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Microbiología

Las artesanas del etanol

Nuevos descubrimientos sobre la genética de las levaduras dan impulso a la investigación destinada a ampliar la productividad del alcohol

EDUARDO CESAREn menos de cinco minutos, las cadenas de una grúa inclinan un volquete y arrojan 30 toneladas de caña sobre una cinta transportadora ubicada en el inicio de la línea de producción de azúcar y alcohol de Usina Santa Fé, una central emplazada en la localidad de Nova Europa, región central del estado de São Paulo. El volquete sale y un tractor trae otro y después otro, día y noche, sin parar. La caña avanza por la cinta, pasa por máquinas que la trituran y le extraen el jugo verde que se transforma en azúcar después de la purificación y la evaporación. Posteriormente, en las llamadas dornas de fermentación unos tanques de 25 metros de altura, comienza la transformación del azúcar en etanol, que depende de linajes específicos de un tipo de hongo, la levadura Saccharomyces cerevisiae, el mismo microorganismo unicelular que se emplea para hacer el pan, la cerveza y el vino.

Hasta hace poco tiempo, no sabíamos qué pasaba allá dentro, comenta Cláudio Câmara, gerente de procesos de la central, apuntando hacia los tanques. Solamente sabíamos que la fermentación terminaba bien. Después de usar varios linajes de Saccharomyces cerevisiae adecuados a menores volúmenes de producción, Santa Fé adoptó una combinación de cuatro variedades de levaduras para dar cuenta de la producción de un millón de litros de alcohol diarios, que llenan 30 camiones. Fue lo mejor que logramos, dice. A Câmara le gustaría usar menos variedades de levadura o menos levadura la fermentación comienza con 600 kilos de levaduras dentro de un tanque que contiene 80 mil litros de mosto, el azúcar diluido. Pero con este volumen de producción, no podemos correr riesgos. Anteriormente reconocidos tan sólo por su capacidad de transformar el azúcar de caña en alcohol combustible, estos linajes de levaduras son ahora un poco mejor conocidos y respetados.

Dos estudios uno de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) y otro de la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC) examinan el conjunto de genes (genoma) de los linajes de levaduras empleadas en la producción de etanol y  describen los mecanismos que les permiten producir alcohol con rapidez y  eficiencia. Con base en estas informaciones, los investigadores están ahora motivados para buscar o construir variedades más adaptadas a las dornas de fermentación. A lo mejor el desempeño de las levaduras de uso industrial mejora si logramos remover o desactivar algunos genes, cree Gonçalo Pereira, coordinador del equipo de la Unicamp.

Uno de los argumentos que alimentan esta posibilidad indica que el rendimiento de la producción de alcohol aún se ubica debajo del máximo teórico. En la actualidad las levaduras producen 0,46 gramo de etanol por cada gramo de azúcar, según Sílvio Andrietta, investigador de la Unicamp. El máximo teórico es de 0,51, dice. Llegamos al 90% del máximo teórico, Si todo sale bien, el impacto económico puede ser grande. Si la eficiencia del proceso aumenta un 5%, será una mejora extraordinaria, teniendo en cuenta los elevados volúmenes de producción, dice el ingeniero químico Saul Gonçalves DÁvila, profesor emérito de la Unicamp que acompaña a uno de los equipos. Este año, 350 centrales producirán 27,5 mil millones de litros de etanol.

El ahora conocido conjunto de genes propio de las levaduras que producen etanol explica de qué modo esas variedades se volvieron robustas como un jeep, capaces de sobrevivir al calor intenso y de vencer la competencia con las levaduras salvajes que llegan con la caña y con otros microorganismos, todos ávidos por el azúcar abundante existente en los tanques. El proceso de producción de etanol en Brasil es bastante susceptible a la contaminación por microorganismos que reducen la productividad, comenta Gustavo Goldman, profesor de la Universidad de São Paulo (USP) de Ribeirão Preto, especialista en genoma de hongos.

EDUARDO CESARGenes de resistencia
Estos trabajos muestran que los linajes productores de etanol han acumulado características genéticas propias, que los hacen muy diferentes que el linaje adoptado como referencia: el S288c. Mantenido en el confort del laboratorio,  este linaje ha sido examinado y manipulado desde hace más de 10 años: su genoma fue el primero de un microorganismo dotado de núcleo que fue secuenciado y presentado en 1996 en un artículo científico. Las variedades usadas para producir vino y cerveza también han sido bastante estudiadas, mientras que las que hacen etanol llamaron más la atención en los últimos años.

