Biocombustibles I: Biohidrógeno

Hoy, con esta entrada, empiezan una serie de artículos, que iré sacando poco a poco, sobre las bioenergías. Sin ninguna duda, la producción de energía de forma totalmente limpia es una de las aplicaciones más importantes de la biotecnología, y es fundamental que todo el mundo conozca el potencial que se esconde tras esta rama de la investigación para poder cambiar, tan pronto como sea posible, el uso actual de los recursos de nuestro planeta.

El hidrógeno será posiblemente el combustible del  futuro. Por muchos motivos representa una alternativa muy conveniente para reemplazar a los combustibles convencionales: es renovable, limpio y produce durante su combustión únicamente vapor de agua y energía. Además  posee el mayor contenido energético por unidad de peso, 122‐142 kJ/g, comparado con cualquier combustible conocido.

¿Cómo se produce el biohidrógeno?

Existen varias alternativas para producir hidrógeno: la electrólisis de agua, la reformación termocatalítica de combustibles fósiles y la combustión de biomasa. Actualmente el 96% del hidrógeno producido se obtiene a partir del reformado del gas natural (metano) con vapor de agua, pero esto implica el gasto de una fuente de energía no renovable para su obtención y la emisión de gases dañinos al medio ambiente.

Reacción de reformado del metano con vapor de agua

Planta de reformado de gas metano

Así pues, se hace evidente la necesidad actual por producir hidrógeno de origen biológico. Hay muchos equipos de investigación trabajando en el tema, pero las siguientes aproximaciones son las más estudiadas y prometedoras a día de hoy.

• Biofotólisis del agua empleando algas y cianobacterias

La fotosíntesis es un mecanismo por el cual un organismo (fotosintético) absorbe energía lumínica y la transforma en energía química. La energía química se almacena en enlaces químicos, formando las moléculas orgánicas, principalmente azúcares. Las plantas verdes fotosintetizan sus carbohidratos utilizando poder reductor (los electrones) del agua, y recolectando la luz solar mediante pigmentos. Al oxidar el agua producen O₂ (que se libera a la atmósfera) y obtienen los electrones, que entran en un proceso denominado “cadena transportadora de electrones”.

Esquema en Z de la cadena de transporte de electrones

La finalidad de esta cadena es pasar electrones de alta energía a lo largo de varias proteínas de membrana y los complejos de fotosistemas I y II. Cada proteína utiliza parte de la energía de los electrones para generar un gradiente de protones a través de dicha membrana. Los protones, en mayor concentración a un lado de la membrana, tenderán a moverse hacia el otro lado siguiendo su gradiente de concentración. La energía de este movimiento se almacena en forma de ATP mediante una ATPasa de membrana. Los electrones, al finalizar la cadena, se unen desde la proteína de membrana ferredoxina a una molécula de NADP+ que se transforma en NADPH.

La biofotólisis consiste en la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno gracias a la luz solar y la capacidad fotosintética de algas y cianobacterias. En este proceso entran en juego dos tipos de enzimas que producen hidrógeno: las hidrogenasas y las nitrogenasas.

Las hidrogenasas producen H₂ utilizando esos electrones al final de la cadena, uniéndolos a un protón, en lugar de a NADP+. Catalizan la reacción siguiente, donde X representa a una molécula portadora de electrones (normalmente la ferredoxina (Fd)), que se reduce con el agua como donador de electrones por la reacción fotoquímica de la biofotólisis.

Reacción catalizada por la enzima hidrogenasa

Por su parte las nitrogenasas catalizan la reacción de fijación de nitrógeno atmosférico, y en una reacción secundaria, cataliza la reducción de protones.

Reacciones catalizadas por la enzima nitrogenasa

¿Y qué microorganismos hacen esto?  Las cianobacterias filamentosas utilizan la enzima nitrogenasa para realizar la biofotólisis directa, mientras que, las microalgas unicelulares utilizan la enzima hidrogenasa reversible para realizar el mismo bioproceso.

• Fotofermentación de compuestos orgánicos por bacterias fotosintéticas

Algunos organismos procariotas son capaces de realizar un proceso muy importante a nivel ecológico, la fijación de nitrógeno. El nitrógeno es un componente fundamental de todos los seres vivos y se encuentra en la atmósfera en forma gaseosa. Para que el N₂ se incorpore a los compuestos y moléculas de un organismo, primero debe tomar una forma orgánica.

La fotofermentación tiene lugar bajo condiciones anaeróbicas, y es realizada por un grupo de bacterias fotosintéticas (bacterias púrpura) que realizan una fotosíntesis anoxigénica. Se llaman “púrpuras” porque son fototróficas y captan la energía de la luz mediante bacterioclorofilas y carotenos que le dan ese color. Estas bacterias fototróficas no captan CO₂ del aire como las plantas verdes, sino que utilizan una gran diversidad de compuestos orgánicos como fuente de carbono, por ejemplo ácidos grasos, azúcares y aminoácidos.

