Mejores biocombustibles gracias a la evolución
Abril 2009
Continuando la celebración del tema de Abril en el Año de la Ciencia, recursos energéticos, te traemos una historia desde las fronteras de la investigación sobre energía que depende de la evolución. Actualmente, la mayoría de nosotros llenamos nuestro tanque de gasolina con combustibles fósiles, es decir, restos de plantas y animales que murieron muchos millones de años atrás y eventualmente se convirtieron en petróleo - pero, por supuesto, esto no puede perdurar para siempre. El petróleo es un recurso limitado y en algún momento se va a terminar. Para ayudar a solucionar este problema, muchos científicos, políticos, gente de negocios y ciudadanos preocupados han puesto sus esperanzas en los biocombustibles - combustibles que derivan de materia vegetal que podemos cultivar actualmente. Los biocombustibles pueden parecer una solución ideal a nuestros problemas energéticos, sin embargo, aun existen algunas dificultades importantes que solucionar – dificultades que la evolución puede ayudarnos a salvar.
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Los ingenieros están usando bacterias para producir biocombustibles a partir de material vegetal. |
¿Donde esta la evolución?
Parte del problema con los biocombustibles que actualmente se producen en Estados Unidos es que están hechos principalmente de maíz - un cultivo ávido que toma nutrientes del suelo y necesita muchos fertilizantes (¡los cuales, a su vez, generalmente derivan de combustibles fósiles!). La situación es aun peor porque, dado que el maíz es un alimento, usarlo para producir biocombustible ocasiona un aumento en el precio de este alimento básico. Además, solo una pequeña fracción de la planta, los granos, se pueden usar para hacer combustible. La producción de biocombustible sería mucho más eficiente si se usaría toda la planta y si pudiera realizarse con cultivos menos voraces y que no sean usados como alimento. Un combustible así sería una alternativa viable a la gasolina. Desafortunadamente, obtener biocombustibles a partir de materia vegetal no es una tarea fácil; requiere una serie de reacciones químicas complejas. Comprender como hacer que ocurran esas reacciones sin usar grandes cantidades de energía en el proceso es el trabajo de algunos biólogos - y ellos se basan en la evolución para tratar de descubrir esta incógnita.
En la naturaleza, evolución significa supervivencia y reproducción de organismos con características particularmente adaptadas a su ambiente. Algunos biólogos como Jay Keasling de la Universidad de California en Bekerley, Frances Arnold de Caltech y muchos otros están tratando de replicar el proceso evolutivo en el laboratorio, solo que en lugar de evolucionar organismos con ciertas características, su objetivo es estudiar la evolución de moléculas que son particularmente buenas para transformar material vegetal en combustible. Este proceso se llama evolución dirigida y funciona así:
- Se comienza con un gen que realiza una función similar a la que uno tiene en mente. Quizás produce una molécula que puede degradar celulosa - la sustancia que compone la mayor parte de materia vegetal y la molécula orgánica más abundante en la Tierra.
- Se producen muchas copias de ese gen con pequeñas variaciones. Generalmente esto se realiza intencionalmente usando un “mal” sistema de copiado – un proceso para copiar ADN que introduzca muchas mutaciones al azar. Así, se obtiene un conjunto de genes similares con pequeñas diferencias genéticas entre ellos.
- Se insertan las diferentes copias en organismos - usualmente bacterias o levadura. Esto se realiza para averiguar que es lo que producen las diferentes versiones de genes. Las bacterias y las levaduras tienen toda la maquinaria celular necesaria para activar estos genes y dejarnos ver como funcionan.
- Se inspeccionan los organismos para ver cuales son mejores para realizar el trabajo que uno tenía en mente. Es este caso, buscaríamos los más rápidos para degradar celulosa. Como ocurre con la evolución en la naturaleza, la mayoría de las nuevas mutaciones van a ser deletéreas o neutras – es decir, van a hacer que la molécula haga un trabajo peor o no tendrá ningún efecto. Sin embargo, si se examinan suficientes mutantes, es probable encontrar algunos que mejoren la funcionalidad de la molécula.
