Ingeniería de la lenteja de agua para producir aceite para biocombustibles y bioproductos

Los científicos impulsan la acumulación de petróleo en plantas acuáticas de rápido crecimiento

14.10.2022 - Estados Unidos

Científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE.UU. y colaboradores del Laboratorio de Cold Spring Harbor (CSHL) han modificado la lenteja de agua para que produzca un alto rendimiento de aceite. El equipo añadió genes a una de las plantas acuáticas de más rápido crecimiento en la naturaleza para "impulsar" la síntesis de ácidos grasos, "extraer" esos ácidos grasos en aceites y "proteger" el aceite de la degradación. Como explican los científicos en un artículo publicado en Plant BiotechnologyJournal, esta lenteja de agua rica en aceite podría cosecharse fácilmente para producir biocombustibles u otros bioproductos.

El artículo describe cómo los científicos diseñaron una cepa de lenteja de agua, Lemna japonica, para que acumulara aceite en cerca del 10 por ciento de su biomasa en peso seco. Se trata de un aumento espectacular, 100 veces superior al de las plantas que crecen en la naturaleza, con un rendimiento más de siete veces superior al de la soja, la mayor fuente de biodiésel de la actualidad.

"La lenteja de agua crece rápidamente", explica el bioquímico del Laboratorio Brookhaven John Shanklin, que dirigió el equipo. "Sólo tiene tallos y raíces diminutos, por lo que la mayor parte de su biomasa se encuentra en frondas parecidas a hojas que crecen en la superficie de estanques de todo el mundo. Nuestra ingeniería crea un alto contenido de aceite en toda esa biomasa".

"Cultivar y cosechar esta lenteja de agua modificada en lotes y extraer su aceite podría ser una vía eficaz para la producción de aceite renovable y sostenible", afirma.

Dos ventajas añadidas: Al ser una planta acuática, la lenteja de agua productora de aceite no competiría con los cultivos alimentarios por las tierras agrícolas de primera calidad. Incluso puede crecer en las escorrentías de las granjas porcinas y avícolas.

"Esto significa que esta planta modificada podría limpiar los flujos de residuos agrícolas a la vez que produce aceite", afirma Shanklin.

Aprovechamiento de dos instituciones de investigación de Long Island

El proyecto actual tiene sus raíces en la investigación del Laboratorio Brookhaven sobre las lentejas de agua de los años 70, dirigida por William S. Hillman en el Departamento de Biología. Posteriormente, otros miembros del Departamento de Biología trabajaron con el grupo Martienssen de Cold Spring Harbor para desarrollar un método muy eficaz para expresar genes de otras especies en las lentejas de agua, junto con enfoques para suprimir la expresión de los propios genes de las lentejas de agua, según se desee.

Cuando los investigadores de Brookhaven dirigidos por Shanklin y Jorg Schwender identificaron en las dos últimas décadas los factores bioquímicos clave que impulsan la producción y acumulación de aceite en las plantas, uno de los objetivos era aprovechar ese conocimiento y las herramientas genéticas para intentar modificar la producción de aceite de las plantas. La última investigación, de la que se informa aquí, puso a prueba este enfoque mediante la ingeniería de la lenteja de agua con los genes que controlan estos factores de producción de aceite para estudiar sus efectos combinados.

"El proyecto actual reúne la experiencia del Laboratorio Brookhaven en la bioquímica y la regulación de la biosíntesis del aceite vegetal con las capacidades genómicas y genéticas de vanguardia de Cold Spring Harbor", dijo Shanklin.

Uno de los genes de producción de aceite identificados por los investigadores de Brookhaven impulsa la producción de los componentes básicos del aceite, conocidos como ácidos grasos. Otro extrae, o ensambla, esos ácidos grasos en moléculas llamadas triacilgliceroles (TAG), combinaciones de tres ácidos grasos que se unen para formar los hidrocarburos que llamamos aceites. El tercer gen produce una proteína que recubre las gotas de aceite en los tejidos vegetales, protegiéndolas de la degradación.

A partir del trabajo preliminar, los científicos descubrieron que el aumento de los niveles de ácidos grasos provocado por el gen "push" puede tener efectos perjudiciales para el crecimiento de las plantas. Para evitar esos efectos, la investigadora postdoctoral del Laboratorio Brookhaven Yuanxue Liang emparejó ese gen con un promotor que puede activarse mediante la adición de una pequeña cantidad de un inductor químico específico.

"La adición de este promotor mantiene desactivado el gen push hasta que añadimos el inductor, lo que permite que las plantas crezcan normalmente antes de que activemos la producción de ácidos grasos/aceite", explicó Shanklin.

Liang creó entonces una serie de combinaciones de genes para expresar los factores mejorados de empuje, tracción y protección por separado, en pares y todos juntos. En el artículo se abrevian como W, D y O por sus nombres bioquímicos/genéticos, donde W=empujar, D=tirar y O=proteger.

Los hallazgos clave

La sobreexpresión de cada modificación genética por sí sola no aumentó significativamente los niveles de ácidos grasos en las frondas de Lemna japonica. Sin embargo, las plantas modificadas con las tres modificaciones acumularon hasta un 16% de su peso seco en forma de ácidos grasos y un 8,7% en forma de aceite cuando se promediaron los resultados de varias líneas transgénicas diferentes. Las mejores plantas acumularon hasta un 10 por ciento de TAG, más de 100 veces el nivel de aceite que se acumula en las plantas de tipo silvestre no modificadas.

Algunas combinaciones de dos modificaciones (WD y DO) aumentaron el contenido de ácidos grasos y la acumulación de TAG de forma espectacular en relación con sus efectos individuales. Estos resultados se denominan sinérgicos, ya que el efecto combinado de dos genes aumentó la producción más que la suma de las dos modificaciones por separado.

Estos resultados también se revelaron en las imágenes de las gotas de lípidos en las frondas de las plantas, producidas utilizando un microscopio confocal en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Brookhaven. Cuando las frondas de la lenteja de agua se tiñeron con un producto químico que se une al aceite, las imágenes mostraron que las plantas con cada combinación de dos genes (OD, OW, WD) tenían una mayor acumulación de gotas de lípidos en relación con las plantas en las que estos genes se expresaban por separado, y también en comparación con las plantas de control sin modificación genética. Las plantas de las líneas OD y OWD tenían ambas grandes gotas de aceite, pero la línea OWD tenía más de ellas, produciendo las señales más fuertes.

"El trabajo futuro se centrará en probar los factores de empuje, atracción y protección de una variedad de fuentes diferentes, optimizando los niveles de expresión de los tres genes inductores de aceite y refinando el momento de su expresión", dijo Shanklin. "Además, estamos trabajando en cómo ampliar la producción desde el laboratorio hasta los niveles industriales".

Este trabajo de ampliación tiene varios objetivos principales: 1) diseñar los tipos de recipientes de cultivo a gran escala para cultivar las plantas modificadas, 2) optimizar las condiciones de crecimiento a gran escala y 3) desarrollar métodos para extraer eficazmente el aceite a altos niveles.

Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencia del DOE (BER). La CFN también cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencia (BES).

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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