La plataforma de carbono negativo convierte los gases residuales en

Un equipo de científicos de LanzaTech, la Universidad Northwestern y el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía ha desarrollado una tecnología de captura de carbono que aprovecha las emisiones de los procesos industriales para producir acetona e isopropanol, mejor conocido como IPA. Estos productos químicos ampliamente utilizados sirven como base para miles de productos, desde combustibles y solventes hasta vidrio acrílico y telas.

La plataforma de carbono negativo utiliza microorganismos como fábricas pequeñas pero poderosas que convierten el carbono de los flujos de desechos agrícolas, industriales y sociales en productos químicos útiles. El proceso recicla el carbono que, de otro modo, se liberaría como gases de efecto invernadero, acelerando el cambio climático. En la carrera hacia las emisiones netas cero, esta tecnología proporciona un paso hacia una economía de carbono circular que puede reemplazar los productos fabricados a partir de recursos fósiles.

Los investigadores se han basado en LanzaTech para desarrollar un nuevo proceso eficiente que convierte los gases residuales, como las emisiones de la industria pesada o el gas de síntesis generado a partir de biomasa, en acetona o IPA, utilizando bacterias diseñadas llamadas Clostridium endógeno, o C. coches. Sus métodos, incluida la demostración a escala piloto y el análisis del ciclo de vida que muestran la viabilidad económica, son publicado en la revista biotecnología de la naturaleza.

“Este proceso vital proporciona una alternativa sostenible a los métodos de producción actuales para estos productos químicos esenciales, que actualmente dependen de materias primas fósiles frescas y dan como resultado importantes desechos tóxicos”, dijo Jennifer Holmgren, directora ejecutiva de LanzaTech. «Podemos reducir los gases de efecto invernadero en más de un 160 %, lograr una producción negativa de carbono y secuestrar carbono que, de lo contrario, terminaría en la atmósfera».

LanzaTech actualmente está ampliando esta tecnología, que puede incorporarse a sus sistemas existentes e implementarse para su uso en todo el mundo.

«La biología sintética puede ser una herramienta poderosa en la búsqueda de mejorar la descarbonización y abordar el cambio climático», dijo Stan Walschleiger, director asociado de laboratorio en ORNL. «Nuestros científicos se benefician de las capacidades de clase mundial, trabajando en estrecha colaboración con la industria para aprovechar los sistemas biológicos para producir combustibles y productos químicos valiosos que respaldan una bioeconomía nacional próspera».

La investigación comenzó en LanzaTech, donde los científicos comercializaron previamente un proceso utilizando C. automático Cepas que pueden producir etanol, un biocombustible común, a partir de sus emisiones de carbono. Determinar las mejores enzimas para la producción de acetona e IPA y diseñar cepas microbianas para lograr una conversión de carbono a química eficiente y de alto rendimiento es un desafío científico complejo.

Los científicos utilizaron un enfoque triple que incorpora innovaciones en la detección de vías, la optimización del estrés y el desarrollo de procesos. Como primer paso, LanzaTech analizó cerca de 300 cepas de enzimas que podrían ser útiles en las vías de producción de acetona e IPA. Después de identificar las cepas beneficiosas, los científicos crearon una biblioteca de ADN de fusión, la más grande jamás realizada para esta clase de microbios, para encontrar variantes de enzimas que mejoren la producción de acetona.

La optimización adicional se basó en herramientas de biología sintética de vanguardia, incluidos prototipos sin células de la Universidad Northwestern, modelado avanzado de LanzaTech y análisis moleculares de ORNL.

“Oak Ridge tiene capacidades únicas en términos de secuenciación de ADN, biología de sistemas y muchos metabolitos y proteómica”, Michael Kupkedijo el vicepresidente de biología sintética de LanzaTech. «La experiencia de Oak Ridge nos ayudó a solucionar los problemas del proceso en pasos que podrían ser limitados».

La proteómica, el estudio de las proteínas y el metabolismo, el estudio de las moléculas pequeñas llamadas metabolitos, proporcionan una visión a nivel molecular de las sustancias químicas específicas que utiliza y produce un microbio. Como cualquier organismo vivo, cuando los microbios consumen o metabolizan las sustancias que necesitan para sobrevivir, producen subproductos. Para los científicos microbianos que se dedican a la ingeniería para producir ciertos materiales, estos subproductos son cuellos de botella.

Los perfiles de proteínas y metabolitos indican dónde se produce un cuello de botella en la producción dentro de C. automático dijo Tim Chaplinsky, jefe de biodiseño y biología de sistemas en ORNL. «Podemos ver lo que debe modificarse a continuación en las vías para que fluya más carbono hacia el producto».

En este caso C. automático, los científicos de ORNL determinaron que el microbio estaba produciendo demasiado compuesto 3-hidroxibutirato que requería un tratamiento posterior y un aumento de los costos del proceso. Este compuesto se encuentra en medio de la ruta metabólica principal donde puede mover el carbono en diferentes direcciones.

«Observamos las vías de las enzimas y decimos: ‘Aquí está el bloque, y podría haber una docena de enzimas diferentes dentro del grupo original que podrían hacer un mejor trabajo'», dijo Chaplinsky. Lo que se acumula, alimenta los modelos computacionales avanzados de LanzaTech. «

El proceso de optimización está habilitado por el enfoque integral de biología de sistemas de ORNL, dijo Tschaplinski, que brinda a los científicos una visión más integral de lo que sucede en la célula y cómo mejorarlo. «Usamos ‘omic’ para enfatizar el otro», dijo. «Al observar el sistema como un todo en lugar de un solo flujo de datos, podemos explorar diferentes formas de mejorar la generación del producto deseado».

«Descubrimos que una enzima, en particular, dio un impulso significativo una vez que aumentó la producción», dijo Kopke. «Y encontramos esto a través de varios análisis de biología de sistemas y proteómica realizados por Oak Ridge».

Esta colaboración es la última de una larga relación entre ORNL y LanzaTech. En 2015, un equipo de científicos de ORNL y LanzaTech. de serie Completo Caupara genoma, que sienta las bases para la investigación actual.

La cepa de acetona, el desarrollo de procesos, el modelado a escala del genoma, el análisis del ciclo de vida y la ejecución piloto inicial fueron respaldados por LanzaTech y la Oficina de Tecnologías de Bioenergía en la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía. Los prototipos sin células y los análisis ómicos fueron financiados por el Programa de Investigación Biológica y Ambiental de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. La secuenciación del ADN fue apoyada por el Joint Genome Institute, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.

UT-Battelle ORNL está dirigido por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite el sitio web energía.gov/ciencia. -Abby Bauer y Kim Aski