biocombustibles y biología sintética
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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
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