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Cuaderno Nº 102  

Celulosas y Celulasas
  En la actualidad, es ampliamente conocido que el papel es uno de los productos de mayor uso en la vida del hombre. Se fabrica a partir de una materia prima renovable: las fibras de celulosa extraídas principalmente de los árboles, pero también de otras especies vegetales, como paja, bagazo de la caña de azúcar,  bambú, algodón, lino, entre otros (ver cuaderno Nº 97).
Sin embargo, es menos conocido que la celulosa se encuentra comercialmente disponible en una gran variedad de presentaciones y se utiliza en las industrias de los detergentes, textil y alimenticia, entre otras. Esto se debe a la posibilidad de romper la molécula de fibra celulósica (un polímero) en unidades más pequeñas, gracias a la acción de algunas enzimas llamadas celulasas (Ver Cuadernos Nº 30, 34).
Al estudiar las enzimas celulasas que utilizan naturalmente los hongos y bacterias para degradar la celulosa, se encontró que la hidrólisis (degradación) de este polímero es muy compleja. Por eso, es necesario investigar las estructuras y funciones de estas enzimas para conocer con mayor detalle los mecanismos enzimáticos involucrados en la degradación de la celulosa.
En este sentido, se espera que las herramientas moleculares y biotecnológicas permitan mejorar los procesos ya existentes, o bien encontrar nuevas aplicaciones.

La celulosa: el polisacárido natural más abundante en la naturaleza
La celulosa es el principal componente de la pared celular de la mayor parte de las plantas. Una célula vegetal joven contiene aproximadamente un 40% de celulosa y la madera un 50 %. El ejemplo más representativo lo constituye el algodón que contiene más de 90% de celulosa.
Teniendo en cuenta su estructura química, se define como un polisacárido lineal formado por residuos de glucosa unidos por enlaces beta 1-4 (β-1,4). La configuración β, le permite a la celulosa formar cadenas largas y lineales, las cuales se presentan unidas entre sí por medio de enlaces de puentes de hidrógeno dando lugar a la formación de microfibrillas.  Estas regiones, conocidas como regiones cristalinas, son altamente ordenadas y le dan las características de insolubilidad, rigidez y resistencia al ataque enzimático.



En ciertas regiones del haz de microfibrillas, las cadenas se rompen mediante sus puentes de hidrógeno y se forman regiones denominadas amorfas, las cuales se hidratan permitiendo que ciertas enzimas ataquen y degraden a la celulosa.
A pesar de que está formada por unidades de glucosa, los animales no pueden utilizar a la celulosa como fuente de energía, ya que no cuentan con las enzimas necesarias para romper los enlaces β-1,4-glucosídicos. Sin embargo en el intestino de los rumiantes, herbívoros y termitas, existen microorganismos que poseen una enzima llamada celulasa que rompe éste enlace. Al hidrolizarse la molécula de celulosa quedan disponibles las moléculas de glucosa que pueden emplearse como fuente de energía.

La celulosa y la industria
Muchas son las utilidades industriales que se le puede dar a la celulosa. Para la industria de alimentos y farmaceútica, por ejemplo, es sometida a modificaciones que generan una serie de compuestos con múltiples propiedades funcionales: la carboximetil celulosa que se utiliza como espesante, la celulosa microcristalina es usada como anticompactante y en la industria farmacéutica para elaborar tabletas.
Otra aplicación de la celulosa es la obtención de biocombustibles (ver Cuaderno Nº 58).  Muchos investigadores están poniendo sus esfuerzos en buscar alternativas para la obtención de etanol como combustible. La celulosa sería una fuente de glucosa que actuaría como sustrato para la fermentación alcohólica.

Enzimas con afinidad a la celulosa
Los microorganismos capaces de degradar celulosa secretan un sistema complejo de enzimas extracelulares, celulasas y xilanasas, que actúan en forma conjunta en la degradación de celulosa y hemicelulosa (los dos componentes principales de la madera).
Las fibras de celulosa son degradadas esencialmente por dos tipos de sistemas enzimáticos llamados agregativos y no agregativos, como se muestra en la siguiente figura:


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Sistemas agregativos:
En algunas bacterias anaerobias que degradan celulosa y hemicelulosa, como Cellulomonas thermocellum y C. cellulovorans, las enzimas que participan en la degradación se encuentran localizadas en la superficie de estas bacterias formando complejos multienzimáticos de alto peso molecular, conocido como “celulosoma”. Este complejo comprende al menos 14 polipéptidos distintos, incluyendo varias celulasas y xilanasas y al menos una ß-glucosidasa, unidos a una proteína sin actividad enzimática, pero que participa en el reconocimiento de las fibras de celulosa a la superficie de la célula. Esta proteína, llamada proteína de unión a celulosa ( CbpA: cellulose binding protein A), es necesaria para, junto con las enzimas hidrolíticas, romper las estructuras amorfas de celulosa pero no las formas cristalinas del polímero.
Sistemas no agregativos:
Estos sistemas están compuestos principalmente por tres tipos de enzimas:
(i) Endoglucanasas
(ii) Exoglucanasas
(iii) Celobiasas

Estos tres tipos de enzimas actúan en forma sinérgica (juntas, en forma cooperativa) en la degradación de la celulosa.
La endoglucanasa descompone los enlaces internos ß -1,4 y así altera la estructura cristalina de la celulosa y expone las cadenas polisacáridas de celulasa individual. La exoglucanasa parte de a 2 o 4 unidades de glucosa desde los extremos de las cadenas expuestas producidas por la endoglucanasa, produciendo  tetrasacáridos o disacáridos como la celobiosa. Finalmente, la celobiasa hidroliza estos productos, obteniendo los monosacáridos individuales de glucosa.


Figura: Degradación enzimática de la celulosa
Fuente: http://www.enzymeindia.com/
enzymes/cellulase-spanish.asp

Microorganismos que degradan celulosa
Los microorganismos celulolíticos (que degradan celulosa) desempeñan un papel importante en la biosfera reciclando este polímero.  Existe una diversidad de estos microorganismos, bacterias y hongos aeróbicos o anaeróbicos, mesófilos o termófilos (ver Cuaderno Nº 57), que producen las enzimas celulasas. Algunos de ellos son:


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Dentro del grupo de hongos aeróbicos, el hongo filamentoso Trichoderma reesei es uno de los más estudiados y se caracteriza por su efectividad en la degradación de la celulosa nativa y cristalina mediante su complejo celulolítico que presenta las tres actividades necesarias para la hidrólisis de la celulosa (endoglucanasa, exoglucanasa y β-glucosidasa). Otra ventaja que presenta el uso de este microorganismo, es su estabilidad en reactores agitados bajo condiciones de pH ácido y a 50 ºC durante 48 hs.
Entre los microorganismos, los termófilos son de interés por su capacidad para producir enzimas celulolíticas termoestables, las cuales son en general estables bajo condiciones severas, incluso en niveles de pH altamente ácidos o alcalinos así como temperaturas de hasta 90 °C.
Las enzimas celulolíticas producidas por las bacterias del género Bacillus presentan básicamente actividad endo-β-1,4-glucanasa y exo-β-1,4-glucanasa; pero tienen una característica particular, en especial las enzimas de Bacillus subtillis y es la resistencia a ser inhibida por la propia glucosa o celobiosa que producen.
En la actualidad existen disponibles numerosos preparados enzimáticos comerciales que contienen principalmente actividad celulolítica (endo-β-1,4-glucanasa, exo-β-1,4-glucanasa, β-1,4-glucosidasa). Estos preparados enzimáticos son obtenidos de microorganismos de origen fúngico y bacteriano, que principalmente provienen de los microorganismos Trichoderma sp., Aspergillus níger y Bacillus subtillis.

Aplicaciones de la Celulasa
En la industria textil, las celulasas juegan un papel muy importante en el desteñido de telas de jean ya que se usan para remover el color azul índigo y dar una apariencia de desteñido. Tradicionalmente este desteñido se realizaba con piedra pómez (“stone wash”). En la actualidad, una pequeña cantidad de enzima puede sustituir varios kilos de piedras. Con la reducción de las piedras se producen menos daño a las telas y menos desgaste de las lavadoras (ver Cuaderno Nº 16).
Las celulasas también son utilizadas en la industria de los detergentes. La enzima degrada las microfibrillas que se separan parcialmente de las fibras principales, restituyendo a las fibras una superficie suave y a la prenda su color original (ver Cuaderno Nº 73).
Dentro de la industria alimenticia, las celulasas se usan para favorecer la extracción y filtración de jugos de frutas o verduras, filtración de mostos, extracción de aceites comestibles, entre otras aplicaciones.
En la siguiente tabla se muestra el uso de enzimas celulasas en la elaboración de diferentes alimentos:


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Biocombustible, celulasas y biotecnología 
Desde mediados del siglo XX se impulsó el desarrollo de energías alternativas basadas en recursos naturales renovables y menos contaminantes, alternativos a los de origen fósil. Así surgieron los llamados biocombustibles (combustibles de origen orgánico) provenientes de la biomasa, o materia orgánica que constituye a todos los seres vivos del planeta.
Uno de los principales biocombustibles es el bioetanol o bioalcohol que es el alcohol obtenido mediante fermentación de azúcares. El bioetanol puede usarse directamente como combustible en distintos tipos de mezclas que contienen entre el 15% y el 100% de este compuesto.
Los cultivos posibles de utilizar para la elaboración de biocombustibles son: caña de azúcar, maíz, mandioca de alto contenido de carbohidratos, las oleaginosas como soja, girasol y palmas, y algunas especies forestales como los eucaliptos y pinos (ver Cuaderno Nº 58).
Como la celulosa es el componente más abundante de la biomasa vegetal, la obtención de bioetanol a partir de este compuesto, es la gran esperanza para un desarrollo sostenible de los biocombustibles.
Sin embargo, como la degradación de la celulosa en unidades de glucosa es un procedimiento lento y costoso, esta etapa se convierte en la principal dificultad económica que obstaculiza el aprovechamiento rentable de esta abundante fuente de energía. Estas dificultades se deben a la limitada disponibilidad y al costo de las enzimas celulasas que se requieren en grandes cantidades, para maximizar el rendimiento de la degradación de celulosa en alcohol.
Una alternativa, que se encuentra en etapa de investigación, es el uso de organismos transgénicos capaces de degradar biológicamente la celulosa en azúcares simples y transformarlos en bioetanol.
Por ejemplo, en algunos grupos de investigación, se está buscando expresar celulasas y otras enzimas degradativas (obtenidas de hongos y bacterias) en cloroplastos de plantas de tabaco. Si se lograra obtener altos niveles de expresión  y alta actividad enzimática, el siguiente paso será utilizar este material en ensayos de planta piloto. Finalmente, se espera que el cultivo extensivo de estas plantas cumpla un doble objetivo: obtener biomasa (del cultivo en sí) y enzimas que degradan el material celulósico.  Esta conjunción abarataría los costos de producción de bioalcohol.

Otra alternativa es utilizar microorganismos recombinantes que expresen enzimas celulolíticas. Sin embargo, el problema de encontrar el organismo “ideal” para la producción de bioetanol es un proceso complejo. El microorganismo debería:

romper la celulosa de forma eficaz, y para ello debería poseer la familia de enzimas celulolíticas,
fermentar los azúcares a etanol y
ser tolerante al alcohol producido en el proceso de degradación de la celulosa.

Para producir este organismo ideal, se puede utilizar uno que ya cumpla con algunas de las funciones deseadas de forma natural, y añadirle el resto. Así, se pueden seguir dos alternativas: hacer que un organismo que descomponga la celulosa, produzca etanol o uno que produzca etanol que descomponga la celulosa.
Se están investigando ambos frentes y ya se han logrado, mediante ingeniería genética, levaduras y bacterias termófilas que pueden sobrevivir alimentándose sólo de celulosa y producen etanol.
Por ejemplo, la empresa canadiense Iogen comenzó en el 2004 la producción piloto de bioetanol celulósico a partir de paja de cereales, utilizando unas levaduras recombinantes para producir más enzimas celulasas. La empresa estimó que una planta comercial de este tipo costaría 5 veces más que una que fabricase bioetanol de grano con la misma capacidad productiva. Uno de los inconvenientes de este proceso es tener que retirar continuamente el etanol porque es un veneno para la misma levadura que lo genera. El siguiente paso en la investigación fue producir otro microorganismo que tolere un 50% más de etanol.

Se están poniendo muchos esfuerzos en la obtención de enzimas con actividad celulolítica, ya que los métodos tradicionales de producción pueden ser demasiado prolongados hasta la obtención de la enzima purificada. Por esta razón nace la necesidad de buscar nuevas alternativas que permitan obtener enzimas en tiempos cortos y con propiedades bioquímicas adecuadas para el proceso en el cual van a utilizarse. En la búsqueda de estas alternativas, la biotecnología permitirá obtener cepas mejoradas genéticamente para la hiperproducción de estas enzimas.
 
 

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