Reciclaje de gases de efecto invernadero con biotecnología

(Noticias de Nanowerk) La acetona y el isopropanol son sustancias químicas importantes para la industria. Se utilizan para fabricar materiales, desde combustible para aviones hasta disolventes y detergentes hasta plásticos. Actualmente, la industria produce estos dos productos químicos a partir del petróleo mediante procesos que emiten dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero.

Los investigadores ahora han desarrollado un nuevo proceso de fermentación que convierte de manera eficiente los gases de óxido de carbono en acetona e isopropanol. Los investigadores utilizaron una combinación de análisis genómico, modelado informático y optimización de vías metabólicas extracelulares para diseñar cepas de bacterias. El resultado son bacterias que convierten los desechos de carbono en materiales valiosos.

Los científicos han desarrollado un proceso para convertir las emisiones industriales, agrícolas y urbanas en sustancias químicas importantes. Este proceso captura más gases de carbono de los que libera. Los científicos llaman a esto biofabricación de «carbono negativo». El nuevo enfoque permite a la industria producir plásticos, combustibles y otros productos químicos de forma más sostenible. Este enfoque también conducirá a un desarrollo más rápido de procesos de producción eficientes basados ​​en células. Esto reduce las emisiones de gases de efecto invernadero y otros impactos ambientales de la actividad industrial. Representación esquemática del enfoque interdisciplinario para desarrollar una nueva ruta CO2 negativa para producir acetona e isopropanol, productos químicos básicos, que proporciona un plan para el desarrollo acelerado de nuevos procesos biológicos. (Imagen cortesía de Liew, F., et al., Pilot-scale carbon-negative production of acetone and isopropanol by gas fermentation. Nature Biotechnology 40(3) (2022))

Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge, LanzaTech Inc., la Universidad Northwestern y la Universidad de Tennessee utilizaron un enfoque interdisciplinario para optimizar las cepas de la bacteria. Clostridium autoethanogenum para maximizar la producción de acetona e isopropanol de los gases de escape.

Los científicos primero buscaron en los genomas de una colección de cepas industriales enzimas superiores que producen acetona e isopropanol. Probaron varias combinaciones de estas enzimas en estas bacterias para seleccionar los conjuntos de enzimas modificados genéticamente más eficientes.

Luego, el equipo optimizó aún más estas vías mediante el modelado computacional, la detección de enzimas libres de células y el análisis proteómico para identificar cuellos de botella metabólicos y vías competitivas.

Finalmente, adaptaron el proceso para obtener altas velocidades y estabilidad, y ampliaron los cultivos a 120 litros para la conversión continua de los gases de escape en acetona o isopropanol.

Mediante un análisis del ciclo de vida, el equipo demostró que este enfoque de biofabricación redujo las emisiones de gases de efecto invernadero en un 165 % en comparación con los procesos basados ​​en combustibles fósiles. Si bien la producción de estos dos productos químicos a partir de combustibles fósiles libera gases de carbono, este proceso biológico secuestra carbono.

Estos resultados demuestran que las bacterias acetogénicas diseñadas permiten una producción química sostenible, altamente eficiente y altamente selectiva. Esta optimización multifacética de cepas y procesos demuestra el potencial de los avances continuos en biotecnología para cambiar las prácticas industriales hacia métodos más sostenibles.

publicaciones

Liew, F., et al., Producción de acetona e isopropanol con CO2 negativo a escala piloto mediante fermentación de gas. biotecnología natural 40(3), 335-344 (2022). [DOI: https://www.nature.com/articles/s41587-021-01195-w ]

Pavan, M., et al., Avances en la evolución metabólica de los sistemas de biocatalizadores autotróficos fijadores de óxido de carbono hacia una economía circular. ingeniería metabólica 71, 117-141 (2022) [DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymben.2022.01.015]

Fackler, N., et al., Acelerando el gas hacia una economía circular: acelerando el desarrollo de la producción química negativa de CO2 a partir de la fermentación de gas. Revisión anual de ingeniería química y biomolecular 12, 439-470 (2021). [DOI: 10.1146/annurev-chembioeng-120120-021122]

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