Biotecnología Ambiental, Contenidos: Economía azul vs economía verde Desarrollo humano sostenible Aplicación de principios de sustentabilidad en el contexto actual Energía infinita: el sol Hidrógeno, el combustible casi perfecto Retos tecnológicos: clatratos de metano Del campo al vehículo: bioetanol y biodiesel Desechos biológicos como combustibles Pequeñas soluciones: microalgas Ingeniería genética para generar energía Tratamiento biológico en contingencias ecológicas de combustibles fósiles Estrategias individuales y sociales para la sustentabilidad ambienta

1. Biotecnología Ambiental

2. Introducción

3. “The Keeling Curve”

4. 27%
23%19%
13%
6%
6%
4%
2%
Emisiones Globales de CO2
Resto
China
EUA
UE
Rusia
India
Japón
Canadá
Principales participaciones
globales en la emisión de
CO2. Fuente: EPA
(http://goo.gl/cdb0V5)

5. ¿Y qué se ha hecho
para contrarrestar
esto?

6. El Protocolo de Kyoto durante el año
2012 comenzó su segundo
compromiso de reducir emisiones de
gases de efecto invernadero, y tiene
como fecha límite el 2020

7. ¿Qué pasó al final de este protocolo?
Éxitos
Fracasos
Reino Unido Alemania República Checa Ucrania
Canadá Japón España Australia

8. Acciones
concretas

9. Biocombustibles
1era generación 2 3 4
A partir de
cultivos vegetales
energéticos.
Económicamente
son los más
importantes
Compiten contra
alimentos

10. 2da generación1 3 4
Basados en cultivos
vegetales no
alimenticios
Económicamente le
siguen en
importancia a la 1ra
generación
También abarcan
desechos y residuos
(vegetales en su
mayoría)

11. 3ra generación1 2 4
Generados por
microalgas
Aún no se producen
ni consumen a gran
escala
Estos organismos
tienen otras
aplicaciones, pero
energía no

12. 4ta generación1 2 3
Son aquellos donde
se aplica la
ingeniería genética
para mejorarlos
Básicamente sólo
existen en escala de
laboratorio
Aparentan ser los
más promisorios

14. Tres cuartos de los 27.9 billones de galones
mundiales del mercado de biocombustibles para el
2012 fueron para etanol.

15. Y ahora:
Bioetanol y Biodiesel

16. Bioetanol Biodiesel
Fermentación de azúcares Transesterificación de grasas
Usado como aditivo en
combustibles (gasolina)
Se mezcla con petrodiesel
(no es aditivo)
A partir de cultivos
“azucarados”
A partir de cultivos
“grasosos”

17. 3
MetanolTriacilglicérido Glicerol Fatty Acid Methyl Esters
=
Biodiesel
Biodiesel: transesterificación
Bioetanol: fermentación

18. Ingeniería Metabólica

19. Introducción
El objetivo de la
ingeniería metabólica es
la modificación directa
de los flujos
metabólicos.
Mejorar la producción
de un metabolito
formado naturalmente
por un organismo
Proveer al organismo de
la habilidad de utilizar
sustratos atípicos
Formar metabolitos no
producidos
naturalmente

20. Ingeniería metabólica
racional
Modificar vías
basándose en
información
disponible (enzimas,
reguladores, etc)
Transferencia del
conocimiento y
resultados a otras
especies
Ingeniería evolutiva
Insertar
modificaciones
aleatorias en todo el
genoma e identificar
clonas potenciales
No se requiere
conocimiento previo.
Descubrimientos
muy interesantes
potenciales
Librerías (de
sobreexpresión y
otras)
Sobreexpresión o
eliminación aleatoria
de varios genes
Revelación de
estrategias novedosas
de mejoramiento.
Conocimiento previo
no fundamental
Ingeniería de
transcripción
Reprogramar
expresión de genes al
modificar factores de
transcripción
Características
multigénicas pueden
ser atendidas
Estrategia Descripción Ventajas

21. ¿Y las desventajas?

