Biotecnología Ambiental (Diplomados por goNext)
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Biotecnología Ambiental
Introducción
“The Keeling Curve”
27%
23% 19%
13%
6%
6% 4%
2%
Emisiones Globales de CO2
Resto
China
EUA
UE
Rusia
India
Japón
Canadá
Principales participaciones globales en la emisión de CO2. Fuente: EPA (http://goo.gl/cdb0V5)
¿Y qué se ha hecho para contrarrestar esto?
El Protocolo de Kyoto durante el año 2012 comenzó su segundo compromiso de reducir emisiones de gases de efecto invernadero, y tiene como fecha límite el 2020
¿Qué pasó al final de este protocolo?
Éxitos
Fracasos
Reino Unido Alemania República Checa Ucrania
Canadá Japón España Australia
Acciones concretas
Biocombustibles
1era generación 2 3 4
A partir de cultivos vegetales
energéticos.
Económicamente son los más importantes
Compiten contra alimentos
2da generación 1 3 4
Basados en cultivos vegetales no alimenticios
Económicamente le siguen en
importancia a la 1ra generación
También abarcan desechos y residuos
(vegetales en su mayoría)
3ra generación 1 2 4
Generados por microalgas
Aún no se producen ni consumen a gran
escala
Estos organismos tienen otras
aplicaciones, pero energía no
4ta generación 1 2 3
Son aquellos donde se aplica la
ingeniería genética para mejorarlos
Básicamente sólo existen en escala de
laboratorio
Aparentan ser los más promisorios
Tres cuartos de los 27.9 billones de galones mundiales del mercado de biocombustibles para el 2012 fueron para etanol.
Y ahora: Bioetanol y Biodiesel
Bioetanol Biodiesel
Fermentación de azúcares Transesterificación de grasas
Usado como aditivo en combustibles (gasolina)
Se mezcla con petrodiesel (no es aditivo)
A partir de cultivos “azucarados”
A partir de cultivos “grasosos”
3
Metanol Triacilglicérido Glicerol Fatty Acid Methyl Esters =
Biodiesel
Biodiesel: transesterificación
Bioetanol: fermentación
Ingeniería Metabólica
Introducción
El objetivo de la ingeniería metabólica es la modificación directa
de los flujos metabólicos.
Mejorar la producción de un metabolito
formado naturalmente por un organismo
Proveer al organismo de la habilidad de utilizar
sustratos atípicos
Formar metabolitos no producidos
naturalmente
Ingeniería metabólica racional
Modificar vías basándose en información
disponible (enzimas, reguladores, etc)
Transferencia del conocimiento y
resultados a otras especies
Ingeniería evolutiva
Insertar modificaciones
aleatorias en todo el genoma e identificar clonas potenciales
No se requiere conocimiento previo.
Descubrimientos muy interesantes
potenciales
Librerías (de sobreexpresión y
otras)
Sobreexpresión o eliminación aleatoria
de varios genes
Revelación de estrategias novedosas
de mejoramiento. Conocimiento previo
no fundamental
Ingeniería de transcripción
Reprogramar expresión de genes al modificar factores de
transcripción
Características multigénicas pueden
ser atendidas
Estrategia Descripción Ventajas
¿Y las desventajas?
