Bicyclic Carbon Fixation

Los microbios pueden fermentar el dióxido de carbono para producir combustible

Fijación bicíclica de carbono: los científicos del NREL han diseñado una vía para acelerar la fermentación de CO2 en algunas especies de bacterias. La molécula resultante, acetil-CoA, con sus dos asas de carbono únicas (C2), se puede usar para fabricar una variedad de importantes combustibles y productos químicos básicos. Crédito: Figura de Besiki Kazaishvili, NREL

Los científicos trazaron una vía de “fijación de carbono bicíclica” para acelerar la fermentación de gas en bacterias especializadas

Los panaderos fermentan la masa para obtener una hogaza de pan bien levantada. Del mismo modo, los cerveceros fermentan el trigo y la cebada para obtener un vaso de cerveza suave y malteado. Y como los principales panaderos y cerveceros de la naturaleza, algunos microbios pueden hacer aún más. De hecho, ciertas especies de bacterias fermentan dióxido de carbono (CO2) gas para hacer sus propios nutrientes de elección. Esto podría aprovecharse para ayudar a energizar nuestro mundo.

Esta extraordinaria capacidad de fermentar CO2 en energía química— no pasa desapercibido para los científicos que estudian las reacciones químicas complejas y matizadas en las bacterias.

Entre ellos se encuentra el investigador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL, por sus siglas en inglés), Wei Xiong, quien dijo que las bacterias que fermentan gases ofrecen lecciones sobre cómo convertir gases residuales como el CO2 en combustibles sostenibles.

“CO2 eliminación y conversión son de interés mundial como CO2 es el gas más importante que atrapa el calor (efecto invernadero) en la atmósfera. Vías para CO2 la fijación son un quid”, explicó Xiong. “Tenemos un interés especial en diseñar nuevos CO2 vías de fijación en bacterias para ayudarlas a sintetizar precursores clave de biocombustibles, por ejemplo, acetil-CoA”.

El acetil-CoA es el ingrediente principal para fabricar múltiples combustibles químicos, incluidos los ácidos grasos, el isopropanol y el butanol. Y como se detalla en un artículo que se publicó recientemente en la revista Síntesis de la naturalezaXiong y sus colegas han demostrado cómo mejorar la producción del precursor del combustible utilizando una vía novedosa en bacterias que fermentan gases.

Al hacerlo, abren la posibilidad de usar métodos biológicos para capturar y convertir CO2 a escala industrial.

Contabilidad simple de carbono: C1 + C1 = C2

Naturalmente, la fermentación de gas en bacterias sigue una serie lineal de reacciones, conocidas por los científicos como la vía Wood-Ljungdahl. Esto recibió su nombre de los profesores Harland G. Wood y Lars G. Ljungdahl, quienes lo descubrieron en la década de 1980. En términos simples, las enzimas eliminan el CO2 de su carbono utilizando la energía eléctrica del hidrógeno cercano o del gas monóxido de carbono. Luego fijan dos de estos átomos de un carbono (C1) en una molécula más grande que ya está presente en las bacterias, llamada coenzima A (CoA). Al unir dos asas de carbono (C2) a esta molécula auxiliar, se vuelven más fácilmente accesibles para otras reacciones.

¿El resultado final? Acetil-CoA, una molécula más energética y densa en carbono que apoya el crecimiento de las bacterias. También es un precursor útil para fabricar biocombustibles valiosos y amigables con el clima.

Sin embargo, a pesar de su ingenio, la vía Wood-Ljungdahl por sí sola podría no ser suficiente para uso industrial. Además, su matemática aparentemente simple (C1 + C1 = C2) es en realidad la consecuencia de una cantidad vertiginosa de reacciones químicas.

“La ingeniería de esta vía para mejorar la eficiencia es un desafío debido a la complejidad de las enzimas”, explicó Xiong.

Para eludir la mejora directa de la vía Wood-Ljungdahl, los investigadores se propusieron conceptualizar una vía completamente nueva para producir acetil-CoA. Usando un modelo de computadora desarrollado por NREL llamado PathParser, y herramientas genéticas de última generación, el equipo inventó un nuevo CO2vía de fijación en una especie de bacteria fermentadora de gas llamada Clostridium ljungdahlii.

Al final, las matemáticas salen igual: C1 + C1 = C2.

Pero para llegar allí, incorpora un par de reacciones paralelas: una bicicleta de fijación de carbono con dos ruedas que trabajan juntas para capturar CO2, transfórmelo usando una serie de engranajes químicos y rediríjalo para impulsar la generación de acetil-CoA (ilustrado en la figura en la parte superior de la página). Si se agrega a las bacterias que fermentan gases, la vía podría complementar la vía Wood-Ljungdahl para producir acetil-CoA de manera más eficiente.

¿Podemos fermentar nuestro camino hacia la neutralidad de carbono?

Hoy en día no hay escasez de gases residuales, y es probable que esto siga siendo así en el futuro. Millones de toneladas de CO2 son liberados cada año por la industria pesada, un subproducto de la refinación de biocombustibles, la fabricación de acero o la mezcla de concreto. Los científicos están explorando tecnologías para capturar y almacenar, mejor aún usando-CO2 mucho antes de que llegue a la atmósfera.

“En el contexto del calentamiento global y el cambio climático, los científicos buscan nuevas soluciones a partir del metabolismo microbiano para convertir el CO2 hasta combustibles y productos químicos”, dijo Xiong. “Las bacterias que fermentan gases en realidad fijan el CO2 y representan una forma de carbono negativo para satisfacer nuestras demandas energéticas y ambientales”.

¿Quién mejor para aprender que las bacterias fermentadoras de gases que han fijado el CO?2 con facilidad durante millones de años?

Referencia: “Síntesis de acetil-CoA a través de una vía bicíclica de fijación de carbono en bacterias fermentadoras de gas” por Chao Wu, Jonathan Lo, Chris Urban, Xiang Gao, Bin Yang, Jonathan Humphreys, Shrameeta Shinde, Xin Wang, Katherine J. Chou, PinChing Maness, Nicolas Tsesmetzis, David Parker y Wei Xiong, 23 de junio de 2022, Síntesis de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s44160-022-00095-4

Esta investigación fue apoyada en parte por un proyecto de Co-Optimización de Combustibles y Motores de la Oficina de Tecnologías de Bioenergía del Departamento de Energía de EE. UU. y el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de NREL.


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