Biocombustibles y Biología Sintética

Seminario de Biofísica - Nathaly Marín Medina

10 de abril de 2012 - Universidad de los Andes - Bogotá

http://www.biodisol.com/biocombustibles/biocombusti

bles-toman-fuerza-por-rentables-energias-renovables-

bioetanol-y-biodiesel/

http://caminodelanoviolencia.wordpress.com/200

8/04/26/biocombustibles-postura-humanista/

http://www.xatakaciencia.com/categoria/

biocombustibles

Plan

Inicio de los biocombustibles

Desventajas y nuevas opciones

Combustibles actuales y alternativas biosintéticas

Huésped productor y vías metabólicas

Papel de la biología sintética

Trabajos desarrollados actualmente

http://segundanaturaleza.wordpress.com/

2011/01/14/solvencia-de-la-economia-

ante-el-desafio-del-calentamiento-global/

http://powertubeenergy.com/?p=435

http://efectoinvernadero23.blogspot.com/2011/01/calentamiento-global-causas.html

¿Por qué necesitamos biocombustibles?

http://es.dreamstime.com/image-stock-graphique-dcroissant-

de-tonneaux-huile-image23476471

http://www.world-nuclear.org/education/whyu.htm http://ambientalblog2010.wordpress.com/2010/12/04/aparecen-nuevas-evidencias-del-calentamiento-global/

Biocombustibles de primera generación:

Bioetanol y Biodiesel

• No compatibilidad con infraestructura

• 70% del contenido de energía de la gasolina • No se puede transportar por ductos

• 11% menos energía que petrodiesel

Maíz Caña de azúcar

Etanol (Lt / ton) ~400 ~85

Rendimiento (ton/Ha) ~3.5 40 - 80

Rendimiento energético 1,22 11,2

http://cs1011rosaarjonarivas.blogspot.com/2011/04/los-biocarburantes.html

http://www.uninorte.edu.co/extensiones/IDS/Ponencias/biocombustibles/

BIOETANOL_Ivan_Ochoa1.pdf

http://www.proprofs.com/games/puzzle/sliding/t/biodiesel/

RENDIMIENTO ENERGÉTICO

BIODIESEL A PARTIR DE SOJA

Máximo uso

combustible

fósil

Mínimo uso

combustible

fósil

Sin subproductos 1,19 1,57

Con subproductos 3,98 5,23

http://www.biodiesel.com.ar/download/Balance_energetico_de_la_produccion_de_bi

odiesel_a_partir_de_soja_en_Argentina.pdf

Inconvenientes

Cambio de uso de tierras Deforestación

Uso de combustibles fósiles Maquinaria agrícola

Transformación

Transporte

Uso de fertilizantes

Consumo de agua

http://noticias.masverdedigital.com/2012/crisis-de-

alimentos-y-biocombustibles-o-biocarburantes/ http://airvoila.com/wp-

content/uploads/2009/04/biocombustibles.jpg

http://biodieseldesventajas.wordpress.com/about/ http://bloglemu.blogspot.com/2010/12/crisis-

de-alimentos-y-biocombustibles-o.html

Hay que buscar otras opciones Otra fuente de biocombustibles:

La lignocelulosa

Retos

Importar y optimizar vías metabólicas

Diversidad de moléculas a convertir

Biomoléculas parecidas a las derivadas del petróleo

Toxicidad

BIOLOGÍA SINTÉTICA

http://www.secondgenome.com/2010/08/lignocellulose-decomposition/

Combustibles y alternativas

Gasolina Etanol

70% del contenido energético

Difícil destilación y transporte por ductos

n-butanol

Alcoholes ramificados de 4-5 carbonos

Diesel

Biodiesel

Menor contenido energético

No transporte por ductos

Alcoholes grasos y alcanos

Isoprenoides

Basado en: Lee et al., Metabolic engineering for biofuels production. Current Opinion in Biotechnology 2008, 19:556-563

