bacteria fibrolítica

Las bacterias fibrolíticas constituyen un grupo de microorganismos capaces de procesar polisacáridos vegetales complejos gracias a su capacidad para sintetizar enzimas celulolíticas y hemicelulolíticas . Los polisacáridos se encuentran en las paredes celulares de las plantas en forma de fibras compactas , compuestas principalmente de celulosa y hemicelulosa .

Las enzimas fibrolíticas, clasificadas como celulasas , pueden hidrolizar los enlaces β (1 -> 4) de los polisacáridos vegetales. La celulasa y la hemicelulasa (también conocida como xilanasa ) son los dos principales representantes de estas enzimas.

Las bacterias fibrolíticas utilizan la glucólisis y la vía de las pentosas fosfato como principales rutas metabólicas para catabolizar carbohidratos y así obtener energía y esqueletos de carbono . Utilizan el amoníaco como fuente principal y prácticamente exclusiva de nitrógeno , y requieren varias vitaminas del grupo B para su desarrollo. A menudo dependen de otros microorganismos para obtener algunos de sus nutrientes. Aunque su tasa de crecimiento se considera lenta, puede incrementarse en presencia de cantidades considerables de ácidos grasos de cadena corta (isobutírico e isovalérico). Estos compuestos se generan normalmente como producto de la actividad fermentativa de aminoácidos de otros microorganismos. Debido a las condiciones de su hábitat, la mayoría de las bacterias fibrolíticas son anaeróbicas .

La mayoría de las bacterias fibrolíticas se clasifican como Bacteroidota o Bacillota e incluyen varias especies bacterianas con diversas características morfológicas y fisiológicas .

Normalmente son especies comensales que mantienen una relación simbiótica con diferentes especies de insectos y mamíferos, constituyendo uno de los principales componentes de su flora gastrointestinal . De hecho, en los herbívoros , cada mililitro de contenido ruminal puede contener alrededor de 50 millones de bacterias de una gran variedad de géneros y especies.

Dada la importancia del procesamiento industrial de fibras vegetales en diferentes campos, el análisis genómico de las comunidades fibrolíticas en el tracto gastrointestinal de diferentes animales puede proporcionar nuevas herramientas biotecnológicas para la transformación de polisacáridos complejos (incluida la biomasa lignocelulósica).

Hasta ahora, la mayoría de las aplicaciones se realizan utilizando soluciones acuosas enzimáticas que contienen uno o más tipos de celulasas. La producción de enzimas para uso industrial tiene su origen a finales del siglo XIX en Dinamarca y Japón. Una enzima es un producto celular que se puede obtener de tejidos animales y vegetales, o mediante la actividad biológica de microorganismos seleccionados. Posteriormente, las enzimas se utilizan en diferentes procesos industriales. Para producir soluciones enzimáticas para aplicaciones industriales, primero es necesario obtenerlas en grandes cantidades y luego purificarlas hasta cierto punto; esto hace que el proceso de producción sea largo y costoso. Una posible alternativa sería trabajar con comunidades microbianas, lo que acorta y abarata el proceso. Sin embargo, el control del proceso es mucho más difícil cuando se trabaja con comunidades bacterianas que cuando se aplican soluciones enzimáticas.

A principios de la década de 1980, las enzimas producidas por bacterias fibrolíticas se incorporaron al alimento para el ganado. Esto les permitió obtener más energía del forraje que consumían, gracias a la digestión parcial del material lignocelulósico. Estas enzimas han ido adquiriendo importancia en la industria alimentaria, en la filtración de zumos de frutas y verduras, en la extracción de aceites comestibles, en la panadería, etc. Además, su uso se extendió progresivamente a la industria textil y de lavandería, donde se utilizan para atenuar el azul intenso de los tejidos y darles un aspecto más desteñido. En la industria química, estas enzimas han permitido el desarrollo de nuevos detergentes y lavavajillas; en la industria papelera, desempeñan un papel fundamental en los procesos de blanqueo, minimizando la toxicidad y resultando más económicos; y en la investigación biotecnológica, el uso de los dominios de unión a la celulosa de las enzimas fibrolíticas ha permitido la purificación de proteínas recombinantes.

Se espera que las bacterias fibrolíticas desempeñen un papel importante en la producción de energía renovable mediante la degradación de la biomasa. Uno de los principales objetivos de la biotecnología es la producción de biocombustibles con el fin de reducir las emisiones _de CO₂ , ya que los biocombustibles obtenidos a partir de material vegetal no contribuyen a una emisión neta de CO₂ a la atmósfera . El gas emitido durante la combustión de biocombustibles de origen celulolítico se reabsorbe durante el crecimiento vegetal, por lo que su impacto ambiental es mínimo _.

