Avances en la comprensión del metabolismo de hongos esenciales para la producción de etanol celulósico

Científicos del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales de Brasil develan la acción de enzimas elaboradas por dos especies que se emplean en la degradación del bagazo de la caña de azúcar, en el marco de un proyecto que apunta a incrementar la eficiencia en la fabricación del biocombustible de segunda generación en el país, que actualmente depende de insumos importados

Por André Julião  |  Agência FAPESP – Científicos del Laboratorio Nacional de Biorrenovables, del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (LNBR-CNPEM) de Brasil, han dado un paso más en la compresión de la labor de los hongos de las especies Aspergillus niger y Trichoderma reesei en la elaboración de las enzimas que se aplican en el proceso de degradación del bagazo de la caña de azúcar y otras biomasas, algo esencial para la producción del bioetanol de segunda generación.

El estudio al respecto salió publicado en la revista Frontiers in Fungal Biology.

“Estudiamos dos de las especies de hongos más utilizadas para producir diversas enzimas industriales. Trichoderma reesei es la más importante para la producción de celulasas, mientras que Aspergillus niger elabora ácido cítrico y otras enzimas importantes con diversas aplicaciones en la industria química”, comenta Gustavo Pagotto Borin, quien realizó este estudio durante su doctorado en el LNBR-CNPEM con una beca de la FAPESP.

En la actualidad, la importación de cócteles enzimáticos es responsable de alrededor del 50 % del costo del etanol de segunda generación en Brasil, obtenido con base en la degradación del bagazo de la caña de azúcar, un proceso que depende del empleo de estos insumos y que reviste por eso mismo una mayor complejidad que el proceso de obtención del etanol de primera generación, que se concreta con el jugo de la caña de azúcar.

La comprensión de cómo se elaboran estas enzimas los microorganismos puede ayudar a incrementar la eficiencia del proceso, aparte de abrir el camino hacia el desarrollo de productos nacionales específicos para las biomasas brasileñas, y más baratos.

“Este tipo de investigación ha avanzado mucho en los últimos años, y las empresas están invirtiendo bastante en las denominadas biorrefinerías. En ellas se puede producir tanto etanol de primera y de segunda generación como otros productos con base en la biomasa de la caña de azúcar en reemplazo del petróleo, y efectuar así un aporte a una economía de bajo carbono”, comenta Juliana Velasco de Castro Oliveira, investigadora del LNBR-CNPEM que cuenta con el apoyo de la FAPESP y coordinadora del estudio.

La fuente de energía

En el estudio, los investigadores aplicaron la técnica de la metabolómica para entender qué produce el metabolismo del hongo cuando emplea el bagazo de caña como fuente de carbono. Para estos microorganismos, el carbono es como un alimento, una fuente de recursos para crecer y proseguir su ciclo de vida.

Se analizó también el metabolismo de los hongos con otras fuentes de carbono. En este caso, lactosa, glucosa y carboximetilcelulosa (CMC), tres tipos de azúcares bastante utilizados en la industria y que también pueden emplearse como “alimento” para los hongos productores de enzimas de interés. La idea de los investigadores consistió en verificar en qué medida esas fuentes de carbono de distintos niveles de complejidad pueden alterar el metabolismo fúngico.

Se halló un conjunto de metabolitos (productos del metabolismo) en ambos hongos en las cuatro fuentes de carbono: los azúcares trehalosa y manitol, aparte de los aminoácidos glutamato, glutamina y alanina.

“Estas cinco moléculas parecen ser de suma importancia para los dos hongos. Dado que se encuentran presentes en ambas especies, es posible que se hayan conservado en el transcurso de la evolución”, dice Pagotto Borin.

Entre otras funciones, la glutamina está relacionada con el reciclado de nitrógeno dentro de las células. Su importancia también se vincula con su participación en la vía de señalización celular TOR, esencial en el crecimiento y en otras funciones primordiales de las células.

Una sorpresa para los investigadores fue el hecho de haber encontrado metabolitos que sugieren un estrés de las células, como el conocido por las siglas GABA y el glicerol. “Fue un hallazgo interesante. Pese a ser sumamente eficientes en la degradación de la biomasa, es posible que esos hongos aún no hayan alcanzado todo su potencial. De confirmarse esto en el futuro, sería interesante pensar en modificaciones genéticas que favorezcan estos procesos y los vuelva más eficientes, con una mayor producción de enzimas”, culmina diciendo De Castro Oliveira.

En años anteriores, desde la maestría de Pagotto Borin, los investigadores habían analizado las mismas especies de hongos con el bagazo de la caña de azúcar como fuente de carbono a través de otras de las denominadas técnicas “ómicas”.

Aplicaron la secretómica (que analiza las proteínas que secretan las células) y la transcriptómica (que estudia los genes que están transcribiéndose y analiza redes de coexpresión) y, ese caso, identificaron genes aún desconocidos que pueden estar ligados a la degradación del bagazo en Trichoderma reesei.

El estudio publicado en Frontiers in Fungal Biology cierra un ciclo que expande la comprensión del modo mediante el cual esos hongos elaboran enzimas importantes para transformar el bagazo de la caña de azúcar en otros productos.

El artículo intitulado Assessing the intracellular primary metabolic profile of Trichoderma reesei and Aspergillus niger grown on different carbon sources se encuentra disponible en el siguiente enlace: www.frontiersin.org/articles/10.3389/ffunb.2022.998361/full.