Los investigadores de TU Graz en Austria han logrado por primera vez visualizar a nivel de una sola molécula los procesos involucrados en una nanomáquina biológica. conocido como celulosoma, ya que degrada la celulosa cristalina. Los conocimientos fundamentales así obtenidos podrían respaldar conceptos sostenibles de utilización de celulosa para lograr un gran avance en la biotecnología industrial.

El componente vegetal de la celulosa es extremadamente resistente, polímero insoluble en agua que es difícil de descomponer. Esto dificulta el uso eficiente y sostenible de la biomasa vegetal en las biorrefinerías. "Solo cuando existan enfoques sostenibles y rentables para la degradación de la celulosa, comenzaremos a producir combustibles, productos químicos y materiales a gran escala a partir de biomasa vegetal, "explica Bernd Nidetzky, biotecnólogo y director del Instituto de Biotecnología e Ingeniería Bioquímica de TU Graz.

Degradación de la celulosa en la naturaleza

En naturaleza, la degradación biológica de la celulosa se produce a través de las celulasas o de los celulosomas. Las celulasas son enzimas que difieren en su especificidad y modo de acción y están involucradas sinérgicamente en la degradación de la celulosa de plantas leñosas como árboles o arbustos. Aunque las celulasas individuales pueden estar ubicadas muy cerca unas de otras, son individuales, Unidades físicamente independientes. Un celulosoma, por otra parte, es un complejo proteico, una colección ordenada y físicamente interconectada de enzimas necesarias para la degradación de la celulosa.

Bernd Nidetzky y su equipo se han propuesto la tarea de comprender y visualizar mejor los celulosomas como nanomáquinas biológicas esencialmente degradantes de la celulosa. Los investigadores han dado ahora un paso decisivo hacia este objetivo en un proyecto financiado por el Fondo Austriaco de la Ciencia (FWF). Pudieron visualizar un celulosoma a nivel de una sola molécula durante la degradación de la celulosa por medio de microscopía de fuerza atómica de lapso de tiempo y así obtener información sobre su modo de funcionamiento. Los resultados se han publicado en la revista Ciencia Central ACS .

Nanomáquinas en acción

En términos concretos, los investigadores documentan la degradación de la celulosa utilizando un celulosoma de la bacteria Clostridium thermocellum. Se muestra que el celulosoma se adapta dinámicamente a las diferentes condiciones de la superficie de la celulosa. "Cuando se une a la celulosa, el celulosoma cambia a alargado, incluso las forma en forma de hilo y las transforma dinámicamente en una escala de tiempo de menos de un minuto de acuerdo con los requisitos de la superficie de celulosa atacada. En comparación con las celulasas, que desprenden el material al deslizarse por superficies de celulosa cristalina, los celulosomas permanecen unidos localmente durante minutos y eliminan el material subyacente. El consiguiente endurecimiento de la superficie conduce a una degradación eficiente de los nanocristales de celulosa, "explica Bernd Nidetzky.

Perspectivas para las biorrefinerías

"Nuestros análisis demuestran que los celulosomas son extremadamente eficientes en la descomposición de la celulosa. Por lo tanto, podrían desempeñar un papel central en el desarrollo de nuevos enfoques para biorrefinerías". "subrayó Nidetzky. Al explotar los diferentes mecanismos de acción de los complejos enzimáticos en forma de celulosoma y enzimas libres, la degradación de la celulosa se puede llevar a cabo más rápidamente, de forma más completa y con menos necesidad de enzimas. Las sinergias entre los mecanismos de degradación de la celulasa y los celulosomas podrían ayudar en el diseño de sistemas híbridos de celulasa y proporcionar nuevas perspectivas para aplicaciones en biorrefinerías.