Enzimas descubiertas en intestino de carpincho pueden facilitar aprovechamiento de residuos agroindustriales
Karina Ninni | Agência FAPESP – Convertir residuos agroindustriales en moléculas de interés para la sociedad, como biocombustibles y bioquímicos, es una de las formas de mitigar la dependencia del petróleo y sus derivados. Brasil, uno de los mayores productores mundiales de biomasa vegetal, es privilegiado en este sentido. Sin embargo, este tipo de materia prima lignocelulósica (compuesta por lignina, hemicelulosa y celulosa) es difícil de deconstruir o, como se dice en la jerga científica, es recalcitrante.
En un intento por mejorar ese proceso de despolimerización, investigadores del Laboratorio Nacional de Biorenovables (LNBR), organismo vinculado al Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), en Campinas, vienen estudiando y aprendiendo de la naturaleza estrategias para facilitar el acceso a los azúcares contenidos en estos materiales. A través de un proyecto interdisciplinario, descubrieron dos nuevas familias de enzimas con potencial biotecnológico producidas por microorganismos presentes en el intestino de capibaras.
Ambas familias actúan sobre los componentes de la pared celular vegetal y, por tanto, pueden ser utilizados en procesos de fabricación de biocombustibles, bioquímicos y biomateriales. Uno de ellos, en particular, también tiene potencial para la industria láctea, ya que favorece la degradación de la lactosa.
“Una de nuestras líneas de investigación es explorar la biodiversidad brasileña en busca de nuevos mecanismos microbianos que reduzcan la obstinación de los residuos lignocelulósicos. En nuestros estudios, identificamos al carpincho como un herbívoro altamente adaptado para obtener energía a partir de residuos vegetales recalcitrantes y aún poco estudiado”, revela Mário Murakami , director científico del LNBR y responsable del trabajo, publicado recientemente en la revista Nature Communications .
El roedor más grande del planeta, el carpincho, es muy eficiente para convertir en energía los azúcares contenidos en los materiales lignocelulósicos, aunque es más conocido por la mayoría de la población por sus pecados (ya que puede albergar la garrapata que transmite la fiebre maculosa de las Montañas Rocosas). que por sus virtudes.
“Hay varios estudios con rumiantes, principalmente bovinos, pero en relación a los herbívoros monogástricos [de estómago simple] la información es más escasa. En los capibaras, a diferencia de los rumiantes, la digestión de los alimentos ingeridos, principalmente pastos, tiene lugar en el ciego, la parte inicial del intestino grueso. Como el capibara tiene alta eficiencia en la conversión de azúcares, y los capibaras de la región de Piracicaba han incorporado caña de azúcar en su dieta, nuestra hipótesis fue que los microorganismos presentes en su tracto digestivo podrían presentar estrategias moleculares novedosas para la despolimerización de esta biomasa de gran valor industrial. relevancia”, resume la investigadora Gabriela Felix Persinoti , coautora del artículo.
La investigación fue apoyada por la FAPESP a través de un Proyecto Temático y una Beca Postdoctoral otorgada a Mariana Abrahão Bueno de Morais .
metodología inédita
El trabajo utilizó un enfoque interdisciplinario que incluye análisis multiómicos (como genómica, transcriptómica y metabolómica), empleados en la caracterización a gran escala de diferentes aspectos moleculares de la comunidad microbiana intestinal de mamíferos, así como herramientas bioinformáticas y aceleradores de partículas para caracterizar los descubrimientos. enzimas a nivel atómico.
“No recuerdo ningún trabajo que haya integrado todos estos enfoques, incluido el uso de luz de sincrotrón [una fuente de radiación electromagnética de alto brillo utilizada para observar las estructuras internas de los materiales]”, dice Murakami. “En este estudio, pasamos de comprender la comunidad microbiana al nivel de la estructura atómica de las proteínas”.
Los científicos trabajaron con muestras tomadas directamente del ciego y el recto de capibaras. El material fue obtenido de tres hembras jóvenes sacrificadas en Tatuí (SP), en 2017, en cumplimiento de las políticas locales de control de población de estos animales. No estaban embarazadas ni infectadas con Rickettsia rickettsii , la bacteria que causa la fiebre maculosa de las Montañas Rocosas.
“A través de cirugía abdominal, se recolectaron muestras del ciego y recto de tres animales. El material se congeló en nitrógeno líquido y, en el laboratorio, extrajimos el ADN y el ARN, utilizados para la secuenciación a gran escala utilizando enfoques ómicos integradores”, detalla Persinoti.
Inicialmente, los investigadores realizaron la secuenciación de genes marcadores. En este caso, el gen 16S, presente en todas las bacterias y arqueas.
