Enzima modificadora de lignina

Las enzimas modificadoras de lignina ( LME ) son varios tipos de enzimas producidas por hongos y bacterias que catalizan la descomposición de la lignina , un biopolímero que se encuentra comúnmente en las paredes celulares de las plantas . Los términos ligninasas y lignasas son nombres más antiguos para la misma clase, pero ahora se prefiere el nombre "enzimas modificadoras de lignina", dado que estas enzimas no son hidrolíticas sino más bien oxidativas (atrapan electrones) por sus mecanismos enzimáticos. Las LME incluyen peroxidasas , como la lignina peroxidasa ( EC 1.11.1.14), la manganeso peroxidasa ( EC 1.11.1.13), la peroxidasa versátil ( EC 1.11.1.16) y muchas fenoloxidasas del tipo lacasa .

Se sabe que muchas especies de hongos basidiomicetos de podredumbre blanca producen LME , entre ellos: Phanerochaete chrysosporium , Ceriporiopsis subvermispora , Trametes versicolor , Phlebia radiata , Pleurotus ostreatus y Pleurotus eryngii .

Los hongos de pudrición blanca de la madera producen LME no solo por hongos de pudrición blanca de la madera, sino también por hongos basidiomicetos que descomponen la hojarasca, como Agaricus bisporus (champiñón común) y muchas especies de Coprinus y Agrocybe . Los hongos de pudrición parda, que pueden colonizar la madera degradando la celulosa , solo pueden degradar parcialmente la lignina.

Algunas bacterias también producen LME, aunque los LME fúngicos son más eficientes en la degradación de la lignina. Se cree que los hongos son los contribuyentes más importantes a la degradación de la lignina en los sistemas naturales. [1]

Los LME y las celulasas son cruciales para los ciclos ecológicos (por ejemplo, crecimiento/muerte/descomposición/rebrote, el ciclo del carbono y la salud del suelo ) porque permiten que el tejido vegetal se descomponga rápidamente, liberando la materia que contiene para su reutilización por nuevas generaciones de vida . Los LME también son cruciales para una serie de industrias diferentes.

Aplicación industrial

Las enzimas modificadoras de lignina se han utilizado activamente en la industria del papel y la pulpa durante la última década. Se utilizaron en la industria poco después de que se descubriera que tenían propiedades desintoxicantes y decolorantes; propiedades en las que la industria de la pulpa gasta más de 100 millones de dólares anuales para conseguirlas. [2] Aunque estas enzimas se han aplicado en la industria durante los últimos diez años, no se han establecido procesos fermentativos óptimos y robustos . Existe un área de investigación activa, ya que los científicos creen que la falta de condiciones óptimas para estas enzimas está limitando su explotación industrial. [3]

Las enzimas modificadoras de lignina son útiles para la industria, ya que pueden descomponer la lignina , un producto de desecho común de la industria del papel y la pulpa. Estas enzimas se han utilizado en el refinamiento del álamo, ya que la lignina inhibe la hidrólisis enzimática del álamo tratado y las enzimas modificadoras de lignina pueden degradar eficazmente la lignina, solucionando así este problema. [4]

Otro uso de las enzimas modificadoras de lignina es la optimización del uso de la biomasa vegetal. [5] Históricamente, solo una pequeña fracción del uso de la biomasa vegetal podía realmente extraerse de las fuentes de pulpa, dejando la mayoría de las plantas como productos de desecho. Debido a la lignina, los desechos vegetales son relativamente inertes a la degradación y causan la gran acumulación de productos de desecho. Los LME pueden descomponerlos eficazmente en otros compuestos aromáticos .

Las enzimas LME se utilizaron inicialmente para el blanqueo de efluentes residuales . Actualmente existen varios procesos patentados que utilizan estas enzimas para el blanqueo de pulpa, muchos de los cuales aún están en desarrollo. [6]

La industria medioambiental está interesada en utilizar LME para la degradación de compuestos xenobióticos. Hay investigaciones activas sobre la desintoxicación de herbicidas mediante LME. Se ha demostrado que Trametes versicolor degrada eficazmente el glifosato in vitro. [ cita requerida ]

Enzimas bacterianas modificadoras de lignina

Aunque se han realizado muchas investigaciones para comprender las enzimas LME de los hongos, recién en los últimos tiempos se ha puesto más atención en la caracterización de estas enzimas en las bacterias. Las principales enzimas LME tanto en hongos como en bacterias son las peroxidasas y las lacasas. [1]

Aunque las bacterias carecen de homólogos de las peroxidasas fúngicas más comunes (lignina peroxidasa, manganeso peroxidasa y peroxidasa versátil), muchas producen peroxidasas decolorantes de tintes (peroxidasas de tipo DyP). [1] Las bacterias de una variedad de clases expresan peroxidasas DyP, incluyendo Gammaproteobacteria , Bacillota y Actinomycetota . [7] Las peroxidasas despolimerizan la lignina por oxidación usando peróxido de hidrógeno . Las peroxidasas fúngicas tienen mayor poder oxidante que las peroxidasas bacterianas de tipo DyP estudiadas hasta ahora, y son capaces de degradar estructuras de lignina más complejas. Se ha descubierto que las peroxidasas de tipo DyP funcionan en una amplia gama de sustratos , incluyendo tintes sintéticos , compuestos monofenólicos, compuestos derivados de la lignina y alcoholes . [1]

