Mejora de la eficiencia en la producción de bioetanol mediante evolución adaptativa y radiación UV para obtener cepas de Zymomonas mobilis resistentes a inhibidores lignocelulósicos

Abstract

El aumento en la demanda de biocombustibles sostenibles ha impulsado la necesidad de desarrollar microorganismos más tolerantes a los inhibidores presentes en hidrolizados lignocelulósicos. El objetivo general de esta investigación fue desarrollar y evaluar un protocolo basado en evolución adaptativa y mutagénesis aleatoria por radiación UV para mejorar la tolerancia y la eficiencia fermentativa de Zymomonas mobilis (ATCC 10988) frente a furfural y ácido acético, inhibidores comunes en hidrolizados lignocelulósicos. Durante el proceso de evolución adaptativa, la bacteria fue expuesta de forma progresiva a concentraciones crecientes de ambos compuestos, mientras que la radiación UV generó variabilidad mutacional adicional, permitiendo seleccionar fenotipos más robustos. Estos procesos se evaluaron mediante supervivencia, crecimiento y parámetros fermentativos como consumo de glucosa, producción de etanol y rendimiento etanólico. Las cepas mutantes generadas mostraron diferencias significativas respecto a la cepa original y la cepa adaptada, destacándose ALEUV1 por su mayor producción de etanol y consumo de sustrato. Además, la exposición prolongada a estrés químico y al daño por UV produjo alteraciones morfológicas consistentes con respuestas bacterianas conocidas. Si bien este no constituía un objetivo principal, el estudio también permitió explorar de manera preliminar el desempeño de Z. mobilis en comparación con Saccharomyces cerevisiae, microorganismo tradicionalmente utilizado en procesos fermentativos, aportando evidencia inicial sobre el potencial de Z. mobilis en términos de eficiencia alcohólica bajo determinadas condiciones. En conjunto, los resultados confirman que la combinación de evolución adaptativa y mutagénesis UV puede incrementar la resistencia y eficiencia fermentativa de Z.mobilis, estableciendo un estudio preliminar que respalda su viabilidad como plataforma para la producción de bioetanol de segunda generación. Este trabajo sienta bases para futuras investigaciones orientadas al aprovechamiento de residuos agrícolas dentro de un marco de economía circular.

The increase in demand for sustainable biofuels has driven the need to develop microorganisms with greater tolerance to the inhibitors present in lignocellulosic hydrolysates. The general objective of this research was to develop and evaluate a protocol based on adaptive evolution and random mutagenesis by UV radiation to improve the tolerance and fermentative eficiency of Zymomonas mobilis (ATCC 10988) against furfural and acetic acid, common inhibitors in lignocellulosic hydrolysates. During the adaptive evolution process, the bacterium was progressively exposed to increasing concentrations of both compounds, while UV radiation generated additional mutational variability, enabling the selection of more robust phenotypes. These processes were evaluated through survival, growth, and fermentative parameters such as glucose consumption, ethanol production, and ethanol yield. The mutant strains generated showed significant diferences compared to both the original strain and the adapted strain, with ALEUV1 standing out due to its higher ethanol production and substrate consumption. Additionally, prolonged exposure to chemical stress and UV-induced damage produced morphological alterations consistent with known bacterial responses. Although this was not a primary objective, the study also allowed for a preliminary comparison between Z. mobilis and Saccharomyces cerevisiae, a microorganism traditionally used in fermentative processes, providing initial evidence of the potential of Z. mobilis in terms of alcoholic eficiency under specific conditions. Overall, the results confirm that the combination of adaptive evolution and UV mutagenesis can enhance the resistance and fermentative eficiency of Z. mobilis, establishing a preliminary foundation that supports its viability as a platform for second-generation bioethanol production. This work lays the groundwork for future research focused on the utilization of agricultural residues within a circular economy framework.