La ciencia de las plantas está abriendo oportunidades prometedoras para crear bioproductos ecológicos: combustibles, lubricantes y otros productos que sustituyen a los derivados del petróleo.
por Geitner Simmons, Universidad de Nebraska-Lincoln
Investigadores del Instituto de Agricultura y Recursos Naturales de la Universidad de Nebraska-Lincoln están explorando una variedad de enfoques innovadores.
Un enfoque clave involucra nuevos tipos de aceites vegetales con estructuras de ácidos grasos que permiten la producción de biomateriales en cantidades significativas. Para crear esos aceites en la escala necesaria, los científicos primero deben realizar una investigación compleja para comprender las enzimas y los genes de los aceites.
La investigación del bioquímico de Husker Ed Cahoon y sus colegas está avanzando en este conocimiento científico. La revista Proceedings of the National Academy of Sciences publicó recientemente los hallazgos de Cahoon y sus colaboradores en el Centro de Innovación en Ciencias de las Plantas y el Departamento de Bioquímica de Nebraska, el Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York, la Universidad Prince of Songkla en Tailandia y la Universidad Agrícola de Huazhong en China. .
El proyecto IANR estudió un ácido graso específico e inusual en Thunbergia, una vid tropical. El ácido es inusual porque los productos químicos de la planta tienen cadenas moleculares no convencionales que dan nuevas propiedades funcionales a los aceites vegetales. Comprender las enzimas que crean el ácido graso fue esencial para los investigadores. Debido a sus distintas propiedades, estas enzimas son particularmente adecuadas para producir plantas modificadas genéticamente ricas en ácidos grasos.
El sorgo modificado genéticamente, por ejemplo, se presta bien a dicha modificación genómica y es un enfoque de Cahoon y sus colegas de IANR. Una vez modificado de esa manera, el ácido graso del sorgo tiene un gran potencial para facilitar la producción de biocombustibles y biomateriales.
“La naturaleza hace que las enzimas hagan ciertas cosas”, dijo Cahoon, profesor de bioquímica de George W. Holmes. “Si podemos aprender de las plantas que hacen algo diferente, podemos diseñar las enzimas para que tengan nuevas funciones”, como la creación de productos químicos especiales. Estos esfuerzos se conocen como ingeniería de proteínas y se derivan de la comprensión de las enzimas de las semillas oleaginosas y sus estructuras tridimensionales.
Como escriben Cahoon y sus colegas en su nuevo artículo, los estudios de ácidos grasos monoinsaturados inusuales “han proporcionado una gran cantidad de información bioquímica y utilidad biotecnológica”. (Las grasas monoinsaturadas tienen un ” doble enlace ” en su estructura molecular, lo que hace que el aceite sea líquido a temperatura ambiente pero sólido cuando se enfría).
El ácido petroselínico fue el principal ácido graso inusual estudiado por Cahoon y sus colegas en su análisis de Thunbergia. Los científicos encontraron que las semillas de la planta son extraordinariamente ricas en ácido, que tiene un fuerte potencial de biomateriales. El ácido petroselínico representó más del 90% del peso de los aceites de semillas.
Thunbergia “es una enredadera ornamental agradable y se ve hermosa, pero nunca pudimos cultivarla como cultivo en Nebraska”, dijo Cahoon, director del Centro para la Innovación en Ciencias de las Plantas. “Pero podemos encontrar los genes que producen el ácido graso inusual, y luego podemos modificarlos en cultivos de sorgo y semillas oleaginosas para crear aceites de mayor valor”.
La investigación de IANR fue financiada a través de una subvención de cinco años de $ 3,8 millones del Centro de Innovación Avanzada de Bioenergía y Bioproductos del Departamento de Energía de EE. UU. Cahoon y Thomas Clemente, profesor distinguido de biotecnología de Eugene W. Price en Nebraska, se encuentran entre la variedad de científicos de todo el país que contribuyen a la investigación del centro.
