Cocktail impulsa la producción de etanol de segunda generación

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 través de este proceso, las enzimas actúan de forma coordinada en la descomposición y conversión de los carbohidratos de la paja y el bagazo de caña de azúcar en azúcares simples, que pueden fermentar y, por tanto, convertirse en biocombustible.

El descubrimiento abre 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 etanol de segunda generación (derivado del bagazo). y paja de caña de azúcar).

Para que el hongo pudiera servir como una biofábrica altamente productiva del cóctel de enzimas, los investigadores del CNPEM llevaron a cabo seis modificaciones genéticas en una cepa ya conocida para Trichoderma reesei, RUT-C30. El trabajo fue patentado y tuvo un artículo publicado en la revista Biotechnology for Biofuels.

“El hongo ha sido modificado racionalmente para que maximice la producción de enzimas de interés biotecnológico. Usando una técnica de edición genética conocida como CRISPR / Cas9, cambiamos los factores de transcripción para regular la expresión de genes relacionados con enzimas, eliminamos proteasas que causaban problemas en la estabilidad del cóctel enzimático y también agregamos enzimas importantes que eran naturalmente deficientes en el hongo. Con eso, fue posible hacerle producir una gran cantidad de enzimas a partir de una fuente nutricional barata como son los abundantes residuos agroindustriales en Brasil ”, explica a la Agencia Mário Murakami, director científico del Laboratorio Nacional de Biorenovables (LNBR-CNPEM). Fapesp.

Clásico

Según datos de la Compañía Nacional de Abastecimiento (Conab), con un triturado de caña del orden de 633 millones de toneladas por cosecha, Brasil genera alrededor de 70 millones de toneladas de masa seca de paja. Sin embargo, una pequeña parte de los residuos se utiliza para la producción de etanol.

Murakami señala que prácticamente todas las enzimas que se utilizan en Brasil para la degradación de biomasa son importadas de un grupo restringido de empresas extranjeras que mantienen esta tecnología bajo secreto industrial. En este contexto, el cóctel de enzimas importado puede representar hasta el 50% del costo de producción del combustible.

“Había un paradigma de que el desarrollo de una plataforma competitiva para la producción de cócteles de enzimas podría llevar décadas de estudios y que sería poco probable que se obtuviera solo mediante técnicas de biología sintética de cepas públicas. Esto se debe a que las empresas utilizaron diferentes métodos para desarrollar cócteles, como hacer evoluciones adaptativas, exponer el hongo a reactivos químicos e inducir mutaciones en el genoma para luego seleccionar el fenotipo más interesante. Sin embargo, con la evolución de las herramientas de edición genética, como CRISPR / Cas9, en dos años y medio pudimos establecer una plataforma competitiva con solo unas pocas modificaciones racionales ”, informa Murakami.

A partir del bioproceso desarrollado en CNPEM, se produjeron 80 gramos por litro (g / L) de enzimas, o la concentración más alta jamás descrita en una publicación científica de fuentes de carbono (azúcar) de bajo costo. El valor es más del doble de la concentración más alta de enzimas reportada hasta ahora en la literatura científica para este tipo de hongo (37 g / L de enzimas).

“Un aspecto interesante de este trabajo es que no solo estaba vinculado al laboratorio. Probamos la producción y el bioproceso de escalado en una planta piloto, en un entorno semiindustrial, para evaluar la viabilidad económica ”, señala.

Según Murakami, a pesar de que la plataforma fúngica se ha personalizado para la producción de etanol celulósico a partir de residuos de caña de azúcar, también es capaz de deconstruir otras biomasas y estos denominados azúcares avanzados podrían utilizarse para la producción. otras bio-renovables como plásticos e intermedios químicos.

Nueva clase de enzimas

El trabajo es el resultado práctico para su aplicación en la industria de una amplia investigación realizada por LNBR para el descubrimiento de enzimas capaces de degradar carbohidratos. En otro estudio, apoyado por la Fundación de Investigación de São Paulo (Fapesp) y publicado en la revista Nature Chemical Biology, los investigadores revelaron siete nuevas clases de enzimas presentes principalmente en hongos y bacterias.

