Bio-Butanol, una alternativa a la gasolina

Butanol (Fuente: Wikipedia)

El metanol es un alcohol con un sólo átomo de carbono, el etanol tiene dos carbonos, el propanol tres y el butanol cuatro. En este último, la molécula es más larga y es más parecida a los componentes de la gasolina. De hecho, funciona bastante bien en los motores de combustión sin necesidad de realizar grandes modificaciones. El principal problema que tiene es su alta viscosidad, unas diez veces mayor que la gasolina.

El etanol puede obtenerse utilizando microorganismos como las levaduras y por eso hay muchas esperanzas puestas en él como biocombustible. Pero el butanol también está en la carrera. Un grupo de la Universidad de California, Berkeley han conseguido modificar a la bacteria Escherichia coli para que produzca butanol de forma eficiente. Pero no sólo eso, el objetivo a largo plazo es que esa bacteria pueda usar como nutriente sustratos orgánicos provenientes del procesamiento de las plantas usadas para la alimentación. Es decir, que pueda usar la paja del trigo o los tallos del maíz y no sus granos.

Microfotografía electrónica de C. acetobutylicum (Fuente: Biomass)

El butanol es producido mediante fermentación por la bacteria Clostridium acetobutylicum, una bacteria Gram positiva endosporulada que crece en anaerobiosis. Pero C. acetobutylicum crece bastante lentamente y además en su proceso fermentativo se produce acetona e hidrógeno lo que hace un cóctel explosivo algo peligroso. Así que se ha intentado mejorar el proceso de varias formas.

Una manera ha sido tomar los genes de las cinco enzimas responsables de la ruta de producción de butanol en C. acetobutylicum y clonarlos en la levadura Saccharomyces cereviseae o en la bacteria Escherichia coli. Ambas son más fáciles de crecer que C. acetobutylicum, pero al hacerlo se encontró que no producían tanto butanol como se esperaba.

Al analizar el porqué lo que se encontró es que las enzimas clonadas volvían a convertir al butanol en sus precursores. Para entendernos, una ruta bioquímica es como una cadena de montaje. La enzima 1 coge un sustrato y lo modifica convirtiéndolo en el producto 1. El producto 1 es a su vez el sustrato de la enzima 2 que lo transforma en el producto 2, que a su vez es el sustrato de la enzima 3, etcétera. Pero si las reacciones son reversibles nos podemos encontrar conque la enzima 4 coge el producto 4 y lo vuelve a convertir en sustrato con lo que la ruta va hacia atrás y eso hace disminuir el rendimiento de butanol.

Así que lo que han hecho en Berkeley es rediseñar la ruta biosintética utilizando una cepa de Escherichia coli que tenía la ruta completa clonada. El rediseño ha consistido en sustituir dos de las cinco enzimas por enzimas análogas provenientes de otros dos microorganismos, pero que no vuelven a reaccionar con el butanol. Ahora la ruta funciona sólo en una dirección y el rendimiento de producción de butanol es óptimo.

Ruta quimérica para sintetizar butanol a partir de acetil-coA. La ruta superior en azul pertenece a la bacteria Ralstonia eutrophus y la utiliza para producir polihidroxialcanoatos. Debajo se muestra la ruta metabólica diseñada a partir de los genes de C. acetobutylicum en rojo y un gen de Streptomyces collinus en negro. (Fuente: Bond-Watts et al.)

Producción de butanol por distintas cepas de E. coli que portan diversas rutas metabólicas quiméricas. La cepa Nº 19 consigue un rendimiento de 4.650 ± 720 mg/litro y una tasa de conversión de la glucosa del 28% (Fuente: Bond-Watts et al.)

Esta entrada participa en el III Carnaval de la Química organizado por Experientia Docet.

Bond-Watts BB, Bellerose RJ, & Chang MC (2011). Enzyme mechanism as a kinetic control element for designing synthetic biofuel pathways. Nature chemical biology PMID: 21358636