Colonias de la bacteria púrpura Rhodobacter sphaeroides (abajo)

• Fermentación oscura de compuestos orgánicos ricos en carbohidratos por bacterias anaerobias

A diferencia de la fotofermentación, la fermentación oscura se lleva a cabo de forma independiente a la luz y los microorganismos necesitan como fuente de carbono glucosa, xilosa, almidón, celulosa u otras fuentes que pueden ser generadas a partir de la hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos.

Reacción producida durante la fermentación oscura, conocida como vía del acetato, y en la que se producen e moles de hidrógeno por mol de glucosa consumida.

A pesar de no habérsele prestado tanta atención como a la producción de hidrógeno por microorganismos fotosintéticos, la producción de hidrógeno a partir de la fermentación oscura presenta claras ventajas para llevarla a escala industrial: las bacterias fermentativas presentan una alta tasa de producción de hidrógeno, pueden producir hidrógeno de forma constante, noche y día, a partir de materia orgánica, pueden alcanzar tasas de crecimiento suficientes como para mantener el sistema, y además se producen metabolitos con interés comercial (ácidos orgánicos).

La fermentación oscura es la técnica que ha demostrado poseer un mayor potencial, ya que, además de alcanzarse una producción de H₂ mayor, resulta la más fácil de realizar técnicamente, los requerimientos energéticos son menores, la economía del proceso resulta más favorable y, por tanto, más factible comercialmente. Sin embargo, también se ha demostrado que un sistema de producción de H₂ en tres etapas (los tres sistemas anteriores acoplados) incrementa el rendimiento de cada sistema por separado.

Fuentes:

Martínez y García. Fermentación oscura, fotofermentación y biofotólisis: análisis de su aplicación en secuencia para la producción de hidrógeno biológico.

 

«Esta entrada participa en el LV Carnaval de Química alojado en el blog La Ciencia de la vida de@biogeocarlos.»

Bacterias magnetotácticas / Magnetotactic bacteria

Hoy me gustaría compartir con vosotros algo muy curioso y relativamente poco conocido. Se trata de unas bacterias capaces de orientarse y migrar a lo largo de las líneas del campo geomagnético. Estas bacterias, denominadas bacterias magnetotácticas (MTB), tienen un orgánulo procariota único formado por cristales magnéticos rodeados por una bicapa de fosfolípidos, el magnetosoma. Los magnetosomas hacen que las células se alineen de forma pasiva con las líneas del campo magnético de la Tierra y se desplacen a lo largo de las mismas. Casi todas las bacterias magnetotácticas colocan sus magnetosomas formando una cadena dentro de la célula maximizando así el momento dipolar magnético de la célula.

Magnetosomas alineados dentro de una célula (izquierda) y magnetosomas extraídos de la célula (derecha). Imagen extraída de Lower & Bazylinski (2013).

Generalmente estas bacterias nadan hacia el norte magnético en el hemisferio norte, al sur magnético en el hemisferio sur y en ambos sentidos en el ecuador geomagnético. Además se sabe que producen dos tipos de minerales: óxidos de hierro y sulfuros de hierro. Aquellas que producen óxidos de hierro solamente biomineralizan magnetita y las que sólo producen sulfuros de hierro biomineralizan greigita.

Salvatore Bellini documentó su existencia por primera vez en 1963. Observó al microscopio un grupo de bacterias que nadaba hacia el polo norte de la Tierra y las llamó «bacterias magnetosensibles«. Once años más tarde, Blakemore describió de forma independiente estos microorganismos y acuñó los términos magnetotaxis para el fenómeno y MTB para las bacterias. El descubrimiento de estas bacterias fue muy útil en diversos campos de investigación (microbiología, geología, mineralogía, cristalografía, química, bioquímica, física).

Desde su descubrimiento varios grupos de investigación han tratado de dilucidar el  mecanismo de formación de los magnetosomas. Un primer modelo propuesto por Schüler (2002) suponía que la formación del magnetosoma tiene tres etapas principales:

• Captar ion férrico extracelular a través de un paso reductor.
• El hierro se reoxida luego para formar un óxido hidratado de baja densidad que se deshidrata para formar una ferrihidrita de alta densidad.
• El paso final en la formación de magnetosoma es la biomineralización de la magnetita.

Formación de un magnetosoma. Extraído de Yan et al. 2012.

Las bacterias magnetotácticas se han utilizado en la eliminación de metales pesados ​​y radioisótopos de aguas residuales por separación magnética. Las partículas de magnetita bacterianas también se han usado para detectar ácidos nucleicos y provocar una reacción inmunológica. Además los magnetosomas pueden ser modificados para detectar moléculas específicas en análisis médicos y de diagnóstico. Recientemente, han sido utilizados como en tratamientos antitumorales como vehículos de fármacos durante la quimioterapia.

