Ciencia

Uso de microbios para convertir gases de efecto invernadero en sustancias químicas valiosas

– Por Julie Chao

¿Qué pasaría si hubiera una manera de tomar los gases de efecto invernadero? gases como el dióxido de carbono y el metano que están calentando nuestro planeta, y no solo capturarlos sino también convertirlos en un producto útil?

Deepika Awasthi, científica en el Área de Biociencias de Berkeley Lab, está trabajando en un proyecto para diseñar un microbio para capturar metano y dióxido de carbono y convertirlo en un químico valioso. (Crédito: Thor Swift/Berkeley Lab)

La científica del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), Deepika Awasthi, tiene un proyecto que pretende hacer precisamente eso. Mediante la bioingeniería de un microbio, espera poder capturar metano y dióxido de carbono y producir una sustancia química útil que pueda usarse en productos cotidianos, como revestimientos de automóviles y textiles avanzados.

Casi 50 gigatoneladas de dióxido de carbono y 300 millones de toneladas métricas de metano se emiten a nivel mundial cada año. Para lograr el objetivo de alcanzar emisiones netas cero para mediados de siglo, los expertos reconocen cada vez más que se necesitarán tecnologías para eliminar los gases que calientan el clima. Laboratorio de Berkeley Iniciativa de carbono negativo tiene como objetivo desarrollar tecnologías innovadoras de emisiones negativas para abordar nuestra crisis climática.

Awasthi, un científico del proyecto en el Área de Biociencias con un doctorado en microbiología y ciencia celular, recibió una subvención a través del programa LDRD, o Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio, de Berkeley Lab. El suyo es complementario a otros proyectos de la Iniciativa que están probando varios métodos para eliminar el carbono, como la captura del océano y un enfoque electroquímico.

P. ¿Cuál es el problema que está tratando de resolver?

El metano es unas 30 veces más potente en su capacidad de atrapar calor que el dióxido de carbono. Eso significa que el metano atrapará 30 veces más calor que la misma cantidad de moléculas de dióxido de carbono. No es tan abundante como el dióxido de carbono (se emite durante la producción de petróleo y gas natural, la cría de ganado y la descomposición de los desechos orgánicos en los vertederos), pero es más peligroso y, al observar nuestra crisis climática, debemos analizar todos los gases de efecto invernadero y tecnologías

Hay muchos grupos que trabajan con microbios que usan dióxido de carbono como su principal fuente de alimento. Pensé que desarrollar tecnologías para el metano podría ser interesante y también, ¿podríamos usar el dióxido de carbono como un recurso secundario, no para alimentar al microbio, sino integrado en algún lugar en el medio del sistema donde pueda mejorar el rendimiento del producto?

Mi objetivo es capturar dos gases de efecto invernadero: metano, que será la principal fuente de alimento para el microbio, y también dióxido de carbono, que se incorporará a un producto comercial producido por el microbio. Y el producto que elegí es el ácido malónico.

P. ¿Qué es el ácido malónico y por qué queremos producirlo?

El ácido malónico está en la lista del Departamento de Energía de los principales productos bioquímicos que están buscando a alguien para que los haga como reemplazo de los productos químicos basados ​​en combustibles fósiles. Actualmente es elaborado por la industria petroquímica o producido por fermentación de azúcar. El ácido malónico es potencialmente un mercado de miles de millones de dólares y se usa en la industria de solventes, en la industria de revestimiento de automóviles, en la fabricación de cintas de video, cintas de audio o películas, y ropa de polímero, por nombrar algunos usos.

Cuando piensas en combustibles fósiles, como el petróleo, refinamos barriles de petróleo crudo para producir gasolina para automóviles. El proceso de refinación también genera muchos productos químicos como productos secundarios que han encontrado un uso en el mercado. Entonces, si estamos pensando en encontrar un reemplazo para el combustible, también tenemos que encontrar una forma de reemplazo para producir todos esos productos químicos de los que ahora dependemos.

Estamos tratando de hacer un producto bioquímico que va a fijar dos gases de efecto invernadero en productos que usaremos durante los próximos 10, 20 o 100 años. Eso significa que secuestraremos estos gases en productos que reemplazarán a los productos petroquímicos y los mantendremos alejados de la atmósfera.

