10.1: Preludio a las reacciones de adición de carbonilo nucleofílico

Figura 10.1.1 : Panda (crédito de la foto: https://www.flickr.com/photos/gzlu/)

Introducción

Es posible que el combustible para el auto que conduzcas dentro de treinta años provenga de la parte trasera de un panda. No literalmente, por supuesto, pero podría resultar que la futura tecnología de biocombustibles se derivará en parte de las cosas que los trabajadores tienen que limpiar del recinto que alberga Ya Ya y Le Le, los dos pandas residentes en el zoológico de Memphis en. Al menos, esa es la esperanza del Dr. Ashli Brown, profesor de bioquímica de la Universidad Estatal de Tennessee.

Primero, un poco de trasfondo. Si eres como la mayoría de la gente en Estados Unidos, ya estás quemando etanol cada vez que conduces: en 2012, el Departamento de Energía de Estados Unidos informa que se vendieron más de 13 millones de galones de etanol en estaciones de servicio a nivel nacional, la mayoría de las veces como una mezcla del 10% junto con 90% de gasolina convencional. El etanol que quemamos hoy se elabora fermentando los azúcares presentes en el maíz comestible. El uso de etanol de maíz, si bien es un importante paso adelante en el esfuerzo por alejarse de los combustibles del petróleo y hacia fuentes de energía renovables neutras en carbono, está lejos de ser una solución permanente y sostenible a las necesidades energéticas cada vez mayores del mundo. Cultivar cultivos de maíz requiere mucha energía y gastos, desde hacer funcionar los grandes equipos utilizados para arar y cosechar los campos, hasta fabricar y aplicar pesticidas y fertilizantes, hasta transportar el maíz a la planta de etanol. De hecho, algunos métodos de cálculo sugieren que se destina más energía a la producción de un galón de etanol a base de maíz que la que se libera cuando se quema el etanol.

Además, el cultivo de maíz requiere mucha agua y ocupa tierras que de otra manera podrían usarse para cultivar alimentos o conservarse como hábitat natural. Un estudio reciente realizado por científicos en Dakota del Sur informó que entre 2006 y 2011, se araron un total de 1.3 millones de acres de humedal y pradera y se convirtieron en producción de cultivos de biocombustibles en cinco estados del medio oeste.

Lo que sería mucho mejor a largo plazo es que pudiéramos producir etanol u otros biocombustibles no a partir de cultivos alimentarios intensivos en recursos como el maíz, sino a partir de materiales vegetales no comestibles: pastos, árboles y subproductos agrícolas como las mazorcas y tallos de las plantas de maíz. Switchgrass, por ejemplo, es una pradera nativa de América del Norte que se cree que tiene un alto potencial para la producción de biocombustibles.

Entonces, si podemos hacer etanol a partir del maíz, ¿no podríamos simplemente cambiarnos a pasto eléctrico usando la misma tecnología?

Desafortunadamente, no es tan sencillo. El etanol se elabora al “alimentar” glucosa a las células vivas de levadura, lo que les permite descomponer el azúcar en etanol, un proceso metabólico llamado fermentación. Los granos de maíz contienen azúcar en forma de almidón, un polisacárido de moléculas de glucosa unidas. Las enzimas llamadas 'amilasas' se utilizan para descomponer el polímero de almidón en moléculas de glucosa individuales (así como dos unidades de glucosa llamadas celobiosa), que luego son fermentadas por la levadura.

El resto de la planta de maíz —los tallos, hojas y mazorcas— está compuesta en gran parte de otro polímero de glucosa llamado celulosa.

La celulosa es un componente importante de las paredes celulares vegetales, y es el compuesto orgánico más abundante del planeta, ¡una enorme fuente de glucosa para la fermentación! El problema, desde la perspectiva de las energías renovables, es cómo llegar a los monómeros de glucosa que componen el polímero. Mire de cerca el enlace que conecta dos monómeros de glucosa en el almidón, y luego compárelo con el mismo enlace en la celulosa. Ambos vinculan los mismos dos carbonos de glucosa, pero con estereoquímica opuesta. Recordemos que las enzimas son muy sensibles a la configuración estereoquímica de sus moléculas sustrato. No debería sorprender, entonces, que las enzimas amilasas que son tan eficientes para romper el almidón sean completamente ineficaces para romper la celulosa. Otras enzimas, conocidas como celulasas, son necesarias para este trabajo. Estas enzimas sí existen en la naturaleza: solo piensa en lo que sucede con las ramas de los árboles, las hojas y otra materia vegetal rica en celulosa que se encuentra en el suelo del bosque. Estos se pudren lentamente, la celulosa se rompe por las enzimas celulasas en hongos microscópicos.

La palabra clave aquí, sin embargo, es 'lentamente'. Los hongos que viven en el suelo del bosque no tienen mucha prisa por degradar las hojas y la madera a su alrededor — la celulosa no va a ninguna parte. Las celulasas fúngicas son, comparativamente hablando, enzimas muy lentas e ineficientes. Aquí radica el mayor desafío para el desarrollo de la producción económicamente viable de etanol a partir de fuentes celulósicas como pasto o madera. Romper los enlaces glucosa-glucosa en la celulosa es el principal cuello de botella en todo el proceso.

Aquí es donde entran los pandas.

Los pandas viven principalmente con una dieta de bambú, obteniendo su energía de la celulosa en la planta. Al igual que otros comedores de plantas como vacas, caballos y ovejas, los pandas no producen sus propias enzimas celulasas. Más bien, dependen de una población diversa de microbios simbióticos que habitan sus tractos digestivos para hacer el trabajo de digestión de celulosa por ellos. Sin embargo, a diferencia de los microbios que viven el estilo de vida lento del suelo del bosque, los microbios del panda no tienen mucho tiempo de sobra: la comida se mueve a través del sistema bastante rápido. En teoría, la presión evolutiva debería haber resultado en microbios panda-intestinales con enzimas celulasas rápidas, y eso es lo que la Dra. Ashli Brown del estado de Tennessee esperaba encontrar mientras ella y sus estudiantes de investigación analizaron las heces de panda del zoológico de Memphis. Han tenido cierto éxito: en la reunión de otoño de 2013 de la American Chemical Society, la doctora Brown anunció que su grupo, trabajando en cooperación con colegas de la Universidad de Wisconsin, había encontrado más de cuarenta bacterias que digieren celulosa, cortesía de Ya Ya y Le Le. El siguiente paso es clonar los genes que codifican la celulasa, usar el ADN para producir la enzima recombinante y ver cuán rápidos son.

Otros animales menos tiernos y fotogénicos también están siendo estudiados con objetivos similares en mente. El Dr. Falk Warnecke, que trabaja en el Instituto Joint Genome del Departamento de Energía de Estados Unidos en el norte de California, ha estado investigando los microbios que viven en las tripas de las termitas que comen madera, y muchos otros investigadores de todo el mundo están interesados en los insectos simbióticos que habitan el rumen de vacas y ovejas.

La problemática reacción química catalizada por las enzimas celulasas es, en términos de química orgánica, una 'hidrólisis de acetal'. Los acetales se derivan de aldehídos. Las reacciones que ocurren en el carbono carbonílico de aldehídos y cetonas es absolutamente central para la química de los carbohidratos como el almidón y la celulosa, y es esta química la que es el tema del capítulo que estamos por comenzar.