GenA
Metabolito A (no muy
bueno)
Enzima A S1
Metabolito B (mejor)
Metabolito B (mejor)
GenB
Enzima B
P p GenS1
S2
GenS2
Almidón Lignocelulosa Azúcares simples
Alcohol de dos tipos:
Azúcares simples
Ingeniería Metabólica: Bioetanol
El que fermenta Como fermenta
Lo que fermenta
Almidón Lignocelulosa Azúcares simples
Almidón
Amilosa: Glucosa 1-4 Amilopectina: Glucosa 1-6
Enzima faltante para
degradar almidón
Azúcares simples
Buscar en la naturaleza
Objetivo: Mayor/mejor
producción de etanol
El héroe: Saccharomyces
cerevisiae
Enemigos:
Almidón Lignocelulosa
Insertar genes para expresar glucoamilasa, sola o en combinación con alfa-amilasa. (Nevoigt et al, 2008). Anclar estas enzimas a la membrana exterior utilizando la proteína Flo1. (Khaw et al, 2006)
Expresión de beta-glucosidasas, endoglucanasas y celulasas. (Toda et al, 2005; van Rooyen, 2006). Ingeniería de proteínas (dominios) para mejorar la unión a celulosa. (Gundlapalli et al, 2008)
Compañeros:
Pichia stipitis Zymomonas mobilis
A través de genes como XYL1 y 2, es posible fermentar xylosa, 2do azúcar más abundante en lignocelulosa (Hanh et al, 2007; Zhang, 2012)
Pretratamientos de
almidón y
lignocelulosa
Lipomyces kononenkoae y Saccharomycopsis fibuligera
P LKA1 Promotor y terminador: Fosfoglicerato cinasa
T
P LKA2 T
P SFA1 T
P SFG1 T
Alfa-amilasas (L. kononenkoae )
Alfa-amilasa (S. fibuligera)
Glucoamilasa (S. fibuligera)
Transformación de levaduras
Análisis de southern
Análisis en placas
Crecimiento en biorreactores
Resultado: Crecimiento en
almidón Aprovechamiento
de un 80% 0.06 g/L de etanol
3
Metanol Triacilglicérido Glicerol Fatty Acid Methyl Esters =
Biodiesel
Biodiesel: transesterificación
La biofábrica en Saccharomyces
Naturalmente no es gran productora de ácidos grasos, y
menos genera biodiesel
Entonces…
• Genes clave en la síntesis de ácidos grasos, sobre-
expresados (genes nativos)
• Acetil-CoA carboxilasa (ACC1)
• Sintasa de ácidos grasos 1 (FAS1)
• Sintasa de ácidos grasos 2 (FAS2)
CH2OH
CHOH
CH2OPO3H
CH2OOCR
CHOH
CH2OPO3H
Glicerol – 3 – fosfato
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OPO3H
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OH
Ácido lisofosfatídico Ácido fosfatídico Diacilglicerol
GPAT LPAT PAP
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OH
Acil-CoA
Diacilglicerol Triacilglicérido
DGAT
Síntesis de Triacilglicéridos
Levadura modificada
Contenido graso
17%-20%
Ácidos grasos libres
Biodiesel
400 mg/L
5 mg/L
Diseño de un
microorganismo capaz
de generar biodiesel a
partir de azúcares
simples
CH2OH
CHOH
CH2OPO3H
CH2OOCR
CHOH
CH2OPO3H
Glicerol – 3 – fosfato
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OPO3H
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OH
Ácido lisofosfatídico Ácido fosfatídico Diacilglicerol
GPAT LPAT PAP
Ingeniería Metabólica: Biodiesel
Ruta Bioquímica en la producción de Triacilglicéridos
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OH
Acil-CoA
Diacilglicerol Triacilglicérido
DGAT
Ingeniería Metabólica: Biodiesel
$
Umbelopsis ramanniana Glycine max
DGAT 2
Aumento en la cantidad de lípidos en un 1.5% (peso)
$17.9 USD por tonelada métrica
$ 70.4 millones de toneladas métricas 2007-2008
$ $1.26 mil millones / año
Lardizabal et al.. 2008 Plant Physiol
Otros combustibles
Hidratos de metano
(o también clatratos)
“Moléculas cristalinas de agua con gases atrapados en su
interior formados debido a altas presiones y temperaturas”.
Depósito marino
Zona de alta presión y
baja temperatura
(2km y 0°C)
Gas generado por actividad biológica
Formación de hidratos en zonas cercanas a placas continentales.
Gas filtrado desde la
profundidad
Y llega la controversia (más que los biocombustibles)
Estimación de la reserva explotable con tecnología actual:
1 0 0, 0 0 0, 0 0 0, 0 0 0, 0 0 0, 0 0 0, 0 0 0 L
10 mil billones
100 trillones
580 trillones
Consumo de gas x 1,694,915,254
60% de las reservas actuales de gas natural
Y exactamente… ¿Cómo se pueden usar?
