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Degradación de hemicelulosa controlado por temperatura

Maíz transgénico expresa una xilanasa que sólo se activa a altas temperaturas.

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Los precios de los combustibles fósiles (el petróleo y sus derivados) se incrementa tanto como su impacto sobre el ambiente. Una alternativa viable para solucionar este problema son los combustibles obtenidos a partir de materias primas vegetales (biocombustibles).

Algunas de las principales fuentes de biocombustibles son la caña de azúcar y los granos de maíz. Todo el azúcar y almidón que contienen estos productos sirven como sustrato para la producción de etanol a través de procesos fermentativos llevados a cabo en grandes biorreactores. Sin embargo, el uso de las áreas de cultivo destinados a la alimentación humana para la producción de biocombustibles ha generado una gran controversia por ser una amenaza para la seguridad alimentaria mundial.

Entonces, ¿por qué no usar los residuos de las actividades agrícolas (cualquier biomasa vegetal que no sea las partes destinadas a la alimentación humana) para la producción de biocombustibles?. Es una gran idea, pero tiene sus limitaciones.

En el maíz los azúcares se encuentran en forma de almidón; mientras que en la caña de azúcar, disueltos como sacarosa. Ambas formas son fáciles de degradar y fermentar. Sin embargo, en los tallos y hojas que conforman la mayor parte de los residuos agrícolas, los azúcares se encuentran en forma de celulosa y hemicelulosa (principales componentes de las paredes celulares de las plantas).

La biomasa celulósica no es tan fácil de hidrolizar ya que la hemicelulosa está compuesta por un conjunto heterogéneo de azúcares que forman estructuras ramificadas y resistentes que recubren y protegen las fibras de celulosa. Esto crea la necesidad de hacer un tratamiento químico (uso de ácidos o bases fuertes), físico (altas temperaturas) y enzimático previo antes de proceder a la fermentación, aumentando considerablemente los costos de producción de etanol.

Con el fin de superar este inconveniente, los científicos idearon una solución: insertar genes que codifiquen enzimas que degraden las paredes celulares directamente en las plantas. Es así como se empezaron a desarrollar plantas transgénicas que expresaban xilanasas (enzimas que degradan la hemicelulosa para que la celulosa se encuentre disponible para ser hidrolizada). Sin embargo, estas plantas mostraron muchos problemas: bajos rendimientos, susceptibilidad a enfermedades, semillas estériles, etc.

El problema era que la expresión de los genes de las xilanasas no podía ser controlada y terminaban por degradar las paredes celulares en todo momento, afectando el desarrollo de las plantas. Se requería de unas enzimas que se activen en momentos específicos, por ejemplo, después de la cosecha.

Según un estudio publicado en Nature Biotechnology, investigadores de la empresa Agrivida liderados por el Dr. Binzhang Shen, han desarrollado un maíz transgénico que expresa una xilanasa desarrollada mediante ingeniería genética que sólo se activa a temperaturas superiores a los 59°C, alcanzando rendimientos de glucosa y xilosa superiores al de los maíces convencionales en un 20%.

El secreto fue desarrollar xilanasas termorreguladas por inteínas. Las inteínas son segmentos de una proteína precursora con la capacidad de autorremoverse para que la proteína adquiera su estructura final y funcional. También son conocidas como los intrones de las proteínas.

Usando la ingeniería genética, Shen y sus colaboradores modificaron la xilanasa obtenida de una bacteria termófila llamada Dictyoglomus thermophilum (XynB) insertándole fragmentos de inteínas derivadas de bacteria conocida como Thermus thermophilum obteniendo una xilanasa (iXynB) que sólo adquiría su estructura funcional a temperaturas superiores a 59°C .

Este gen modificado fue introducido en embriones de maíz bajo el control de un promotor constitutivo que permite que el gen esté activo en todo momento. Las plantas, semillas y mazorcas resultantes fueron bastante normales, incluso los descendientes obtenidos de cruces con otros maíces modificados y normales.

Finalmente, los residuos celulósicos de este maíz transgénico fueron sometidos a un pretratamiento enzimático y se obtuvo rendimientos de glucosa y xilosa que alcanzaron el 90% y 63% del valor teórico esperado, respectivamente. Este valor superó en un 20% a los rendimientos de glucosa obtenidos con otras variedades normales de maíz.

Esta estrategia permitirá ahorrar mucho dinero a las empresas biotecnológicas que produzcan biocombustibles a partir de estas materias primas. Ya no se requerirá el uso de costosas enzimas externas y las bajas temperaturas empleadas en el pretratamiento reducirá la secreción de sustancias inhibidora y el rompimiento de la estructura de los azúcares.

Si bien es cierto aún quedan por realizar pruebas a mayores escalas en campos experimentales, Shen y su equipo han demostrado que la idea realmente funciona.


Referencia:

ResearchBlogging.orgShen, B., Sun, X., Zuo, X., Shilling, T., Apgar, J., Ross, M., Bougri, O., Samoylov, V., Parker, M., Hancock, E., Lucero, H., Gray, B., Ekborg, N., Zhang, D., Johnson, J., Lazar, G., & Raab, R. (2012). Engineering a thermoregulated intein-modified xylanase into maize for consolidated lignocellulosic biomass processing Nature Biotechnology DOI: 10.1038/nbt.2402

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