El impulso al etanol de segunda generación puede provenir de un microbioma amazónico

Microorganismos del lago Poraquê –en la Amazonia brasileña– codifican una proteína que potenciaría el coctel enzimático empleado en la sacarificación del bagazo de la caña, crucial en la producción del combustible

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La producción de etanol de segunda generación o etanol celulósico, el que se obtiene de la paja y del bagazo de la caña de azúcar, puede incrementar hasta un 50% la producción de alcohol combustible en Brasil. Es obvia la importancia económica y ambiental de esta posibilidad, que transforma un residuo en un recurso.

Para ello el país cuenta con la mejor biomasa del planeta y con capacidad industrial instalada, la ingeniería especializada y la levadura adecuada. Sólo falta completar la composición del coctel enzimático capaz de viabilizar el proceso de sacarificación, mediante el cual se despolimerizan los azúcares complejos (polisacáridos) y se los descompone en azúcares simples. Y el objetivo de las investigaciones avanzadas en el área consiste en componer una plataforma microbiana industrial destinada a la producción del conjunto de enzimas necesarias.

Un importante resultado acaba de obtenerse con el descubrimiento en el lago Poraquê, en la Amazonia brasileña, de microorganismos capaces de producir una enzima crítica para el éxito de esta empresa. 

Dicha enzima, una vez aislada, caracterizada y producida, se ha mostrado compatible con dos etapas esenciales de la producción del etanol de segunda generación: la fermentación y la sacarificación. La realización simultánea de estas dos etapas ofrece la perspectiva de una gran disminución de costos para la industria de azúcar y alcohol, toda vez que las reacciones pueden concretarse en un único reactor, con el consiguiente ahorro de reactivos.

Este estudio movilizó a científicos del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM) de Brasil, de Petrobras y de las universidades de São Paulo (USP) y Federal de São Carlos (UFSCar) –ambas instituciones de educación superior brasileñas–, y contó con el apoyo de la FAPESP. Un artículo que lleva las firmas de los integrantes del equipo de investigadores salió publicado en Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Proteins and Proteomics.

“La sacarificación es la etapa más cara del proceso. Entre el 30% y el 50% del costo del etanol celulósico se destina a la obtención de las enzimas necesarias para transformar los azúcares complejos en azúcares simples. Y en la actualidad, la eficiencia de la conversión a cargo de esas enzimas oscila entre el 50% y el 65%. Esto significa que entre el 50% y el 35% del azúcar disponible en la biomasa “se pierde” durante la sacarificación. El gran propósito de nuestro estudio consistió en encontrar biocatalizadores capaces de contribuir al aumento de la eficiencia”, declaró Mario Tyago Murakami del CNPEM, uno de los coordinadores de la investigación, a Agência FAPESP.

Según el investigador, en el arsenal de enzimas necesarias, y actuando en forma sinérgica, las beta-glucosidasas tienen una importancia fundamental, pues son responsables de la última fase de la cascada de sacarificación de la celulosa. 

“Sabemos que a medida que aumenta el porcentaje del producto de la sacarificación, cae la tasa del proceso de sacarificación. Sucede que la presencia de este producto inhibe la actuación de las enzimas. Esto es una especie de regla general. En este caso específico, la glucosa generada restringe la actuación de las beta-glucosidasas. Este cuello de botella tecnológico ha sido objeto de estudios exhaustivos. Para aumentar la eficiencia de la sacarificación, es necesario que las beta-glucosidasas sean altamente tolerantes a la presencia de la glucosa”, dijo Murakami. 

A causa de ciertas especificidades genéticas generadas por diferencias en el proceso evolutivo, enzimas homólogas pueden exhibir diversos grados de resistencia a la inhibición que ejecuta el producto. Y el objetivo de los científicos en el estudio en pauta consistió en hallar las beta-glucosidasas más adaptadas a la biomasa existente en el territorio brasileño. Para ello se investigaron los procesos naturales que ocurren en distintos biomas del país, tanto en la Selva Amazónica como en el Cerrado, la sabana brasileña. 

Flavio Henrique da Silva, de la UFSCar, otro coordinador del estudio, fue el responsable de este proceso de bioprospección. Y el hallazgo más prometedor se produjo en el lago Poraquê, en la Amazonia, donde muestras de la comunidad microbiana local no cultivable exhibieron genes codificadores de beta-glucosidasas con el potencial industrial que se buscaba.

“En un hábitat como el del lago Poraquê, los microorganismos se adaptaron a una alimentación muy rica en polisacáridos, constituida por residuos de madera, hojas de plantas, etc. La enzima beta-glucosidasa presente en dichos microorganismos es distinta a otras enzimas homólogas resultantes de presiones evolutivas diferentes”, dijo Murakami. 

La sacarificación en simultáneo con la fermentación

En sus estudios enzimológicos, Da Silva verificó que la beta-glucosidasa codificada por los microorganismos del lago Poraquê poseía eficiencia catalítica para la sacarificación del bagazo de la caña de azúcar y una tolerancia significativa a la inhibición a cargo de la glucosa. El paso siguiente corrió por cuenta del equipo de Murakami, especializado en biología estructural mecanística, que dilucidó a nivel molecular y atómico las bases del funcionamiento de esta enzima. 

“Fue un buen ejemplo de trabajo en equipo: se juntaron grupos de prospección, de enzimología, de estudios mecanísticos, de bioinformática, etc. Y utilizamos equipamientos del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón y de otros laboratorios brasileños”, dijo Murakami. 

Con relación a la estructura molecular, el estudio oligomérico mostró una proteína distinta a las demás de su categoría, con una arquitectura cuaternaria única. 

“Este estudio corroboró investigaciones anteriores del grupo al respecto de los determinantes estructurales para la tolerancia de la enzima al producto, validando así nuestro modelo mecanístico. Asimismo, verificamos que esta beta-glucosidasa actúa en condiciones de temperatura y pH compatibles con el proceso de hidrólisis”, dijo Murakami.

Esta información es sumamente relevante, pues indica que la enzima hallada puede llegar a formar parte de un proceso denominado SSF: sacarificación simultánea a la fermentación. Al poder actuar en condiciones de temperatura compatibles con el crecimiento de la levadura, esta beta-glucosidasa permite que la disponibilidad del hidrato de carbono resultante de la sacarificación y su fermentación a cargo de la levadura puedan ocurrir al mismo tiempo. Esta estrategia ayuda a mitigar el efecto de inhibición por el producto, pues a medida que se produce el azúcar, también va siendo consumido por la levadura, lo cual alivia a la enzima de la inhibición debido a la presencia de una cantidad excesiva de glucosa.

El paso siguiente consiste en la realización de estudios de combinación de esa enzima con los cócteles enzimáticos fúngicos existentes, a los efectos de incrementar la eficiencia en lo concerniente al aumento de la sacarificación. 

“Una vez extraído el gen de interés, y partiendo de las bibliotecas génicas de microorganismos no cultivables y de posibles modificaciones racionales basadas en el conocimiento de la estructura para lograr el aumento de la termoestabilidad, se lo transfiere a otros huéspedes mediante el empleo de técnicas de biología molecular. El huésped en cuestión en este caso es el trichoderma, un hongo filamentoso que cuenta con un arsenal de enzimas activas sobre hidratos de carbono. Con el agregado de la beta-glucosidasa amazónica, su potencial aumentará. Se trata de potenciar una plataforma microbiana industrial ya existente”, dijo Murakami. El objetivo del equipo es patentar este hongo ingenierizado con la enzima.