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Today I wanted to share with you something very cool and quite unknown. I am speaking about the magnetotactic bacteria (MTB), a diverse group of microorganisms with the ability to orient and migrate along geomagnetic field lines. These bacteria have a unique prokaryotic organelle comprising magnetic mineral crystals surrounded by a phospholipid bilayer, the magnetosome. Magnetosomes cause cells of magnetotactic bacteria to passively align and swim along the Earth’s magnetic field lines. Almost all magnetotactic bacteria arrange their magnetosomes in a chain within the cell there by maximizing the magnetic dipole moment of the cell.

Figure from Lower & Bazylinski (2013).

Generally, they swim to the magnetic north in the northern hemisphere, to the magnetic south in the southern hemisphere and both ways on the geomagnetic equator. MTB are known to produce two types of minerals: iron oxides and iron sulfides. Those that produce iron oxides only biomineralize magnetite and those that only produce iron sulfides biomineralize greigite.

These magnetotactic microorganisms were first documented by Salvatore Bellini as early as 1963. He microscopically observed a certain group of bacteria swam toward the Earth’s North Pole and hence named them “magnetosensitive bacteria”. Eleven years later, Blakemore (1975) independently described these microorganisms and coined the terms magnetotaxis for the phenomena and MTB for the bacteria. The discovery of MTB proved to have a serious impact in a number of diverse research fields including microbiology, geology, crystallography, chemistry, biochemistry, physics…

Many research groups have developed hypothesis of the mechanism of magnetosome formation. An early model proposed by Schüler (2002) assumes that the magnetosome formation comprises three major stages:

• The first step in the magnetosome formation is the uptake of extracellular ferric ion via a reductive step.
• Iron is then thought to be reoxidized to form a low density hydrous oxide which is dehydrated to form a high-density ferrihydrite.
• The final step in the magnetosome formation is the biomineralization of magnetite.

Figure from Yan et al. 2012.

Among MTB applications: they have been used in the removal of heavy metals and radionuclides from waste water by magnetic separation. Bacterial magnetite particles were also used as carriers of genes for the detection of nucleic acids and eliciting antigen-specific immunity. They have been shown to be useful in detecting molecular interactions in medical and diagnostic analyses. Recently, they have been used as potential drug carriers for antitumor treatments as chemotherapy drug carriers.

References:

The bacterial magnetosome: a unique prokaryotic organelle. Lower & Bazylinski, 2013.

Magnetotactic bacteria, magnetosomes and their application. Yan et al., 2012.

Consorcios microbianos y biotecnología / Microbial consortia and Biotechnology

Hoy quiero hablaros de algo que realmente me fascina: ¡los consorcios microbianos!

Los consorcios microbianos son asociaciones naturales de dos o más especies que actúan como una comunidad, beneficiándose cada uno de ellos de la actividad de los demás. Es decir, se trata de sistemas naturales en los que microorganismos de distintas especies, a menudo  de  distintos  géneros,  coexisten  espacialmente  y  cooperan,  posibilitando  así  la supervivencia de todos ellos.

¿Dónde podemos encontrarlos? Los consocios están presentes en muchísimos ambientes y muy distintos entre sí. Quizá el ejemplo más conocido sea la microbiota intestinal, pero los consorcios también cumplen una función muy importante en el tratamiento de aguas residuales o en biorremediación de suelos.

Los consorcios se caracterizan por la división de tareas, y este reparto de trabajo tiene lugar gracias al proceso de comunicación que existe entre los miembros de la comunidad. Estas dos características hacen que los consorcios tengan ciertas ventajas frente a las poblaciones formadas por un único microorganismo:

1. Robustez. Vivir en comunidad hace que estos microorganismos sean mucho más resistentes a cualquier cambio que se produzca en el ambiente, promoviendo así cierta estabilidad para los miembros del consorcio, por ejemplo, son capaces de soportar periodos de escasez nutricional que sí acabarían con un monocultivo. Además, esta asociación hace que los microorganismos que forman parte del consorcio sean capaces de resistir la invasión de otras especies.

En 2006, investigadores daneses y australianos publicaron un artículo muy interesante. En este artículo demostraban la robustez de un consorcio microbiano que habían encontrado en la superficie de un alga (Ulva australis). En ecosistemas acuáticos las bacterias se asocian normalmente formando biofilms, estos investigadores encontraron nada más y nada menos que 17 especies bacterianas adheridas al alga formando la biopelícula. Aislaron e identificaron cada una de las especies, y llevaron a cabo distintos ensayos para ver qué relación había entre cada una de ellas. Finalmente eligieron las 4 especies que presentaban más actividad a la hora de formar el biofilm y las juntaron para crear una biopelícula que contuviera únicamente estas 4 especies. Una vez formada, expusieron a la comunidad a dos agentes antimicrobianos usados frecuentemente para inhibir el crecimiento de bacterias: tetraciclina y peróxido de hidrógeno.

