Investigadores develan el código de defensa de la caña de azúcar

Un grupo de científicos identifica los mecanismos que emplea la planta para resistir a la invasión por microorganismos y a la hidrólisis enzimática. Este descubrimiento abre el camino hacia la producción del etanol de segunda generación

Por Elton Alisson, desde Beijing

Agência FAPESP – Uno de los principales cuellos de botella con miras a la producción de etanol de segunda generación (aquél obtenido a partir de la biomasa) radica en la extracción de energía de los enlaces químicos existentes en los polisacáridos de las paredes celulares de plantas tales como la caña de azúcar.

Sucede que las paredes celulares de las plantas poseen una organización altamente compleja, con diversas ramificaciones, según explican los expertos. Esa organización las dota de resistencia a enzimas que pueden realizar el proceso de ruptura de los enlaces químicos de los polisacáridos (hidrólisis) y la extracción de azúcares.

Pero un grupo de científicos del Instituto Nacional de Biotecnología para el Etanol –uno de los INCTs que cuentan con el apoyo de la FAPESP y del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) en el estado de São Paulo– develó algunos de los mecanismos que hacen que las paredes celulares de la caña de azúcar sean resistentes a la hidrólisis enzimática.

Los resultados de estos estudios saldrán en un artículo que ha sido aceptado para su publicación en la revista BioEnergy Research. Y se los dio a conocer el día 17 de abril, durante el Simposio Brasil-China para la Colaboración Científica – FAPESP Week Beijing, realizado en China.

El evento, organizado por la FAPESP y la Peking University, reunió entre los días 16 y 18 de abril a investigadores de ambos países para discutir estudios en las áreas de Ciencia de Materiales, Medio Ambiente, Energías Renovables, Agricultura, Ciencias de la Vida, Medicina y Salud, con el objetivo de fomentar la colaboración científica.

“Ahora hemos logrado entender una parte de lo que denominamos arquitectura de la pared celular de las plantas, es decir: cómo se agrupan los polímeros formando una estructura compleja que no es obra de la casualidad”, declaró Marcos Buckeridge, docente del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo (USP) y coordinador del INCT del Bioetanol, a Agência FAPESP.

“Esto nos permitió formular la hipótesis de que la pared celular de las plantas posee un código glucómico que posibilita que existan partes de ella abiertas a la hidrólisis enzimática, en tanto que otras no lo están”, explicó.

La arquitectura de la pared celular de las plantas está compuesta por cadenas de microfibras de celulosa que interactúan y forman un conjunto de 36 moléculas llamadas microfibrilas, que se unen formando macrofibrilas.

Esas macrofibrilas forman una barrera que impide el ingreso de agua en las paredes celulares de las plantas y que torna sumamente difícil romper los enlaces químicos de los polisacáridos presentes en ellas.

En el caso de la caña de azúcar, los científicos descubrieron que la pared celular de la planta está compuesta por un conjunto de siete microfibrilas conectadas entre sí por hemicelulosas.

Esta formación torna aún más difícil la concreción de la hidrólisis enzimática de la pared celular de la planta, pues achica la posible área de actuación de las enzimas, explicó el investigador.

“En esto consiste el gran desafío para la hidrólisis de la celulosa, pues solamente puede rompérsela a través de la superficie”, dijo Buckeridge.

Muerte programada

Sin embargo, los investigadores del INCT del Bioetanol descubrieron que en la raíz de la caña de azúcar ocurre un proceso similar a que se observa en plantas tales como el papayo.

Durante el período de maduración de la papaya, la fruta modifica la estructura de su pared celular, con lo cual ésta se vuelve más blanda y así resulta más fácil romperla con el objetivo de facilitar la dispersión de las semillas.

En el caso de la caña de azúcar, los investigadores constataron que, durante el período de maduración, la pared celular de la raíz de la planta se modifica y se forman espacios cuyo objetivo es la circulación de aire, a los efectos de mejorar su desempeño.

“Este tipo de mecanismo, denominado aerénquima, se utiliza mucho en plantas sujetas a inundaciones. Y la caña de azúcar, aun cuando no es una planta que sufra constantes anegamientos, también exhibe este fenómeno”, dijo Buckeridge.

Según el investigador, el aerénquima en la raíz de la caña de azúcar se inicia con una señal hormonal vinculada a un balance entre las hormonas etileno y auxina.

Al detectar esa señal hormonal, parte de la raíz de la planta da inicio a una muerte celular programada en la cual las mitocondrias de las células comienzan a entrar en colapso y se activan procesos secuenciales de separación y expansión celular, de hidrólisis de las hemicelulosas y, finalmente, la hidrólisis de la celulosa.

En cada una de estas etapas existe un conjunto de enzimas que la caña de azúcar emplea para alterar su pared. Entre ellas se encuentra la expansina –una proteína conocida debido a su capacidad para romper uniones de puentes de hidrógeno a los efectos separar la hemicelulosa de la celulosa–, y la endopoligalactonasa, que produce la separación celular al degradar los polímeros que mantienen unidas a las células, explicó Buckeridge.

Mediante el empleo de sofisticadas técnicas de análisis de la pared celular, los investigadores caracterizaron el fenómeno de aerénquima en la caña de azúcar y detectaron qué genes y qué enzimas dan inicio al proceso.

La idea ahora es realizar la transformación de la caña de azúcar con los genes identificados para evaluar cuáles son los efectos de la modificación de la planta con algunas de esas proteínas, según comentó Buckeridge. “Estamos evaluando si ahora logramos hacer eso en la planta entera”, afirmó.

Uno de los genes que podrían utilizarse en la transformación de la caña de azúcar para elevar la eficiencia de la hidrólisis enzimática es el RAV, conocido como un factor de transcripción activador de la senescencia en tejidos vegetales.

Los científicos evalúan ahora si ese gen está conectado en el genoma de la caña a la enzima endopoligalactonasa y si da inicio al proceso de separación celular.

“La meta es realizar la secuenciación de un conjunto de genes de la caña de azúcar que nos permita realizar una planificación para ‘ingenierear’ la pared celular de la planta, de modo tal que ésta cuente con más partes abiertas por donde las enzimas puedan actuar y romper los enlaces de los polisacáridos, y menos zonas que interactúan entre sí y poseen ramificaciones que impiden la concreción de la hidrólisis enzimática”, detalló Buckeridge.

“Pretendemos dejar a la caña de azúcar preparada adecuadamente, con sus paredes celulares ‘ablandadas’, a los efectos de disminuir el costo del coctel de enzimas y microorganismos utilizados en la hidrólisis de la planta, o incluso eliminar esa etapa previa al tratamiento”, afirmó.

Estrategia evolutiva

Según Buckeridge, el código glucómico fue una estrategia que las plantas desarrollaron durante la evolución para impedir la invasión por microorganismos patógenos (causantes de enfermedades) y mantener el sistema vegetal estable.

“Si el código glucómico se rompiese fácilmente, un microorganismo emergente, por ejemplo, podría invadir cualquier pared celular y hidrolizarla. Así correríamos peligro de extinción de todas las plantas”, estimó.

Más allá de la bioenergía, este mecanismo puede ser útil para otras áreas de investigación agronómica, tales como la de control de plagas o la de mejora de los frutos, sostuvo el investigador.

“A través del código glucómico, los investigadores del área agrícola pueden controlar la textura y la sazón de los frutos de las plantas, por ejemplo”, apuntó.