Una nueva enzima puede impulsar la producción sostenible de combustible de aviación

Científicos brasileños identifican un biocatalizador con potencial para despejar el cuello de botella tecnológico y productivo de la fabricación de biocombustibles renovables y otros bioproductos, tales como bioplásticos y biopolímeros

Por Mônica Tarantino  |  Agência FAPESP – Durante las últimas décadas, distintos científicos se han venido abocando a la búsqueda de soluciones tendientes a mejorar el proceso de fabricación sostenible de los biocombustibles, elaborados con base en fuentes renovables. El más reciente avance en este campo lo dieron a conocer al final del mes de mayo investigadores brasileños, y el mismo puede darle impulso a la producción de biocombustibles destinados al transporte aéreo y marítimo.

“Al cabo de tres años y medio de investigación, identificamos una enzima que puede reemplazar a los catalizadores tradicionales que se emplean en las rutas termoquímicas para la producción de combustible sostenible de aviación [Sustainable Aviation Fuel o SAF]”, dice Letícia Zanphorlin, coordinadora del estudio e investigadora líder del Laboratorio Nacional de Biorrenovables de Brasil (LNBR), del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM).

La enzima que el grupo del CNPEM descubrió se llama descarboxilasa u OleTP_RN y pertenece al tipo de las citocromo P450. Se trata de una metaloenzima proveniente de la bacteria Rothia nasimurium y promete erigirse en clave para el desarrollo de nuevas rutas biotecnológicas destinadas a la producción de hidrocarburos renovables de aviación partiendo de distintas materias primas: biomasas oleaginosas (con origen en la soja, la palma de vino o el maíz, entre otras fuentes) o lignocelulósicas (de fuentes tales como el bagazo o la paja de la caña y de la industria del papel).

“En comparación con los catalizadores convencionales o químicos, esta nueva enzima concreta la reacción de descarboxilación de los ácidos grasos [una reacción química que provoca la escisión carbono-carbono y la remoción del grupo carboxilo de los ácidos grasos] con un alto rendimiento, y es selectiva para diferentes tamaños y tipos de cadenas de carbono. A su vez, promueve la desoxigenación, que es uno de los grandes obstáculos para la producción de SAF”, explica Zanphorlin.

La investigadora explica que el oxígeno puede causarles daños a las piezas y a los motores de las aeronaves. Esto ayuda a entender por qué los biocombustibles que se producen actualmente a gran escala en Brasil, como el etanol y biodiésel, no se utilizan en los aviones, y explica la demanda de nuevos biocatalizadores. En general, los catalizadores convencionales que se aplican en las rutas de la producción de combustible de aviación se elaboran a base de metales como el cobalto, el platino, el níquel y el paladio. “Para concretar la reacción de desoxigenación, se aplican estos catalizadores metálicos en condiciones severas de alta temperatura y presión, lo que puede causarle daños al medio ambiente, con generación de residuos tecnológicos y pérdidas de rendimientos”, dice la científica.

El estudio, que salió publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de cuatro proyectos (18/04897-9, 19/08855-1, 19/12599-0 y 20/01967-6).

Los autores del artículo afirman que las enzimas actúan como catalizadores biológicos acelerando reacciones químicas en los diversos organismos vivos presentes en la naturaleza. En la referida investigación, la enzima es capaz de convertir en un único paso ácidos grasos en alquenos (olefinas), un tipo de hidrocarburo y un importante intermediario químico.

Los ácidos grasos son componentes esenciales de los lípidos, compuestos orgánicos que incluyen a las grasas y los aceites, y que pueden originarse en plantas, animales y microorganismos.

El descubrimiento y la dilucidación de los mecanismos moleculares de esta nueva enzima constituyen el fruto de un abordaje multidisciplinario. Los investigadores echaron mano de bancos de datos públicos en busca de enzimas con propiedades y funciones específicas. Dicha búsqueda estuvo orientada por herramientas de bioinformática y datos genómicos de microorganismos. La enzima en potencial se estudió a nivel atómico mediante el uso de luz sincrotrón, un tipo de radiación electromagnética extremadamente brillante que, al incidir sobre cristales de proteínas, provoca la difracción de los electrones allí presentes, lo que les permite a los científicos dilucidar su estructura tridimensional.

“Evaluamos la posición de cada aminoácido que compone la estructura atómica de esa enzima y mapeamos sus interacciones intermoleculares con el ácido graso”, lo describe Zanphorlin. Fue entonces cuando los investigadores vislumbraron todas las posibles aplicaciones de este descubrimiento.

En simultáneo con el trabajo en el laboratorio, otros equipos de profesionales del CNPEM trabajaron en el registro de la patente y en la producción de análisis técnicos, económicos y ambientales de esas rutas de base biológica que se publicarán en breve.

“La patente de la enzima estudiada se depositó en 2021. Esta es una de las grandes diferencias del CNPEM: tenemos la oportunidad de desarrollar la tecnología, escalarla en una planta piloto y en un ambiente industrialmente relevante y realizar evaluaciones técnicas, económicas y ambientales que nos ayudan a identificar posibles puntos de mejoras en la innovación en desarrollo”, informa la científica.

Las posibilidades de producción de combustibles adecuados para la aviación con la ayuda de la nueva enzima son alentadoras, de acuerdo con los investigadores. “En lo concerniente a residuos lignocelulósicos proveniente de la caña de azúcar, Brasil genera actualmente alrededor de 150 millones de toneladas de masa seca y esta cifra puede elevarse sin generar impactos sobre el medio ambiente”, ejemplifica la investigadora.

Para la implementación de esta tecnología, sería necesario efectuar adaptaciones en el parque industrial de producción de este biocombustible, pero su empleo y su distribución podrían compartir la infraestructura que se utiliza para los combustibles de origen fósil, que posee un potencial para suministrar un combustible drop-in, con una función idéntica a la de aquellos a base de petróleo.

El equipo de investigación también se muestra optimista en cuanto al impacto futuro en diversos sectores industriales. “La versatilidad de esta enzima permite adaptarla para su uso en diferentes sectores. Las olefinas, que se producen mediante esa reacción enzimática, constituyen la base de aproximadamente las dos terceras partes de la industria química en los días actuales, fundamentalmente en lo que hace a la producción de polímeros y plásticos. Esto abarca distintas áreas, tales como la alimenticia, la cosmética, la farmacéutica y la de transporte”, sostiene la investigadora.

Puede leerse el artículo intitulado Dimer-assisted mechanism of (un)saturated fatty acid decarboxylation for alkene production en el siguiente enlace: www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2221483120.