Biocombustibles a través de la Biotecnología

El desarrollo de nuevos procesos físicos, químicos y biotecnológicos deberá encaminarse hacia la producción de biocombustibles de nueva generación a partir de materias primas de menor coste, mayor disponibilidad y más sostenibles. En este sentido, se ha conseguido modificar genéticamente una bacteria de la especie Escherichia coli capaz de fermentar la biomasa de macroalgas pardas y producir etanol. Este desarrollo biotecnológico abre la puerta a la utilización de materias primas renovables alternativas ya que hasta el momento este tipo de biomasa no podía ser metabolizada por microorganismos industriales en la producción de etanol.

 Autor: [L. Fernando Bautista Santa Cruz-Universidad Rey Juan Carlos]

 Si bien los biocombustibles de primera generación (aquellos obtenidos a partir de materias primas que compiten directamente con el mercado alimentario o indirectamente a través del uso de suelo agrícola) han permitido establecer una base científica, tecnológica e industrial para este tipo de energía, es preciso sustituir el modelo productivo generado debido, entre otros factores, a problemas y limitaciones de sostenibilidad y disponibilidad de las materias primas. Un paso adelante supone la utilización de materias primas residuales de bajo coste y amplia distribución geográfica. A este respecto, los materiales lignocelulósicos suponen una línea de desarrollo que está centrando el interés de numerosas investigaciones. Sin embargo, la degradación de su estructura es difícil y requiere un consumo energético elevado para obtener azúcares fermentables que puedan ser utilizados por microorganismos para producir etanol o acumular lípidos. Es, por tanto, prioritario el desarrollo de nuevos procesos físicos, químicos y biológicos que permitan la despolimerización de los componentes de los materiales lignocelulósicos, especialmente de la lignina, para su aprovechamiento en la producción de biocombustibles de nueva generación.

 Debido a su capacidad de fijar CO₂, las microalgas se han visto como una alternativa atractiva y sostenible para la producción de biocombustibles a través de la acumulación de lípidos transformables en biodiésel. Sin embargo, una de las principales barreras para su viabilidad económica y sostenibilidad ambiental reside en el gasto energético que supone la concentración y secado de esta biomasa. Por otra parte, las macroalgas no han sido consideradas de manera significativa como posible materia prima para la producción de biocombustibles debido a su elevado contenido de agua y baja acumulación de lípidos transformables en biodiésel u otro biocombustible. Además, el componente más abundante en la biomasa de este tipo de algas es el alginato, no existiendo microorganismos industriales capaces de metabolizarlo para producir etanol.

 En un trabajo [1] recientemente publicado en la revista Science, investigadores del Bio Architecture Lab (Berkeley, CA, EEUU) han conseguido una cepa de la bacteria Escherichia coli genéticamente modificada que realiza este proceso. Para lograrlo, los autores identificaron a la bacteria Pseudoalteromonas sp. como microorganismo productor de alginato liasa, una enzima capaz de transformar el polímero alginato en fragmentos de 2, 3 y 4 unidades monoméricas. Así, introdujeron en E. coli el gen que codifica la mencionada enzima junto con el de una proteína transportadora que conduce la alginato liasa a través de la membrana hasta el exterior celular. Allí, el alginato se hidroliza por la acción de la enzima, produciendo oligómeros de pequeño tamaño. A continuación se modificó de nuevo la bacteria E. coli con los genes de la bacteria marina Vibrio splendidus. Estos son necesarios para proveer a la bacteria modificada de un sistema de transporte de los oligómeros producidos hasta el interior celular y su posterior metabolización para transformarlos en moléculas más sencillas tales como piruvato. Finalmente, la bacteria E. coli se modificó de nuevo añadiendo los genes correspondientes a la ruta metabólica de Zymomonas mobilis para la producción de etanol a partir de piruvato. Z. mobilis es una bacteria originalmente aislada del jugo de la caña de azúcar fermentada.

 La cepa de E. coli resultante de las transformaciones genéticas descritas se empleó para la fermentación de la biomasa de una alga parda, Saccharina japonica, alcanzando una concentración final de etanol cercana al 5%v/v, similar a la que se alcanza en la producción de etanol mediante fermentación de material lignocelulósico con Saccharomyces cerevisiae. De esta forma, según los autores del trabaja, para un cultivo a gran escala de algas, la productividad de etanol puede llegar a 19000 l/ha/año, es decir, el doble que la alcanzada mediante caña de azúcar y 5 veces superior a la correspondiente al maíz.

 La implantación de biocombustibles de nueva generación, más económicos, competitivos y sostenibles desde el punto de vista social y ambiental precisa del desarrollo concurrente de nuevos procesos físicos, químicos y biotecnológicos, participando todos ellos de forma complementaria y sinérgica. De esta forma, sería conveniente emplear la tecnología y las materias primas más adecuadas en cada lugar y en cada contexto geográfico, socioeconómico, técnico y medioambiental.

Referencia:

[1] A.J. Wargacki et al. (2012). An engineered microbial platform for direct biofuel production from brown macroalgae. Science, 335, 308-313.