P. Eso ciertamente suena como un ganar-ganar. ¿Cómo lo harás?

Estoy usando un metanótrofo, que es un microbio que se alimenta de metano. Específicamente estoy trabajando con uno llamado Metilomicrobium alcaliphilum. Es una bacteria amante de la sal y el pH alto. Fue aislado por primera vez en un lago en Rusia por un científico ruso.

Sin entrar en demasiados detalles, básicamente el microbio tomará metano, y luego hay una ruta de energía muy común para procesar el carbono. Junto con el investigador postdoctoral Shubhasish Goswami, estamos haciendo ingeniería metabólica para que el CO2 se integrarán en el camino; luego, la célula sintetiza el producto deseado y eventualmente lo secreta en el medio. El metano es un compuesto de un carbono. El símbolo químico es CH4. Dióxido de carbono o CO2, también es un compuesto de un carbono. Cada molécula de ácido malónico, que es un compuesto de tres carbonos, incorpora dos moléculas de metano y una molécula de CO2 en este diseño de bioingeniería.

P. ¿Cómo se vería esto en un escenario del mundo real? ¿De dónde vendrán el metano y el dióxido de carbono?

Estaba pensando en un digestor anaeróbico: estos se encuentran donde se procesan los desechos, como los desechos sólidos municipales. Cuando lo mantiene cerrado y hermético y luego arroja un montón de comunidades microbianas, digiere los desechos y genera una gran cantidad de metano y CO.2. Todo el proceso ocurre en ausencia de oxígeno, por lo que lo llamamos anaeróbico.

Los digestores anaeróbicos pueden ser muy costosos, pero si podemos generar una gran cantidad de flujos de productos valiosos a partir de ellos, eso los hace económicamente atractivos.

Una segunda fuente puntual posible es cualquier lugar donde se produzca gas natural. El gas natural es una mezcla que consta de más del 90% de metano más otros hidrocarburos volátiles.

P. Entonces, ¿cuál es la parte difícil de este proyecto? ¿Es la ingeniería genética del microbio?

Sí. Los metanótrofos no son fáciles de cultivar o manipular genéticamente. Microbios como E. coli y hongos como SAccharomyceLos s son muy bien entendidos y ampliamente utilizados para la bioingeniería, pero los metanótrofos aún no están allí. E. coli puede modificarse genéticamente en unos pocos días, mientras que con un metanótrofo puede llevar uno o dos meses hacer lo que puede alcanzar con E. coli.

Así que estoy tratando de llevar las técnicas de ingeniería genética para huéspedes metanotróficos al siguiente nivel, desarrollando métodos para acortar el tiempo y mejorar su eficiencia de absorción de ADN extraño, y desarrollar la tecnología de ingeniería genética CRISPR-Cas9. Espero que con este desarrollo pueda reducir esos dos meses a dos o tres semanas.

Si piensa en anfitriones que utilizan azúcar, hay levadura, E. coli, Pseudomonas putida, Bacillus subtilis – todos ellos tienen capacidades CRISPR en este momento. Pero si piensa en huéspedes metanotróficos, hay varios de ellos, pero creo que CRISPR ha demostrado que funciona solo en una de las cepas.

Si obtengo más fondos, tengo interés en explorar y expandir las herramientas genéticas para otros tipos de metanótrofos porque siento que cada género de microbio tiene una capacidad individual. Deberían explorarse y tal vez explotarse por lo que pueden producir a partir del metano. Quiero estudiar diferentes tipos de estos anfitriones que utilizan metano y ver qué pueden aportar.

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Fundada en 1931 con la creencia de que los mayores desafíos científicos se abordan mejor en equipo, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus científicos han sido reconocidos con 14 premios Nobel. En la actualidad, los investigadores de Berkeley Lab desarrollan soluciones medioambientales y de energía sostenible, crean nuevos materiales útiles, avanzan en las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Científicos de todo el mundo confían en el laboratorio instalaciones por su propia ciencia de descubrimiento. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma, administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para mayor información por favor visite energía.gov/ciencia.

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