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Un nuevo enfoque adaptado a los biocarburantes

Investigadores de la Unión Europea (UE) diseñaron y probaron estructuras celulares, celulosomas, que ayudan a descomponer los abundantes residuos de biomasa para producir productos químicos de valor añadido, como biocarburantes avanzados.
Un nuevo enfoque adaptado a los biocarburantes
La clave para producir biocarburantes avanzados a partir de biomasa lignocelulósica es la conversión eficaz de la celulosa contenida en las paredes celulares en azúcares fermentables: un importante obstáculo para la producción a gran escala. La descomposición eficaz de la biomasa en azúcares, llamada sacarificación, puede reducir el coste del proceso y también la cantidad de materia prima necesaria para la producción de biocarburantes con un tratamiento previo más leve o de menor duración.

Algunos microbios tienen estructuras naturales llamadas celulosomas que contienen celulasas, enzimas que descomponen eficazmente la celulosa en azúcares. El proyecto financiado con fondos europeos CELLULOSOMEPLUS desarrolló celulosomas de diseño (DC, por sus siglas en inglés) para lograr altos rendimientos de azúcares fermentables a partir de la fracción orgánica de los residuos sólidos municipales (OFMSW, por sus siglas en inglés) para crear biocarburantes avanzados con un proceso de bajo coste.

El consorcio produjo los componentes básicos de los celulosomas naturales, así como otras enzimas lignocelulósicas y, después de su ensamblaje en DC, caracterizó la hidrólisis del sustrato de la OFMSW. También estudiaron la estructura físicoquímica, atómica y supramolecular de los celulosomas y las interacciones de sus diversos componentes. «La arquitectura del celulosoma consiste en una subunidad de “andamiaje” no catalítica que transporta “cohesinas” que son módulos de reconocimiento complementarios de otro tipo de dominio llamado “doquerinas”, las cuales son transportadas por las enzimas y permiten su integración en el complejo», explica el coordinador del proyecto, el doctor Mariano Carrión-Vázquez.

Desarrollo de nuevos ensayos y modelos

Para caracterizar los componentes celulósicos y no celulósicos que se utilizarán en los DC, el equipo desarrolló un ensayo enzimático estandarizado. Otro ensayo para determinar la actividad enzimática en sustratos industriales mostró que los celulosomas hidrolizan la biomasa lignocelulósica de una manera más eficaz que una sola enzima purificada o una mezcla de enzimas. «Estos estudios proporcionaron una comprensión más profunda de la arquitectura, la nanomecánica y las propiedades catalíticas de los celulosomas, así como de la lógica de su construcción», señala el doctor Carrión-Vázquez.

Para investigar la estructura y el ensamblaje del celulosoma se utilizó la modelización multiescala desde el nivel atómico hasta el supramolecular. Según el doctor Carrión-Vázquez: «Los modelos proporcionaron nueva información sobre las propiedades dinámicas de los catalizadores junto con las estabilidades mecánicas, lo que dio lugar a nuevas ideas para experimentos y a un bucle de retroalimentación sinérgico para producir DC optimizados».

El conocimiento adquirido sobre los celulosomas naturales y el posterior cribaje de sus componentes proporcionaron a los investigadores una plataforma para probar la construcción de los CD finales, que contenían componentes celulósicos y no celulósicos y fueron validados a escala de laboratorio y preindustrial para garantizar la descomposición óptima del sustrato industrial de la OFMSW.

Beneficios para la biotecnología europea

Los socios del proyecto analizaron los celulosomas de nueve especies bacterianas y crearon una base de datos de componentes celulósicos. La estabilidad térmica de las principales enzimas celulósicas se incrementó por mutagénesis aleatoria y semirracional, con lo que se lograron mejores rendimientos de hidrólisis. Los científicos también identificaron las estructuras tridimensionales de tres glucósidos hidrolasas y utilizaron los datos para desarrollar modelos computacionales. También se desarrollaron diferentes enfoques para caracterizar las interacciones entre componentes celulósicos mediante espectroscopia de fuerza de una molécula individual basada en métodos de microscopia de fuerza atómica, lo que redujo el tiempo de preparación de la muestra y aumentó la calidad y comparabilidad de los datos. Además, la mecanoestabilidad de los módulos de cohesina de andamiaje resultó ser un nuevo parámetro industrial relevante para la actividad enzimática del celulosoma.

El consorcio construyó varios modelos de enzimas multidominio y DC que presentaban una imagen detallada de los ensamblajes celulósicos. Dichos modelos incluían datos relevantes relativos a la termoestabilidad y especificidad del sustrato de elementos celulósicos clave.

El equipo desarrolló un DC formado por diez componentes, que combina actividades de celulasa/xilanasa con tres enzimas accesorias. Además, la complejidad de las enzimas en DC optimizados aumentó la hidrólisis en sustratos modelo y biomasa lignocelulósica pretratada. «El uso de DC autoensamblados como nanocatalizadores beneficiará a las industrias biotecnológicas europeas que trabajan en el sector del transporte, así como a las industrias químicas dedicadas al tratamiento de residuos urbanos y residuos de los sectores agroalimentario, papelero y forestal», observa el doctor Carrión Vázquez.

La adaptación de los DC a los diversos residuos de biomasa lignocelulósica debería contribuir a mejorar la eficacia del proceso, con lo que se reducirían los costes de producción. «Esta nueva tecnología también ayudará a reducir la dependencia de Europa del petróleo, fortalecerá a las pymes dentro de la UE, estimulará la creación de empleo y reducirá el impacto ambiental del sector de los biocarburantes avanzados».

Palabras clave

CELLULOSOMEPLUS, celolosoma, biocarburante, sacarificación, celulosa
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