Las lacasas, que son oxidasas multicobre, son otra clase de enzimas que se encuentran tanto en bacterias como en hongos y que tienen importantes propiedades de degradación de la lignina. Las lacasas degradan la lignina por oxidación utilizando oxígeno. Las lacasas también están ampliamente distribuidas entre las especies bacterianas, incluidas Bacillus subtilis , Caulobacter crescentus , Escherichia coli y Mycobacterium tuberculosum . Al igual que las peroxidasas de tipo DyP, las lacasas bacterianas tienen un amplio rango de sustratos. [1] [8]

Existe interés en el uso de lacasas bacterianas y peroxidasas DyP para aplicaciones industriales, biotecnología y biorremediación debido a la mayor facilidad de manipulación de los genomas bacterianos y la expresión génica en comparación con los hongos. La amplia gama de sustratos para este tipo de enzimas también aumenta la variedad de procesos en los que se pueden utilizar. Estos procesos incluyen el procesamiento de pulpa, la modificación de tintes textiles, la descontaminación de aguas residuales y la producción de componentes básicos farmacéuticos. [1] [7] Además, las lacasas bacterianas funcionan a temperaturas, alcalinidad y concentraciones de sal más altas que las lacasas fúngicas, lo que las hace más adecuadas para el uso industrial. [1] [8]

Se han identificado peroxidasas y lacasas bacterianas de tipo DyP tanto intracelulares como extracelulares , lo que sugiere que algunas se utilizan como enzimas intracelulares mientras que otras se secretan para degradar compuestos en el medio ambiente. Sin embargo, aún no se han detallado sus funciones en la fisiología bacteriana y sus sustratos fisiológicos naturales. [1]

Referencias

  1. ^ abcdefgh de Gonzalo, Gonzalo; Colpa, Dana I.; Habibi, Mohamed HM; Fraaije, Marco W. (16 de agosto de 2016). "Enzimas bacterianas implicadas en la degradación de la lignina". Revista de biotecnología . 236 : 110–119. doi : 10.1016/j.jbiotec.2016.08.011 . PMID  27544286.
  2. ^ Gonçalves, Luisa (1996). "Uso de lacasa para el blanqueo de pulpas y tratamiento de efluentes". Enzimas para el procesamiento de pulpa y papel . Serie de simposios de la ACS. Vol. 655. Publicaciones de la ACS. págs. 197–206. doi :10.1021/bk-1996-0655.ch015. ISBN. 978-0-8412-3478-9.
  3. ^ Martani, F.; Lotti, M.; Porro, D. (2017). "La importancia de las condiciones fermentativas para la producción biotecnológica de enzimas modificadoras de lignina a partir de hongos de podredumbre blanca". FEMS Microbiol Lett . 364 (13). doi : 10.1093/femsle/fnx134 . PMID  28655193.
  4. ^ Richard, Chandra; Na, Zhong (2016). "La influencia de la lignina en el pretratamiento con vapor y la pulpa mecánica de la madera de álamo para lograr una alta recuperación de azúcar y facilidad de hidrólisis enzimática". Tecnología de recursos biológicos . 199 : 135–141. doi :10.1016/j.biortech.2015.09.019. PMID  26391968.
  5. ^ Dana, Colpa; Gonzalo, Gonzalo (2016). "Enzimas bacterianas implicadas en la degradación de la lignina" (PDF) . Revista de Biotecnología . 236 : 110–119. doi : 10.1016/j.jbiotec.2016.08.011 . PMID  27544286.
  6. ^ Raghukumar, C.; D'Souza, T. (1999). "Enzimas modificadoras de lignina de Flavodon flavus, un basidiomiceto aislado de un entorno marino costero". AEM Journal . 65 (5): 2103–11. PMC 91304 . PMID  10224007. 
  7. ^ ab Bugg, Timothy DH; Ahmad, Mark; Hardiman, Elizabeth M.; Singh, Rahul (junio de 2011). "El papel emergente de las bacterias en la degradación de la lignina y la formación de bioproductos". Current Opinion in Biotechnology . 22 (3): 394–400. doi :10.1016/j.copbio.2010.10.009. PMID  21071202.
  8. ^ ab Chowdhary, Pankaj; Chandra, Ram (2015). "Propiedades de las lacasas bacterianas y su aplicación en la biorremediación de desechos industriales". Ciencias ambientales: procesos e impactos . 17 (2): 326–342. doi :10.1039/C4EM00627E. PMID  25590782.

Véase también

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