En la siguiente figura podéis ver como se comportó el biofilm en ambos casos comparado con las especies por separado que también fueron sometidas a ambos agentes. ¡Asombroso como el consorcio consigue mantener un buen porcentaje de actividad mientras los cultivos por separado intentan sobrevivir!

Figura extraída de Burmolle et al. 2006

2. Pueden llevar a cabo tareas más complejas. Las poblaciones mixtas tienen la capacidad y los recursos necesarios para llevar a cabo funciones que resultan muy complicadas o incluso imposibles de realizar para una única especie. El siguiente esquema refleja el comportamiento de una única población y de un consorcio a la hora de hacer frente a un proceso “x” a través del cual se produce un compuesto de interés (P). Mientras una población individual tiene que sintetizar todas y cada una de las enzimas necesarias para convertir un sustrato (S) en un determinado producto (P) empleando una gran cantidad de recursos y energía, un consorcio se reparte el trabajo de modo que cada población del consorcio se dedica a sintetizar solamente una de las enzimas necesarias para obtener el producto final.

Figura extraída de Brenner et al., 2008.

Seguramente la pregunta que tenéis en mente ahora es, ¿y esto, para qué sirve? Realmente las aplicaciones de los consorcios son casi infinitas, ¿podéis imaginaros todas las combinaciones posibles de microorganismos que se pueden construir? Y si además tenemos en cuenta los consorcios sintéticos o modificados genéticamente las posibilidades aumentan más aún. Por ejemplo, se han construido consorcios para luchar contra el VIH, se han usado para tratar el cáncer, y también como vehículo para administrar fármacos. Por supuesto se aplican también para degradar compuestos contaminantes en el medio ambiente, pero también para producir energía en forma, por ejemplo, de metano o de hidrógeno.

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Today I wanted to talk about something that really fascinates me: microbial consortia!

Natural microbial consortia are associations of two or more species that act as a community, benefiting each of the activity of others. That is, natural systems in which microorganisms of different species, often from different genres, coexist spatially and cooperate, thus enabling the survival of all.

Where can we find them? Consortia are present in many environments very different from each other. Perhaps the best known example is the intestinal microbiota, but they also play an important role in the treatment of waste water or in soil bioremediation.

Consortia features include the division of labor, and this division of labor occurs thanks to the process of communication between the members of the community. These two features make consortia advantageous over populations consisting just of a single microorganism:

1. Robustness. Living in community makes these microorganisms much more resistant to any changes occurring in the environment, thus promoting their stability, for example, they are able to withstand periods of nutritional scarcity that would kill a monoculture. Moreover, this association makes the microorganisms that are part of the consortium able to resist the invasion of other species.

In 2006, Danish and Australian researchers published a very interesting paper. This article demonstrated the robustness of a microbial consortium that had been found on the surface of algae (Ulva australis). In aquatic ecosystems bacteria appear normally associated between them forming biofilms; these researchers found 17 species of bacteria attached to algae. They isolated and identified each of the species and conducted various tests to see what the relationship between each other was. Finally, they chose the 4 species that showed more activity in forming the biofilm and put them together to create a biofilm containing only these 4 species. Once formed, the community was exposed to two antimicrobial agents commonly used to inhibit the growth of bacteria: tetracycline and hydrogen peroxide.

In the figure below you can see how the biofilm behaved in both cases compared to separated species. I find really amazing how the consortium is able to maintain a good percentage of activity while monocultures separately try to survive!

Figure from Burmolle et al. 2006

2. Can carry out complex tasks. Mixed populations have the capacity and resources to carry out functions that are very difficult or even impossible to achieve for a single species. The following diagram reflects the behavior of a single population and a consortium during a “x” process through which a compound of interest (P) is produced. While individual strains have to synthesize each and every one of the enzymes needed to convert a substrate (S) in a particular product (P), using a lot of resources and energy, consortium work is divided so that each population is dedicated to synthesize only one of the necessary enzymes to obtain the final product.

Figure from Brenner et al., 2008.

Surely the question that you have in mind now is, and this, where is applied? Consortia applications are almost endless; can you imagine all the possible combinations of microorganisms that can be built? And if we consider also synthetic or genetically modified consortia chances increase even more. For example, consortia have been built to fight HIV, they have been used to treat cancer, and also as drug-delivery devices. Moreover, they are also applied to degrade pollutants in the environment and to produce energy in the form, for example, of methane or hydrogen.

References:

Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Brenner et al., 2008.

Enhanced biofilm formation and increased resistance to antimicrobial agents and bacterial invasion are caused by synergistic interactions in multispecies biofilms. Burmolle et al., 2006.

