22.05.2020 - Technische Universität Graz

Romper la celulosa obstinada en un lapso de tiempo

Nuevas perspectivas para las aplicaciones en las biorefinerías industriales

Los investigadores de la Universidad Técnica de Graz, en Austria, han logrado por primera vez visualizar a nivel de una sola molécula los procesos que intervienen en una nanomáquina biológica, conocida como celulosa, al degradar la celulosa cristalina. Los conocimientos fundamentales así obtenidos podrían servir de apoyo a conceptos sostenibles de utilización de la celulosa para lograr un gran avance en la biotecnología industrial.

El componente vegetal celulosa es un polímero extremadamente resistente, insoluble en agua y difícil de descomponer. Esto hace que el uso eficiente y sostenible de la biomasa vegetal en las biorefinerías sea más difícil. "Sólo cuando existan enfoques sostenibles y rentables para la degradación de la celulosa comenzaremos a producir combustibles, productos químicos y materiales a gran escala a partir de la biomasa vegetal", explica Bernd Nidetzky, biotecnólogo y director del Instituto de Biotecnología e Ingeniería Bioquímica de la Universidad Técnica de Graz.

La degradación de la celulosa en la naturaleza

En la naturaleza, la descomposición biológica de la celulosa se produce a través de las celulasas o de los celulósicos. Las celulasas son enzimas que difieren en su especificidad y modo de acción y participan sinérgicamente en la degradación de la celulosa de plantas leñosas como árboles o arbustos. Aunque las celulasas individuales pueden estar situadas muy cerca unas de otras, son unidades individuales y físicamente independientes. Por otra parte, un celulosoma es un complejo proteínico, una colección ordenada y físicamente interconectada de enzimas necesarias para la degradación de la celulosa.

Bernd Nidetzky y su equipo se han propuesto la tarea de comprender mejor y visualizar los celulósomos como nanomáquinas biológicas esencialmente degradadoras de celulosa. Los investigadores han dado ahora un paso decisivo hacia este objetivo en un proyecto apoyado por el Fondo Científico Austriaco (FWF). Pudieron visualizar un celulósomo a nivel de una sola molécula durante la degradación de la celulosa por medio de la microscopía de fuerza atómica de lapso de tiempo y así obtener conocimientos sobre su modo de funcionamiento.

Nanomáquinas en funcionamiento

Concretamente, los investigadores documentan la degradación de la celulosa utilizando un celuloso de la bacteria Clostridium thermocellum. Se demuestra que el celulosoma se adapta dinámicamente a las diferentes condiciones de la superficie de la celulosa. "Cuando se une a la celulosa, el celulósomo cambia a formas alargadas, incluso como hilos, y las transforma dinámicamente en una escala de tiempo de menos de un minuto según los requerimientos de la superficie de la celulosa atacada. En comparación con las celulasas, que desprenden material al deslizarse por las superficies de celulosa cristalina, los celulosomas permanecen localmente unidos durante minutos y eliminan el material subyacente. La consiguiente rugosidad de la superficie conduce a una degradación eficiente de los nanocristales de celulosa", explica Bernd Nidetzky.

Perspectivas de las biorefinerías

"Nuestros análisis demuestran que los celulosomas son extremadamente eficientes en la descomposición de la celulosa. Por lo tanto, podrían desempeñar un papel central en el desarrollo de nuevos enfoques para las biorefinerías", subraya Nidetzky. Aprovechando los diferentes mecanismos de acción de los complejos enzimáticos en forma de celulosa y de enzimas libres, la degradación de la celulosa puede llevarse a cabo de forma más rápida, más completa y con menos necesidad de enzimas. Las sinergias entre los mecanismos de degradación de la celulasa y los celulósomos podrían así ayudar en el diseño de sistemas híbridos de celulasa y ofrecer nuevas perspectivas de aplicación en las biorrefinerías.

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