En el marco de un trabajo publicado en 2008, un equipo de la USP encabezado por Luiz Basso había mostrado que los linajes que comienzan a digerir los azúcares del jugo de la caña generalmente no eran los que llegaban al final: solamente los más robustos sobrevivían a las altas temperaturas y a la concentración creciente de alcohol, y tendían a dominar, mientras que los más delicados, uno de ellos empleado para hacer el pan, eran reemplazados. Ahora, estos nuevos estudios aclaran de qué manera los primeros logran sobrevivir.

En uno de los trabajos, publicado el mes pasado en Genome Research, especialistas de tres universidades paulistas (la Unicamp, la USP y la Universidad Federal de São Carlos) y de dos de Estados Unidos (las de Carolina del Norte y  Duke) analizaron una variedad bastante empleada en la producción de etanol, el linaje Pedra 2, uno de las adoptados en la central Santa Fé, y lo compararon con el linaje de referencia S288c. Ambos tienen 16 cromosomas y alrededor de 6 mil genes, pero cada linaje ganó o perdió genes con relación al otro. Juan Lucas Argueso, investigador brasileño que actualmente se encuentra en Duke y que coordinó el análisis genético, cuenta que el linaje Pedra 2 tiene 16 genes que no se encuentran en el linaje de laboratorio y favorecerían la supervivencia en los tanques de fermentación. Dos de estos genes otorgan resistencia a la toxicidad del etanol, cuya concentración aumenta con el avance de la fermentación. Estos genes fueron identificados hace alrededor de 10 años en linajes de levaduras empleadas para producir sake, que sobreviven en ambientes más tóxicos, con una concentración de etanol aún mayor, dice Argueso. Los linajes que no tienen estos genes son más sensibles al etanol y se mueren más fácilmente. Otros dos genes del Pedra 2 son nuevos, sin semejanza con ningún otro identificado anteriormente, y los investigadores aún no saben qué función podrían tener.

La región central de los cromosomas de los dos linajes es estructuralmente idéntica. Sin embargo, las regiones periféricas o subteloméricas de los cromosomas del linaje de uso industrial son diferentes y ricas en genes que confieren tolerancia a estreses ambientales, como es el caso de la temperatura elevada, y probablemente amplían la eficiencia en la producción de alcohol. En las puntas de los cromosomas se encuentra la mayoría de los genes propios de este linaje, muchas veces repetidos. Las repeticiones de genes facilitan el intercambio de material genético entre los cromosomas, que pueden recombinarse rápidamente en cada nueva generación, creando formas bastante distintas, dice Argueso. Esta flexibilidad genómica probablemente explica de qué manera ése y otros linajes de uso industrial sobreviven a la competencia con otros microorganismos. De acuerdo con este estudio, dicha variedad produce un 50% más alcohol y un 30% más rápidamente que el linaje de laboratorio. El Pedra 2 hace lo que puede, no lo que a los industriales les gustaría, dice Pereira.

Empezamos ver qué sería posible cambiar en el genoma de las levaduras usadas en la producción de etanol, en busca de linajes más productivos, comenta Boris Stambuk, docente de la UFSC que coordinó el otro estudio, que saldrá publicado en Genome Research. Stambuk, Basso y un equipo de Stanford, Estados Unidos, ya habían secuenciado el genoma de otro linaje bastante usado, el CAT-1. Ahora, con Stanford, Stambuk coordinó el análisis del genoma de las cinco principales levaduras adoptadas en la producción de etanol en Brasil. De acuerdo con este trabajo, las cepas o variedades de uso industrial, cuando se las compara con la S288c, tienen más copias de genes que participan en la síntesis de las vitaminas B1 (tiamina) y  B6 (piridoxina).  Esta peculiaridad facilita la transformación de azúcares en alcohol, que puede matar microorganismos más delicados. En ambientes ricos en azúcar como el de la producción industrial de etanol, dice Goldman, estas cepas podrían tener una ventaja adaptativa sobre otras.

Goldman confía en la posibilidad de construir cepas más adaptadas, mediante ingeniería genética o cruzamientos. Los equipos de la Unicamp y de la UFSC se encuentran abocados a explorar algunos caminos para perfeccionar las levaduras que producen el alcohol brasileño, pero saben que esto no será fácil ni rápido, ni los resultados estarán asegurados, debido a la propia robustez de dichos microorganismos. Una de las barreras que deben sortearse es la membrana externa de las levaduras de uso industrial, que impide la entrada del etanol que le sería perjudicial y debería atravesarse para inducir modificaciones en los genes. Parte de la resistencia de estos linajes a las técnicas de transformación genética se debe precisamente a la capacidad de no permitir la entrada de cosas extrañas, dice Stambuk.