“Con esta primera secuenciación pudimos identificar diferencias entre las muestras de ciego y recto y verificar los principales microorganismos presentes en cada una. El gen 16S nos da una respuesta superficial, es decir, qué microorganismos hay, en mayor o menor abundancia; pero no proporciona información sobre qué enzimas producen o qué genes codificadores de enzimas están presentes en su genoma. Para ello utilizamos otra técnica ómica, la metagenómica. Con el ADN extraído de toda la comunidad microbiana del tracto gastrointestinal del carpincho, realizamos una secuenciación a gran escala. Luego, con la ayuda de varias herramientas bioinformáticas, identificamos los genomas que estaban presentes en cada una de las muestras, qué genes contenía cada uno de los genomas, cuáles eran nuevos y cuáles microorganismos nunca habían sido descritos. De esta forma pudimos predecir las funciones de estos genes con potencial para actuar en la despolimerización de la biomasa, en la conversión de azúcares en energía, etc.”
El equipo también quería saber qué microorganismos estaban más activos en el momento de la recogida de muestras, es decir, qué genes se estaban expresando realmente. Para ello utilizaron la metatranscriptómica, una técnica que utiliza el ARN como materia prima.
“Otra herramienta ómica utilizada fue la metabolómica, para confirmar qué metabolitos estaban produciendo los microorganismos. Combinamos toda esta información ómica, bioinformática, de expresión y de potencial génico para descifrar el papel de los microorganismos presentes en el intestino del carpincho en la conversión eficiente de las fibras vegetales en energía”.
Armados con esta información, los científicos buscaron descubrir qué genes podrían desempeñar un papel clave en la reducción de la obstinación de las fibras vegetales, centrándose principalmente en objetivos previamente desconocidos.
“La estrategia de selección se centró en genomas inéditos que presentaban un rico repertorio de genes implicados en la despolimerización de la biomasa vegetal. Verificamos cómo estos genes estaban organizados en el genoma de los microorganismos para identificar si había genes cercanos cuya función se desconocía, pero que posiblemente pudieran estar involucrados en los mismos procesos de deconstrucción de fibras vegetales recalcitrantes. Esta es información importante que nos ayuda a dirigir la búsqueda. Sin embargo, solo cuando podamos demostrar estos resultados experimentalmente, en una etapa posterior, estableceremos la creación de estas nuevas familias de enzimas”.
Una vez identificados los nuevos candidatos, el equipo se dispuso a demostrar sus funciones bioquímicas. “Sintetizamos los genes in vitro y los expresamos usando una bacteria para producir las proteínas correspondientes. Realizamos varios ensayos enzimáticos y bioquímicos para encontrar la función de estas proteínas y saber dónde actuarían. Determinamos la estructura atómica de las proteínas utilizando haces de luz de sincrotrón y otras técnicas. Armados con esta información funcional y estructural, se llevaron a cabo más experimentos para determinar qué región de la proteína es crítica para su actividad y el mecanismo molecular por el cual realiza su función”.
Murakami enfatiza que para asegurarse de que están describiendo una nueva familia, el grupo realizó una doble validación. “Seleccionamos otro miembro del conjunto de secuencias de genes que teóricamente formarían el universo de la nueva familia descubierta y que tenía poca similitud con lo que habíamos estudiado inicialmente. Sintetizamos el gen, lo purificamos, lo caracterizamos bioquímicamente y demostramos que esta secuencia tiene las mismas propiedades funcionales que la anterior. En otras palabras, caracterizamos a un segundo miembro de la nueva familia para estar absolutamente seguros de que estas proteínas efectivamente constituían una nueva familia”.
Nuevas enzimas y cócteles
Persinoti revela que una de las nuevas familias descubiertas, denominada GH173, tiene potencial aplicación en la industria alimentaria, mientras que la familia CBM89, relacionada con el reconocimiento de carbohidratos, podría contribuir a facilitar la producción de combustibles como el etanol de segunda generación, por ejemplo, obtenido a partir de bagazo de caña de azúcar y paja.
El grupo LNBR desarrolla cócteles enzimáticos con hongos productores de enzimas y la continuidad natural de este trabajo sería incluir las enzimas descubiertas en la microbiota de los carpinchos en estas plataformas fúngicas.
“Hay una integración desde el descubrimiento de nuevas familias de enzimas hasta la transferencia de tecnología para apoyar la innovación. En nuestro grupo, estamos muy interesados en explorar este gran tesoro de la biodiversidad brasileña, en particular lo que llamamos materia genómica oscura, es decir, estas comunidades microbianas complejas que contienen potenciales aún desconocidos. La infraestructura única de CNPEM y las asociaciones con universidades públicas permitieron que el 99 % del trabajo, desde el diseño conceptual hasta la ejecución, el análisis y la redacción, se hiciera aquí en Brasil. Mirando la inmensa riqueza de la biodiversidad brasileña, era más que esperado que estuviéramos en condiciones de hacer descubrimientos tan impactantes”, enfatiza Murakami.
Se puede acceder al artículo El microbioma intestinal del roedor vivo más grande alberga sistemas enzimáticos sin precedentes para degradar los polisacáridos vegetales en: www.nature.com/articles/s41467-022-28310-y .
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