CBM’s, una herramienta muy versátil / CBM’s, a very versatile tool

En una de nuestras últimas entradas, dedicada a las novedades del verano, os recomendábamos leer un artículo muy interesante sobre las aplicaciones de unos módulos llamados CBM’s (carbohydrate binding moduls). Hoy os explicamos mejor qué son estos módulos y para que se pueden utilizar, ¡tienen más aplicaciones de las que os podéis imaginar!

Los CBM’s son unos módulos o partes específicas de algunas enzimas que han despertado un gran interés por sus múltiples aplicaciones en distintos campos. La función principal de estos módulos es catalizar la unión entre una enzima y sus sustratos correspondientes, es decir, favorecen la asociación entre varias moléculas modificando la velocidad de reacción entre ambas. Los CBM’s se pueden obtener “rompiendo” las enzimas que los contienen (proteólisis), pero hoy en día producir CBM’s recombinantes mediante la tecnología del ADN recombinante es mucho más útil, práctico y sencillo.

Los CBM’s se producen generalmente fusionados con otra molécula que facilita su detección y purificación, pero veamos ya sus aplicaciones.

1. Industria textil. En las fábricas de producción de tejidos o telas de algodón hay un proceso muy importante del cual depende la calidad final del producto, se trata del paso inicial en el que se elimina la cutícula que envuelve las fibras de algodón. Cuando esta fina lámina llamada cutícula no se quita correctamente el tejido presenta problemas para absorber el agua o los tintes. En este caso, los CBM’s se utilizan para monitorizar el rendimiento de este proceso llamado scouring.
2. Producción de papel. El uso de CBM’s permite mejorar el drenaje de la pulpa, reduciendo así los costes del proceso de prensa y secado. Además es posible obtener papel más resistente y repelente al agua cuando se combinan varios CBM’s procedentes de múltiples especies de microorganismos. También se han hecho estudios dirigidos a mejorar la calidad de impresión.
3. Biomedicina y biomateriales. Los CBM’s tienen muchísimas aplicaciones en el campo de la inmunología, donde se pueden utilizar por ejemplo para detectar patógenos. Además, los CBM’s se utilizan para mejorar la adhesión y la proliferación celular en biomateriales fabricados para fines biomédicos, y se han llevado a cabo estudios con otros materiales como nanotubos de carbono y grafeno.
4. Biosensores. Los biosensores son instrumentos que se utilizan para medir distintos parámetros biológicos o químicos, por ejemplo en alimentos, análisis clínicos o monitoreo ambiental. En muchos casos para realizar esta medida se utilizan enzimas cuyas propiedades se pueden mejorar gracias a los CBM’s.
5. Industria alimentaria. Los CBM’s han demostrado ser efectivos en la mejora del valor nutricional de los piensos utilizados para alimentación animal. También se utilizan para modular el crecimiento de cultivos vegetales.
6. Medioambiente. En ocasiones determinar la presencia de un determinado compuesto en la naturaleza puede resultar complicado. Mediante CBM’s es posible detectar contaminantes medioambientales para acabar con ellos (biorremediación), aunque también se han utilizado para estudiar la estructura de la pared celular en plantas u otras superficies cuya composición se basa principalmente en carbohidratos.
7. Biología molecular, investigación. En este caso los CBM’s nos sorprenden otra vez por la infinidad de aplicaciones que han demostrado tener en un laboratorio. Se pueden utilizar para producir, purificar e inmovilizar proteínas recombinantes, para crear microarrays, para estudios de modulación en plantas, en ingeniería de proteínas, o simplemente para inmovilizar o marcar moléculas de interés.

El caso es que el número de aplicaciones biotecnológicas en las que intervienen los CBM’s aumenta cada día. La fusión de CBM’s con toxinas y patógenos podría llevar al desarrollo de muchos nuevos biosensores, y modificar CBM’s para otorgarles actividades antivirales, antibacterianas o antitumorales podría asentar las bases para la producción de nuevos medicamentos.

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In our post about the summer news, we recommended you to read a very interesting paper on the applications of some modules called CBM’s (carbohydrate binding moduls). Today we want to explain you what are these modules and for which purposes they can be used, there is an incredible number of applications!

CBM’s are modules or specific parts of certain enzymes which have attracted a considerable interest because of its many applications in various fields. The main function of these modules is to catalyze the bond between an enzyme and its corresponding substrate, i.e. boost the association of several molecules modifying the speed of reaction between them.  CBM’s can be obtained by «breaking» the enzymes in which they are contained (proteolysis), although today they can be easily produced by the recombinant DNA technology.

CBM’s are generally produced fused with another molecule to facilitate its detection and purification, but let’s have a look to their applications.