Según Murakami, el descubrimiento de nuevas enzimas tiene un gran potencial de aplicación no solo en el área de los biocombustibles, sino también en diferentes áreas de la industria, como la médica, alimentaria y textil, por ejemplo. Esto se debe a que estas moléculas pueden servir de inspiración para nuevos procesos industriales, ya que demuestran diferentes formas en las que la naturaleza descompone los polisacáridos (carbohidratos formados por azúcares simples).

Así, por ser capaz de degradar polisacáridos de beta-glucanos, la nueva familia de enzimas como la hidrólisis glicosídica (GH) tiene un amplio potencial de uso, pudiendo actuar como conservantes de alimentos - por su acción antifúngica al romper la barrera que protege a estos microorganismos - , o en la industria textil o de biocombustibles debido a la capacidad de digerir materiales ricos en fibras vegetales.

“Realizamos un estudio basado en la diversidad de la naturaleza en polisacáridos degradantes y cómo podemos proyectar la aplicación de este conocimiento en diferentes sectores de la industria. Además del descubrimiento de nuevas enzimas, otro aspecto importante de este trabajo es el enfoque que utilizamos para conocer de forma sistemática esta nueva familia de enzimas en profundidad a partir de redes de similitudes. Con ello, logramos en poco tiempo desde cero llegar a la familia de enzimas más estudiada que tenemos hasta ahora activas sobre beta-1,3-glucanos, con información disponible sobre especificidad y mecanismos de acción ”, dice.

Esto se debe a que, por lo general, los estudios para clasificar nuevas enzimas tienen como enfoque principal el criterio evolutivo de moléculas (análisis filogenético). Sin embargo, el trabajo de CNPEM se basó en la funcionalidad de las enzimas.

“Hoy, con la evolución tecnológica de la secuenciación de ADN, ya contamos con una gran cantidad de secuencias genéticas conocidas, además de una capacidad bien establecida para estudiar y caracterizar moléculas y enzimas en función de sus funcionalidades. Con eso, mejoramos un enfoque llamado redes de similitud que nunca se había utilizado en enzimas activas sobre polisacáridos ”, dice Murakami.

El enfoque de red de similitud permitió la clasificación de enzimas por funcionalidad, generando siete subfamilias. Así, al caracterizar al menos un miembro representativo de cada subfamilia, fue posible acceder de forma sistemática a la diversidad de estrategias moleculares para la degradación de polisacáridos de beta-glucano contenidos en miles de miembros de la familia de enzimas.

Reseñas

Mientras que en el análisis filogenético la comparación se basa en las regiones conservadas de la secuencia de ADN -que no ha cambiado a lo largo de los años-, la clasificación por funcionalidad se da a través del análisis de regiones no conservadas y relacionadas con la diferenciación funcional. “Esto nos dio eficiencia y nos permitió agrupar más de mil secuencias en solo siete subgrupos o clases con la misma función”, señala.

Como se trata de un enfoque nuevo, los investigadores llevaron a cabo una serie de otros estudios que sirvieron de contraataque para la validación del método de clasificación. De los siete grupos de enzimas capaces de degradar polisacáridos, los investigadores obtuvieron 24 estructuras novedosas, incluidos varios complejos de las enzimas con sus sustratos, información clave para comprender los mecanismos de acción.

El trabajo incluyó una parte de análisis funcional y otra de estudio estructural de las moléculas con el fin de entender cómo actúa la enzima en este carbohidrato.

“Los polisacáridos pueden adoptar docenas de configuraciones y formar varios tipos de enlaces químicos. Y queríamos ver exactamente qué enlaces químicos y arquitecturas eran reconocidas por cada enzima. Por tanto, era necesario un estudio multidisciplinar, combinando datos estructurales y funcionales apoyados en análisis por espectrometría de masas, espectroscopia, mutagénesis y experimentos de difracción para dilucidar la estructura atómica ”, dice.

En un texto de la sección News & Views, publicado en la revista Nature Chemical Biology, Paul Walton, investigador del Departamento de Química de la Universidad de York (EE. UU.), Consideró el estudio un “tour de force bioquímico” no solo por su enfoque innovador, sino también por su qué tan rápido se obtuvieron los resultados.

"El grupo de investigadores pudo expresar y aislar ejemplos de cada clase de enzimas para examinar si las diferencias en las secuencias genéticas se reflejaban en la forma estructural y la funcionalidad", dice Walton en el comentario.

RPA News