Una enzima de un hongo mejora la producción de etanol de segunda generación

Investigadores de la Universidad de Campinas (Unicamp), en São Paulo, Brasil, identificaron en el hongo amazónico Trichoderma harzianum una enzima capaz de degradar biomasa. Aparte de caracterizar esta molécula, los científicos aplicaron técnicas de ingeniería genética para producirla a gran escala, achicando costos y viabilizando su utilización industrial.

Este descubrimiento, publicado en la revista Scientific Reports, allana el camino hacia un mayor aprovechamiento de los residuos de la caña de azúcar en la fabricación de biocombustibles, toda vez que el desarrollo de un cóctel de enzimas de bajo costo constituye uno de los principales desafíos con miras a la producción de etanol de segunda generación (derivado del bagazo y de la paja de la caña de azúcar).

“Esta enzima rompe diferentes azúcares presentes en diversas fuentes de biomasa vegetal, lo que la vuelve sumamente versátil e interesante, no solamente para la producción de etanol de segunda generación sino también para su empleo en la industria alimenticia y en la industria cosmética, por ejemplo”, revela Maria Lorenza Leal Motta, investigadora del Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética (CBMEG-Unicamp) y primera autora del artículo.

Este trabajo, realizado durante la maestría de Leal Motta, becaria de la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior (Capes), ligada al Ministerio de Educación de Brasil, contó con el apoyo de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo - FAPESP para la prospección de los hongos que efectúan la degradación de sustratos celulósicos y promueven la generación de azúcares libres, que pueden explotarse en la producción de biocombustibles.

Una nueva estrategia de prospección

Aparte del descubrimiento de una nueva enzima para la producción de etanol de segunda generación, el grupo también innova en la forma de buscar soluciones para la degradación de celulosa. “Venimos desarrollando desde hace algunos años una metodología de prospección de estos hongos basada en un abordaje que comprende la evolución, la expresión génica y el genoma. Esto resulta interesante, pues hace que nuestro trabajo se vuelva más asertivo. Con el tiempo, vamos creando una especie de baúl con información relevante sobre enzimas con uso potencial en la industria”, afirma Anete Pereira de Souza, docente del Instituto de Biología de la Unicamp y tutora de Leal Motta.

La metodología de prospección abarca estudios de evolución de los linajes de hongos asociados a distintas herramientas de análisis de variaciones genéticas, genes, proteínas y metabolitos. “Es un abordaje distinto, que nos permite utilizar diversos filtros hasta llegar a un candidato interesante para su estudio”, comenta.

De este modo, los investigadores han demostrado que los hongos del género Trichoderma exhiben un gran potencial para la producción de enzimas activas sobre carbohidratos (CAZYmes), lo que incluye a miembros de familias de las glucósidohidrolasas (GH).

Pereira de Souza remarca que casi todas las enzimas utilizadas en Brasil para la degradación de biomasa se importan y se desarrollan para su utilización en países del norte global. “La prospección de enzimas de la biodiversidad nacional aporta innumerables ventajas, no solamente debido a la reducción de los costos, sino también en lo que hace a las mejoras de eficiencia en la producción del etanol. Es más probable que un hongo de la Amazonia esté más adaptado para degradar celulosa de biomasa en un contexto como el nuestro”, explica la  investigadora.

La producción en serie

Para descubrir la nueva enzima, los científicos utilizaron distintos linajes del hongo, secuenciaron su transcriptoma (el conjunto de moléculas de ARN expresadas en un tejido) y realizaron anotaciones funcionales. Con la secuencia, y mediante la aplicación de técnicas de biotecnología, fue posible elaborar las enzimas partiendo de bacterias Escherichia coli.

Leal Motta explica que las enzimas pertenecientes a la familia GH54 han sido estudiadas y exploradas. “El trabajo de caracterización de esta enzima reveló una serie de cualidades fisicoquímicas interesantes para la industria que no se conocían hasta ahora para esa familia de enzimas. Esto sugiere que las demás moléculas de dicha familia aún poco conocidas también pueden exhibir características similares a las que hemos encontrado”, dice la investigadora.

Entre las características halladas se encuentra la capacidad de romper los azúcares presentes en las cadenas laterales de la hemicelulosa, un polisacárido complejo formado por varios azúcares y otros componentes que están presentes en el bagazo y en la paja de la caña de azúcar. “Esta enzima producida de manera más rápida y barata en laboratorio, con base en la E. coli, mostró actividad en distintos tipos de azúcares [galactopironósidos, arabinopironósidos y fucopironósidos] que se encuentran presentes en las cadenas laterales que abarcan la parte central de la hemicelulosa. Esto demuestra que un cóctel enzimático compuesto por distintos tipos de enzimas, fundamentalmente aquellas que actúan en la remoción de esas cadenas laterales, podría mejorar la eficiencia de la conversión de la hemicelulosa y, por consiguiente, de los residuos de caña de azúcar en el etanol de segunda generación”, dice Leal Motta.

Sucede que, tal como lo remarca la investigadora, las enzimas que operan en la cadena principal de la hemicelulosa, como las beta-xilanasas y las endo-beta-xilanasas, solamente logran tener acceso a ella si las cadenas laterales ya se han removido. “En el caso de la producción de etanol, esa nueva enzima podrá ayudar en la mejor conversión de la hemicelulosa en glucosa disponible para la fermentación, lo que la vuelve muy interesante comercialmente”, puntualiza.

Aparte de mostrar actividad en distintos sustratos, esta nueva enzima posee una serie de cualidades bioquímicas que la vuelven conveniente para su utilización en procesos industriales. “Opera en un amplio rango de pH [de 5 a 9] y también de temperatura [40 °C a 65 °C], y, aun así, su actividad relativa permanece por encima del 50 %. Esto resulta interesante, pues diversos procesos industriales, como en el caso de la fermentación que se aplica en la producción de etanol, por ejemplo, transcurren con pH y temperatura variable”, comenta.

Otra característica interesante reside en la necesidad de que la enzima tenga una molécula de iones metálicos para que la actividad catalítica se mantenga (dependencia del metal). “Verificamos que los iones de magnesio fueron los que más influyeron sobre la actividad de la enzima, y una hipótesis indica que estos ayudan a mantener estable la conformación del sitio catalítico de la enzima”, explica Leal Motta.