22. GenA
Metabolito
A (no muy
bueno)
Enzima A
S1
Metabolito
B (mejor)
Metabolito
B (mejor)
GenB
Enzima B
P p
GenS1
S2
GenS2

23. AlmidónLignocelulosa Azúcares simples
Alcohol de dos tipos:

24. Azúcares simples

25. Ingeniería Metabólica: Bioetanol
El que fermenta Como fermenta
Lo que fermenta
Almidón Lignocelulosa Azúcares simples

27. Almidón
Amilosa: Glucosa 1-4
Amilopectina: Glucosa 1-6
Enzima
faltante para
degradar
almidón
Azúcares simples
Buscar en la naturaleza

29. Objetivo:
Mayor/mejor
producción de etanol
El héroe:
Saccharomyces
cerevisiae
Enemigos:
Almidón Lignocelulosa
Insertar genes para expresar
glucoamilasa, sola o en combinación
con alfa-amilasa. (Nevoigt et al, 2008).
Anclar estas enzimas a la membrana
exterior utilizando la proteína Flo1.
(Khaw et al, 2006)
Expresión de beta-glucosidasas,
endoglucanasas y celulasas. (Toda
et al, 2005; van Rooyen, 2006).
Ingeniería de proteínas (dominios)
para mejorar la unión a celulosa.
(Gundlapalli et al, 2008)
Compañeros:
Pichia stipitis Zymomonas mobilis
A través de genes como XYL1 y
2, es posible fermentar xylosa,
2do azúcar más abundante en
lignocelulosa (Hanh et al, 2007;
Zhang, 2012)
Pretratamientos de
almidón y
lignocelulosa

30. Lipomyces kononenkoae y Saccharomycopsis fibuligera
P LKA1
Promotor y
terminador:
Fosfoglicerato
cinasa
T
P LKA2 T
P SFA1 T
P SFG1 T
Alfa-amilasas (L. kononenkoae )
Alfa-amilasa (S. fibuligera)
Glucoamilasa (S. fibuligera)
Transformación
de levaduras
Análisis de
southern
Análisis en
placas
Crecimiento en
biorreactores
Resultado:
Crecimiento en
almidón
Aprovechamiento
de un 80%
0.06 g/L de etanol

32. 3
MetanolTriacilglicérido Glicerol Fatty Acid Methyl Esters
=
Biodiesel
Biodiesel: transesterificación

33. La biofábrica en Saccharomyces
Naturalmente no es gran productora de ácidos grasos, y
menos genera biodiesel
Entonces…
• Genes clave en la síntesis de ácidos grasos, sobre-
expresados (genes nativos)
• Acetil-CoA carboxilasa (ACC1)
• Sintasa de ácidos grasos 1 (FAS1)
• Sintasa de ácidos grasos 2 (FAS2)
CH2OH
CHOH
CH2OPO3H
CH2OOCR
CHOH
CH2OPO3H
Glicerol – 3 – fosfato
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OPO3H
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OH
Ácido lisofosfatídico Ácido fosfatídico Diacilglicerol
GPAT LPAT PAP
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OH
Acil-CoA
Diacilglicerol Triacilglicérido
DGAT
Síntesis de Triacilglicéridos

34. Levadura modificada
Contenido
graso
17%-20%
Ácidos
grasos
libres
Biodiesel
400 mg/L
5 mg/L
Diseño de un
microorganismo capaz
de generar biodiesel a
partir de azúcares
simples

35. CH2OH
CHOH
CH2OPO3H
CH2OOCR
CHOH
CH2OPO3H
Glicerol – 3 – fosfato
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OPO3H
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OH
Ácido lisofosfatídico Ácido fosfatídico Diacilglicerol
GPAT LPAT PAP
Ingeniería Metabólica: Biodiesel
Ruta Bioquímica en la producción de Triacilglicéridos
CH2OOCR
CHOOCR
CH2OH
Acil-CoA
Diacilglicerol Triacilglicérido
DGAT

36. Ingeniería Metabólica: Biodiesel
$
Umbelopsis ramanniana Glycine max
DGAT 2
Aumento en la cantidad de lípidos en un 1.5% (peso)
$17.9 USD por tonelada métrica
$ 70.4 millones de toneladas métricas 2007-2008
$ $1.26 mil millones /
año
Lardizabal et al.. 2008 Plant Physiol

37. Otros combustibles
Hidratos de metano
(o también clatratos)
“Moléculas cristalinas de agua con gases atrapados en su
interior formados debido a altas presiones y temperaturas”.

38. Depósito marino
Zona de alta presión y
baja temperatura
(2km y 0°C)
Gas generado
por actividad
biológica
Formación de hidratos en zonas cercanas a placas
continentales.
Gas filtrado
desde la
profundidad

39. Y llega la controversia (más que los biocombustibles)
Estimación de la reserva explotable con tecnología actual:
1 0 0, 0 0 0, 0 0 0, 0 0 0, 0 0 0, 0 0 0, 0 0 0 L
10 mil billones
100 trillones
580 trillones
Consumo de gas x 1,694,915,254
60% de las reservas actuales de gas natural

40. Y exactamente…
¿Cómo se pueden usar?

41. CH4 CH4
CO2 CO2
Se inyecta CO2 Se recupera CH4

42. ¿Y las microalgas?

