Nueva enzima que descompone la celulosa, ¿hacia una revolución en la producción de biocombustibles?
QUÍMICA.
La descomposición de la celulosa es fundamental para la conversión de biomasa en combustibles y productos químicos. Pero la celulosa, el polímero renovable más abundante del planeta, es extremadamente resistente a la despolimerización biológica.
Aunque está compuesta completamente por unidades de glucosa, su estructura microfibrilar cristalina, junto con su asociación con lignina y hemicelulosas en las paredes celulares vegetales, la hace altamente resistente a la degradación. Como resultado, su descomposición en la naturaleza es lenta y requiere sistemas enzimáticos complejos. La descomposición de la celulosa, que entre otras cosas puede permitir un aumento significativo en la producción de etanol a partir de la caña de azúcar, ha sido durante décadas un enorme desafío tecnológico.
La estructura dimérica de la enzima CelOCE que actúa sobre las fibras de celulosa, representada por los palitos verdes. Imagen: Mario Murakami / CNPEM
Un equipo integrado, entre otros, por Mario Murakami y Clelton Santos, del Centro Nacional brasileño de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM, por sus siglas en portugués), así como colaboradores de otras instituciones nacionales e internacionales, acaba de obtener una enzima que podría literalmente revolucionar el proceso de descomposición de la celulosa, posibilitando, entre otras aplicaciones tecnológicas, la producción a gran escala del llamado etanol de segunda generación, derivado de residuos agroindustriales como el bagazo de la caña y la paja del maíz.
“Hemos identificado una metaloenzima que mejora la conversión de la celulosa mediante un mecanismo hasta ahora desconocido de unión al sustrato y ruptura oxidativa. Este descubrimiento establece una nueva frontera en la bioquímica redox para la despolimerización de biomasa vegetal, con amplias implicaciones en biotecnología”, explica a la Agencia FAPESP Mario Murakami, líder del grupo de investigación en biocatálisis y biología sintética del CNPEM y coordinador del estudio.
La enzima recién descubierta fue nombrada CelOCE, a partir de la expresión en inglés Cellulose Oxidative Cleaving Enzyme. Ella rompe la celulosa mediante un mecanismo inédito, lo que permite que otras enzimas presentes en el cóctel enzimático continúen el trabajo, convirtiendo los fragmentos en azúcar. “Para usar una comparación, la resistencia de la estructura cristalina de la celulosa funciona como un conjunto de candados que las enzimas clásicas no pueden abrir. La CelOCE abre esos candados, permitiendo que otras enzimas hagan la conversión. Su papel no es generar el producto final, sino hacer la celulosa accesible. Se produce una sinergia: la potencialización de actuación de otras enzimas por la acción de la CelOCE”, comenta Murakami.
Ruptura de paradigma.
El investigador explica que, hace aproximadamente dos décadas, la incorporación de las monooxigenasas al cóctel enzimático representó una primera revolución. Estas enzimas oxidan directamente los enlaces glicosídicos de la celulosa, facilitando la acción de otras enzimas. Fue la primera vez que se utilizó la bioquímica redox como estrategia microbiana para superar la resistencia de la biomasa celulósica. Y esto estableció un paradigma. Todo lo que se descubrió en ese período se basó en las monooxigenasas. Ahora, por primera vez, ese paradigma ha sido roto con el descubrimiento de CelOCE, que no es una monooxigenasa y proporciona un resultado mucho más significativo.
“Si añadimos una monooxigenasa al cóctel enzimático, el incremento es de X. Si añadimos CelOCE, obtenemos 2X: el doble. Cambiamos el paradigma de la desconstrucción de la celulosa por la vía microbiana. Pensábamos que las monooxigenasas eran la única solución redox de la naturaleza para lidiar con la resistencia de la celulosa. Pero descubrimos que la naturaleza también había encontrado otra estrategia, aún mejor, basada en un andamiaje estructural minimalista que permite su rediseño para otras aplicaciones, como la biorremediación ambiental”, afirma Murakami.
