BIBLIOTECA HORTICULTURA

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Enzimas descubiertas en el intestino del carpincho pueden facilitar aprovechamiento de residuos agroindustriales

Enzimas descubiertas en el intestino del carpincho pueden facilitar aprovechamiento de residuos agroindustriales

Beatriz Riverón, Bioquímico farmacéutica

Convertir residuos agroindustriales en moléculas de interés para la sociedad, como biocombustibles, es una de las formas de mitigar la dependencia del petróleo y sus derivados


Las materias primas de naturaleza química lignocelulósica (compuestas por lignina, hemicelulosa y celulosa) son muy difíciles de degradar. En un intento por mejorar ese proceso de despolimerización, investigadores del Laboratorio Nacional de Biorenovables (LNBR), organismo vinculado al Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), en Campinas, (São Paulo, Brasil), vienen estudiando y aprendiendo de la naturaleza estrategias para facilitar el acceso a los carbohidratos complejos contenidos en estos materiales.

Estos científicos descubrieron dos nuevas familias de enzimas con potencial biotecnológico producidas por microorganismos presentes en el intestino de capibaras.

El roedor más grande del planeta, el carpincho o capibara (Hydrochoerus hydrochaeris), nativo de América del sur es muy eficiente para convertir en energía los azúcares contenidos en los materiales lignocelulósicos, aunque es más conocido por la mayoría de la población por sus riesgos que por sus virtudes, ya que puede albergar la garrapata que transmite la fiebre maculosa de las Montañas Rocosas.

Ambas familias de enzimas actúan hidrolizando los componentes de la pared celular vegetal y, por tanto, pueden ser utilizadas en procesos de fabricación de biocombustibles y biomateriales. Una de ellas, en particular, también tiene potencial para la industria láctea, ya que realiza la degradación de la lactosa.

Hay varios estudios con rumiantes, principalmente bovinos, pero en relación a los herbívoros monogástricos (de estómago simple) la información es más escasa. En los capibaras, a diferencia de los rumiantes, la digestión de los alimentos ingeridos, principalmente pastos, tiene lugar en el ciego, la parte inicial del intestino grueso.

Como estos animales disponen de una alta eficiencia en la conversión de azúcares, sobre todo los que han incorporado caña de azúcar en su dieta, hace suponer que los microorganismos presentes en su tracto digestivo pueden presentar estrategias moleculares novedosas para la despolimerización de esta biomasa de gran relevancia industrial.

Los científicos trabajaron con muestras tomadas directamente del ciego y el recto de capibaras libres de Rickettsia rickettsii, la bacteria que causa la fiebre maculosa de las Montañas Rocosas.

El equipo responsable de este trabajo utilizó un enfoque interdisciplinario que incluye análisis multiómicos (como metagenómica, transcriptómica y metabolómica), empleados en la caracterización a gran escala de diferentes aspectos moleculares de la comunidad microbiana intestinal de estos mamíferos, así como herramientas bioinformáticas, y resonancia magnética nuclear y cristalografía de rayos X, para caracterizar las enzimas descubiertas a nivel atómico.

Inicialmente, los investigadores realizaron la secuenciación de genes marcadores. En este caso, el gen 16S, presente en todas las bacterias y arqueas.

El ARN ribosomal 16S (o ARNr 16S) es un componente de la pequeña subunidad 30S de los ribosomas de organismos procarióticos. Debido a la conservación de la región, el ARNr 16S se usa en la reconstrucción filogenética. Los estudios que usan 16 rRNA usan la secuencia en el ADN que lo codifica y hacen comparaciones con otros procariotas, en vista de la baja tasa de mutación en esta región del ADN.

El método consiste en encontrar la región 16S de la bacteria y realizar su aislamiento mediante cebadores específicos (ellos seleccionan el sitio a amplificar), luego de lo cual se realiza la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) con el objetivo de aumentar considerablemente el número de copias de esa región y posteriormente son secuenciadas.

Con esta primera secuenciación se pudo identificar diferencias entre las muestras de ciego y recto y verificar los principales microorganismos presentes en cada una. El gen 16S da una respuesta superficial, es decir, qué microorganismos hay, en mayor o menor abundancia; pero no proporciona información sobre qué enzimas producen o qué genes codificadores de enzimas están presentes en su genoma. Para ello fue utilizada otra técnica ómica, la metagenómica.

La metagenómica es el análisis genómico de la comunidad de microorganismos en un entorno determinado mediante técnicas independientes del cultivo. Este enfoque consiste en extraer ADN directamente del medio ambiente y construir una biblioteca genómica a partir de este material mixto.

Esta estrategia permite el acceso a genes de bacterias no cultivables de numerosos entornos. Actualmente, a través del análisis metagenómico es posible capturar e identificar desde un microorganismo hasta un microbioma, sin necesidad de cultivo, clonación y conocimiento previo de su identidad/composición taxonómica. La metagenómica se puede aplicar a diferentes tipos de muestras: suelo, agua, intestinos humanos, entre otras, posibilitando el análisis de muestras complejas, compuestas por diferentes ácidos nucleicos, pudiendo recuperar genomas completos de organismos desconocidos.

Con el ADN extraído de toda la comunidad microbiana del tracto gastrointestinal del carpincho, fue realizado una secuenciación a gran escala. Luego, con la ayuda de varias herramientas bioinformáticas, fueron identificados los genomas que estaban presentes en cada una de las muestras, qué genes contenía cada uno de los genomas, cuáles eran nuevos y qué microorganismos nunca habían sido descritos. De esta forma se logró predecir las funciones de estos genes con potencial para actuar en la despolimerización de la biomasa, en la conversión de azúcares en energía etc.