1. Textile industry. In factories producing cotton fabrics there is a very important process from which depends the final quality of the product, it is the initial step in which the cuticle that surrounds the cotton fibers is eliminated. When this thin layer called the cuticle is not removed properly the efficiency of water or dyes absorption decreases generating economic losses. In this case, the CBM’s are used to monitor the performance of this process called scouring.
2. Production of paper. The use of CBM’s improves the drainage of the pulp, thus reducing process costs and press drying. It is also possible to obtain more resistant and water repellent paper when several CBM’s from multiple species of microorganisms are combined. There are also studies that report that these modules can be applied to improve print quality.
3. Biomedicine and biomaterials. CBM’s have many applications in the field of immunology, in which they can be used for example to detect pathogens. In addition, CBM’s are used to improve adhesion and cell proliferation in biomaterials manufactured for biomedical purposes, and other studies show promising results with other materials such as carbon nanotubes and graphene.
4. Biosensors. Biosensors are instruments used to measure various biological or chemical parameters, for example in food, environmental monitoring or clinical analysis. In many cases to make this measurement enzymes whose properties can be improved thanks to the CBM’s are used.
5. Food Industry. CBM’s have proven to be effective in improving the nutritional value of feed used for animal feed. They are also used to modulate the growth of crops.
6. Environment. Sometimes the presence of a particular compound in nature can mean important and complicated problems related with its removal. Using CBM’s it is possible to detect environmental pollutants to remove them (bioremediation), although they have also been used to study the structure of the cell wall in plants or other surfaces whose composition is mainly based on carbohydrates.
7. Molecular biology, research. In this case CBM’s give us a pleasant surprise for the many applications that have proven in a laboratory. They can be used to produce, purify and immobilize recombinant proteins, to create microarrays, to study modulation levels in plants, in protein engineering, or simply to immobilize or label molecules of interest.

The fact is that the number of biotechnological applications where the CBM’s can be involved is increasing every day. The design of recombinant fusions of CBMs with pathogens and toxins binders predicts the development of CBM-based biosensors, and artificial CBMs with engineered biological activities (e.g. anti-viral, anti-bacterial, and anti-tumor) may settle the grounds for the production of new drugs.

 

Fuentes/Sources:

Oliveira et al. Recombinant CBM-fusion technology – applications overview.

Shoseyov et al. Carbohydrate Binding Modules: Biochemical Properties and Novel Applications.

Las novedades del verano / Summer news

Volvemos de las vacaciones, y para que os pongáis al día os traemos una infografía con las publicaciones más destacadas del verano en varios ámbitos de la biotecnología. Clikad en la imagen siguiente 🙂

The end of the holidays has arrived. Check our infographic to catch up the most outstanding publications of the summer in several areas of biotechnology. Click on the figure below 🙂

 

 

 

Biotecnología agrícola para un desarrollo sostenible / Agricultural biotechnology for sustainable development

Sin duda una de las ramas más importantes de la Biotecnología es la llamada Biotecnología Verde. El objetivo de la biotecnología verde es ofrecer productos y servicios en el sector agroalimentario para mejorar la calidad de vida y asegurar un futuro sostenible.

¿Por qué es imprescindible? Las estadísticas predicen que en el año 2050 la población del planeta se habrá duplicado. Para entonces todas las tierras cultivables serán explotadas, y la demanda de energía y alimentos será tan grande que los recursos naturales como el agua y el petróleo no tardarán en resultar insuficientes.

La biotecnología agrícola permite obtener más y mejores alimentos y puede ayudar en la obtención de nuevas fuentes renovables para combustibles y plásticos. De este modo también se conseguirá optimizar el uso del suelo y la cantidad de agua necesaria.

La pregunta ahora es, ¿cómo? En la mayoría de casos la respuesta es: mediante organismos transgénicos. Muchas personas se asustan si les dices que la lechuga o los tomates que han comido hoy eran transgénicos, cuando esto únicamente significa que se han estudiado cuidadosamente y cumplen con las normas de seguridad ambiental y alimentaria establecidas por los organismos regulatorios de los países donde se comercializan. Un transgénico no es más que un organismo modificado genéticamente para mejorar sus propiedades de modo que por ejemplo, los cultivos sean resistentes a condiciones climáticas adversas como la sequía o las  inundaciones, o contengan mejoras nutricionales como más vitaminas o antioxidantes. Cuando se autoriza la comercialización de un cultivo transgénico es porque es seguro para el ambiente y produce alimentos seguros para el consumo humano y animal.

En futuras entradas hablaremos de ejemplos concretos, de forma precisa, basados en estudios científicos rigurosos para que podáis sacar vuestras propias opiniones al respecto.

¡Aquí os dejamos una entrevista explicativa que merece la pena ver!

 

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Without any doubt, one of the most important branches of Biotechnology is the Green Biotechnology. The goal of green biotechnology is to offer products and services in the food industry to improve the quality of life and ensure a sustainable future.