Características del huésped productor

Escherichia coli y Saccharomyces cerevisiae

Genética bien caracterizada

Manipulación a nivel genético

Altas tasas de crecimiento

Diseño de determinados fenotipos → Biología sintética

Convertir lignocelulosa

en biocombustible

Basado en: Lee et al., Metabolic engineering for biofuels production. Current

Opinion in Biotechnology 2008, 19:556-563

http://es.wikipedia.org/wiki/E_coli http://es.wikipedia.org/wiki/Saccha

romyces_cerevisiae

VÍAS METABÓLICAS

Catabolismo de azúcares Lignocelulosa

Glucosa, xilosa ↑↑↑↑

Arabinosa, ácido galacturónico y ramnosa ↑

Basado en: Dellomonaco C et al., The path to next generation biofuels: successes and

challenges in the era of synthetic biology. Microbial Cell Factories 2010, 9:3

Avances

Vía metabólica eficiente de xilosa en S. cerevisiae

Cofermentación de glucosa, xilosa y arabinosa en Zymomonas mobilis

Otros productos de la fermentación

Avances

E. coli diseñada para producir Hidrógeno y Butanol

Basado en: Yoshida A et al., Enhanced hydrogen production from glucose

using ldh- and frd-inactivated Escherichia coli strains. Appl Microbiol

Biotechnol 2006, 73:67-72

Atsumi S et al., Metabolic engineering of Escherichia coli for 1-butanol

production. Metabolic Engineering 2008, 10:305-311

↑ 70%

Vía metabólica de ácidos grasos

Avances

Algas con alto contenido lipídico

http://2011.igem.org/Team:Washington/Alkanes/Results http://www.oilgae.com/algae/oil/oil.html

iGEM 2011 – U Washington

De biodiesel a diesel

Vía metabólica de ácidos grasos

Avances

Reservas de acetil-CoA → biosíntesis de ácidos grasos en E. coli

Co-expresión de varias enzimas

Minimizar catabolismo de ácidos grasos

Borran o inactivan los genes involucrados en E. coli y S. cerevisiae.

Producción de ácidos grasos transesterificados en E. coli

Expresión de enzimas de otras bacterias: Zymomonas mobilis y Acinetobacter baylyi

Basado en: Kalscheuer R et al., Microdiesel: Escherichia coli engineered

for fuel production. Microbiology 2006, 152:2529-2536

Vía metabólica de isoprenoides Síntesis con el uso de monómeros IPP y DMAPP

Producción de alcoholes ramificados, alcanos, alquenos, hidrocarburos cíclicos, isopentanol…

Avances

Aumentar el nivel de producción del monómero IPP

Introducir vía del mevalonato en E. coli

Intoducir vía del piruvato en S. cerevisiae

Basado en: Yoon S et al., Increased β-Carotene Production in Recombinant Escherichia coli Harboring an

Engineered Isoprenoid Precursor Pathway with Mevalonate Addition. Biotechnology Progress 2007, 23:599-605

Papel de la biología sintética Generar huéspedes que no existen en la naturaleza.

Modificar organismos existentes o crear uno desde cero con un mínimo genoma

Transferir una vía metabólica que funciona en un organismo a otro

Controlar cualquier proceso celular que reduzca la producción de biocombustibles

Teniendo en cuenta: Restricciones de recursos

Equilibrio de metabolitos

Resistencia a efectos tóxicos por acumulación de biomoléculas

Cepas resistentes a condiciones de procesamiento industrial

Usando biología sintética

Introducir genes externos

Vías metabólicas

Enzimas

Controles

Promotores

RBS

Estabilidad del ARNm

Keasling JD, Manufacturing Molecules Through Metabolic Engineering. Science 2010, 330:1355-1358

http://2011.igem.org/Team:Washington/Alkanes/Methods

Avances recientes

Basado en: http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2011/11/29/e-coli-make-three-fuels/

Switchgrass:

Pasto varilla

http://es.wikipedia.org/wiki/Panicum

_virgatum

Avances recientes

http://newscenter.lbl.gov/feature-stories/2012/03/26/dsrs-boosts-microbial-production-of-diesel-fuel/

DSRS: Dynamic Sensor-Regulator System

BIOLOGÍA SINTÉTICA

↓

Actor central en la revolución de los

biocombustibles

http://www.biodisol.com/biocombustibles/biocombusti

bles-toman-fuerza-por-rentables-energias-renovables-

bioetanol-y-biodiesel/

http://caminodelanoviolencia.wordpress.com/200

8/04/26/biocombustibles-postura-humanista/

http://www.xatakaciencia.com/categoria/

biocombustibles