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Se selecciona la mejor versión del gen y se usa en el paso 1. Se repite este ciclo varias veces. Es improbable que una mutación cualquiera genere una gran diferencia en el funcionamiento de la molécula - pero, al seleccionar el mejor gen en cada generación y usarlo como base para las variantes producidas en la siguiente generación, se pueden identificar una serie de cambios que, juntos, resultan en un considerable mejoramiento.
Este proceso refleja la evolución por selección natural. En la selección natural, los organismos que tengan genes que funcionen mejor en ciertos ambientes sobreviven y pasan sus genes (posiblemente con nuevas mutaciones) a la siguiente generación. Como este ciclo se repite a lo largo de muchas generaciones, los organismos con genes favorables para vivir en determinados ambientes evolucionan. La evolución dirigida funciona de la misma manera, pero la selección se enfoca en las buenas versiones de genes para realizar cierta función. La diferencia fundamental entre estos dos procesos es que, en la naturaleza, el ambiente determina que versiones de genes son más exitosas, mientras que en el laboratorio, los científicos son los que determinan el destino de los genes. Mientras que la selección natural no tiene un objetivo, la evolución dirigida puede ser canalizada hacia el final que tenemos en mente.
Por supuesto, el fin que tenemos en mente - transformar material vegetal en combustible - sería más fácil de lograr si comenzáramos con genes que ya tienen algunas de las funciones que queremos. Genes como estos existen. Después de todo, el material vegetal no se acumula indefinidamente en nuestros jardines o en las selvas. Eventualmente, se degrada, principalmente por organismos tales como microbios y hongos. Si bien estas formas de vida no parecen demasiado interesantes - compare el numero de documentales sobre hongos con el numero de documentales sobre suricatos – para los biólogos, estos organismos son fuentes de tesoros de maravillosos genes que pueden encender la revolución de biocombustibles.
La evolución dirigida es una herramienta clave para los biólogos porque estos nuevos genes (actualmente escondidos en bacterias de los suelos de las selvas o en los intestinos de temitas exóticas) no coincidirán perfectamente con nuestras necesidades de biocombustibles. Ese desajuste puede ser atribuido a la evolución propia de los genes. La evolución moldeó esos genes en sus complejos ambientes naturales - ambientes en los cuales optimizar una característica generalmente significa empeorar otra. Por ejemplo, el mejoramiento de la eficiencia de una molécula para degradar celulosa podría significar también la necesidad de agregar mas energía para producir la molécula o hacerla mas inestable a diferentes temperaturas. La selección natural balancea esos compromisos y tiende a maximizar la supervivencia y la reproducción integral de los organismos – no la eficiencia particular de las moléculas. Los genes que encontramos en la naturaleza son el producto de esa acción equilibrada entre compromisos evolutivos y limitaciones - lo que significa que estos genes actúan bastante bien en el mundo real pero no son ideales para la producción masiva de combustibles fósiles. Una de las ventajas de la evolución dirigida es que, en el laboratorio, los científicos pueden quitar estas limitaciones y compromisos, optimizando así la performance de los genes en un ambiente en particular.
La alternativa a optimizar genes a través de la evolución es mejorarlos a través de la ingeniería - logrando intencionalmente cambios particulares en un gen para tener ciertos efectos. Tenemos la tecnología para alterar genes - en realidad, actualmente se puede pedir una determinada secuencia genética en línea y recibir el ADN por correo directamente. El problema es que en algunos casos no tenemos el conocimiento suficiente para descifrar exactamente que cambios producirán los resultados deseados. Por este motivo, la evolución dirigida es una herramienta muy interesante para entender el problema de como construir mejores biocombustibles. Después de todo, la evolución no puede predecir – por lo tanto, cuando los científicos usan la evolución dirigida, no necesitan un conocimiento detallado sobre cual serían los cambios genéticos que ayudaran a resolver su problema. Mediante la evaluación de millones de variantes y construyendo a partir del mejor de ellos, la evolución dirigida permite que la ciencia encuentre soluciones de ingeniería que nunca hubiésemos imaginado – soluciones que nos permitan cumplir la fascinante, pero aun no realizada, promesa de los biocombustibles.
