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

Este descubrimiento, publicado en la revista Scientific Reports, allana el camino hacia un mayor uso de los residuos de la caña de azúcar en la fabricación de biocombustibles, ya que el desarrollo de un cóctel enzimático de bajo costo es uno de los principales desafíos de cara a la producción de segundo generación de etanol (derivado del bagazo y paja de la caña de azúcar).

"Esta enzima rompe diferentes azúcares presentes en diversas fuentes de biomasa vegetal, lo que la hace extremadamente versátil e interesante, no solo para la producción de etanol de segunda generación sino también para su uso en la industria alimentaria 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 por Leal Motta, becario de la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior (Capes), vinculado al Ministerio de Educación de Brasil, contó con el apoyo de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica de el Estado de São Paulo - FAPESP para la prospección de hongos que llevan a cabo la degradación de sustratos celulósicos y promueven la generación de azúcares libres, que pueden ser explotados en la producción de biocombustibles.

Una nueva estrategia de prospección

Además del descubrimiento de una nueva enzima para la producción de etanol de segunda generación, el grupo también innova en la forma de encontrar soluciones para la degradación de la celulosa. “Llevamos algunos años desarrollando una metodología de prospección de estos hongos basada en un enfoque que incluye la evolución, la expresión génica y el genoma. Esto es interesante, ya que hace que nuestro trabajo sea más asertivo. Con el tiempo, estamos creando una especie de tronco con información relevante sobre enzimas con potencial uso en la industria ”, comenta Anete Pereira de Souza, profesora del Instituto de Biología de la Unicamp y tutora de Leal Motta.

La metodología de prospección abarca estudios de evolución de linajes de hongos asociados a diferentes herramientas para el análisis de variaciones genéticas, genes, proteínas y metabolitos. "Es un enfoque diferente, que nos permite utilizar varios filtros hasta llegar a un candidato interesante para el estudio", dice.

Por lo tanto, los investigadores han demostrado que los hongos del género Trichoderma exhiben un gran potencial para la producción de enzimas activas en carbohidratos (CAZYmes), incluidos los miembros de las familias de las glucósidohidrolasas (GH).

Pereira de Souza destaca que casi todas las enzimas utilizadas en Brasil para la degradación de la biomasa son importadas y desarrolladas para su uso en países del norte global. “La prospección de enzimas de la biodiversidad nacional brinda innumerables ventajas, no solo por la reducción de costos, sino también en términos de mejoras de eficiencia en la producción de etanol. Es más probable que un hongo de la Amazonía esté más adaptado para degradar la celulosa de la biomasa en un contexto como el nuestro ”, explica la investigadora.

Producción en serie

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

Leal Motta explica que se han estudiado y explorado las enzimas que pertenecen a la familia GH54. “El trabajo de caracterización de esta enzima reveló una serie de interesantes cualidades fisicoquímicas para la industria que hasta ahora no se conocían para esta familia de enzimas. Esto sugiere que el resto de moléculas de esta familia, aún poco conocidas, también pueden presentar características similares a las que hemos encontrado ”, dice la investigadora.

Entre las características encontradas se encuentra la capacidad de descomponer los azúcares presentes en las cadenas laterales de la hemicelulosa, un polisacárido complejo formado por varios azúcares y otros componentes que se encuentran presentes en el bagazo y la paja de la caña de azúcar. “Esta enzima producida de forma más rápida y económica en el laboratorio, a base de E. coli, mostró actividad en diferentes tipos de azúcares [galactopironósidos, arabinopironósidos y fucoponosidos] que están presentes en las cadenas laterales que recubren la parte central de la hemicelulosa. Esto demuestra que un cóctel enzimático compuesto por diferentes tipos de enzimas, principalmente las que actúan para eliminar estas cadenas laterales, podría mejorar la eficiencia de conversión de hemicelulosa y, en consecuencia, de residuos de caña de azúcar en etanol. segunda generación ”, dice Leal Motta.

Ocurre que, como apunta la investigadora, las enzimas que operan en la cadena principal de la hemicelulosa, como las beta-xilanasas y las endo-beta-xilanasas, solo acceden a ella si las cadenas laterales ya han sido eliminadas. “En el caso de la producción de etanol, esta nueva enzima puede ayudar a una mejor conversión de la hemicelulosa en glucosa disponible para la fermentación, lo que la hace muy interesante comercialmente”, señala.

Además de mostrar actividad sobre diferentes sustratos, esta nueva enzima tiene una serie de cualidades bioquímicas que la hacen apta para su uso en procesos industriales. “Opera en un amplio rango de pH [5 a 9] y también temperatura [40 ° C a 65 ° C] y, sin embargo, su actividad relativa permanece por encima del 50%. Esto es interesante, ya que diversos procesos industriales, como la fermentación que se aplica en la producción de etanol, por ejemplo, se realizan con pH y temperatura variables ”, comenta.

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

Este proyecto ha sido cofinanciado por el Ministerio de Industria, Energía y Turismo, dentro del Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica 2008-2011. Referencia: TSI-090100-2011-36