Este microbio, conocido como hipertermófilo, se descubrió en una piscina geotérmica a 95ºC, y es sólo el segundo miembro del antiguo grupo de Arqueas que se sabe que crecen digiriendo celulosa por encima de los 80ºC. Y la celulasa del microbio es la enzima más tolerante al calor encontrada en cualquier microbio que digiera celulosa, incluyendo las bacterias. Estas son las arqueas más termofílicas descubiertas que se alimentan de celulosa, y la celulasa más termofílica de cualquier organismo", dice el coautor Douglas S. Clark, profesor de ingeniería química y biomolecular de la UC Berkeley. "Quedamos sorprendidos de encontrar este ser en nuestra primera muestra".
Clark y sus colaboradores de la UC Berkeley formaron equipo con colegas, liderados por Frank T. Robb, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland (U-Md) en Baltimore, para analizar los microbios sacados de los manantiales termales y otros entornos extremos de todos los Estados Unidos en la búsqueda de nuevas enzimas que puedan usarse en procesos industriales extremos, incluyendo la producción de biocombustibles a partir de fibras vegetales difíciles de digerir. Su equipo estuvo patrocinado por una beca del Instituto de Biociencias de la Energía (EBI), una colaboración público-privada que incluye a la EC Berkeley, en la cual la biociencia y las técnicas biológicas se aplican para ayudar a resolver el desafío de la energía global.
"Nuestra esperanza es que este ejemplo y ejemplos de otros organismos encontrados en entorno extremos - tales como entornos de alta temperatura, muy alcalinos o ácidos o de alta salinidad - puedan proporcionar celulasas que muestren un mejor funcionamiento bajo condiciones que normalmente se encuentran en aplicaciones industriales, incluyendo la producción de biocombustibles", dice Clark.
Clark, Robb y sus colegas, incluyendo al profesor de la UC Berkeley Harvey W. Blanch y la investigadora de posdoctorado Melinda E. Clark, y el investigador de posdoctorado de la U-Md Joel E. Graham, publicaron sus resultados el martes 5 de julio en la revista online Nature Communications.
Muchos procesos industriales emplean enzimas naturales, algunas de ellas aisladas de organismos que viven en entornos extremos, tales como manantiales termales. La enzima usada en la reacción en cadena de la polimerasa para amplificar el ADN procedía originalmente de un organismo termófilo encontrado en un géiser del Parque Nacional de Yellowstone.
Pero muchas de estas enzimas no están optimizadas para procesos industriales, dice Clark. Por ejemplo, actualmente se usa una enzima fúngica para romper la dura celulosa vegetal en sus azúcares constituyentes, de forma que los azúcares puedan fermentarse mediante levaduras para formar alcohol. Pero la temperatura preferida de la enzima es de unos 50ºC, y no es estable a temperaturas superiores deseables para evitar que otros microbios contaminen la reacción.
De aquí la necesidad de buscar en entornos extremos mejores enzimas, comenta.
"Este descubrimiento es interesante debido a que ayuda a definir el rango de condiciones naturales bajo las que existen los organismos celulolíticos y cómo de predominantes son estos seres en el mundo natural", dice Clark. "Esto indica que hay una gran cantidad de celulasas potencialmente útiles en lugares en los que aún no hemos mirado".
Robb y sus colegas recopilaron muestras de agua y sedimentos en Great Boiling Springs a 95ºC cerca de la ciudad de Gerlach en el norte de Nevada y criaron microbios en Miscanthus gigas pulverizadas, una materia prima común en los biocombustibles, para aislar las que podría crecen con fibras vegetales como su única fuente de carbono.
Tras un posterior crecimiento en celulosa microcristalina, los laboratorios de U-Md y UC Berkeley trabajaron juntos para secuenciar la comunidad de microbios supervivientes para obtener un metagenoma, el cual indicó que las tres especies distintas de Arqueas eran capaces de utilizar celulosa como alimento. Usando técnicas genéticas, aislaron los genes específicos implicados en la degradación de celulosa y vincularon la celulasa activa a mayor temperatura, conocida como EBI-244, con la más abundante en las tres Arqueas.
Basándose en la estructura de la enzima, "esto podría representar un nuevo tipo de celulasa o un miembro muy inusual de una familia anteriormente conocida", comenta Clark.
La enzima es tan estable que trabaja en soluciones calientes que se aproximan a condiciones que podrían usarse para pre-tratar materias primas como el Miscanthus para romper las lignocelulosas y liberar la celulosa. Esto sugiere que las celulasas podrían usarse algún día en la misma vasija de reacción en la que se pre-tratan las materias primas.
La recientemente descubierta celulasa hipertermófila puede en realidad trabajar a temperaturas demasiado altas para algunos procesos, comenta Clark. Recopilando más celulasas hipertermófilas, los ingenieros de proteínas pueden ser capaces de crear una versión de la enzima optimizada para funcionar a temperaturas menores, pero con la robusta estabilidad estructural del microbio natural.
