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Biomasa, alamos modificados facilitan la producción de etanol

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La #lignina es un componente natural de las paredes celulares de las #plantas, el andamiaje que rodea a cada célula y juega un papel fundamental en la capacidad de las plantas para crecer contra la gravedad y llegar a alturas que van desde los pastos hasta los grandes árboles. Sin embargo, la lignina es un problema para los científicos interesados convertir la #biomasa de las plantas en #biocombustibles y otros #bioproductos sostenibles. La lignina hace que sea difícil de descomponer la materia vegetal para que sus bloques de #construcción ricos en #carbono se puedan convertir en formas adecuadas para la generación de #energía.

Una solución simple podría ser la de diseñar plantas con menos lignina. Pero los intentos anteriores de hacer esto a menudo han dado lugar a plantas más débiles y con retraso en el crecimiento – esencialmente poniendo freno a la producción de biomasa.

Ahora, mediante el diseño de una nueva enzima implicada en la síntesis de lignina, los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de Estados Unidos han alterado la lignina en árboles de álamo en una forma que aumenta el acceso a los bloques de construcción de biocombustible sin inhibir el crecimiento de las plantas. Su investigación, que se describe en la revista Nature Communications, dio lugar a un aumento de casi un 50% en la producción de etanol a partir de árboles de álamo sanos cuya biomasa leñosa liberó 62% más azúcares simples que las plantas nativas.

“Nuestro estudio proporciona una estrategia útil para la adaptación de la biomasa leñosa para aplicaciones de base biológica”, dijo Chang-Jun Liu, biólogo y autor principal del proyecto.

La lignina representa aproximadamente el 20% de la estructura leñosa de los álamos, con polímeros de celulosa y hemicelulosa que representan aproximadamente el 45% y 25% respectivamente, junto con otros componentes menores.

“La lignina forma una barrera de tipos alrededor de los otros polímeros” explicó Liu. “Las enzimas digestivas no pueden pasar a descomponer la celulosa y la hemicelulosa para liberar sus azúcares simples.”

Antes del trabajo, incluyendo la investigación de Liu de manipulación de enzimas implicadas en la síntesis de lignina, se ha demostrado que reducir o alterar el contenido de lignina en plantas puede hacer que la biomasa leñosa sea más digerible. Sin embargo, muchos de estos enfoques, en particular aquellas que reducen drásticamente el contenido de lignina, dieron lugar a plantas más débiles y fuertes reducciones en el rendimiento de biomasa, haciendo que estas plantas no sean aptas para el cultivo a gran escala.

En este nuevo estudio, los científicos exploraron una nueva estrategia creativa para modificar la estructura de la lignina basado en un análisis detallado de las estructuras de enzimas que fueron resueltas previamente por el grupo de Liu usando rayos X en el National Synchrotron Light Source (NSLS). Ese trabajo, descrito en artículos publicados en Plant Cell (2012) y en el Journal of Biological Chemistry (2010 y 2015), fue parte de un esfuerzo para entender el mecanismo de la selectividad de las enzimas. En esos estudios, los científicos también han buscado diseñar una serie de variantes de la enzima, llamada monolignol 4-O-metiltransferasa, algunas de las cuales modifica de manera efectiva la estructura de bloques de construcción de la lignina para que ya no sean incorporados en el polímero de lignina.

En el nuevo trabajo, los científicos utilizaron análisis bioquímicos para identificar una variante de monolignol 4-O-metiltransferasa que tenía una “preferencia química ligera por la reacción con un tipo específico de precursor de la lignina. Los científicos razonaron que esta variante tenía el potencial para reducir la formación de un componente particular e la lignina.

Para probar esta idea, trasplantaron el gen de esta variante en una cepa de álamo rápido crecimiento – un modelo para otros árboles de la familia de los álamos, que tienen un amplio potencial para la producción de bioenergía debido a su capacidad de crecer en muchas regiones y en tierras no agrícolas. Los científicos hicieron crecer los árboles del álamo alterado junto a los árboles control no modificados en un invernadero en la propiedad de Brookhaven.ChileBio.

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