Científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía (DOE) de los EE.UU. han desarrollado un modelo computacional para el análisis de los procesos metabólicos en plantas de colza – específicamente los relacionados con la producción de aceites en las semillas. Su objetivo es encontrar la manera de optimizar la producción de aceites vegetales que tienen amplio potencial como recursos renovables para los productos químicos y el combustible industrial. Veáse foto de embriones de colza.
El modelo, que se describe en dos artículos destacados en la edición del 1ro de agosto del 2011, de la revista Plant Journal, puede ayudar a identificar maneras de maximizar la conversión de carbono en la biomasa para mejorar la producción de derivados de plantas biocombustibles.
"Para hacer un uso eficiente de todo lo que las plantas tienen que ofrecer en términos de energía alternativa, que permita sustituir los productos petroquímicos en los procesos industriales, e incluso en la nutrición, es esencial que entendamos sus procesos metabólicos y los factores que influyen en su composición", señalo el biólogo Jorg Schwender de Brookhaven, quien dirigió el desarrollo del modelo de investigación postdoctoral asociado Jordan Hay.
En el caso de los aceites vegetales, la atención de los científicos se centra en las semillas, donde los aceites se forman y se acumulan durante su desarrollo. "Este aceite representa la forma de más alta densidad de energía de la luz del sol almacenada biológicamente, y su producción es controlada, en parte, por los procesos metabólicos dentro de las semillas en desarrollo", dijo Schwender.
Una manera de estudiar estas vías metabólicas es seguir la captación y asignación de una forma de carbono conocido como carbono-13 (1), ya que se incorpora a los precursores de aceite vegetal y de los propios aceites. Pero este método tiene sus límitaciones en el análisis de redes a gran escala metabólicas tales como los implicados en reparto de nutrientes bajo condiciones variables fisiológicas.
"Es como tratar de evaluar el flujo de tráfico en las carreteras en los Estados Unidos mediante la medición de flujo de tráfico sólo en las carreteras principales", dijo Schwender.
Para hacer frente a estas situaciones más complejas, el equipo de Brookhaven construyó un modelo computacional de una red metabólica a gran escala de desarrollo de la colza (Brassica napus), los embriones, basándose en la información extraída de la literatura bioquímica, bases de datos y resultados experimentales que antes de poner límites a ciertas variables. El modelo incluye 572 reacciones bioquímicas que juegan un papel fundamental en el metabolismo de la semilla y/o la producción de aceite de la semilla, e incorpora la información sobre cómo esas reacciones se agrupan e interactúan en las vías metabólicas de las reacciones y las vías químicas que intervienen en la producción de petróleo en las plantas de colza. Al modelar la interacción de estas vías, los científicos pueden encontrar maneras de optimizar la producción de aceite vegetal para los aceites se pueden utilizar como combustibles o materias primas para procesos industriales.
Los científicos la primera prueba de la validez del modelo comparándolo con los resultados experimentales de los estudios de trazado de carbono para una red de reacción relativamente sencilla - el punto de vista de relacionar el panorama general de las vías metabólicas con similitud a las del tráfico en las carreteras. En ese nivel el panorama general, los resultados de los dos métodos coincide en gran medida, permitiendo su validación, tanto para el modelo del equipo y la técnica experimental, pero que la identificación de algunas excepciones mereceran más exploración.
De acuerdo con lo obtenido, los científicos utilizaron el modelo para simular los procesos metabólicos más complicados en diferentes condiciones - por ejemplo, cambios en la producción de aceite o la formación de precursores de aceite en respuesta a los cambios en los nutrientes disponibles (por ejemplo, las diferentes fuentes de carbono y nitrógeno), las condiciones de luz, y otras variables.
"Este modelo de gran escala es una red mucho más realista, como un mapa que representa casi todas las calles", dijo Schwender, "con simulaciones computacionales para predecir lo que está pasando." Continuando con la analogía del tráfico, dijo, "Ahora podemos intentar simular el efecto de bloqueo de carreteras o de dónde agregar nuevos caminos para eliminar con mayor eficacia la congestión del tráfico.
El modelo también permite a los investigadores a evaluar los posibles efectos de las modificaciones genéticas (por ejemplo, la inactivación de genes que desempeñan un papel en el metabolismo de las plantas) en un entorno simulado. Estas modificaciones son simulados en los experimentos dieron una detallada comprensión de la función potencial de las vías metabólicas alternativas - por ejemplo, las que conducen a la formación de precursores de los aceites vegetales, y los relacionados con el cómo las plantas responden a diferentes fuentes de nitrógeno.
Por otro lado, el modelo ayuda a construir una visión bastante completa de las rutas alternativas posibles muchos implicados en la formación de aceite de la colza, y clasificar las reacciones particulares y las vías de acuerdo con la eficiencia con la cual el organismo convierte los azúcares en los aceites. Así que en esta etapa, podemos enumerar, mejor que antes, que los genes y las reacciones son necesarias para la formación del aceite, y que hacen que la producción de aceite sea más eficaz ", señalo Schwender.
Los investigadores enfatizan que la experimentación seguirá siendo esencial para esclarecer aún más los factores que pueden mejorar la producción de aceite vegetal. "Cualquier tipo de modelo es una representación simplificada en gran medida de los procesos que se producen en una planta viva", dijo Schwender. Sin embargo, proporciona una manera de evaluar rápidamente la importancia relativa de las variables múltiples y perfeccionar los estudios experimentales. De hecho, vemos nuestro modelo y los métodos experimentales, como el carbono trazado como formas complementarias para mejorar nuestra comprensión de las vías de las plantas metabólico.
Los científicos ya están incorporando la información de este estudio que permitirá mejorar el modelo para aumentar su poder de predicción, así como maneras de ampliar y adaptar para su uso en el estudio de otros sistemas de la planta.
(1) El carbono-13 es un isótopo estable natural del carbono y uno de los isótopos ambientales, ya que forma parte en una proporción del 1,1 % de todo el carbono natural de la Tierra.
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