www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq4941
