CONVERSIÓN
DE PROTEINAS EN BIOFUEL POR INGENIERÍA DE FLUJO DE NITRÓGENO.
Actualmente, la obtención de biofuel (alcoholes) se
realiza a partir de carbohidratos y lípidos provenientes de diversos vegetales
y conlleva la producción de proteínas como producto de desecho. Este producto
secundario suele venderse a la industria ganadera como piensos. No obstante,
esta industria no está preparada para amortiguar tan ingente cantidad de
piensos. Además, esta acumulación de nitrógeno en forma de aminoácidos, que se
agrava con la expansión de la esta industria, puede desequilibrar el ciclo de
nitrógeno. Por tanto, se hace necesaria la búsqueda de un tratamiento para
estos residuos proteicos.
La solución que nos plantean los autores del
artículo Conversion of protein into
biofuels by engineering nitrogen flux es el tratamiento de estos residuos proteicos,
para darles uso como materia prima en la producción de biofuel. Además, se
obtendrían productos químicos de interés, como fármacos, plásticos… etc.,
utilizados en industria. Se presenta, por tanto, una alternativa versátil al
petróleo, del que se derivan usualmente estos compuestos, además de extraer de
él combustible.
Sin embargo, esta solución no es viable a día de hoy debido al alto coste que supone la desaminación de los aminoácidos (componentes de las proteínas), es decir, la eliminación de su grupo amino (ver imagen).
Dada la dificultad de convertir los aminoácidos en
biofueles de manera directa, debido al alto coste energético de esta reacción,
se hace necesario realizar un paso intermedio: convertir los aminoácidos en
cetoácidos, de los que sí podremos obtener alcoholes.
Pero, a pesar de esta desviación de la ruta normal,
estas reacciones siguen siendo energéticamente desfavorables, por lo que se
hace necesaria una fuerza que impulse todo este metabolismo. Para ello se
usarán aminoácidos de nuevo que, en lugar de ser convertidos en cetoácidos, serán desaminados a tricarboxilatos, desde los
que se pueden obtener piruvato y obtener así el suplemento energético
necesario.
Además, se bloqueará la recaptación de amoniaco
inherente a la bacteria, de manera éste sólo saldría de la célula, con lo que
las reacciones de desaminación se verían favorecidas por el desplazamiento del
equilibrio hacia la aparición de amoniaco libre y con él, cetoácidos (Principio
de Le Châtelier).
El procedimiento experimental seguido por los
investigadores fue el que sigue:
Tomaron una estirpe inicial de Escherichia coli (JCL16), no productora de biofueles se llevaron a
cabo una seria de métodos de modificación para obtener cepas de interés:
> Métodos para
mutagenizar.
- Se mutagenizó al azar todo el genoma con N-metil-N’-nitro-N-nitrosoguanidina
(NTG).
- Recombinación
homóloga con el fago P1 (mutagénesis dirigida).
> Métodos para seleccionar.
- Se utilizó un medio selectivo, en el que la
única fuente de carbono eran proteínas, de manera que sólo crecerán en él cepas
que sean capaces de servirse de proteínas como fuente de energía y carbono.
- Se añade norvalina, que es un compuesto muy similar a la valina, y
que si se incorpora en una cadena polipeptídica
resulta tóxica. Esta toxicidad sólo podría ser superada con una mutación de
superproducción de la forma ceto de la valina, de modo que la bacteria sea
capaz de sintetizar su propia valina a partir de la forma ceto y no requiera la
captación de valina del medio. Si buscase valina exógena, también encontraría
norvalina y, al incorporarla a sus cadenas moriría.
Secuencialmente, los pasos seguidos fueron los
siguientes:
1. Modificar
ruta de ceto-ácidos para dar carburantes. Se transforman las rutas de los
ceto-ácidos para dar biofueles (alcoholes) y se prueba la producción de
isobutanol.
2. Hacer
estirpe menos sensible al etanol. Se muta un autoinductor (quorum-sensing) que se encarga de
sensibilizar a la célula, de forma que detiene su crecimiento al alcanzarse en
el medio ciertas concentraciones de alcohol, que no deja de ser para la célula
un producto de desecho. En situaciones normales, se inhibe con la glucosa, pero
al no haber más que proteínas como fuente de carbono, se hace necesaria una
inhibición “forzada”. Se elegirán aquellos con menor sensibilidad a la presencia
de alcoholes.
3. Eliminar
la recaptación de NH3. Como
ya hemos comentado anteriormente, mediante recombinación homóloga. Se
eliminaron las proteínas encargadas de la captación de amoníaco (NH3)
de la bacteria.
4. Liberar los esqueletos peptídicos (modificar
rutas de transaminación). Evitar que el grupo amino arrancado a un aminoácido
se incorpore a otro cetoácido, lo cual es el mecanismo habitual en la célula,
ya que esta tiende a no malgastar el nitrógeno, que suele ser un factor
limitante.
Finalmente, se obtuvieron estirpes con una
producción de alcoholes que ronda los 4000 mg de alcohol por litro de cultivo,
lo cual demuestra que es posible usar las proteínas como materia prima para la
producción de biofuel, con un rendimiento nada desdeñable (entorno al 56%).
Es
reseñable el aumento en la producción y el rendimiento que trae consigo la
mutación de las rutas de transaminación (transamination
cycles, en la figura adyacente). Además, considerando que este experimento
se realizó a una escala relativamente pequeña, y que muchos de los procesos son
aún susceptibles a mejorar, con lo que los horizontes de esta técnica parecen
estar aún lejanos.
La investigación, hoy en día, de producción de biofueles
de segunda generación se centra en el uso de algas, que requieren fotobiorreactores muy caros y cuenta con
el problema adicional de la aparición de un compuesto recalcitrante, la
lignocelulosa, que es un componente de la pared celular de las algas.
Con esta alternativa propuesta por los autores, se
podrían evitar esos inconvenientes y además, no se desequilibraría el ciclo del
nitrógeno (cerrándolo de manera sostenible) y teniendo posibles usos futuros como
nitrógeno reciclado (refiriéndonos ahora al excedente de amonio que es
expulsado por las estirpes). Por otro lado, se le daría a las proteínas mucha
más utilidad de la que tienen actualmente. Al fin y al cabo, es un proceso a priori menos contaminante, más
energético y más económico.
Es muy probable que las grandes ventajas que
presentan la utilización de proteínas para la obtención de biofuel hagan que se
empiece a desarrollar potencialmente esta alternativa y que se utilice a gran
escala en los próximos años.
Referencia bibliográfica:
Realizado por: Carlos Tarancón Pascual, Cristina Palacios Rodríguez, Daniel Blasco Espada, Eva Rodríguez Alcocer y Vicente Candela Noguera.
Buenas
ResponderEliminarSimplemente comentaros lo que he dicho a otros grupos. Sería conveniente añadir enlaces que completasen la información (además de los que habéis añadido) por ejemplo uno para el ciclo del nitrógeno en la naturaleza, o para el quorum -sensing.
También sería conveniente que apareciera el vocablo "biocombustible" además del de biofuel.
Saludos