La producción de etanol de segunda generación (2G) a partir de la caña de azúcar requiere de la hidrólisis enzimática, un proceso en la cual las enzimas de los microorganismos actúan todas juntas para descomponer y convertir los carbohidratos de los rastrojos de la cosecha de caña de azúcar y del bagazo en azúcares capaces de ser fermentados.
Comprender los mecanismos genéticos que regulan el control y la producción de las enzimas hidrolíticas se considera fundamental para mejorar la tecnología utilizada en este proceso.
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Un grupo de investigadores de la Universidad de Campinas (UNICAMP) en el estado de São Paulo, en asociación con colegas de la National Bioethanol Science & Technology Laboratory (CTBE) – perteneciente al Centro Nacional de Investigación de Energía y Materiales (CNPEM) de Campinas, y de la Universidad Estatal de Río de Janeiro (UERJ), han logrado un profundo conocimiento de los diferentes mecanismos biológicos sobre el control y la producción de enzimas hidrolíticas a partir de hongos.
Realizado como parte de un proyecto respaldado por la Fundación de Investigación de São Paulo – FAPESP, el estudio fue publicado en Informes Científicos.
«Nuestros descubrimientos pueden contribuir al desarrollo de enzimas para su inclusión en cócteles enzimáticos utilizados para producir etanol 2G y otros productos», dijo Anete Pereira de Souza, profesora de UNICAMP e investigadora principal del proyecto, en una entrevista concedida a Agência FAPESP.
Los investigadores analizaron los mecanismos genéticos implicados en la secreción y expresión de enzimas utilizadas por tres especies de hongos para degradar la caña de azúcar. Las especies fueron Trichoderma harzianum, T. reesei y T. atroviride.
Estos hongos se encuentran con frecuencia en el suelo y crecen en la madera, la corteza e incluso en otros hongos, así como en muchos otros sustratos. Hidrolizan diversos tipos de carbohidratos, incluida la celulosa de los rastrojos y del bagazo de la caña de azúcar, por medio de enzimas presentes en sus paredes celulares.
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Los investigadores utilizaron varias técnicas biotecnologícas y bioinformáticas para descubrir si las enzimas producidas por las tres especies de Trichoderma tienen similitudes y diferencias que pueden mejorar o limitar su eficacia en la descomposición de la biomasa, así como si se comportan de forma sinérgica durante este proceso.
Comenzaron por medir los niveles de actividad de las enzimas secretadas por las tres especies de hongos durante la fermentación de bagazo, celulosa pura y la glucosa de la caña de azúcar. Para hacer esto, contaron y analizaron las proteínas presentes en estos tres sustratos diferentes durante el proceso de biodegradación.
Luego utilizaron una técnica de secuenciación de ARN de alto rendimiento llamada ARN-seq para identificar los genes expresados. Mediante el uso de herramientas bioinformáticas, compararon los datos y fueron capaces de identificar las redes de genes que son co-reguladas por las tres especies de hongos y podrían ser esenciales para la descomposición de la biomasa por estos microorganismos.
«Identificamos altas sinergias genéticas en las redes de co-regulación implicadas en la degradación enzimática de la biomasa de caña de azúcar entre las tres especies de hongos», dijo Jaire Alves Ferreira Filho, que está estudiando para obtener un doctorado en genética y biología molecular en Unicamp y es uno de los autores de el estudio financiado por FAPESP.
Alto grado de sinergia
Los investigadores identificaron 80 proteínas y sus respectivos genes que son compartidos por las tres especies de hongos. Encontraron que 19 de estas proteínas están presentes en las tres especies de hongos.
Las 19 proteínas y sus respectivos genes están involucrados en la producción y secreción de enzimas hidrolíticas y están asociados con diferentes mecanismos fúngicos en la degradación de la biomasa, explicaron los investigadores.
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La elucidación de las relaciones genéticas entre los conjuntos de genes proporciona información importante para el desarrollo de microorganismos recombinantes con posibles aplicaciones industriales, añadieron, al tiempo que contribuye a la comprensión de las reacciones sinérgicas entre las enzimas.
«Nuestra descripción detallada de estas reacciones conducirá a avances significativos. Proporciona una base sólida para el uso de información genética en la producción de biocombustibles y de innumerables cantidades de biocompuestos», dijo Maria Augusta Crivelente Horta, primera autora del artículo. La investigación posdoctoral de Horta ha sido financiada por una beca de FAPESP.
