Científicos arriban a la fórmula de la primera melaza sintética con composición totalmente reproducible

Es un producto que allanará la senda hacia el desarrollo de nuevos procesos industriales basados en el uso de la melaza de la caña de azúcar. La prueba se realizó en calidad de medio de cultivo de las levaduras destinadas a la producción de etanol

Por Ricardo Muniz  |  Agência FAPESP – Las melazas naturales poseen composiciones variables que no se conocen totalmente, lo que constituye un obstáculo no solamente en la investigación científica sino también para la industria, pues se utilizan en diversos procesos. Uno de ellos es la producción de etanol, como medio de cultivo de la levadura Saccharomyces cerevisiae en la fermentación.

Un grupo de científicos brasileños y europeos ha logrado formular una melaza sintética con una composición enteramente conocida y, de este modo, pasible de reproducirse. La referida investigación contó con la financiación de la FAPESP (proyectos 18/17172-2,  21/13701-3, 19/08393-8 y 15/50684-9) y salió publicada en la revista Scientific Reports.

“El objetivo principal consistía en hallar una fórmula que permitiera cultivar levaduras con un comportamiento lo más cercano posible a aquel que se observa cuando se cultiva la misma levadura en una melaza industrial real”, explica Thiago Basso, docente de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP), en Brasil, y director de investigación de Kevy Eliodorio y Gabriel Cunha, los otros autores que participaron en la publicación.

La idea era llevar al laboratorio el proceso industrial de la producción de etanol reproduciendo las características de la melaza de caña como medio de cultivo de la levadura, de manera tal que pudiesen determinarse todos sus componentes y sus cantidades. La melaza, según se pone de relieve, es un medio de cultivo complejo y con una alta variabilidad de composición.

“La melaza sintética estandarizada que hemos obtenido permite que científicos de diversas partes del mundo puedan ponerla a prueba como medio de cultivo de los microorganismos que estén estudiando. Asimismo, los resultados que se obtengan en distintos laboratorios podrán compararse con mayor facilidad unos con otros, un aspecto importante para la ciencia”, dice Eliodorio. El investigador ejemplifica que la fórmula se probó en Alemania, en el Helmholtz Centre for Environmental Research, en el marco de una pasantía en el exterior que él realizó allí durante su doctorado.

Aparte de la ventaja logística de que distintos centros de investigación de cualquier parte del mundo empleen esa formulación en el desarrollo de bioprocesos, este medio de cultivo de laboratorio hace posible el estudio de la influencia de cada componente mediante el ajuste de la concentración de cada uno por separado. “Esta es una ventaja que se ha obtenido en este trabajo. La posibilidad de ajuste de los componentes puede hacer posible entre otras cosas el estudio del efecto que causan los inhibidores del crecimiento y diferentes componentes nutricionales, aparte de abrir las puertas hacia la concreción de un análisis cuantitativo de los flujos metabólicos, entre otras cosas”, destaca Basso.

La metodología que se aplicó se basa en una conjunción de datos reportados en la literatura y trabajos anteriores de Basso, quien ya había obtenido la fórmula de una melaza sintética, pero sin que su composición estuviesen totalmente definida debido a la presencia de la sustancia peptona, cuya composición no es totalmente controlable ni enteramente conocida.

Y se realizaron ajustes sistemáticos mediante la aplicación de datos de muestras reales, de la literatura y de la composición previa. “Cada nuevo ajuste se evaluaba mediante pruebas de crecimiento de la levadura hasta que arribamos a una composición que derivó en un comportamiento de la levadura análogo al que se observa en las melazas reales”, explica Eliodorio.

El análisis de los elementos por separado

Todos los componentes quedaron divididos en grupos nutricionales específicos (sales, ácidos orgánicos, vitaminas, elementos traza, azúcares y otros) y se analizaron separadamente. En esta etapa, la investigación apuntó no solamente a desarrollar una composición, sino también a presentar una caracterización de aquello que más influía sobre el comportamiento de las levaduras. La melaza natural contiene grandes cantidades de azúcares fermentables y otros nutrientes. Diversos compuestos, incluidos los factores de crecimiento y macro y micronutrientes, varían dependiendo del tipo de caña de azúcar, del suelo, del clima y de las condiciones de procesamiento. Asimismo, algunos compuestos que se generan durante el procesamiento de la caña de azúcar pueden inhibir el desempeño de la levadura y afectar así la producción de etanol.

La etapa de validación mostró resultados muy satisfactorios. “Por añadidura, también demostramos que un medio de cultivo clásico utilizado para las levaduras (YPS, extracto de levadura, peptona y sacarosa) no permite efectuar esa comparación fisiológica pues genera valores distintos en esas características. De este modo, nuestro medio logra mimetizar los melazas reales de una manera sumamente apropiada, con ventajas interesantes en el día a día de trabajo y también en la investigación científica”, exalta Basso.

El resultado de esta investigación le aporta flexibilidad a la preparación de la melaza sintética al hacer posible el ajuste de las proporciones de los distintos grupos nutricionales, incluso porque uno de los puntos que intrigaban al grupo era la influencia del nitrógeno en la fermentación. “Se dice que la baja concentración de este elemento hace que la producción de etanol sea más elevada. Quedó demostrado en estos experimentos con concentraciones ajustadas que esto sucede efectivamente”, señalan los investigadores.

“Creemos que la melaza sintética desarrollada en el marco de este trabajo allanará el camino para que investigadores de diversas partes del mundo puedan desarrollar nuevos bioprocesos basados en el uso de la melaza de caña de azúcar, una de las materias primas más importantes en la biotecnología industrial”, añade Basso.

La investigación también contó con la participación de Reinaldo Giudici, docente de la Poli-USP, y Andreas Gombert, de la Facultad de Ingeniería de Alimentos de la Universidad de Campinas (Unicamp). El equipo europeo estuvo conformado por Morten Sommer, docente de la Technical University of Denmark, y Felipe Lino, cofundador de la startup Nosh.bio GmbH.

Puede leerse el artículo intitulado Physiology of Saccharomyces cerevisiae during growth on industrial sugar cane molasses can be reproduced in a tailor-made defined synthetic medium en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-023-37618-8.