La enzima del hongo del Amazonas puede aumentar la eficiencia en la producción de etanol de segunda generación
31 de mayo de 2021
por Maria Fernanda Ziegler | Agencia FAPESP –
Investigadores de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) identificaron una enzima en el hongo amazónico Trichoderma harzianum capaz de degradar la biomasa. Además de caracterizar la molécula, los investigadores utilizaron técnicas de ingeniería genética para producirla a gran escala, reduciendo costos y permitiendo su uso industrial.
El descubrimiento, publicado en la revista Scientific Reports , allana el camino para 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 representa uno de los principales desafíos para la producción de biocombustibles. etanol (derivado del bagazo de caña de azúcar y paja).
“La enzima descompone diferentes azúcares presentes en diversas fuentes de biomasa vegetal, lo que la hace muy versátil e interesante no solo para la producción de etanol de segunda generación sino también para su uso en la industria alimentaria y cosmética, por ejemplo”, revela Maria Lorenza Leal Motta, investigador del Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética (CBMEG-Unicamp) y primer autor del artículo.
El trabajo, realizado durante la maestría de Motta, becario de la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Educación Superior (Capes), contó con el apoyo de la FAPESP para la prospección de hongos que realizan la degradación de sustratos celulósicos y promueven la generación de azúcares libres, que se puede explotar para la producción de biocombustible.
Nueva estrategia de prospección
Además de descubrir una nueva enzima para la producción de etanol de segunda generación, el grupo también está innovando 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 involucra evolución, expresión génica y genoma. Esto es interesante, ya que hace que nuestro trabajo sea más asertivo. Con el tiempo, estamos creando una especie de cofre con información relevante sobre enzimas con potencial uso para la industria ”, dice Anete Pereira de Souza , profesora del Instituto de Biología de la Unicamp y supervisora de Motta.
La metodología de prospección comprende estudios sobre la evolución de cepas fúngicas asociadas a diferentes herramientas de análisis de variaciones genéticas, genes, proteínas y metabolitos. “Es un enfoque diferente, que nos permite usar varios filtros hasta llegar a un candidato interesante para estudiar”, dice.
Por lo tanto, los investigadores han demostrado que los hongos del género Trichoderma tienen un gran potencial para la producción de enzimas activas en carbohidratos (CAZYmes), incluidos los miembros de las familias de glucósido hidrolasas (GH).
Souza enfatiza que casi todas las enzimas utilizadas en Brasil para la degradación de biomasa son importadas y desarrolladas para su uso por países del Norte global. “La prospección de enzimas de la biodiversidad nacional tiene numerosas ventajas, no solo por la reducción de costos sino también en ganancias de eficiencia en la producción de etanol. Es más probable que un hongo de la Amazonía esté mejor adaptado para degradar la celulosa de la biomasa en un contexto como el nuestro ”, explica Souza a Agência FAPESP .
Producción en masa
Para descubrir la nueva enzima, los investigadores utilizaron diferentes cepas del hongo, secuenciaron su transcriptoma (conjunto de moléculas de ARN expresadas en un tejido) y realizaron anotaciones funcionales. Con las técnicas de secuenciación y biotecnología fue posible producir las enzimas a partir de la bacteria Escherichia coli .
Motta explica que las enzimas que pertenecen a la familia GH54 se han estudiado y explorado poco. “El trabajo de caracterización de esta enzima reveló una serie de cualidades fisicoquímicas de interés para la industria que antes no eran conocidas para esta familia de enzimas. Esto sugiere que las otras moléculas de esta familia que aún son poco conocidas también pueden presentar características similares a las que encontramos ”, dice Motta.
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 presentes en el bagazo de caña de azúcar y la paja. “Esta enzima se produce más rápido y más barato en el laboratorio, a través de E. coli, mostró actividad en diferentes tipos de azúcares [galactopironósido, arabinopironósido y fucopironósido] presentes en las cadenas laterales que involucran la parte central de la hemicelulosa. Esto demuestra que un cóctel enzimático compuesto por diferentes tipos de enzimas, especialmente las que actúan para eliminar estas cadenas laterales, podría mejorar la eficiencia de la conversión de hemicelulosa y, en consecuencia, de residuos de caña de azúcar en etanol de segunda generación ”, dice Motta.
Esto se debe a que, como señala el investigador, las enzimas que actúan sobre la cadena principal de la hemicelulosa, como las beta-xilanasas y las endo-beta-xilanasas, solo pueden acceder a ella si las cadenas laterales ya han sido eliminadas. “En el caso de la producción de etanol, esta nueva enzima puede ayudar a convertir mejor la hemicelulosa en glucosa disponible para la fermentación, lo que la hace muy interesante comercialmente”, señala.
Además de mostrar actividad sobre diferentes sustratos, la nueva enzima tiene una serie de cualidades bioquímicas que la hacen conveniente para su uso en procesos industriales. “Opera en un amplio rango de pH [de 5 a 9] y temperatura [40 ° C a 65 ° C] y, aun así, la actividad relativa se mantiene por encima del 50%. Esto es interesante porque varios procesos industriales, como la fermentación utilizada para producir etanol, por ejemplo, ocurren bajo pH y temperatura variables ”, dice.
Otra característica interesante es la necesidad de que la enzima tenga una molécula de ión metálico para que se mantenga la actividad catalítica (dependencia del metal). “Encontramos que los iones magnesio fueron los que más influyeron en la actividad de la enzima y una hipótesis es que ayudan a mantener estable la conformación del sitio catalítico de la enzima”, explica Motta.
El artículo Una nueva α-L-arabinofuranosidasa fúngica dependiente de metales de la familia 54 glucósido hidrolasa muestra una especificidad de sustrato expandida (doi: 10.1038 / s41598-021-90490-2), por Maria Lorenza Leal Motta, Jaire Alves Ferreira Filho, Ricardo Rodrigues de Melo, Leticia Maria Zanphorlin, Clelton Aparecido dos Santos y Anete Pereira de Souza, se pueden leer en www.nature.com/articles/s41598-021-90490-2 .
El artículo Análisis genómico integrativo de la bioprospección de reguladores y enzimas accesorias asociadas a la degradación de la celulosa en un hongo filamentoso (Trichoderma harzianum) (doi: 10.1186 / s12864-020-07158-w), de Jaire A. Ferreira Filho, Maria Augusta C. Horta, Celton A. dos Santos, Deborah A. Almeida, Natália F. Murad, Juliano S. Mendes, Danilo A. Sforça, Claudio Benício C. Silva, Aline Crucello y Anete P. de Souza, se puede leer en https: / / /bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-020-07158-w .
El artículo Las acciones sinérgicas de los genes hidrolíticos revelan el mecanismo de Trichoderma harzianum para la degradación de la celulosa (doi: 10.1016 / j.jbiotec.2021.05.001), de Déborah Aires Almeida, Maria Augusta Crivelente Horta, Jaire Alves Ferreira Filho, Natália Faraj Murada y Anete Pereira de Souza, se puede leer en www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168165621001243? .
