La levadura se ha utilizado durante miles de años en la producción de cerveza y vino y para añadir pelusa y sabor al pan. Son pequeñas fábricas de la naturaleza que pueden alimentarse de azúcares que se encuentran en frutas y granos y otros nutrientes, y de ese menú producen alcohol para bebidas y dióxido de carbono para hacer que el pan suba.

Investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Tufts informan que fabrican levadura modificada que puede alimentarse de una gama más amplia de materiales, muchos de los cuales pueden derivarse de subproductos agrícolas que no usamos (hojas, cáscaras, tallos e incluso astillas de madera), lo que a menudo se denomina « biomasa de desecho ».

¿Por qué es importante hacer levadura que pueda alimentarse de estos restos agrícolas?

En los últimos años, los científicos han modificado la levadura para fabricar otros productos útiles, como productos farmacéuticos y biocombustibles. Es una forma inteligente de dejar que la naturaleza haga nuestro trabajo de una manera que no requiere productos químicos tóxicos para la fabricación. La tecnología, denominada « biología sintética », aún es joven, pero mirando hacia un futuro en el que la producción biosintética a partir de levadura operaría a gran escala, necesitamos alimentar la levadura con algo diferente de lo que nosotros mismos necesitamos para comer.

Mucho para masticar : ingeniería de levadura para crecer en azúcares de biomasa

La nueva levadura creada por el equipo de Tufts puede alimentarse de azúcares como la xilosa, la arabinosa y la celobiosa, que se pueden extraer de las partes leñosas no digeribles de los cultivos que a menudo se desechan después de la cosecha, como los tallos, las hojas y las hojas de maíz y los tallos de trigo. Cada año se producen alrededor de 1.300 millones de toneladas de esta biomasa de desecho, lo que proporciona azúcares más que suficientes para impulsar una vasta industria de biosíntesis de levadura.

« Si podemos hacer que la levadura se alimente de la biomasa residual, podemos crear una industria biosintética con una huella de carbono baja », dijo Nikhil Nair, profesor asociado de Ingeniería Química y Biológica en la Escuela de Ingeniería de Tufts. « Por ejemplo, cuando quemamos biocombustibles elaborados con levadura, producimos mucho dióxido de carbono, pero ese dióxido de carbono se reabsorbe en los cultivos al año siguiente, del que se alimenta la levadura para producir más biocombustible, y así sucesivamente ».

Ingeniería mínima para un rendimiento máximo

Nair y su equipo pensaron que la mejor oportunidad para el consumo eficiente de azúcares de biomasa de desecho podría ser modificar un « tablero » genético existente que la levadura usa para regular el consumo de galactosa (un azúcar que se encuentra comúnmente en los productos lácteos). El tablero, llamado regulon, incluye genes para sensores que detectan la presencia de azúcar y activa enzimas para la descomposición química del azúcar para que sus componentes de carbono y oxígeno puedan reconstruirse en nuevos componentes. Los nuevos componentes son en su mayoría pequeñas moléculas y proteínas que la propia levadura necesita para sobrevivir, pero también pueden ser productos novedosos que los científicos podrían haber creado en la levadura.

En un estudio anterior, los investigadores modificaron el regulón de galactosa para que el sensor detecte la xilosa del azúcar de la biomasa y active las enzimas para procesar la xilosa en lugar de la galactosa.

« Hacer que la levadura crezca en xilosa fue un avance importante », dijo Sean Sullivan, estudiante graduado en el laboratorio de Nair que codirigió el estudio reciente, « pero rediseñar diferentes organismos de levadura para que crezcan en cada azúcar de biomasa no es el mejor enfoque. Queríamos diseñar un solo organismo de levadura que pueda alimentarse de un menú completo o casi completo de azúcares de biomasa ».

Sullivan realizó solo cambios mínimos en el regulón ya diseñado para xilosa, al cambiar la proteína sensora para que aceptara de manera más general xilosa, arabinosa y celobiosa. Aparte de algunos cambios menores más, el nuevo regulon permitió que el organismo de la levadura creciera en estos tres azúcares a tasas comparables a las levaduras cultivadas en los azúcares nativos glucosa y galactosa.

« Al usar redes reguladoras nativas vinculadas al crecimiento y la supervivencia celular, podríamos adoptar un enfoque de ingeniería mínimo para modificar y optimizar el consumo de azúcar », dijo Vikas Trivedi, investigador postdoctoral que codirigió el estudio. « Da la casualidad de que la levadura tiene la maquinaria para crecer en azúcares no nativos, siempre que adaptemos sensores y regulones para reconocer esos azúcares ».

Mejorar el back-end de la producción

Remodelar la levadura para que crezca en azúcares de biomasa de desecho sienta las bases para mejorar la producción de productos biosintetizados, que incluyen medicamentos como la insulina, la hormona del crecimiento humano y los anticuerpos. La levadura también se ha diseñado para producir vacunas mediante la expresión de pequeños fragmentos de virus que estimulan el sistema inmunitario.

De hecho, la levadura se puede rediseñar para producir compuestos naturales que se utilizan para fabricar medicamentos, que de otro modo son difíciles de obtener porque tienen que extraerse de plantas raras. Estos incluyen la escopolamina que se usa para aliviar el mareo por movimiento y las náuseas posoperatorias, la atropina que se usa para tratar a los pacientes con enfermedad de Parkinson y la artemensina, que se usa para tratar la malaria.

El etanol es un biocombustible bien conocido producido por la levadura, pero los investigadores también han diseñado el organismo para producir otros combustibles como el isobutanol y el isopentanol, que pueden generar más energía por litro que el etanol.

La levadura modificada por bioingeniería también puede producir componentes básicos de bioplásticos, como el ácido poliláctico, que luego se puede usar para fabricar una variedad de productos, incluidos materiales de empaque y bienes de consumo, sin tener que extraer fuentes de petróleo.

« Mientras la comunidad de investigación continúa innovando la levadura para fabricar nuevos productos, estamos preparando el organismo para crecer de manera eficiente a partir de biomasa de desechos agrícolas, cerrando un ciclo de carbono que hasta ahora ha eludido la fabricación de combustibles, productos farmacéuticos y plásticos », dijo Nair.