Why is it necessary? The statistics predict that by 2050 the world population will have doubled. By then, all the arable land will be exploited, and the demand for energy and food will be so great that natural resources such as water and oil will soon be insufficient.

Agricultural biotechnology allows obtaining of more and better food and can assist in the development of new renewable sources for fuel and plastics. In this way, it will also possible to optimize land use and the amount of water needed.

The question now is, how? In most cases the answer is: by GMOs. Many people become afraid if you tell them that the lettuce or the tomatoes that they have eaten today were transgenic, when this only means that they have been carefully studied and comply with the standards of environmental and food safety established by the regulatory agencies in the countries where they are marketed. Something transgenic is merely an organism genetically modified to improve its properties so that for example, crops are resistant to adverse weather conditions such as drought or floods, or contain more vitamins or antioxidants. When a GM crop is authorized for its commercialization is because it is safe for the environment and produces safe foodstuff for human and animal consumption.

In future posts we will discuss specific examples, precisely, based on rigorous scientific studies so you can draw your own opinions.

Here you have an interview, worth to see!

Bioetanol y otros biocombustibles / Bioethanol and other biofuels

El modelo energético del siglo XXI está basado en la utilización de combustibles fósiles, como el petróleo, el carbón mineral y el gas. No obstante todos conocemos las implicaciones medioambientales que surgen de este modelo: producción de gases de efecto invernadero y otros contaminantes así como posibles derrames de petróleo.

Las energías renovables son sin duda la solución frente a este sistema actual. Los biocombustibles son aquellos de origen biológico obtenidos de manera renovable a partir de restos orgánicos, por ejemplo,  el bioetanol. Se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica vegetal (almidón, celulosa, hemicelulosa…) por parte de microorganismos.

Proceso de obtención de bioetanol.

Otro ejemplo sería el biobutanol. Para la obtención de biobutanol, debido a la toxicidad de los productos y a la baja concentración de producto obtenido, es necesaria la obtención de microorganismos mejorados genética y metabólicamente. Se emplean microorganismos del género Clostridium y se buscan nuevas cepas más resistentes a posibles inhibidores o tóxicos (biobutanol) así como cepas que puedan alimentarse de una variedad más amplia de sustratos.

Etapas de la producción de biobutanol.

Finalmente, es necesario hablar del enorme potencial de la producción de biodiesel. Las materias primas más utilizadas para su obtención son semillas de plantas oleaginosas (colza, girasol, soja, coco) y frutos (palma), aunque también pueden usarse aceites de fritura.

Proceso de producción de biodiesel a partir de semillas de plantas oleaginosas.

No obstante lo que queremos destacar es el uso de lípidos de origen microbiano: algas, bacterias y hongos. Las microalgas han sido elegidas porque existen numerosas especies que son ricas en triglicéridos. Algunos géneros de microalgas, principalmente de clorofíceas y diatomeas son capaces de acumular una gran cantidad de lípidos, hasta un 80% de su peso seco, pero en condiciones de estrés, es decir, cuando ven que su crecimiento está limitado. Una vez seleccionada la cepa de microalga con mejor rendimiento, se cultivan en grandes estanques (abiertos o en invernaderos) o en fotobiorreactores. Después de la cosecha, se puede extraer los triglicéridos de las células con diferentes métodos (centrifugación, tratamiento con disolvente, lisis térmica, etc.). La extracción más simple y más popular utiliza como disolvente el hexano. Combinado a un sistema de presa, la extracción con hexano puede extraer hasta 95% del aceite contenido en las células de microalgas.

Microalgas productoras de biocombustible.

Cultivos de microalgas en estanques abiertos.

Cultivo de microalgas en biofotorreactores.

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The energy model of the XXI century is based on the use of fossil fuels such as oil, coal and gas. However we all know the environmental implications arising from this model: production of greenhouse gases and other pollutants and possible oil spills.

Renewable energy is definitely the solution to the current system. Biofuels are those of biological origin derived renewably from organic waste, for example, bioethanol. It is produced by fermentation of the sugars contained in plant organic matter (starch, cellulose, hemicellulose …) by microorganisms.

Another example would be biobutanol. To obtain biobutanol, due to toxicity of products and the low concentration of product obtained, obtaining microorganisms metabolically and genetically improved is necessary. Microorganisms of the genus Clostridium are used nowadays for this purpose, however researchers are looking for new strains that show to be more resistant to potential inhibitors or toxic compounds (biobutanol), and strains that can feed on a wider variety of substrates.