El equipo también quería saber, qué microorganismos estaban en el momento de la recogida de muestras, qué genes se estaban expresando realmente y activamente. Para ello utilizaron la metatranscriptómica, una técnica que utiliza el ARN como materia prima.

Mientras que la metagenómica se enfoca en estudiar el contenido genómico y en identificar qué microbios están presentes dentro de una comunidad, la metatranscriptómica puede usarse para estudiar la diversidad de los genes activos dentro de dicha comunidad, cuantificar sus niveles de expresión y monitorear cómo estos niveles cambian en diferentes condiciones (por ejemplo, condiciones fisiológicas o patológicas). La ventaja de la metatranscriptómica es que puede proporcionar información sobre las diferencias en las funciones activas de las comunidades microbianas que parecen ser iguales en términos de composición microbiana.

Otra herramienta ómica utilizada fue la metabolómica (el metaboloma representa la colección de todos los metabolitos en una célula, tejido, órgano u organismo que son producto de los procesos celulares), para confirmar qué metabolitos estaban produciendo los microorganismos.

Se combinaron todas estas informaciones ómicas y bioinformática para descifrar el papel de los microorganismos presentes en el intestino del carpincho en la conversión eficiente de las fibras vegetales en energía.

A partir de estas informaciones, los científicos buscaron descubrir qué genes podrían desempeñar un papel clave en la destrucción catalítica de las fibras vegetales, centrándose principalmente en objetivos (metas) previamente desconocidos.

Una vez identificados los nuevos candidatos, el equipo se dispuso a demostrar sus funciones bioquímicas.

Fueron sintetizados los genes in vitro y se expresaron en una bacteria para producir las proteínas correspondientes. Fueron realizados varios ensayos enzimáticos y bioquímicos para encontrar la función de estas proteínas y saber dónde actuarían.

De esta manera, se encontró que una de las nuevas familias descubiertas, denominada GH173, glucósido hidrolasa de β-galactosidasas, tiene potencial aplicación en la industria alimentaria, mientras que la familia CBM89, de módulos de unión a carbohidratos está involucrada en la unión de xilano, relacionada con el reconocimiento de carbohidratos, que podría contribuir a facilitar la producción de combustibles como el etanol de segunda generación, por ejemplo, obtenido a partir de bagazo de caña de azúcar y paja.

Estas enzimas abarcan actividades diversas, como β-glucosidasa, β-xilosidasa, β-galactosidasa, β-manosidasa y α-arabinofuranosidasa, y a menudo se asocian con los pasos finales en la cascada de despolimerización de varios polisacáridos vegetales como celulosa, heteroxilanos, β-glucanos de enlace mixto y β-mananos.

En este trabajo también se determinó la composición de la comunidad microbiana, además de los sistemas enzimáticos y las vías metabólicas involucradas en la conversión de fibras dietéticas en ácidos grasos de cadena corta, una fuente de energía principal para el huésped.

En esta microbiota, la maquinaria enzimática no convencional de Fibrobacteres parece impulsar la degradación de la celulosa, mientras que un conjunto diverso de enzimas activas sobre carbohidratos del género Bacteroidetes, organizadas en loci de utilización de polisacáridos, actúan para degradar hemicelulosas complejas que se encuentran típicamente en gramíneas y plantas acuáticas.

Juntos, estos resultados demuestran cómo la microbiota intestinal del carpincho orquesta la despolimerización y la utilización de las fibras vegetales, lo que representa un reservorio sin explotar de mecanismos enzimáticos para superar la obstinación de la lignocelulosa, un desafío central hacia una economía sostenible y de base biológica.

Estos hallazgos resaltan el potencial del microbioma intestinal del capibara como reservorio de sistemas enzimáticos desconocidos para el procesamiento de carbohidratos y, por lo tanto, amplían nuestra comprensión actual de las estrategias microbianas intestinales para superar la resistencia de la pared celular vegetal, que podría ser fundamental para fomentar el desarrollo de productos de valor agregado a partir de materiales agroindustriales lignocelulósicos incluidos los heteroxilanos, polisacáridos abundantes en la caña de azúcar y otras gramíneas.

Estos análisis indican que la microbiota intestinal del carpincho puede albergar sistemas moleculares inexplorados y de alto rendimiento para la descomposición y utilización de la fibra vegetal.

 

Fuentes
https://agencia.fapesp.br/enzimas-descobertas-no-intestino-da-capivara-podem-facilitar-o-aproveitamento-de-residuos-agroindustriais/38486/   Acceso el 02/05/2022.

Cabral, L.; Douglas, A. A.; Paixão, G.; Persinoti, F.;  Martins, M.; Morais, M. A. B.; Chinaglia, M.; Domingues, M. N.; Sforca, M. L.; Pirolla, R. A. S.; Generoso, W. C.; Santos, C. A.; Maciel, L. F.; Terrapon, N.; Lombard, V.; Henrissat, B.; Murakami, M. T. (2022).  Gut microbiome of the largest living rodent harbors unprecedented enzymatic systems to degrade plant polysaccharides. Nature Communications,  13 (629).
 

Imagen
https://agencia.fapesp.br/enzimas-descobertas-no-intestino-da-capivara-podem-facilitar-o-aproveitamento-de-residuos-agroindustriais/38486/   Acceso el 02/05/2022.