Científicos Brasileros descubren como hacer más eficiente la conversión de bagazo en etanol

Las bases de datos compiladas por los autores están a disposición de la comunidad científica en el repositorio de la Universidad Estadual de Campinas (UNICAMP), que es miembro del Proyecto Dataverse, una iniciativa de colaboración internacional apoyada por la FAPESP.

El etanol convencional o de primera generación (1G) se produce a partir de fuentes ricas en carbohidratos (como la sacarosa), especialmente la caña de azúcar en el caso brasileño. El procesamiento de la caña de azúcar genera grandes cantidades de residuos fibrosos, como el bagazo, que pueden utilizarse para producir vapor y electricidad en las centrales eléctricas. Estos residuos son ricos en celulosa y hemicelulosa (carbohidratos poliméricos que mantienen la resistencia mecánica de las paredes de las células madre vegetales), que se pueden utilizar también para producir etanol 2G a través de la conversión en moléculas más pequeñas para la fermentación por levaduras y otros microorganismos.

El principal desafío en la producción de etanol 2G es la eficiencia de conversión, ya que la celulosa y la hemicelulosa son difíciles de hidrolizar. El primer paso tiene que ser la eliminación de la lignina dura y fibrosa, que es básicamente fibra, para hacer que los azúcares simples ubicados en la celulosa y la hemicelulosa estén disponibles para la levadura. Esto es costoso, consume mucha energía y libera sustancias que pueden inhibir el proceso de fermentación.

“La producción de etanol 2G aún requiere optimización para aumentar la eficiencia. Uno de los enfoques necesarios implica la identificación de cepas de levadura que resistan el deterioro por moléculas inhibidoras derivadas del procesamiento de estos residuos”, dijo Marcelo Mendes Brandão, autor del artículo e investigador del Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética de la UNICAMP (CBMEG).

“Se sabe que algunas cepas de levadura industrial tienen niveles más altos de tolerancia a estos compuestos. Un ejemplo bien documentado es Saccharomyces cerevisiae SA-1, una cepa industrial brasileña de etanol combustible que ha mostrado una alta resistencia a los inhibidores producidos por el pretratamiento de complejos celulósicos. Esta cepa fue el foco de nuestro estudio”.

El análisis estuvo en línea con un Proyecto Temático apoyado por la FAPESP. La investigadora principal fue Telma Franco, profesora de la Escuela de Ingeniería Química de la UNICAMP. El grupo de investigación también recibió financiamiento de la FAPESP a través de otros cuatro proyectos.

Los experimentos fueron realizados por el primer y segundo autor Felipe Eduardo Ciamponi y Dielle Pierotti Procópio, ambos candidatos a doctorado en ese momento, en una colaboración que involucró al laboratorio dirigido por Thiago Olitta Basso, investigador del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de la Escuela de Ingeniería de São Paulo (POLI-USP), y el laboratorio de Brandão en CBMEG-UNICAMP.

“Para poner este estudio en el contexto de la investigación sobre el etanol 2G, sabíamos que ciertas cepas de S. cerevisiae eran resistentes a estos inhibidores, pero el mecanismo molecular que utilizan para lograr esta resistencia es complejo e involucra múltiples procesos y vías reguladoras”, dijo Basso. El estudio se enfocó en el ácido p-cumárico (pCA), uno de los principales inhibidores presentes en el bagazo de caña de azúcar después del procesamiento. «Los datos disponibles en la literatura muestran que pCA inhibe el rendimiento de biomasa y reduce el rendimiento de esta cepa de levadura en la producción de etanol 2G».

Para comprender cómo respondió la levadura al medio de cultivo, los investigadores decidieron utilizar un enfoque basado en multiómica combinado con bioinformática para integrar el análisis del transcriptoma, la gama completa de moléculas de ARN mensajero (ARNm) expresadas por el organismo, con datos fisiológicos cuantitativos. Su objetivo era llegar a una caracterización molecular y fisiológica de la respuesta de la levadura a este inhibidor clave.

Procópio y Ciamponi realizaron los experimentos biológicos en el Laboratorio de Bioprocesamiento (BELA) de la POLI-USP utilizando cultivos continuos en quimiostatos, un tipo de biorreactor en el que las condiciones fisiológicas y químicas están estrictamente controladas, lo que les permite aislar las alteraciones transcriptómicas que surgieron en respuesta a la presencia de pCA sin interferencia de otras variables influenciadas por las condiciones ambientales.

Se recolectaron muestras de S. cerevisiae SA-1 en estado estacionario cultivadas en quimiostatos anaeróbicos con y sin pCA para determinar los parámetros fisiológicos. Parte del material se envió a Taiwán para la secuenciación del ARN. Los resultados, que fueron analizados en el Laboratorio de Biología Integrativa de Sistemas del CBMEG-UNICAMP, demostraron que los mecanismos biológicos utilizados por la cepa de levadura para sobrevivir bajo la influencia de este inhibidor son aún más intrincados de lo que se pensaba.

Los datos fisiológicos cuantitativos sugirieron que la levadura tendía a aumentar el rendimiento de azúcar y etanol cuando se exponía al estrés pCA en condiciones anaeróbicas (relevantes para el proceso industrial).

Brasil ha avanzado en la investigación sobre formas de aprovechar su extraordinaria biodiversidad para optimizar los rendimientos de biomasa en la fabricación de bioproductos: bienes de consumo que se pueden construir, ensamblar o producir mediante la conversión de parte de un organismo, como en el caso de tejido y fibra vegetal, o al capturar sus metabolitos. “Un ejemplo es la producción de etanol combustible, un producto básico con un impacto significativo en la economía brasileña”, dijo Brandão.

La Fundación de Investigación de São Paulo (FAPESP) es una institución pública que tiene la misión de apoyar la investigación científica en todos los campos del conocimiento mediante el otorgamiento de becas, ayudas y ayudas a investigadores vinculados a instituciones de educación superior e investigación del Estado de São Paulo, Brasil. La FAPESP es consciente de que la mejor investigación solo se puede hacer trabajando con los mejores investigadores a nivel internacional. Por lo tanto, ha establecido asociaciones con agencias de financiación, educación superior, empresas privadas y organizaciones de investigación en otros países conocidos por la calidad de su investigación y ha estado alentando a los científicos financiados por sus subvenciones para desarrollar aún más su colaboración internacional.

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