Para leer más sobre este tema
Literatura científica
- Arnold, F. H. (2008). The race for new biofuels. Engineering & Science 71(2):12-19.
“La carrera por nuevos biocombustibles. Ingeniería y ciencia.”
- Tollefson, J. (2008). Energy: Not your father's biofuels. Nature 451:880-883.
“Energía: no son los biocombustibles de tu padre.”
- Lee, S.K., Chou, H., Ham, T.S., Lee, T.S., and Keasling, J.D. (2008). Metabolic engineering of microorganisms for biofuels production: From bugs to synthetic biology to fuels. Current Opinion in Biotechnology 19(6):556-563.
“Ingeniería metabólica de microrganismos para producir biocombustibles: desde insectos a la biología sintética de combustibles.” 
Artículos en diarios y revistas
- Descripción del rol de la evolución dirigida en el desarrollo de biocombustibles - A description of the role of directed evolution in biofuel development from Lawrence Berkeley National Laboratory
- Explicación simple sobre porque es tan difícil de obtener combustible a partir de material vegetal - A friendly explanation of why it's so hard to get fuel out of plant matter from the Great Lakes Bioenergy Resource Center
- Articulo técnico sobre los desafíos y enfoques de la producción de biocombustibles - A more technical article on the challenges and approaches to biofuel production from Engineering and Science
Recursos para comprender la evolución (sitio web: “Understanding Evolution”)
- Tutorial sobre selección natural
- Perfil de investigación de un científico que usa evolución dirigida para remodelar moléculas
- Un estudio de caso sobre limitaciones evolutivas
Discusión y preguntas relacionadas
- Repase el concepto de selección natural. Explique como cada uno de los cuatros pasos descriptos en esa pagina se relacionan con el proceso de evolución dirigida descripto aquí arriba.
- En el proceso de evolución dirigida, un gen de interés es sometido a mutaciones al azar. A pesar de este azar, el proceso termina produciendo un gen con una función mucho mejor.
- Explique como mutaciones al azar pueden producir cambios no-azarosos.
- El artículo de biocombustibles de arriba explica porque los genes ideales para producir biocombustibles no se encuentran en organismos de la naturaleza. Explique con sus propias palabras porque ocurre esto.
- El artículo de arriba describe como la evolución dirigida se usa para mejorar el proceso de producción de biocombustibles. Investigue y describa otra aplicación de evolución dirigida. Asegúrese de explicar cual es el objetivo de la selección y cual es la característica que se esta buscando.
Lecciones relacionadas y recursos didácticos
- Enseñe como la selección natural actúa sobre las mutaciones: En esta actividad de aula para grados de 9 a 12 años, los estudiantes construyen, hacen evolucionar y modifican “pájaros de papel y paja para simular como actúa la selección natural sobre las mutaciones al azar.
- Enseñe las aplicaciones de la teoría evolutiva: En este articulo para grados de 9 a 12 años, el biólogo evolutivo Jim Bull comparte su perspectiva sobre como la evolución debe importarle a la sociedad actual, e incluye una sección sobre evolución dirigida.
- Enseñe las limitaciones evolutivas: En esta investigación interactiva para grados de 6 a 12 años, los estudiantes se sumergen en el maravilloso mundo de los artrópodos para examinar su éxito y sus limitaciones evolutivas.
Video sobre biocombustibles proporcionado por el Centro Nacional de Síntesis Evolutiva (NESCent). Para obtener más información, visite el sitio web de NESCent.
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