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Algas que degradan celulosa para obtener energía

El descubrimiento de un alga capaz de degradar la celulosa para obtener energía abre nuevas puertas en la obtención de biocombustibles.

La celulosa es un polímero de origen vegetal que cumple una importante función de sostén estructural en las paredes celulares. La pared celular está compuesta por un 40% de celulosa, alcanzando un 50% la madera y hasta un 90% las fibras de algodón. La celulosa está formada por moléculas de β-D-glucosa unidas mediante enlaces β-1,4-O-glucosídico. Al romper los enlaces que forman la celulosa se obtiene glucosa pura, que puede ser empleada como fuente de energía a nivel celular. Sin embargo, los animales no pueden realizar esta función al carecer de la enzima necesaria para hidrolizar (romper mediante adición de una molécula de agua) los enlaces β-1,4-glucosídicos.

Una excepción a esto serían algunos mamíferos como los rumiantes e insectos como las termitas, que son capaces de digerir la celulosa, pero lo hacen gracias a bacterias simbióticas que poseen la enzima necesaria. También se conocen desde hace décadas bacterias de vida libre (no simbióticas) y algunos hongos que viven sobre troncos de plantas que son capaces de digerir la celulosa.

Los hongos, a diferencia de las plantas, son incapaces de realizar la fotosíntesis y necesitan obtener energía a partir de la degradación de materia orgánica (es decir, son heterótrofos, no autótrofos). Relacionado con esto, ciertos hongos que crecen sobre madera son de los pocos organismos con la capacidad de digerir la lignina, una red fenólica vegetal muy resistente y que requiere enzimas complejas para su degradación.

El alga que se puede alimentar de otras algas

Científicos de la Universidad de Bielefeld han descubierto que un alga verde, Chlamydomonas reinhardtii, posee la enzima necesaria para degradar la celulosa. Es un alga verde unicelular, que se mueve con la ayuda de dos flagelos y se encuentra presente en las masas de agua dulce de todo el planeta. Se trata de la primera planta conocida con la capacidad de degradar celulosa, lo que le permitiría (al menos en teoría) obtener energía a partir de otras plantas. No obstante, el alga posee clorofila y realiza la fotosíntesis, no siendo la obtención de glucosa por medio de la degradación de celulosa su fuente primaria de energía.

Lo curioso de este caso es que Chlamydomonas reinhardtii ya era un alga de interés científico antes del descubrimiento de la enzima que hidroliza la celulosa. Debido a su sencillo cultivo en laboratorio, se utiliza para la elaboración de biofármacos mediante ingeniería genética desde hace años.

Además, esta especie junto con otras algas verdes unicelulares se emplea en la obtención de hidrógeno como combustible. Posee una enzima que, en ausencia de oxígeno, produce hidrógeno a partir de la reacción de fotosíntesis. El principal problema de esta técnica es que la fotosíntesis también produce oxígeno, por lo que la generación de hidrógeno es inhibida en condiciones naturales y se requiere eliminar el oxígeno de la reacción para poder obtener hidrógeno.

algas que degradan celulosa para obtener energía
Imagen 1 Las microalgas son organismos unicelulares que realizan la fotosíntesis. Tienen importantes usos en biotecnología, debido a que su cultivo es sencillo y pueden manipularse sus genes.

La propiedad recientemente descubierta en esta especie, de digerir celulosa, abre un nuevo mundo de posibilidades en la obtención de biocombustibles. A partir de material vegetal sin ningún aprovechamiento comercial, como pueden ser los residuos de los cultivos, esta alga sería capaz de producir glucosa pura, que se aprovecharía en la obtención de bioetanol por parte de levaduras (en el mismo proceso que se utiliza para la elaboración de la cerveza, al fermentar la glucosa en ausencia de oxígeno). Hasta la fecha era necesario obtener las enzimas para la degradación de celulosa a partir de hongos, pero el uso de algas con capacidad fotosintética podría simplificar el proceso.

La obtención de bioetanol en la actualidad

Los tres métodos que se utilizan actualmente para obtener bioetanol son a partir de glucosa, a partir de almidón o usando celulosa como materia prima. Como fuentes de glucosa se emplean vegetales con un alto contenido en azúcar, como la caña de azúcar o la remolacha, o bien melaza. Esto presenta un conflicto de intereses, pues se destinan a la producción de combustibles los mismos cultivos que poseen aprovechamiento alimenticio.

Si se quiere obtener bioetanol a partir de almidón se emplean patatas o granos de maíz, que deben ser tratados en un paso previo a la obtención de glucosa. Este tratamiento consiste en añadir una enzima que hidrolice el almidón o bien añadir ácido a la mezcla de materia vegetal con agua. El empleo de madera es muy complejo, pues se requiere degradar la celulosa a glucosa mediante enzimas presentes en hongos, o bien triturando la madera y empleando ácidos fuertes. Los únicos tres países en el mundo que producen bioetanol a nivel industrial son los EEUU (a partir de maíz), Brasil y Colombia (a partir de caña de azúcar en ambos casos).

El empleo de bioetanol como combustible tiene la ventaja de ser una energía renovable y no emitir gases de efecto invernadero a la atmósfera. Sin embargo, si para su obtención se emplean cereales (debido a su alto contenido en glucosa) se produce el encarecimiento de estos para la alimentación.

Otro efecto secundario añadido es que en ciertos países el cultivo de plantas para obtener biocombustibles tiene graves consecuencias para el medio ambiente, al producirse deforestación para aumentar la superficie dedicada al cultivo. Así pues, aprovechar la materia vegetal que se desecha en los cultivos destinados a alimentación es doblemente útil: se obtiene un beneficio sin causar un impacto negativo en la naturaleza.

Investigaciones más extensas en el campo de la biotecnología nos acercan cada día más a un futuro sin combustibles fósiles.

Fuentes:

  1. Olga Blifernez-Klassen, Viktor Klassen, Anja Doebbe, Klaudia Kersting, Philipp Grimm, Lutz Wobbe, Olaf Kruse. Cellulose degradation and assimilation by the unicellular phototrophic eukaryote Chlamydomonas reinhardtii. Nature Communications, 2012; 3: 1214
  2. Anastasios Melis; Thomas Happe (2004). “Trails of green alga hydrogen research — from Hans Gaffron to new frontiers” (PDF). Photosynthesis Research. 80 (1–3): 401– 409.

About Rubén Portela

Graduado en Biología por la Universidad de A Coruña, con un máster en Gestión Medioambiental. Actualmente realizando una tesis doctoral en especies clonales invasoras en el International Campus of Excellence Do*Mar. Apasionado por la ciencia y enamorado desde la infancia de la naturaleza y los animales, especialmente la biología marina y los insectos.

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