LNBR/CNPEMIlustración que muestra la estructura tridimensional de la enzima CelOCE, que acelera la degradación de la celulosa en glucosaLNBR/CNPEM
¿En qué lugar sería más probable encontrar microorganismos especializados en romper la pared celular de la caña de azúcar, descomponer la celulosa (un hidrato de carbono complejo ‒de cadena larga‒ que aporta rigidez a las plantas y no fermenta), y transformarla en moléculas más pequeñas de glucosa, un tipo de azúcar que fermenta fácilmente?
La respuesta: en un punto de una central productora de azúcar y alcohol donde el suelo ha sido cubierto durante años por parvas y más parvas de bagazo de caña de azúcar. Fue en ambientes con estas características, en las refinerías de caña de azúcar del interior del estado de São Paulo, que un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional de Biorrenovables (LNBR) descubrió una pequeña enzima que acelera la descomposición de la celulosa y la reduce a moléculas de glucosa. El LNBR es uno de los cuatro laboratorios del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), con sede en Campinas [São Paulo].
La enzima, que recibió el nombre de CelOCE (acrónimo en inglés por Cellulose Oxidative Cleaving Enzyme), está compuesta por 110 aminoácidos y es producida por una bacteria hasta entonces desconocida del filo no caracterizado UBP4, que vive entre los residuos de biomasa de la caña de azúcar y en ambientes acuáticos. A partir de muestras del suelo sobre el que desde hace más de dos décadas se almacena el bagazo de la caña de azúcar, los investigadores obtuvieron el ADN de la bacteria y descubrieron la secuencia genética del microorganismo que proporciona las instrucciones para la producción de la enzima.
“Demostramos que en la naturaleza existen bacterias capaces de explotar una potente química rédox para descomponer la celulosa”, dice Mario Murakami, director científico del LNBR y coordinador del grupo de investigación que publicó un artículo en la edición de febrero de la revista Nature sobre el descubrimiento de la CelOCE. “Esta enzima tiene un gran potencial para aumentar la productividad de las biorrefinerías de biomasa vegetal, como las centrales productoras de etanol”.
Los autores del trabajo, financiado en parte por la FAPESP, son en su mayoría del CNPEM. También firmaron el estudio colegas del campus de Ribeirão Preto de la Universidad de São Paulo (USP), de la Universidad de Aix-Marsella [amU], en Francia, y de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU).
Para simular el empleo de la nueva enzima bajo condiciones similares a las que se utilizan en la industria, el equipo de Campinas las probó en biorreactores más pequeños, de 65 litros (l) y 300 l. Según el estudio, la adopción de la CelOCE aumentó en un 21 % la eficiencia del cóctel enzimático comercial que actualmente se utiliza para producir etanol de segunda generación. Este tipo de biocombustible se obtiene a partir de la descomposición parcial de la pared celular de residuos vegetales, en el caso de la caña de azúcar, del bagazo o de la paja. Parte de los azúcares presentes en esas estructuras vegetales que no fermentan, como la celulosa, son transformados en glucosa, que fermenta y genera el etanol. Este proceso es costoso y mucho menos eficiente que la obtención de alcohol mediante el método tradicional, a partir del jugo de la caña de azúcar, un líquido en el cual los azúcares ya están listos para fermentar. “Hoy en día es posible aumentar un 10 % la eficiencia del cóctel mediante el empleo de las LPMO [enzimas descubiertas hace más de 20 años que ayudan a degradar la celulosa]”, comenta el director científico del LNBR. “Pero el incremento de la eficiencia que proporciona nuestra enzima prácticamente duplica lo obtenido con las LPMO”.
Eduardo Cesar / Revista Pesquisa FAPESPLa nueva enzima fue descubierta en bacterias que viven en el bagazo de la caña de azúcar en las centrales de producción de etanolEduardo Cesar / Revista Pesquisa FAPESP
El equipo de Murakami ha dominado todo el proceso de producción de la enzima, para el que ya se ha presentado una solicitud de patente. Para lograrlo, clonaron el gen de la bacteria que produce la CelOCE y lo introdujeron, utilizando como tijera genética la herramienta de edición molecular CRISPR-Cas9, en el hongo Trichoderma reesei. De esta forma, el hongo es capaz de producir CelOCE en concomitancia con las enzimas utilizadas comercialmente en el cóctel para degradar la celulosa.
“Uno de los momentos más interesantes de la investigación fue cuando conseguimos, utilizando las instalaciones de Sirius ‒el acelerador de partículas que es la fuente de luz sincrotrón del CNPEM y la mayor instalación científica de Brasil‒ descifrar la estructura cristalográfica de la enzima”, comenta el biólogo molecular Clelton Aparecido dos Santos, del LNBR, autor principal del artículo. “Descubrimos que presenta una disposición inusual, con un sitio activo compacto y un modo peculiar de interacción con la celulosa”.
“Es un trabajo fantástico”, dice Igor Polikarpov, del Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la USP, quien no participó en la investigación y estudia biología estructural y biofísica molecular y sus aplicaciones en el campo de la bioenergía y la biotecnología. “Sin duda, la CelOCE será útil en el proceso de hidrólisis [rotura] enzimática de la biomasa que contiene celulosa y podría aplicarse en la producción de etanol de segunda generación”.
Para el botánico Marcos Buckeridge, del Instituto de Biociencias (IB) de la USP, quien investiga la producción de bioenergía, este trabajo ha sido muy bien elaborado. “Han hecho un excelente uso de las mejores técnicas de investigación disponibles, con lo cual consiguieron realizar una caracterización muy buena de la enzima”, dice el investigador, quien no participó en el estudio con la CelOCE. El LNBR está negociando con dos empresas la posibilidad de concederles la licencia del uso del biocatalizador para producir etanol de segunda generación.
Este artículo salió publicado con el título “Del campo a la central” en la edición impresa n° 349 de marzo de 2025.
Proyecto
Mecanismos enzimáticos del microbioma de herbívoros acuáticos para la despolimerización y el metabolismo de hidratos de carbono complejos (nº 21/04891-3); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Mario Murakami (CNPEM); Inversión R$ 4.097.625,98.
Artículo científico
SANTOS, C. A. et al. A metagenomic “dark matter” enzyme catalyses oxidative cellulose conversion. Nature. 12 feb. 2025.
