La mayoría del carbono fijado por las plantas mediante la fotosíntesis se encuentra en las paredes de las células vegetales, que representan la fuente de carbono renovable más abundante sobre la Tierra. El componente básico de la pared vegetal es la lignocelulosa, formada principalmente por tres polímeros: i) la celulosa, el más abundante, es un homopolisacárido de β-1,4-glucosa; ii) la hemicelulosa, que sigue en abundancia a la celulosa, formada por distintos heteropolisacáridos ramificados cuyos nombres dependen del tipo de azúcares que lo forman (xilano, manano, galactano, glucano, glucuronoxilano, galactoglucomanano, etc.); y iii) la lignina, que es un polímero aromático heterogéneo y recalcitrante, formado por unidades de fenilpropano, que protege a la planta frente a agresiones externas.
Una parte importante de la biomasa vegetal se destina directamente al sector alimentario y a la obtención de compuestos saludables, pero en el actual modelo productivo de economía circular es imprescindible utilizar también los abundantes residuos agrarios y agroindustriales generados. En este contexto, las denominadas “biorrefinerías de la lignocelulosa” tratan de establecer un esquema sostenible de utilización de la biomasa vegetal, análogo al de las refinerías petroquímicas, pero produciendo productos químicos, combustibles y energía a partir de recursos renovables.
Los hongos que habitan en los suelos y crecen sobre la lignocelulosa juegan un papel esencial en la descomposición de los residuos vegetales y el reciclado de sus componentes. Por ello, podemos aprovechar sus capacidades metabólicas para convertir los residuos lignocelulósicos en productos de interés para el ser humano mediante biotransformaciones. Algunos de estos hongos son capaces de degradar preferentemente lignina, dejando accesible la celulosa. Esto ocurre de forma natural en el sur de Chile, donde las vacas pueden ingerir directamente el material resultante de la descomposición de los troncos caídos, conocido como “palo podrido” y muy rico en celulosa.
Otros hongos degradan preferentemente los polisacáridos, o no tienen preferencias y degradan todo simultáneamente. Estas diferencias en el patrón de degradación se deben a que los sistemas enzimáticos de estos hongos son distintos, ya que se han ido especializando para degradar diferentes componentes. La purificación y caracterización de estas enzimas lignocelulolíticas y el estudio de su papel en los procesos de degradación nos permitirá emplearlas como herramientas biotecnológicas para valorizar residuos lignocelulósicos.
En el grupo de “Biotecnología para la biomasa lignocelulósica” del CIB Margarita Salas utilizamos hongos y enzimas fúngicas para contribuir al aprovechamiento integral de la biomasa vegetal. Actualmente disponemos de una gran batería de enzimas purificadas y caracterizadas, procedentes de aislados naturales o encontradas en genomas fúngicos, y manejamos distintos sistemas de expresión heteróloga, que nos permiten producir estas enzimas en más cantidad y modificarlas mediante técnicas de ingeniería genética. Así, conseguimos mejorar sus propiedades y diseñar “enzimas a medida” para aplicaciones específicas.
Centrándonos en el aprovechamiento de la lignocelulosa, en los últimos años hemos conseguido importantes avances estudiando el sistema enzimático del hongo Talaromyces amestolkiae, aislado de residuos de cereales. Este hongo produce niveles elevados de todas las enzimas implicadas en la degradación de la celulosa y la hemicelulosa, que nosotros hemos aplicado principalmente a la producción enzimática de bioetanol de segunda generación y de productos de valor añadido a partir de residuos agrícolas.
El etanol es un biocombustible con prestaciones similares a la gasolina que se produce mediante la fermentación etanólica de monosacáridos, y cuyo uso contribuye a disminuir la utilización de recursos fósiles y la liberación de CO2 a la atmósfera. El etanol de primera generación se obtiene a partir de azúcares fácilmente metabolizables obtenidos de caña de azúcar, remolacha o granos de cereales. Sin embargo, la controversia surgida por el uso de recursos alimentarios para fabricar un biocombustible impulsó la tecnología del etanol de segunda generación, que es mucho más compleja porque el azúcar fermentable se obtiene de los polisacáridos de la lignocelulosa, principalmente la celulosa. Tras eliminar la lignina mediante procesos químicos o físico-químicos, en el proceso de sacarificación enzimática se hidroliza la celulosa con cócteles enzimáticos robustos y eficaces produciendo glucosa, que las levaduras ya pueden fermentar para producir etanol. En nuestro laboratorio, hemos demostrado la eficacia del cóctel de enzimas lignocelulolíticas producido por T. amestolkiae en la sacarificación de paja de trigo y bagazo de cerveza, y como suplemento de cócteles comerciales deficitarios en β-glucosidasas.
Otras enzimas caracterizadas, aisladas de T. amestolkiae, son también muy eficientes como catalizadores de otras reacciones de interés biotecnológico. Por ejemplo, hemos obtenido xilooligosacáridos hidrolizando xilano de abedul con una endoxilanasa de este hongo, y hemos demostrado que estos oligosacáridos tienen actividad prebiótica, es decir, que favorecen el crecimiento de bacterias del tracto digestivo beneficiosas para la salud aunque nuestro organismo no puede digerirlos.
También hemos sintetizado glicósidos bioactivos (compuestos que pueden tener beneficios para la salud), mediante reacciones catalizadas por glicosidasas de T. amestolkiae, uniendo una glucosa o una xilosa a compuestos con propiedades antioxidantes, antitumorales o que previenen la neurodegeneración. Estos nuevos compuestos glicosilados, como por ejemplo el glicósido de hidroxitirosol o del galato de epigalocatequina galato (presentes en el aceite de oliva y el té verde, respectivamente) son más solubles y biodisponibles que los compuestos sin glicosilar, por lo que se mejoran y/o potencian sus propiedades.
Para esto hemos empleado enzimas nativas, producidas por el hongo, y sus formas recombinantes (expresadas en Pichia pastoris), para conseguir obtener mayores niveles de enzimas y tener un sistema que nos permita manipular estas proteínas para mejorar su eficacia catalítica.
En este sentido, comentar que, mediante ingeniería genética (mutagénesis dirigida), hemos modificado uno de los aminoácidos ácidos del centro catalítico de estas enzimas por uno neutro, anulando su capacidad hidrolítica y dirigiendo toda su actividad hacia la síntesis, creando nuevos tipos de enzimas (tioglicoligasas y sintasas), que ya hemos evaluado e inmovilizado (uniéndolas a un material inerte con el fin de poder recuperar y reciclar estas enzimas) para su uso en la síntesis de varios glicoconjugados bioactivos y otros productos de interés para diferentes sectores industriales.
Todo este trabajo se dirige a una mejor utilización de los recursos naturales, valorizando los residuos vegetales con las herramientas biotecnológicas que nos proporcionan los hongos y sus enzimas, de manera que permitan sustituir los procesos químicos tradicionales por otros basados en los principios de la química verde. Estos logros han sido posibles gracias a la financiación recibida a través de proyectos nacionales e internacionales y contratos con empresas, a las colaboraciones establecidas con otros grupos de investigación y, cómo no, al trabajo entusiasta e inestimable de los miembros de nuestro grupo de investigación.
