En un paso hacia el aumento de la rentabilidad de los biocombustibles y bioproductos renovables, Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge descubrieron una enzima microbiana que degrada los enlaces difíciles de romper en la lignina, un producto de desecho de biorrefinerías.

Cuando se inserta en una bacteria de bioingeniería, la enzima ayuda a convertir de manera eficiente los compuestos de lignina en un componente común de los plásticos, abriendo un camino para transformar los desechos en un bioquímico de valor comercial.

"La lignina es un polímero realmente complicado, "dijo Josh Michener, quien dirigió la investigación de ORNL como se detalla en Ingeniería metabólica . El polímero que contribuye a la rigidez estructural de las plantas, Consiste en unidades de monómero útiles que se mantienen unidas por enlaces débiles y fuertes. Con lignina que comprende del 20% al 30% de la biomasa vegetal en peso, romper los fuertes lazos del polímero y convertir las sustancias químicas que enlazan en productos de valor agregado es necesario para que la producción de biocombustibles y productos de origen vegetal sea económicamente viable.

Diversas comunidades de bacterias y hongos realizan estos procesos en la naturaleza, pero mantener una mezcla de tantos microbios diferentes en un biorreactor puede resultar complicado. Para resolver este problema, Científicos de ORNL en el Centro de Innovación en Bioenergía, o CBI, quieren identificar las enzimas que utilizan los microbios para degradar enlaces específicos en la lignina y diseñar los genes que codifican esas enzimas en un solo organismo.

Trabajando hacia este objetivo, Los investigadores de ORNL apuntaron a un enlace particularmente resistente que une dos moléculas de carbono en un dímero de lignina, una unidad de dos monómeros unidos, llamado 1, 2-diguaiacilpropano-1, 3-diol, o DGPD.

El equipo utilizó la bacteria Novosphingobium aromaticivorans, un microbio de interés en la valorización de la lignina. Después de identificar y cultivar una cepa de N. aromaticivorans mutante que degradó de manera eficiente el enlace deseado en DGPD, los investigadores utilizaron técnicas de alteración genética y genética bacteriana para encontrar qué enzima era la responsable.

Para su sorpresa, la enzima que identificaron, a la que llamaron LsdE, había sido etiquetada como una proteína hipotética, lo que significa que su función era desconocida.

"Nadie había visto este tipo de química antes, "Dijo Michener." No había ningún ejemplo en la literatura de una sola enzima que pudiera hacer esta transformación en particular ".

El descubrimiento fue posible gracias al enfoque a escala genómica del equipo de ORNL. Las técnicas biológicas se basan con frecuencia en la homología, un método para examinar enzimas que parecen similares a aquellas con funciones conocidas. Sin embargo, Michener señaló, "Cuando buscamos una proteína hipotética que nunca se ha descrito, no podemos encontrarlo por homología ".

En lugar de, el equipo utilizó técnicas genéticas que les permitieron encontrar pistas al examinar ampliamente el genoma de N. aromaticivorans. Luego construyeron un conjunto de microbios mutantes, cada uno con un solo gen alterado. Colectivamente, todos los genes no esenciales estaban alterados en al menos uno de estos mutantes.

Si el microbio mutante perdió su capacidad para descomponer el dímero DGPD cuando se eliminó cierto gen, los investigadores pudieron determinar que la enzima codificada por ese gen era responsable de la degradación, sin necesidad de conocer su función de antemano.

"En este caso, no había ninguna razón por la que miráramos LsdE y dijéramos que obviamente esta enzima hace esa reacción, "Dijo Michener." Esa fue una de las partes más emocionantes, y el hecho de que tenemos métodos para hacer ese tipo de descubrimientos ".

En un microbio diferente, nuevas posibilidades

Después de identificar LsdE, el equipo de ORNL probó para ver si podían validar aún más su función. Su prueba confirmó el papel de LsdE y reveló que una enzima más conocida, LsdA, desempeñó un papel complementario en la descomposición adicional de DGPD en compuestos útiles.

En el Laboratorio Nacional de Energías Renovables, un socio de proyecto en CBI, Los científicos insertaron ambas enzimas en una cepa de la bacteria Pseudomonas putida que ya había sido diseñada para producir ácido mucónico. un precursor de valor agregado para los plásticos. Descubrieron que la adición de enzimas permitió a P. putida convertir DGPD en ácido mucónico con un rendimiento de casi el 100%.

"Con muchos productos, estás perdiendo carbono en el camino, "dijo Allison Werner, investigador postdoctoral en NREL y coautor del estudio. "Pero en este caso, tenemos un camino muy eficiente ".

"De acuerdo con nuestras capacidades analíticas, cada molécula del dímero con el que comenzamos se convirtió en dos moléculas del producto, que es bastante fenomenal, "Dijo Michener.

Este trabajo es parte de un esfuerzo mayor para convertir la lignina en productos de valor agregado. La investigación futura tendrá como objetivo descubrir nuevas enzimas que rompan otros enlaces difíciles y comprender mejor la estructura química de LsdE.