EDUARDO CESARCautela
Aun cuando los investigadores logren crear nuevas variedades de levaduras, saben que no deben festejar antes de tiempo: organismos genéticamente modificados que funcionan bien en laboratorio pueden ser un desastre en fermentadores mayores, como los de las centrales azucareras. Pereira ya se decepcionó una vez. En 2003, presentó una cepa de levadura genéticamente modificada que se depositaba en el fondo de los tanques de fermentación después de producir alcohol. En el laboratorio era lindo, funcionaba como un relojito, recuerda. Podría ser una forma de simplificar la producción de etanol y reducir costos. Pero en equipamientos de mayor porte, las levaduras produjeron menos que los linajes empleados normalmente.

En esta ocasión, Pereira se rodeó de gente que sigue lo que hace su equipo, y se la pasa advirtiendo que los resultados obtenidos en laboratorio deben ser también factibles desde el punto de vista técnico, económico y ambiental. Puede ser que encontremos otros linajes mejores estudiando el genoma y entendiendo el comportamiento de las levaduras, dice Andrietta, ingeniero químico y coautor del artículo en Genome Research de octubre.

Este trabajo de los equipos de Pereira y de Andrietta integra un plan de producción de resinas plásticas a base de etanol coordinado por Braskem, una de las mayores petroquímicas del país, ligada al grupo Odebrecht. Dicho proyecto moviliza actualmente a un equipo de tres unidades de la Unicamp que empezó a formarse en 2007, cuando Antonio Queiroz, director de competitividad e innovación de Braskem, arribó a la conclusión de que la producción de polímeros verdes pasaría por procesos biotecnológicos que los investigadores de la empresa aún no conocían. Luego consultó a uno de sus ex profesores de ingeniería química, Saul DÁvila, y  empezó a formar un grupo de personas que confían unas en las otras y a quienes que les gusta trabajar juntos, dice. De entrada sabíamos que no podríamos hacer todo solos y deberíamos trabajar en colaboración. Al menos una vez por mes Queiroz va a la Unicamp a planificar los próximos pasos con los equipos. Según él, el trabajo marcha bien, pero pronto requerirá la conformación de otras alianzas. No puedo hacer todo con la universidad. Sé hasta dónde puedo ir.

Queiroz sabe también que una fábrica de plásticos derivados de caña difícilmente surgirá en menos de 10 años, incluso cuando todo marche bien. En menos tiempo, otra empresa del grupo Odebrecht, ETH Bioenergia, podrá aprovechar levaduras adaptadas a producir más etanol. Como están en fase de expansión, las cinco centrales de la ETH duplicarán su capacidad de molienda, llegando a los 10 millones de toneladas de caña en la próxima zafra. A mediano y largo plazo, queremos usar la biomasa de la caña para hacer productos alternativos, tales como alcoholes especiales, dice Luis Felli, vicepresidente de operaciones agroindustriales de la empresa.

El equipo de la UFSC también tiene un pie en la industria. Stambuk empezó a estudiar levaduras industriales en 2004 con Henrique Amorim, ex profesor de la USP de la localidad de Piracicaba y propietario de la empresa Fermentec. Ellos reforzaron el equipo con una central paulista dispuesta a probar las levaduras modificadas en laboratorio en equipamientos de mayor porte. Los resultados que Boris ha obtenido con Henrique son producto de la investigación básica que se hace en nuestros laboratorios, dice Pedro Soares de Araujo, del Instituto de Química de la USP, que integra el grupo y orientó a Stambuk en el doctorado. Lo notable en nuestro trabajo es precisamente eso: la investigación básica suministró los elementos necesarios para hacer la investigación aplicada con gente que tiene una sólida formación científica. Y Stambuk comenta: En 2012 podremos saber se tendremos éxito o no en el ambiente industrial. Los que trabajan diariamente en la producción de etanol, como Câmara, de Usina Santa Fé, aguardan ansiosamente.

Los proyectos
1.
Rutas verdes para el propeno (nº 07/58336-3); Modalidad Investigación en Asociación para la Innovación Tecnológica (Pite); Coordinador Gonçalo Amarante Guimarães Pereira IB/Unicamp; Inversión R$ 3.805.396,60 (FAPESP) y R$ 3.500.000,00 (Braskem)
2. Bioetanol: desarrollo de levaduras industriales brasileñas para la fermentación eficiente de azúcares presentes en la biomasa; Modalidad Auxilio a la Investigación (pliego del MCT); Coordinador Boris Ugarte Stambuk UFSC; Inversión R$ 648.717,64 (CNPq)

Artículos científicos
ARGUESO, J.L. et al. Genome structure of a Saccharomyces cerevisiae strain widely used in bioethanol production. Genome Research. oct. 2009.
STAMBUK, B.U. et al. Industrial fuel ethanol yeasts contain adaptive copy number changes in genes involved in vitamin B1 and B6 biosynthesis. Genome Research. En prensa.

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