El hongo Talaromyces verruculosus puede producir el ácido eritroisocítrico directamente a partir de desechos vegetales baratos, lo que lo hace interesante para su uso industrial.
Utilizando las capacidades naturales del hongo no modificado genéticamente, un equipo de investigación de Jena ha descubierto un método para convertir eficientemente la celulosa en una forma de ácido isocítrico. El nuevo método de producción podría simplificar significativamente el proceso previamente complejo y de múltiples etapas para obtener productos químicos de plataforma a partir de celulosa al requerir un solo bioproceso.
Gracias a este nuevo método rentable, la rara molécula hermana del ácido cítrico, de uso intensivo, puede beneficiar una economía circular sostenible, siempre que exista un mercado para ella.
El estudio fue publicado por un equipo de investigación del Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de Infecciones – Instituto Hans Knöll (Leibniz-HKI) en la revista ACS Sustainable Chemistry &Engineering. .
Como productos metabólicos naturales de la mayoría de los organismos vivos, el ácido cítrico y el ácido isocítrico se encuentran entre los ácidos más extendidos en la naturaleza. El ácido cítrico se produce industrialmente en grandes cantidades utilizando el hongo Aspergillus niger. Con una producción anual de alrededor de 2,8 millones de toneladas en todo el mundo, es uno de los productos biotecnológicos de mayor volumen de todos.
Su campo de aplicación es enorme:ya sea como descalcificador, conservante, producto de cuidado o potenciador del sabor, este químico natural versátil es un aditivo importante y además económico en la industria, ya que la producción biotecnológica es extremadamente eficiente y sencilla.
También es técnicamente posible la producción de bioplásticos y biocombustibles a partir de ácido cítrico. Sin embargo, como el ácido cítrico se produce a partir del azúcar y, por tanto, compite directamente con la producción de alimentos, estos campos de aplicación hasta ahora no han sido ni económicos ni sostenibles. De hecho, la producción de ácido cítrico consume actualmente más del 1% de la producción mundial de azúcar.
El ácido isocítrico es muy similar al ácido cítrico, solo que un grupo hidroxilo está ubicado en un átomo de carbono diferente. Esto hace que la molécula sea asimétrica y existen dos variantes diferentes, conocidas como diastereómeros, que se denominan ácido treo y eritroisocítrico. Cada diastereómero tiene dos variantes de imagen especular, las formas D y L.
El ácido cítrico y el ácido isocítrico tienen propiedades casi idénticas y se puede suponer que la forma iso sería igualmente aplicable. La razón por la que este no es el caso es que todavía no ha habido un proceso de producción eficiente para el ácido isocítrico puro, por lo que actualmente solo está disponible como producto químico de investigación.
Un kilogramo de sustancia cuesta actualmente unos 18.000 euros. Sin embargo, el nuevo proceso de producción permite una producción sostenible y económica a partir de desechos vegetales y residuos como paja, papel usado o residuos de madera, lo que podría permitir producir ácido isocítrico incluso más barato que el ácido cítrico en el futuro.
Hasta ahora, para utilizar estos materiales renovables era necesario un proceso complejo de tres etapas. Se necesitaban enzimas costosas para descomponer primero la celulosa enzimáticamente en azúcar para que finalmente pudiera ser utilizada por los microorganismos.
Un hongo, un proceso
Un enfoque prometedor es el llamado bioprocesamiento consolidado (CBP), en el que se combinan varios pasos del proceso en uno solo utilizando microorganismos adecuados. La estrella del nuevo procedimiento biotecnológico es el moho Talaromyces verruculosus.
En pruebas de detección, el primer autor Ivan Schlembach descubrió que el tipo salvaje de T. verruculosus aislado de la naturaleza puede convertir la lignocelulosa directamente en ácido eritroisocítrico, en masa y de manera muy eficiente, en un solo proceso en el que el propio hongo produce todas las enzimas necesarias para esto.