El investigador explica que la CelOCE reconoce el extremo de la fibra de celulosa, se instala en él y lo rompe de forma oxidativa. Al hacerlo, perturba la estabilidad de la estructura cristalina, haciéndola más accesible a la acción de las enzimas clásicas, las hidrolasas glicosídicas. Un dato muy relevante es que la CelOCE es un dímero compuesto por dos subunidades idénticas. Mientras una subunidad está “sentada” sobre la celulosa, la otra queda libre, pudiendo desempeñar una actividad secundaria de oxidasa, generando el cosustrato necesario para la reacción biocatalítica.
“Esto es realmente muy innovador, porque las monooxigenasas dependen de una fuente externa de peróxidos, mientras que la CelOCE produce su propio peróxido. Ella es autosuficiente, una máquina catalítica completa. Su organización estructural cuaternaria permite que el sitio que no está unido a la celulosa actúe como generador de peróxido. Se trata de una enorme ventaja, porque el peróxido es un radical altamente reactivo. Reacciona con muchas cosas. Es muy difícil de controlar. Por eso, en escala industrial, añadir peróxidos al proceso representa un gran desafío tecnológico. Con la CelOCE, ese problema se elimina. Produce in situ el peróxido que necesita”, subraya Murakami.
La CelOCE es una metaloenzima: esa es su clasificación exacta, ya que posee un átomo de cobre en su estructura molecular que actúa como centro catalítico propiamente dicho. No fue creada en laboratorio, sino descubierta en la naturaleza. Sin embargo, para llegar a ella, los investigadores tuvieron que movilizar una enorme cantidad de ciencia y equipamiento.
“Partimos de muestras de tierra cubiertas con bagazo de caña, mantenidas durante décadas en un área adyacente a una biorrefinería en el estado de Sao Paulo. En esas muestras identificamos una comunidad microbiana altamente especializada en la degradación de biomasa vegetal, utilizando un enfoque multidisciplinario que incluyó metagenómica, proteómica, enzimología de carbohidratos mediante métodos cromatográficos, colorimétricos y de espectrometría de masas, difracción de rayos X basada en sincrotrones de cuarta generación, espectroscopías de fluorescencia y absorción, mutagénesis dirigida por sitio, ingeniería genética de hongos filamentosos por CRISPR/Cas y experimentos en biorreactores piloto de 65 y 300 litros. Fuimos desde la prospección de biodiversidad hasta la elucidación del mecanismo, y alcanzamos una escala relevante para la industria en planta piloto, con posibilidad de aplicación inmediata en el mundo real”, relata Murakami.
El investigador enfatiza que este no es un resultado de laboratorio que aún necesite muchas validaciones antes de llegar a su uso industrial. La prueba de concepto en escala piloto ya ha sido demostrada, y la enzima recientemente descubierta puede ser incorporada de inmediato al proceso productivo – lo cual es extremadamente relevante para Brasil, como gran productor de biocombustibles, y para el mundo, en un contexto de urgente transición energética en función a la crisis climática.
Brasil posee las dos únicas biorrefinerías del mundo capaces de producir, a escala comercial, biocombustibles a partir de celulosa. La tendencia es que estas biorrefinerías se multipliquen en el país y se repliquen en otros países. Uno de los mayores desafíos, hasta ahora, era la desconstrucción de la biomasa celulósica: cómo romper ese material y convertirlo en azúcar. La CelOCE debería aumentar significativamente la eficiencia del proceso. “Actualmente, la eficiencia está en el rango de entre el 60 y el 70 por ciento, pudiendo alcanzar, en algunos casos, el 80 por ciento. Esto significa que aún se desaprovecha mucho. Cualquier aumento en el rendimiento representa mucho, porque estamos hablando de cientos de millones de toneladas de residuos siendo convertidos”, argumenta Murakami. Y añade que no se trata solo de aumentar la producción de etanol para vehículos, sino también de otros productos, como, por ejemplo, biocombustible para aviación.
Murakami, Santos y sus colegas exponen los detalles técnicos de su logro en la revista académica Nature, bajo el título “A metagenomic ‘dark matter’ enzyme catalyses oxidative cellulose conversion”. (Fuente: FAPESP).
Sitio Fuente: NCYT de Amazings