Finally, we must mention the enormous potential hidden in the production of biodiesel. To obtain it, the raw materials consist mainly in seeds of oilseeds plants (rapeseed, sunflower, soybean, coconut) and fruits (palm), but frying oils can also be used. However, what we want to highlight is the use of microbial lipids: algae, bacteria and fungi. Microalgae have been chosen because there are many species that are rich in triglycerides. Some kinds of algae, mainly diatoms and chlorophyceae are able to accumulate a huge amount of fat, up to 80% of its dry weight, but only under stress conditions, that is, when they see that their growth is limited. Once selected the microalgae strain with improved performance, they are grown in large ponds (open or in greenhouses) or in photobioreactors. After harvest, triglycerides can be extracted from cells with different methods (centrifugation, solvent treatment, thermal analysis, etc.). The simplest and most popular extraction method uses hexane as solvent. Combined with a dam system, hexane extraction can remove up to 95% of the oil contained in the cells of microalgae.

As a curiosity we leave you a video where you can see how biodiesel is manufactured at home.

A modo de curiosidad os dejamos un video en el que podéis ver como se fabrica biodiesel casero.

Fuentes/Sources:

Biofuels from microalgae—A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Liam Brennan, Philip Owende. Renew Sustain Energy Rev (2009), doi:10.1016/j.rser.2009.10.009.

Cultivation, photobioreactor design and harvesting of microalgae for biodiesel production: A critical review. Chun-Yen Chena et al. Bioresource Technology. Volume 102, Issue 1, January 2011, Pages 71–81. Special Issue: Biofuels – II: Algal Biofuels and Microbial Fuel Cells.

Biorremediación: Biotecnología para salvar ecosistemas / Bioremediation: Biotechnology to save ecosystems

Los recursos naturales son un bien muy preciado. El constante aumento de población ha llevado a un aumento en el consumo de energía, alimentos y materiales, así como de residuos urbanos e industriales. Uno de los retos de la Biotecnología es mantener y conservar estos recursos naturales. Entre todas las aplicaciones de la Biotecnología en este ámbito hoy hablaremos de la biorremediación.

Mediante biorremediación se tratan problemas como por ejemplo la contaminación de suelos y aguas. Consiste principalmente en utilizar la capacidad de degradar moléculas orgánicas que tienen algunos organismos (mayoritariamente microorganismos) para eliminar el contaminante, es decir, se aprovecha la diversidad metabólica de los microorganismos para eliminar residuos o transformarlos en sustancias inofensivas y/o útiles. Estos procesos pueden ser llevados a cabo por microorganismos autóctonos o por microorganismos foráneos, in situ (estimular la actividad degradativa de los organismos que se encuentran en el sitio contaminado o añadir los organismos con estas propiedades) o ex situ (transportar el contaminante a una planta de procesamiento donde entrará en contacto con el organismo degradador).

Los ámbitos principales de la biorremediación son:

– Biorremediación de metales pesados: se produce un cambio en el estado de oxidación del metal para su detoxificación.

– Biorremediación de hidrocarburos procedentes de combustibles fósiles.

 

– Biorremediación de hidrocarburos poliaromáticos (PAHs): se liberan por la combustión incompleta de petróleo, gasolina, carbón, basuras, tabaco e incluso carne a  la parrilla.

 

– Biorremediación de compuestos xenobióticos (plaguicidas).

 

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Natural resources are a precious good. The steady increase in population has led to an increase in energy, food and materials consumption, as well as urban and industrial waste production. One of the challenges of biotechnology is to maintain and preserve these natural resources. Among all applications of biotechnology in this area, we are going to describe now what bioremediation is.

Through bioremediation, problems such as soil and water pollution are treated. It is based, mainly, in using the ability of some organisms (mostly microorganisms) to degrade organic molecules to remove the pollutant. This means that the metabolic diversity of microorganisms is used to remove wastes or transform them into harmless and / or useful substances. These processes can be carried out by indigenous microorganisms or foreign microorganisms, in situ (stimulate the degradative activity of organisms found in the contaminated site or add organisms with these properties) or ex situ (contaminant transport to a processing plant where it will come into contact with the degrader organism).

The main areas of bioremediation are:

– Bioremediation of heavy metals: a change in the oxidation state of the metal for detoxification.

– Bioremediation of hydrocarbons from fossil fuels.

– Bioremediation of polyaromatic hydrocarbons (PAHs): released by the incomplete combustion of oil, gas, coal, garbage, snuff and even grilled meat.

– Bioremediation of xenobiotic compounds (pesticides).

Fuentes/Sources:

Microorganismos y metales pesados: una interacción en beneficio del medio ambiente. Dra. Diana L. Vullo. QuímicaViva Vol. 2, número 3, 2003.

Biorremediación de residuos del petróleo. Paola Andrea Vargas Gallego, René Ricardo Cuéllar, Jenny Dussán. Hipótesiss, apuntes científicos uniandinos no. 4, dic. 2004.

Mecanismos de fitorremediación de suelos contaminados con moléculas orgánicas xenobióticas. S. López-Martínez, M. Gallegos-Martínez, L. Pérez-Flores, M. Gutiérrez-Rojas. Rev. Int. Contam. Ambient. 21 (2) 91-100, 2005.