En experimentos, los investigadores determinaron las condiciones ideales para la degradación de la celulosa y la producción de ácido isocítrico, incluyendo factores como el contenido de nitrógeno, el valor del pH, la temperatura y la concentración de nutrientes. También desarrollaron nuevos métodos para medir con precisión la actividad de la enzima celulasa, que es crucial para la degradación de la celulosa, durante el proceso de fermentación. Esto permite un control óptimo del proceso de producción.
Miriam Rosenbaum dirige la planta biopiloto de Leibniz-HKI y es profesora de biotecnología sintética en la Universidad Friedrich Schiller de Jena. Ella explica:"T. verruculosus tiene la capacidad única de convertir la lignocelulosa directamente en ácido eritroisocítrico con una eficiencia notable.
"Lo hace a un ritmo comparable a la conversión de glucosa, que se utiliza en el laboratorio como material de partida para el proceso de fermentación. Con el hongo hemos desarrollado un proceso más sencillo y económico."
El ácido isocítrico se puede convertir químicamente fácilmente en ácido itacónico, del que ya existe una gran demanda para la producción de plásticos y revestimientos sostenibles. Si el ácido eritroisocítrico está disponible, no debería faltar clientes.
Sin embargo, existe el mismo obstáculo que para cualquier sustancia nueva:como el ácido eritroisocítrico hasta la fecha no está disponible en grandes cantidades, primero hay que establecer su mercado.
El proceso significativamente más económico que se ha desarrollado ahora abre nuevas posibilidades y aplicaciones.
Otra característica especial es el hecho de que en el proceso sólo se forma ácido eritroisocítrico y no una mezcla de diferentes diastereómeros. Esto hace que la molécula sea particularmente interesante para aplicaciones especiales, por ejemplo en la industria farmacéutica.
En el caso de los fármacos, a menudo sólo un diastereómero es eficaz, por lo que hay que aislarlo laboriosamente de la mezcla de ambas variantes. El ácido eritroisocítrico puede servir como un valioso componente quiral para la síntesis química.
Las propiedades biológicas específicas del ácido eritroisocítrico han sido poco estudiadas hasta la fecha. Sin embargo, se han demostrado muchas propiedades útiles para la molécula hermana del ácido treoisocítrico.
Este último puede ser un valioso complemento del ácido cítrico, especialmente en la industria médica, farmacéutica, cosmética o alimentaria, por ejemplo como agente quelante, como anticoagulante en muestras de sangre, como complemento alimenticio funcional, como ingrediente en cosméticos, como conservante o como compuesto antienvejecimiento en productos de estilo de vida.
Los hallazgos subrayan que organismos como T. verruculosus pueden permitir la utilización sostenible de biorresiduos y hacer que la producción de sustancias químicas valiosas a partir de biomasa renovable sea económicamente viable.
"La naturaleza tiene un enorme potencial para afrontar los desafíos globales de sostenibilidad. El hongo T. verruculosus sienta las bases para una tecnología verde de bajo coste y el ácido isocítrico también tiene muchos usos industriales. Lo único que falta en este momento es la apertura del mercado a el nuevo proceso", destaca Ivan Schlembach.
El equipo de investigación ahora está trabajando para optimizar aún más el proceso y dilucidar las reacciones bioquímicas involucradas en la formación de ácido isocítrico. Al perfeccionar los parámetros bioquímicos, los investigadores de Jena esperan contribuir a la transición hacia una bioeconomía sostenible y eficiente en el uso de recursos.
En el futuro quieren colaborar con los socios industriales interesados para comprobar si el procedimiento, ahora patentado, también puede mantenerse en el mercado.
Más información: Ivan Schlembach et al, Un hongo no modificado proporciona un atajo desde la celulosa hasta el ácido eritroisocítrico a granel, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c04664
Información de la revista: ACS Química e Ingeniería Sostenible
Proporcionado por Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie - Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI)