"Incluso podríamos encontrar una celulasa que podría usarse tal cual", comenta, "pero como mínimo nos dará información para diseñar nuevas celulasas y una mejor comprensión de la diversidad natural".
Clark y sus colaboradores de la UC Berkeley formaron equipo con colegas, liderados por Frank T. Robb, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland (U-Md) en Baltimore, para analizar los microbios sacados de los manantiales termales y otros entornos extremos de todos los Estados Unidos en la búsqueda de nuevas enzimas que puedan usarse en procesos industriales extremos, incluyendo la producción de biocombustibles a partir de fibras vegetales difíciles de digerir. Su equipo estuvo patrocinado por una beca del Instituto de Biociencias de la Energía (EBI), una colaboración público-privada que incluye a la EC Berkeley, en la cual la biociencia y las técnicas biológicas se aplican para ayudar a resolver el desafío de la energía global.
"Nuestra esperanza es que este ejemplo y ejemplos de otros organismos encontrados en entorno extremos - tales como entornos de alta temperatura, muy alcalinos o ácidos o de alta salinidad - puedan proporcionar celulasas que muestren un mejor funcionamiento bajo condiciones que normalmente se encuentran en aplicaciones industriales, incluyendo la producción de biocombustibles", dice Clark.
Clark, Robb y sus colegas, incluyendo al profesor de la UC Berkeley Harvey W. Blanch y la investigadora de posdoctorado Melinda E. Clark, y el investigador de posdoctorado de la U-Md Joel E. Graham, publicaron sus resultados el martes 5 de julio en la revista online Nature Communications.
Muchos procesos industriales emplean enzimas naturales, algunas de ellas aisladas de organismos que viven en entornos extremos, tales como manantiales termales. La enzima usada en la reacción en cadena de la polimerasa para amplificar el ADN procedía originalmente de un organismo termófilo encontrado en un géiser del Parque Nacional de Yellowstone.
Pero muchas de estas enzimas no están optimizadas para procesos industriales, dice Clark. Por ejemplo, actualmente se usa una enzima fúngica para romper la dura celulosa vegetal en sus azúcares constituyentes, de forma que los azúcares puedan fermentarse mediante levaduras para formar alcohol. Pero la temperatura preferida de la enzima es de unos 50ºC, y no es estable a temperaturas superiores deseables para evitar que otros microbios contaminen la reacción.
De aquí la necesidad de buscar en entornos extremos mejores enzimas, comenta.
"Este descubrimiento es interesante debido a que ayuda a definir el rango de condiciones naturales bajo las que existen los organismos celulolíticos y cómo de predominantes son estos seres en el mundo natural", dice Clark. "Esto indica que hay una gran cantidad de celulasas potencialmente útiles en lugares en los que aún no hemos mirado".
Robb y sus colegas recopilaron muestras de agua y sedimentos en Great Boiling Springs a 95ºC cerca de la ciudad de Gerlach en el norte de Nevada y criaron microbios en Miscanthus gigas pulverizadas, una materia prima común en los biocombustibles, para aislar las que podría crecen con fibras vegetales como su única fuente de carbono.
Tras un posterior crecimiento en celulosa microcristalina, los laboratorios de U-Md y UC Berkeley trabajaron juntos para secuenciar la comunidad de microbios supervivientes para obtener un metagenoma, el cual indicó que las tres especies distintas de Arqueas eran capaces de utilizar celulosa como alimento. Usando técnicas genéticas, aislaron los genes específicos implicados en la degradación de celulosa y vincularon la celulasa activa a mayor temperatura, conocida como EBI-244, con la más abundante en las tres Arqueas.
Basándose en la estructura de la enzima, "esto podría representar un nuevo tipo de celulasa o un miembro muy inusual de una familia anteriormente conocida", comenta Clark.
La enzima es tan estable que trabaja en soluciones calientes que se aproximan a condiciones que podrían usarse para pre-tratar materias primas como el Miscanthus para romper las lignocelulosas y liberar la celulosa. Esto sugiere que las celulasas podrían usarse algún día en la misma vasija de reacción en la que se pre-tratan las materias primas.
La recientemente descubierta celulasa hipertermófila puede en realidad trabajar a temperaturas demasiado altas para algunos procesos, comenta Clark. Recopilando más celulasas hipertermófilas, los ingenieros de proteínas pueden ser capaces de crear una versión de la enzima optimizada para funcionar a temperaturas menores, pero con la robusta estabilidad estructural del microbio natural.
"Incluso podríamos encontrar una celulasa que podría usarse tal cual", comenta, "pero como mínimo nos dará información para diseñar nuevas celulasas y una mejor comprensión de la diversidad natural".
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