Los científicos de biocombustibles utilizaron una molécula extraña hecha por bacterias para desarrollar una nueva clase de biocombustibles sostenibles lo suficientemente potentes como para lanzar cohetes. Las moléculas candidatas tienen una mayor densidad de energía proyectada que cualquier producto del petróleo, incluidos los principales combustibles de aviación y cohetes, JetA y RP-1.
La conversión de petróleo en combustibles implica la química cruda inventada por primera vez por los humanos en el siglo XIX. Mientras tanto, las bacterias han estado produciendo moléculas de energía a base de carbono durante miles de millones de años. ¿Cuál crees que es mejor en el trabajo?
Conscientes de las ventajas que ofrece la biología, un grupo de expertos en biocombustibles dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) se inspiró en una extraordinaria molécula antifúngica fabricada por Streptomyces bacterias para desarrollar un tipo de combustible totalmente nuevo que ha proyectado una densidad de energía mayor que los combustibles pesados más avanzados que se usan en la actualidad, incluidos los combustibles para cohetes que usa la NASA.
“Esta ruta biosintética proporciona una ruta limpia hacia combustibles altamente densos en energía que, antes de este trabajo, solo podían producirse a partir del petróleo mediante un proceso de síntesis altamente tóxico”, dijo el líder del proyecto, Jay Keasling, pionero de la biología sintética y director ejecutivo del Departamento. Instituto Conjunto de BioEnergía de la Energía (JBEI). “Como estos combustibles se producirían a partir de bacterias alimentadas con materia vegetal, que está hecha de dióxido de carbono extraído de la atmósfera, quemarlos en los motores reducirá significativamente la cantidad de gases de efecto invernadero agregados en relación con cualquier combustible generado a partir del petróleo”.
El increíble potencial energético de estas moléculas candidatas a combustible, llamadas POP-FAME (ésteres metílicos de ácidos grasos policiclopropanados), proviene de la química fundamental de sus estructuras. Las moléculas policiclopropanadas contienen múltiples anillos de tres carbonos en forma de triángulo que obligan a cada enlace carbono-carbono a formar un ángulo agudo de 60 grados. La energía potencial en este enlace tenso se traduce en más energía para la combustión que la que se puede lograr con las estructuras de anillos más grandes o las cadenas de carbono-carbono que se encuentran típicamente en los combustibles. Además, estas estructuras permiten que las moléculas de combustible se agrupen en un pequeño volumen, lo que aumenta la masa y, por lo tanto, la energía total del combustible que cabe en un tanque determinado.
“Con los combustibles petroquímicos, obtienes una especie de sopa de diferentes moléculas y no tienes mucho control fino sobre esas estructuras químicas. Pero eso es lo que usamos durante mucho tiempo y diseñamos todos nuestros motores para que funcionen con petróleo. derivados”, dijo Eric Sundstrom, autor del artículo que describe los candidatos a combustibles COP publicado en la revista Joule, y científico investigador de la Unidad de Desarrollo de Procesos de Biocombustibles y Bioproductos Avanzados (ABPDU) de Berkeley Lab.
“El consorcio más grande detrás de este trabajo, Co-Optima, fue financiado para pensar no solo en recrear los mismos combustibles a partir de materias primas de base biológica, sino también en cómo podemos fabricar nuevos combustibles con mejores propiedades”, dijo Sundstrom. “La pregunta que condujo a esto es: ‘¿Qué tipo de estructuras interesantes puede hacer la biología que la petroquímica no puede hacer?'”.
Una búsqueda de los anillos
Keasling, quien también es profesor en UC Berkeley, estuvo atento a las moléculas de ciclopropano durante mucho tiempo. Había rastreado la literatura científica en busca de compuestos orgánicos con anillos de tres carbonos y encontró solo dos ejemplos conocidos, ambos hechos por Streptomyces bacterias que son casi imposibles de cultivar en un entorno de laboratorio. Afortunadamente, una de las moléculas había sido estudiada y analizada genéticamente debido al interés por sus propiedades antifúngicas. Descubierto en 1990, el producto natural se llama jawsamicina, porque sus cinco anillos de ciclopropano sin precedentes hacen que parezca una mandíbula llena de dientes puntiagudos.
El equipo de Keasling, compuesto por científicos de JBEI y ABPDU, estudió los genes de la cepa original (S. roseoverticillatus) que codifican las enzimas que construyen la javasamicina y se sumergieron profundamente en los genomas de estreptomices, buscando una combinación de enzimas que pudiera hacer una molécula con los anillos dentados de la javasamicina mientras saltaba las otras partes de la estructura. Al igual que un panadero que reescribe recetas para inventar el postre perfecto, el equipo esperaba remezclar la maquinaria bacteriana existente para crear una nueva molécula con propiedades de combustible listo para quemar.
El primer autor, Pablo Cruz-Morales, pudo reunir todos los ingredientes necesarios para hacer POP-FAME después de descubrir nuevas enzimas productoras de ciclopropano en una cepa llamada S. albireticuli. “Buscamos en miles de genomas vías que generaran de forma natural lo que necesitábamos. De esa forma evitamos la ingeniería que podría o no funcionar y usamos la mejor solución de la naturaleza”, dijo Cruz-Morales, investigadora sénior del Centro de la Fundación Novo Nordisk para Biosostenibilidad, Universidad Técnica de Dinamarca e investigador co-principal del laboratorio de productos naturales de levadura con Keasling.
