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Un superordenador ayuda a acelerar la conversión de celulosa en etanol

Un superordenador ayuda a acelerar la conversión de celulosa en etanol

Informáticos de la Universidad de San Diego han utilizado el superordenador DataStar para crear “moléculas virtuales” que han permitido conocer paso a paso y con exactitud el proceso por el que la celulosa se convierte en etanol. Esta compleja investigación ha requerido un total de 80.000 horas de computación y ayudará a acelerar industrialmente la producción de etanol a partir de celulosa, en un momento en el que este compuesto se está convirtiendo en una alternativa real y barata a los combustibles fósiles. Por Paul D. Morales.

Un superordenador ayuda a acelerar la conversión de celulosa en etanol

El superordenador DataStar ha sido utilizado por científicos de la Universidad de San Diego para crear moléculas virtuales que han permitido comprender mejor el proceso de de transformación de celulosa en etanol.

Las termitas saben perfectamente cómo digerir la celulosa, pero para los humanos, procesar celulosa para dar etanol es muy lento y muy caro. El mayor problema de este proceso es que es complejo que la enzima de la celulosa transforme ésta en azúcar que, una vez fermentada, da etanol.

Para ayudar a solventar este cuello de botella, un equipo de científicos ha desarrollado una serie de simulaciones moleculares en el San Diego Supercomputer Center (SDSC), con sede en la Universidad de San Diego.

Este centro fue creado en 1985 y está reconocido internacionalmente por su contribución a la biociencia computacional o a la ciencia de la tierra. Además, se hizo especialmente conocido por ser el impulsor del Protein Data Center.

Un proceso rápido

Según los investigadores, un conocimiento exacto de estos procesos moleculares requieren la simulación de seis millones de pasos en 12 nanosegundos (un nanosegundo es milmillonésima parte de un segundo) para percibir los cambios que se producen en la enzima mientras interactúa con la superficie de la celulosa. Este es un periodo de tiempo enorme, en términos moleculares, que ha requerido 80.000 horas de computación en el superordenador DataStar del SDSC.

Usando estas “moléculas virtuales” han descubierto pasos clave en la intrincada “danza” por la que la enzima actúa como una máquina molecular que convierte la celulosa en pequeñas piezas de azúcar.

“Aprendiendo cómo la enzima de la celulosa rompe la celulosa podemos desarrollar una proteína para acelerar esta reacción”, dice Mike Cleary, que coordina este proyecto, en un comunicado hecho público por la Universidad. Esto es importante en la producción de etanol, una alternativa real neutral en la emisión de carbono a los combustibles fósiles”.

Una serie de factores, como son el alarmante calentamiento global y las políticas que ya se están poniendo en marcha por parte de los gobiernos para frenarlo, o la inestabilidad en los mercados del crudo, están impulsando el desarrollo de los biocombustibles, de los que el etanol es sin duda el más importante.

El futuro del etanol

La producción de etanol entre los años 2000 y 2005 se ha duplicado. Hasta ahora, el maíz ha sido la fuente preferida para producir etanol (con Brasil y Estados Unidos a la cabeza en su producción). Esto ha hecho que los precios del maíz se hayan multiplicado por dos en los dos últimos años, repercutiendo sobre todo en países donde este cereal es la base de la alimentación.

También se produce a partir de la caña de azúcar o la remolacha, pero la materia prima puede ser también los cereales o los desechos biológicos, tales como los residuos forestales. El etanol tiene una menor densidad que el gasoil pero, como es un líquido, resulta fácil de manejar, tanto en los vehículos como en el sistema de distribución

Sin embargo, la producción de etanol a partir de celulosa está demostrando ser más barato y mejor para le medio ambiente. Este polisacárido que forma parte de los tejidos de sostén de las plantas es barato y abundante.

Como una película

Las simulaciones informáticas obtenidas por el DataStar son básicamente un “microscopio virtual” que permite a los científicos aumentar y ver lo que antes era invisible. Y lo que ese “microscopio” ha dejado ver es que inicialmente la parte atada de la enzima se mueve libre y de manera aleatoria a través de la superficie de la celulosa buscando una cadena rota de ésta.

Cuando encuentra una cadena libre, la propia celulosa parece provocar un cambio en la estructura de la enzima de tal forma que puede ocupar el final roto de la cadena de celulosa. Esto proporciona a la enzima un poyo crucial para empezar el proceso de digestión de la celulosa en molécula de azúcar.

Para los científicos, la simulación es como una película de béisbol en la que el lanzamiento de la pelota ha quedado en pausa. En la vida real el proceso ocurre a una enorme velocidad y es imposible evaluarlo visualmente. Gracias a la simulación de este superordenador, ha sido posible percibir uno a uno los diferentes pasos de este proceso y los detalles precisos de la velocidad, la trayectoria o el movimiento.

“Nuestra simulación ha arrojado luz sobre las interacciones en este proceso a nivel molecular. El modelo informático nos ha mostrado cómo la parte atada de esta enzima cambia de forma, lo que nunca había sido anticipado por la comunidad científica”, afirma Mark Nimlos del Laboratorio Nacional de Energías Renovables de los Estados Unidos. “Estos resultados son muy importantes porque pueden ser una guía crucial para que los científicos formulen experimentos selectivos para modificar la enzima y acelerar el proceso.”

RedacciónT21

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