Entre los enfoques del Centro de Innovación Avanzada en Bioenergía y Bioproductos se encuentra el concepto de “plantas como fábricas” mediante el cual la ingeniería genética produce células vegetales con propiedades relacionadas con los bioproductos. El sorgo, junto con la caña de azúcar, es uno de los “mayores productores de biomasa del mundo”, señala el centro, “con un potencial demostrado para la acumulación de aceite en la biomasa vegetal después de una ingeniería metabólica exitosa”.
La investigación del IANR “tiene el aspecto fundamental de aprender cosas nuevas sobre los ácidos grasos y las enzimas”, dijo Cahoon. “La segunda parte es tratar de usar esa información para diseñar nuevos tipos de aceites que podrían tener aplicaciones industriales y biocombustibles de mayor valor”.
Este proyecto de investigación presentó una división básica del trabajo en tres partes. Cahoon, el investigador principal, hizo el descubrimiento inicial del nivel extraordinariamente alto de ácido petroselínico de la semilla oleaginosa de Thunbergia. Lu Gan y Kiyoul Park, científicos postdoctorales en el laboratorio de Cahoon en el Centro de Innovación en Ciencias de las Plantas, aislaron los genes de las enzimas que usa la planta para producir el ácido graso. Entre las enzimas identificadas se encontraba una enzima conocida como ácido graso desaturasa que introduce dobles enlaces (insaturación) en lugares novedosos en los ácidos grasos. Como resultado, esos ácidos grasos tienen nuevas propiedades funcionales de los aceites vegetales.
El biólogo estructural Qun Liu y el bioquímico John Shanklin del Laboratorio Nacional Brookhaven llevaron a cabo análisis complejos de la estructura tridimensional de la enzima. Esta información guió el diseño de “nuevas” desaturasas de ácidos grasos que pueden crear ácidos grasos monoinsaturados que no se encuentran en la naturaleza.
Luego, Gan and Park de Nebraska modificó genéticamente semillas oleaginosas de camelina para producir aceites vegetales ricos en ácido petroselínico.
Cahoon ha tenido interés desde hace mucho tiempo en desarrollar nuevas semillas oleaginosas con beneficios innovadores. Ese interés, que se remonta a sus días de posgrado hace tres décadas, lo ha llevado regularmente a dedicarse a la “bioprospección”, explorando una amplia gama de plantas en busca de semillas con un alto nivel de ácidos grasos inusuales que puedan tener un valor nutricional o industrial novedoso. .
La bioprospección no es nada nuevo en la comunidad científica, señaló. Las plantas producen miles de productos químicos y eso ha estimulado el estudio de bioprospección por parte de generaciones de investigadores. Algunos descubrimientos de drogas se han derivado de propiedades medicinales asociadas durante mucho tiempo con plantas particulares. El desarrollo de la aspirina, por ejemplo, surgió de las conocidas propiedades de la corteza de sauce.
El descubrimiento de Cahoon del alto nivel de ácidos grasos inusuales de la semilla oleaginosa de Thunbergia se produjo después de que estudió varias especies de Thunbergia que había pedido en línea. Unos años antes, su bioprospección lo llevó a estudiar la semilla oleaginosa del berro violeta chino, una planta con flores originaria del centro de China. Trabajando en colaboración con un científico de la Universidad Agrícola de Huazhong, identificó dos nuevos ácidos grasos inusuales.
Los científicos acordaron nombrar uno de los ácidos grasos en honor a la ciudad del investigador chino en China, de ahí el nombre de ácido wuhanic.
¿Y el otro ácido graso? Ahora se denomina oficialmente ácido nebrascánico . Es un excelente lubricante, quizás uno que en el futuro podría ayudar a sustituir a los a base de petróleo.
Más información: Lu Gan et al, Evolución divergente de la producción extrema de ácidos grasos monoinsaturados vegetales variantes,
Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI: 10.1073/pnas.2201160119