CH4 CH4 CO2 CO2
Se inyecta CO2 Se recupera CH4
¿Y las microalgas?
Schenk et al, 2008. Bioenerg. Res.
% de aceite por biomasa
Litros de aceite / Ha al año
Tierra: m2 año/Kg biodiesel
40 1070 11
36 5366 2
30 58 700 0.2
70 136 900 0.1
Plantas y microalgas para biocombustibles
CO2
No compiten por territorio arable
[ Eficiente uso de espacio ]
Diferentes biocombustibles
Aún así, se requieren mejoras considerables para un escalamiento industrial.
Basados en microalgas
La microalga ideal
Wijffels et al., 2010. Science
Aceites excretados Fácil recuperación
Insensible a altas concentraciones de oxígeno
Capaz de crecer y producir lípidos al mismo tiempo
Células grandes con membranas delgadas
Alta productividad con luz intensa
46
Zuppini et al., 2010. Plant Cell Physiol. Se utilizó a esta alga como modelo de tolerancia a estrés osmótico y de temperatura, así como la Muerte Celular Programada.
Zuppini et al., 2009 J Exp Bot. El citocromo F está involucrado en la MCP, así como una participación del
cloroplasto.
Tan et al., 1991. Hydrobiol. Las condiciones del cultivo heterotrófico pueden cambiar significativamente la composición y cantidad de lípidos.
Otros trabajos: Fusión de protoplastos, biomarcador de
contaminación, osmoregulación, etc.
Algunos estudios
47
Células (x106)
Existe un reporte sobre el uso de esta alga como potencial productor de lípidos para biocombustibles
Herrera-Valencia et al., 2011. Curr Microbiol
Control NaCl ND NaCl/ND
Número de células: Decremento en tratamiento de Deficiencia de Nitrógeno y en combinación con salinidad.
Co
nte
nid
o d
e líp
ido
s (%
de
DB
W)
Contenido de lípidos: Superior a los cultivos heterotróficos (55.2% para Chlorella protothecoides). Superior a estrés por Nitrógeno en Neochloris oleobundans (56%)
[Salinidad] [Deficiencia de N]
Chlorella saccharophila para biocombustibles
48 Control NaCl ND ND/NaCl
103.73 ± 0.11
160.13 ± 77.52
315.53 ± 15.01
220.33 ± 7.22
Alto rendimiento de FAMEs sin afectar biomasa Alta productividad de lípidos Perfil de FAMEs deseable (C-18:1 cis y trans, C-18:0 y C-16:0)
Chlorella saccharophila para biocombustibles
Rendimiento de metil ésteres de ácidos grasos (FAMEs) (mg/L)
49
Transformación de Chlamydomonas reinhardtii
Líneas modificadas de C. reinhardtii sobreexpresando CreDGAT
B: Medio completo
C: Medio con DN
Líneas modificadas de C. reinhardtii sobreexpresando CreDGAT
Deng et al, 2012. Mol. Plant
Precios esperados Precios reales
Economía
Energía
Y ahora
Biorremediación
Introducción
VS
Combustibles fósiles
Combustibles fósiles
Combustibles fósiles: Ingeniería genética
Fitorremediación
Solventes
Fertilizantes
Explosivos
Metales pesados
Desechos animales
Desechos y contaminantes
variados y complejos
Bacterias Algas
Aprovechamiento y usos industriales potenciales
En acuacultura
El combustible “casi” perfecto:
Hidrógeno
H Hidrógeno
1 Valencia 1
Peso 1.00797
Estructura 1s1
El más abundante en
el universo
Presente en… todas partes
Forma parte de todos los demás
combustibles
Usos del Hidrógeno
Petróleo [refinación]
Grasas saturadas [estabilización]
Soldadura Vidrio
Vehículos espaciales [Propulsión y
mantenimiento]
Vehículos domésticos
Agua como desecho [Reuso y reciclaje]
Hidratación de personal
Recolección
Combustible
Hidrogenación Manufactura
Energía
Piezoelectricidad
70