Un estudio hace posible generar una levadura modificada para producir etanol de segunda generación

Científicos brasileños identificaron los genes que dotan a la cepa industrial Saccharomyces cerevisiae SA-1 de resistencia a los compuestos inhibidores de la fermentación que surgen durante el pretratamiento del bagazo de la caña de azúcar. Este conocimiento puede orientar el trabajo de ingeniería metabólica de ese microorganismo

Por Ricardo Muniz  |  Agência FAPESP – Una investigación llevada a cabo en Brasil allana el camino para incrementar la eficiencia en la producción de etanol de segunda generación (2G) mediante el descubrimiento de nuevos blancos para la ingeniería metabólica en dirección a una cepa de levadura industrial más robusta. El artículo con los resultados de este trabajo salió publicado en la revista Scientific Reports.

Todos los bancos de datos del trabajo se encuentran a disposición de la comunidad científica en el repositorio de la Universidad de Campinas (Unicamp), integrante de la iniciativa internacional Dataverse, que cuenta con el apoyo de la FAPESP.

El etanol de primera generación (1G) se produce partiendo de fuentes ricas en hidratos de carbono (como la sacarosa), fundamentalmente la caña de azúcar, en el caso de Brasil. El procesamiento de la caña de azúcar genera una gran cantidad de residuos fibrosos como los del bagazo, que pueden utilizarse para la generación de vapor y energía eléctrica en las centrales. Pero estos residuos son ricos en celulosa y hemicelulosa, dos tipos de carbohidratos poliméricos existentes en plantas y árboles, que les confieren rigidez. De este modo, también puede empleárselos para producir más etanol, el llamado 2G, puesto que pueden convertirse en moléculas menores para su fermentación a cargo de levaduras y otros microorganismos.

No obstante, el mayor reto con la mira puesta en la producción de etanol 2G reside en la eficiencia de la conversión de la celulosa y la hemicelulosa en etanol, pues son polímeros de difícil descomposición (hidrólisis). Este proceso requiere la extracción de la lignina, un polímero resistente que forma parte de los residuos fibrosos, y la hidrólisis de la celulosa y la hemicelulosa en azúcares simples, que pueden convertirse en etanol mediante la acción de las levaduras. Estos procesos son caros, insumen mucha energía y pueden generar subproductos altamente inhibitorios que obstaculizan la capacidad fermentativa de las levaduras, encargadas de la producción de ese alcohol.

“La producción del etanol 2G aún debe optimizarse para aumentar su eficiencia. Uno de los abordajes necesarios para lograr dicha optimización consiste en identificar levaduras que puedan resistir al ‘expolio’ de moléculas inhibitorias derivadas del procesamiento de esos residuos”, explica el biólogo Marcelo Mendes Brandão, investigador del Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética (CBMEG) de la Unicamp. “Es sabido que algunas cepas de las levaduras industriales poseen niveles de tolerancia más elevados a esos compuestos. Un ejemplo bien documentado es la levadura industrial Saccharomyces cerevisiae SA-1, una cepa industrial brasileña de etanol combustible que mostró una alta resistencia a los inhibidores producidos mediante el pretratamiento de complejos celulósicos y sobre la cual recae el enfoque de nuestro estudio publicado en Scientific Reports”, añade.

Los análisis están alineados con la propuesta de un Proyecto Temático apoyado por la FAPESP y coordinado por Telma Franco, docente de la Facultad de Ingeniería Química de la Unicamp. El trabajo del grupo también contó con financiación de la Fundación en el marco de otros cuatro proyectos (18/17172-2, 11/00417-3, 18/01759-4 y 19/13946-6).

La metodología

Los experimentos estuvieron bajo la responsabilidad de Dielle Pierotti y Felipe Ciamponi, en ese entonces doctorandos, en una colaboración entre los laboratorios coordinados por Thiago Olitta Basso, del Departamento de Ingeniería Química de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP), y Mendes Brandão, del CBMEG-Unicamp.

“Para contextualizar dónde se encuadra este trabajo en la investigación sobre el etanol 2G, ya sabíamos que ciertas cepas de S. cerevisiae eran resistentes a esas moléculas con actividad inhibitoria, pero el mecanismo molecular que emplean esas levaduras para resistir a dichos inhibidores es complejo y comprende múltiples procesos y caminos regulatorios”, detalla Olitta Basso.

Según el científico de la USP, otro punto que sirvió de base para la publicación reside en que uno de los principales subproductos resultantes del procesamiento del bagazo de caña de azúcar en la producción de etanol 2G es el ácido p-cumárico (pCA), uno de los principales inhibidores presentes en el bagazo luego de ese procesamiento. “Los datos disponibles en la literatura indican que ese producto químico generalmente inhibe el crecimiento de S. cerevisiae y, como resultado de ello, mengua su desempeño en la producción de etanol.”

El equipo decidió aplicar en el estudio un abordaje de bioinformática para la integración de datos de las “multiómicas”. En otras palabras, reunió datos de transcriptómica –el estudio del conjunto de ARNm, el ácido ribonucleico mensajero, producido por un organismo en un determinado momento– con datos de la fisiología cuantitativa. “Esto nos permitió entender mejor de qué manera esa levadura respondió al ambiente de cultivo”, dice Mendes Brandão. Con los datos en manos, el estudio se concentró entonces en la caracterización molecular y fisiológica de la respuesta general de la levadura frente a un inhibidor de relevancia para el proceso que emplea bagazo de caña de azúcar como materia prima en la producción de etanol 2G.

Los experimentos biológicos estuvieron a cargo de Pierotti y Ciamponi en el Laboratorio de Bioprocesos (BELa), del Departamento de Ingeniería Química de la Poli-USP. Los experimentos se realizaron utilizando cultivos continuos en biorreactores (quimiostatos). Dichos cultivos aseguran la existencia de un ambiente muy bien controlado y definido para los microorganismos evaluados, en donde es posible estudiar el efecto del inhibidor sobre los aspectos fisiológicos y genéticos de esos microorganismos, sin la interferencia de otras variables que dificultan la interpretación de alteraciones en la expresión/transcripción de genes en esos microorganismos. De esta forma, la levadura SA-1 fue cultivada en quimiostatos anaeróbicos en presencia y en ausencia del inhibidor (pCA). De esos cultivos, se tomaron muestras en el estado estacionario para la determinación de los parámetros fisiológicos, y una parte del material biológico se envió a Taiwán para efectuar la secuenciación de su ARN.

Los resultados se analizaron en el Laboratorio de Biología Integrativa y Sistémica del CBMEG. Y muestran que los mecanismos biológicos que la S. cerevisiae SA-1 utiliza para sobrevivir bajo el influjo de esos inhibidores son mucho más intrincados que como se los entendía anteriormente. Los datos fisiológicos cuantitativos sugieren que el estrés a causa del pCA puede inducir una mayor actividad celular en la cepa SA-1 en condiciones anaeróbicas (relevantes para el proceso industrial), con un aumento de la tasa de captación de azúcares y de producción de etanol.

Brasil ha venido avanzando en las investigaciones tendientes a lograr un mejor aprovechamiento de la biomasa disponible en su biodiversidad para la producción de bioproductos, aquellos bienes de consumo que pueden elaborarse/montarse/producirse mediante la transformación de parte de un organismo, como en el caso de los tejidos y las fibras vegetales, como resultado del metabolismo de esos seres vivos. “En este último caso, podemos mencionar la producción del alcohol combustible, una commodity con gran impacto en la economía nacional”, señala Mendes Brandão.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Multi-omics network model reveals key genes associated with p-coumaric acid stress response in an industrial yeast strain en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-022-26843-2.