Por Karina Ninni  |  Agência FAPESP – Científicos de la Universidad de São Paulo (USP) descubrieron que la clave para degradar el resistente bagazo de la caña de azúcar se encuentra en la propia planta. Al estudiar el desarrollo de los aerénquimas —estructuras porosas presentes en las raíces—, los investigadores identificaron un conjunto de enzimas que la planta utiliza para remodelar sus fibras. El uso de una sola molécula de esta “caja de herramientas” en cócteles enzimáticos comerciales multiplicó hasta por seis la liberación de azúcar de los residuos de la caña, un paso esencial para acelerar la producción de etanol de segunda generación.

Actualmente, el aprovechamiento integral de esta biomasa se enfrenta a la rigidez de la lignocelulosa, el material que forma el “esqueleto” de la planta. Debido a esta dificultad, desde hace años una empresa danesa mantiene el monopolio de un cóctel enzimático capaz de romper esta barrera, mientras que científicos de todo el mundo investigan alternativas. El equipo del Laboratorio de Fisiología Ecológica de Plantas (Lafieco), del Departamento de Botánica del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo (IB-USP), dedicó 17 años de investigación para obtener sus resultados más recientes.

Marcos Silveira Buckeridge, coordinador del Lafieco y coautor del trabajo publicado en el Journal of Experimental Botany, explica que los cócteles enzimáticos existentes provienen de microorganismos, en su mayoría hongos. Es la primera vez que los científicos identifican una molécula de origen vegetal con esta propiedad.

“Y no se trata de cualquier origen vegetal, sino de la propia caña de azúcar”, destaca el investigador. En 2008, Buckeridge ya había propuesto la idea de la “caña papaya”: tratar la planta para que se ablandara como una papaya madura. Desarrollado junto con su entonces alumna Aline Cavalari (actualmente profesora de la Universidad Federal de São Paulo), el concepto partía de la observación de que el ablandamiento de la papaya se produce cuando las células de sus paredes se separan, lo que facilita la liberación de azúcar. El objetivo era reproducir este proceso de separación celular en la caña.

Para llegar a este punto, el equipo primero tuvo que estudiar detalladamente la composición química y la estructura de la pared celular de la caña, a fin de comprender cómo se organiza la celulosa. “Varios estudiantes del Lafieco participaron en la investigación a lo largo de estos 17 años, pasándose el relevo unos a otros”, recuerda el biólogo, cuyo grupo publicó los primeros datos estructurales al respecto en 2013.

En este sentido, Buckeridge destaca la importancia de la financiación a largo plazo, como la recibida de la FAPESP (proyectos 14/50884-5, 14/50279-4, 20/15230-5, 22/00441-6, 19/13936-0, 15/13479-8 y 21/08334-1). “Si las agencias de financiación no comprenden la importancia del tema, no podemos mantener una investigación compleja durante 17 años”.

Aerénquima y pared celular

El grupo ya sabía que la formación de los aerénquimas en las raíces de la caña de azúcar implicaba un proceso natural de separación celular. La aparición de estas estructuras suele estar relacionada con la falta de oxígeno (hipoxia), pero en la caña se forman de manera independiente. Durante el desarrollo del aerénquima, la propia planta modifica y rompe las paredes celulares de sus raíces, creando canales de aire. Este proceso incluye la separación celular y la descomposición de azúcares complejos, dos acciones esenciales para facilitar el aprovechamiento del bagazo en la producción de etanol.

“El aerénquima aparece progresivamente en la raíz de la caña. En la punta hay menos, y su formación se vuelve más frecuente a medida que se asciende”, explica Bruno Viana Navarro, investigador posdoctoral del Lafieco y primer autor del artículo. El equipo quería observar qué “herramientas microscópicas” (enzimas) activaba la planta a lo largo de este proceso de remodelación de sus raíces.

El investigador describe el experimento: “Plantamos tallos de una variedad bien estudiada de caña de azúcar [SP80-3280] y, después de tres meses, recolectamos raíces de macollos [brotes nuevos], que dividimos en cuatro segmentos de 1 cm cada uno. De este modo, cada fragmento presentaba una proporción diferente de formación de aerénquima”.

Al estudiar la actividad celular en estos segmentos de la raíz, los científicos identificaron más de 32.000 genes activos, de los cuales alrededor de 5.000 estaban relacionados con la pared celular. “Analizamos los cambios que se producían durante el proceso progresivo de formación del aerénquima, comparando un fragmento de la raíz con el siguiente”, explica Navarro.

El equipo se centró en las enzimas que actúan como “tijeras químicas”, cortando las fibras de la pared celular y liberando los azúcares. Una de las doctorandas de Buckeridge, Eveline Tavares, encontró una molécula clave en este proceso: la enzima ASD (α-L-arabinofuranosidasa). Posteriormente, la doctoranda Adriana Grandis detalló su importancia en la formación del aerénquima. Navarro resume la función de la ASD: “Actúa de manera muy específica en la reorganización de la pared celular, rompiendo los enlaces de uno de los materiales estructurales más abundantes en la caña”.

100 % vegetal

Al reconocer el potencial de la ASD, el grupo, encabezado por la investigadora posdoctoral Débora Pagliuso, produjo esta enzima en el laboratorio utilizando levaduras, con el objetivo de probarla en la práctica. “Incorporamos la ASD al cóctel comercial y lo probamos en el bagazo de la caña de azúcar. Solo esta adición multiplicó hasta por seis la producción del azúcar que posteriormente se convierte en etanol”, destaca Navarro.

Según el investigador, el estudio revela un enorme repertorio molecular. El equipo ya identificó alrededor de 530 secuencias genéticas y clases de enzimas en la caña. Esto significa que existen decenas de otras “herramientas” biológicas que aún esperan ser evaluadas.

“Encontramos una segunda enzima también muy prometedora, cuya función es descomponer las pectinas. Esta actúa sobre la lámina media, el cemento que une las células. Cuando estas estructuras se rompen, las células comienzan a separarse y es entonces cuando se produce la denominada ‘caña papaya’. Resulta mucho más fácil degradar la estructura y obtener los azúcares, lo que repercute en la producción de etanol de primera y segunda generación”, señala Navarro.

Para Buckeridge, el éxito del estudio refuerza la hipótesis de que las enzimas “de la propia casa” (de la propia planta) pueden descifrar y descomponer la estructura de la caña mejor que los microorganismos. “Es posible que estas enzimas vegetales que presentamos en el artículo tengan características que las enzimas de los microorganismos no poseen y que podrían ser la clave para lograr una alta eficiencia en la conversión de residuos en productos de mayor valor. Puede que hayamos descubierto un barril lleno de oro, pero hasta ahora solo hemos utilizado una moneda”.

Uno de los objetivos futuros más ambiciosos del grupo es lograr producir un cóctel enzimático personalizado de origen 100 % vegetal. “Al analizar la composición bioquímica de la biomasa de la caña, es posible crear el cóctel enzimático más adecuado para su hidrólisis, lo que aumentaría el rendimiento de la producción de etanol. Esperamos conseguirlo algún día”, afirma Navarro.

El artículo Aerenchyma in sugarcane roots: a toolbox for tailoring biomass for bioenergy puede leerse en: academic.oup.com/jxb/advance-article-abstract/doi/10.1093/jxb/erag174/8658895.