Desafortunadamente, las bacterias no fueron tan cooperativas en lo que respecta a la productividad. Ubicua en los suelos de todos los continentes, Streptomyces son famosos por su capacidad para producir sustancias químicas inusuales. “Muchos de los medicamentos que se usan hoy en día, como los inmunosupresores, los antibióticos y los medicamentos contra el cáncer, se fabrican mediante ingeniería Streptomyces,” dijo Cruz-Morales. “Pero son muy caprichosas y no es agradable trabajar con ellas en el laboratorio. Tienen talento, pero son divas”. Cuando dos ingenieros diferentes Streptomyces no pudo hacer POP-FAME en cantidades suficientes, él y sus colegas tuvieron que copiar su grupo de genes recién organizado en un pariente más “manso”.
Los ácidos grasos resultantes contienen hasta siete anillos de ciclopropano encadenados en una columna vertebral de carbono, lo que les valió el nombre de fuelimicinas. En un proceso similar a la producción de biodiesel, estas moléculas requieren solo un paso adicional de procesamiento químico antes de que puedan servir como combustible.
Ahora estamos cocinando con ciclopropano
Aunque todavía no han producido suficientes moléculas candidatas de combustible para las pruebas de campo, “se necesitan 10 kilogramos de combustible para hacer una prueba en un motor de cohete real, y aún no hemos llegado allí”, explicó Cruz-Morales con una sonrisa. – fueron capaces de evaluar las predicciones de Keasling sobre la densidad de energía.
Los colegas del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico analizaron los POP-FAME con espectroscopia de resonancia magnética nuclear para demostrar la presencia de los escurridizos anillos de ciclopropano. Y los colaboradores de Sandia National Laboratories usaron simulaciones por computadora para estimar cómo se comportarían los compuestos en comparación con los combustibles convencionales.
Los datos de simulación sugieren que los candidatos a combustible COP son seguros y estables a temperatura ambiente y tendrán valores de densidad de energía de más de 50 megajulios por litro después del procesamiento químico. La gasolina regular tiene un valor de 32 megajulios por litro, JetA, el combustible para aviones más común, y RP1, un popular combustible para cohetes a base de queroseno, tienen alrededor de 35.
Durante el curso de su investigación, el equipo descubrió que sus POP-FAME tienen una estructura muy similar a un combustible experimental para cohetes a base de petróleo llamado Syntin desarrollado en la década de 1960 por la agencia espacial de la Unión Soviética y utilizado para varios lanzamientos exitosos de cohetes Soyuz en el 70 y 80 A pesar de su poderoso rendimiento, la fabricación de Syntin se detuvo debido a los altos costos y al desagradable proceso involucrado: una serie de reacciones sintéticas con subproductos tóxicos y un intermedio inestable y explosivo.
“Aunque los POP-FAME comparten estructuras similares a Syntin, muchos tienen densidades de energía superiores. Las densidades de energía más altas permiten volúmenes de combustible más bajos, lo que en un cohete puede permitir mayores cargas útiles y menores emisiones generales”, dijo el autor Alexander Landera, científico del personal de Sandía. Uno de los próximos objetivos del equipo es crear un proceso para eliminar los dos átomos de oxígeno en cada molécula, que agregan peso pero no benefician la combustión. “Cuando se mezclan con un combustible para aviones, las versiones de POP-FAME debidamente desoxigenadas pueden brindar un beneficio similar”, agregó Landera.
Desde la publicación de su documento de prueba de concepto, los científicos han comenzado a trabajar para aumentar aún más la eficiencia de producción de la bacteria para generar suficiente para las pruebas de combustión. También están investigando cómo podría modificarse la vía de producción de múltiples enzimas para crear moléculas policiclopropanadas de diferentes longitudes. “Estamos trabajando para ajustar la longitud de la cadena para aplicaciones específicas”, dijo Sundstrom. “Los combustibles de cadena más larga serían sólidos, muy adecuados para ciertas aplicaciones de combustible para cohetes, las cadenas más cortas podrían ser mejores para el combustible para aviones, y en el medio podría haber una molécula alternativa al diésel”.
La autora Corinne Scown, directora de análisis tecnoeconómico de JBEI, agregó: “La densidad de energía lo es todo cuando se trata de aviación y cohetes, y aquí es donde la biología realmente puede brillar. El equipo puede fabricar moléculas de combustible adaptadas a las aplicaciones que necesitamos en esos sectores en rápida evolución”. .”
Eventualmente, los científicos esperan convertir el proceso en una cepa de bacterias de trabajo que podría producir grandes cantidades de moléculas COP a partir de fuentes de alimentos de desecho de plantas (como residuos agrícolas no comestibles y arbustos limpiados para la prevención de incendios forestales), lo que podría convertirlo en el último combustible neutral en carbono.
¿Quién se apunta a un viaje espacial ecológico?
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia y la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU. JBEI es un Centro de Investigación de Bioenergía de la Oficina de Ciencias.