La dispersión de neutrones y la supercomputación arrojan luz sobre una mejor producción de biocombustibles
Las moléculas de butanol desencadenan cambios en un modelo de membrana de células microbianas en esta ilustración de la investigación que utilizó la dispersión de neutrones y la supercomputación para comprender los procesos fundamentales para la producción eficiente de combustibles domésticos, productos químicos y materiales de la biomasa vegetal. Crédito: Morgan Manning/Ornl, Departamento de Energía de los Estados Unidos
Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad de Cincinnati lograron un avance para comprender la vulnerabilidad de los microbios al butanol que producen durante la fermentación de la biomasa vegetal. El descubrimiento podría allanar el camino para una producción más eficiente de combustibles, productos químicos y materiales domésticos.
El equipo utilizó las capacidades de dispersión de neutrones de Ornl y las simulaciones de dinámica molecular para analizar el proceso de fermentación que produce butanol, un alcohol lleno de energía que puede usarse como una materia prima de biocombustible, solvente o química.
Los métodos desarrollados hasta ahora para producir biológicamente la cara de alcohol es un obstáculo importante: el butanol es tóxico para los microorganismos mismos que lo producen. Esta toxicidad limita la cantidad de butanol que se puede generar durante la fermentación, presentando un desafío a la producción de base biológica.
Los científicos centraron su análisis en regiones especializadas dentro de las membranas celulares de los microbios llamados dominios de membrana que juegan un papel fundamental en la organización de proteínas y el mantenimiento de la estabilidad celular.
Usando pequeñas estructuras similares a la burbuja llamadas liposomas que imitan las membranas celulares, los investigadores encontraron que el butanol tiende a acumularse de manera desigual alrededor de la membrana, lo que hace que los dominios más pequeños se fusionen en los más grandes e incitan al adelgazamiento de algunas regiones de la membrana, como se describe en la revista Langmuir. La exposición al butanol finalmente desencadenó cambios en la organización de la membrana asociada con el estrés celular y la fermentación menos eficiente.
Al identificar por primera vez los mecanismos específicos de toxicidad, los científicos pueden, por ejemplo, trabajar para desarrollar cepas microbianas con membranas más fuertes y resistentes, identificar microorganismos con mayor tolerancia al butanol o desarrollar otros métodos para reducir el adelgazamiento de la membrana.
Neutrones, simulaciones exponen los efectos de toxicidad
Los investigadores investigaron los procesos que ocurrieron durante la fermentación utilizando el instrumento de dispersión de neutrones de ángulo pequeño biológicos, o bio-sans, parte del Centro de Biología Molecular Estructural, o CSMB, ubicado en el reactor de isótopos de alto flujo, un centro de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. El uso de neutrones permitió pruebas no destructivas de la imitación de membrana, permitiendo a los científicos ver las estructuras y arreglos de las moléculas. El instrumento cuenta con el apoyo de la División de Ciencias de los Sistemas Biológicos del Programa de Investigación Biológica y Ambiental del DOE.
Los neutrones generados por el reactor sondearon los detalles de la muestra, revelando que el tamaño del dominio de la membrana aumentó a medida que aumentó la cantidad de butanol y descubrió el efecto de adelgazamiento de la membrana.
Bio-Sans dio a los científicos la capacidad de “mirar lo que está sucediendo en la escala de longitud nanométrica a la estructura de la membrana”, dijo Jon Nickels, investigador principal del proyecto y profesor asociado de ingeniería química y ambiental en la Universidad de Cincinnati.
El instrumento “pudo resolver a dónde iba el butanol en la membrana”, dijo Hugh O’Neill, colaborador del proyecto y director de CSMB en ORNL. “Eso es mucho más difícil de ver con las radiografías, que le permiten ver el grosor general. Los neutrones le dan la capacidad de sondear el interior de la membrana para ayudar a determinar cómo se distribuye el butanol”.
Luego, el equipo aprovechó las simulaciones de dinámica molecular, un método basado en computadora que calcula cómo los átomos y las moléculas se mueven e interactúan con el tiempo, para obtener una visión detallada y dinámica del comportamiento molecular. Las simulaciones respaldaron observaciones experimentales y revelaron detalles sobre cómo el butanol se acumuló en la interfaz del dominio de la membrana.
Las simulaciones se ejecutaron en una supercomputadora en el Centro Nacional de Computación Científica de Energy Research, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley. Los resultados proporcionaron “una imagen atomista completa que puede decirnos mucho sobre estos sistemas y guiar futuros experimentos”, dijo Nickels.
“Este podría ser un nuevo mecanismo fundamental para la toxicidad del solvente, donde el solvente no tiene que interrumpir la membrana ‘a granel’, pero, más bien, se dirige a un lugar ‘débil’ en la membrana: la interfaz de dominio”, dijo Brian Davison, jefe científico de biología y biotecnología de sistemas y liderazgo para los biofuelales SFA en ORNL.
Aprovechando la experiencia biológica, las grandes herramientas científicas
El proyecto Butanol fue un “paso clave para probar una hipótesis nueva sobre la forma en que los alcoholes interactúan con las células en el proceso de fermentación. Investigamos la base biofísica para esta hipótesis, y ahora hemos demostrado que se verifica físicamente”, dijo Nickels.
Los resultados “nos proporcionan nuevos objetivos para reducir la influencia de estos productos de fermentación”, dijo Luoxi Tan, primer autor e investigador postdoctoral en ORNL. “Ahora sabemos preguntar si más dominios de membrana estable podrían reducir significativamente el estrés celular durante la fermentación, lo que resulta en una conversión más eficiente y títulos de butanol más altos”.
“Las capacidades de ciencia de neutrones de ORNL y la profunda experiencia en biología y ciencia computacional fueron clave para este proyecto”, dijo Davison. “La estructura SFA permitió la formación de un ‘equipo A multidisciplinario que condujo a un análisis completo del proceso. Podría haber’ solo ‘tener la dispersión de neutrones que le mostró que los tamaños de dominio estaban aumentando. Pero sin las simulaciones de dinámica molecular que no entendería por qué”.
El proyecto representó una colaboración exitosa entre la academia y los DOE National Labs, agregó Nickels. “ORNL tiene un conjunto ideal de capacidades y experiencia para estudiar la estructura de las membranas celulares”, dijo. “Una vez que haya completado su análisis con neutrones, puede desarrollar modelos para adaptarse a los datos y extraer cosas como la división de membrana del alcohol para una estructura molecular altamente precisa”.
Más información: Luoxi Tan et al, Efectos tóxicos del butanol en el plano de la membrana celular, Langmuir (2025). Doi: 10.1021/acs.langmuir.4c03677
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
Cita: La dispersión de neutrones y la supercomputación arrojan luz sobre una mejor producción de biocombustibles (2025, 26 de marzo) Recuperado el 26 de marzo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-03-neutron-supercomputing-biofuel-production.html
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