43. Schenk et al, 2008. Bioenerg. Res.
% de aceite por
biomasa
Litros de aceite /
Ha al año
Tierra: m2 año/Kg
biodiesel
40 1070 11
36 5366 2
30 58 700 0.2
70 136 900 0.1
Plantas y microalgas para biocombustibles

44. CO2
No compiten por
territorio arable
[Eficiente
usodeespacio]
Diferentes
biocombustibles
Aún así, se requieren mejoras considerables
para un escalamiento industrial.
Basados en microalgas

45. La microalga ideal
Wijffels et al., 2010. Science
Aceites excretados
Fácil recuperación
Insensible a altas
concentraciones de oxígeno
Capaz de crecer y producir
lípidos al mismo tiempo
Células grandes con
membranas delgadas
Alta productividad con luz intensa

46. 46
Zuppini et al., 2010. Plant Cell Physiol.
Se utilizó a esta alga como modelo de
tolerancia a estrés osmótico y de
temperatura, así como la Muerte Celular
Programada.
Zuppini et al., 2009 J Exp Bot.
El citocromo F está involucrado en la
MCP, así como una participación del
cloroplasto.
Tan et al., 1991. Hydrobiol.
Las condiciones del cultivo heterotrófico
pueden cambiar significativamente la
composición y cantidad de lípidos.
Otros trabajos:
Fusión de protoplastos, biomarcador de
contaminación, osmoregulación, etc.
Algunos estudios

47. 47
Células
(x106)
Existe un reporte sobre el uso de esta alga como potencial productor de
lípidos para biocombustibles
Herrera-Valencia et al., 2011. Curr Microbiol
Control NaCl ND NaCl/ND
Número de células:
Decremento en tratamiento
de Deficiencia de Nitrógeno y
en combinación con salinidad.
Contenidodelípidos(%deDBW)
Contenido de lípidos:
Superior a los cultivos
heterotróficos (55.2% para
Chlorella protothecoides).
Superior a estrés por
Nitrógeno en Neochloris
oleobundans (56%)
[Salinidad] [Deficiencia
de N]
Chlorella saccharophila para biocombustibles

48. 48
Control NaCl ND ND/NaCl
103.73 ± 0.11
160.13 ± 77.52
315.53 ± 15.01
220.33 ± 7.22
 Alto rendimiento de FAMEs
sin afectar biomasa
 Alta productividad de lípidos
 Perfil de FAMEs deseable (C-
18:1 cis y trans, C-18:0 y C-
16:0)
Chlorella saccharophila para biocombustibles
Rendimiento de metil ésteres de ácidos grasos (FAMEs) (mg/L)

49. 49
Transformación de Chlamydomonas reinhardtii
Líneas modificadas de C.
reinhardtii
sobreexpresando CreDGAT
B: Medio completo
C: Medio con DN
Líneas modificadas de C.
reinhardtii
sobreexpresando CreDGAT
Deng et al, 2012. Mol. Plant

51. Precios esperados Precios reales
Economía

52. Energía

54. Y ahora
Biorremediación

55. Introducción
VS

57. Combustibles fósiles

58. Combustibles fósiles

59. Combustibles fósiles: Ingeniería genética

60. Fitorremediación
Solventes
Fertilizantes
Explosivos
Metales
pesados

61. Desechos animales
Desechos y
contaminantes
variados y
complejos
Bacterias Algas
Aprovechamiento y usos industriales potenciales

62. En acuacultura

63. El combustible “casi” perfecto:
Hidrógeno

64. HHidrógeno
1
Valencia 1
Peso 1.00797
Estructura 1s1
El más
abundante en
el universo
Presente en…
todas partes
Forma parte de
todos los demás
combustibles

65. Usos del Hidrógeno
Petróleo
[refinación]
Grasas saturadas
[estabilización]
Soldadura Vidrio
Vehículos espaciales
[Propulsión y
mantenimiento]
Vehículos domésticos
Agua como desecho
[Reuso y reciclaje]
Hidratación de personal
Recolección
Combustible
Hidrogenación Manufactura

66. Energía

68. Piezoelectricidad

70. 70