Probablemente, la comunidad fibrolítica mejor estudiada es la del rumen de los rumiantes. Sin embargo, existen otros organismos capaces de degradar fibras vegetales, desde insectos hasta moluscos, todos ellos gracias a la actividad de diferentes simbiontes microbianos. Para mejorar los procesos de transformación industrial de las fibras vegetales y sus aplicaciones, es necesario descubrir nuevas y eficientes enzimas y comunidades bacterianas especializadas. A continuación, describimos los pasos principales en el descubrimiento de genes y genomas de bacterias fibrolíticas. El primer paso para obtener bacterias fibrolíticas de las cavidades gastrointestinales de los rumiantes es el cultivo de las comunidades objetivo dentro del rumen de una vaca mediante la introducción de una bolsa de nailon que contiene un forraje con alto contenido de celulosa (por ejemplo, Panicum virgatum).

Se realiza una incisión quirúrgica en la columna vertebral para acceder al rumen desde el exterior mediante un tapón, lo que evita el cierre de la fístula. La bolsa de nailon se incuba en el rumen durante 72 horas. Tras la incubación, es importante separar los microorganismos adheridos a las fibras vegetales de los que se encuentran en suspensión en el líquido ruminal.

Para analizar la especificidad de la comunidad en la muestra, se puede comparar la diversidad de secuencias del ARN ribosómico de la subunidad pequeña de la muestra con una muestra de referencia. Tras la extracción y purificación del ADN de la muestra, se utiliza la técnica de PCR en emulsión para amplificar los genes de la subunidad ribosómica pequeña. Posteriormente, cada amplicón se secuencia mediante pirosecuenciación. Una vez obtenidas las secuencias, se comparan y agrupan según su grado de similitud para definir las OTUS (Unidades Taxonómicas Operacionales), que son grupos de secuencias pertenecientes a organismos filogenéticamente cercanos. Comparando las OTUS de ambas muestras, se pueden evaluar las diferencias entre las comunidades microbianas.

Para obtener las secuencias de genes lignocelulósicos, se realiza un análisis metagenómico preciso. La secuenciación y el ensamblaje del ADN completo de la muestra permiten obtener el metagenoma de la misma.

La identificación de genes que codifican proteínas con actividad fibrolítica se realiza en dos etapas. Primero, se lleva a cabo un análisis bioinformático. Las secuencias obtenidas en el análisis metagenómico se comparan con las secuencias genéticas de proteínas fibrolíticas conocidas (por ejemplo, las secuencias presentes en la base de datos de Enzimas Activas en Carbohidratos (CAZy)). En esta primera etapa, el número de genes candidatos se reduce considerablemente, y estos son los que se utilizan en la siguiente etapa. En la segunda etapa, se construye una biblioteca para la expresión de proteínas. Se introducen vectores de expresión en E. coli y, tras el crecimiento de estas bacterias, se analiza el sobrenadante para determinar su actividad bioquímica sobre diferentes sustratos.

Para identificar a qué microorganismos pertenecen las enzimas detectadas y verificar la correcta secuenciación del metagenoma, se puede realizar una separación de las distintas especies bacterianas de la muestra mediante citometría de flujo. El uso de anticuerpos específicos marcados con fluorocromos permite separar los diferentes tipos celulares de la muestra, pertenecientes a distintos grupos filogenéticos. Esta técnica se denomina citometría de flujo (FACS). Una vez separadas las distintas especies bacterianas, se secuencian sus genomas y se valida el análisis metagenómico.

• www.sciencemag.org

Referencias

• El enzimólogo industrial: Las glicosil hidrolasas, proteasas y lipasas

T. Ponce Noyola, O. Pérez Ávalos. Celulasas y xilanasas en la industria.a Departamento de Biotecnología y Bioingeniería del Cinvestav

RL Baldwin, MJ Allison. Metabolismo del rumen. Journal of Animal Science 1983. 57:461-477

• Introducción a la Digestión Ruminal Archivado el 19 de diciembre de 2011 en Wayback Machine.
• Rev.Fac. Agrón. LUZ. Volumen 15 número 1

Mundo Ganadero. El mensual Mundo Ganadero lo edita Eumedia, SA en Madrid. C/ Claudio Coello, 16. 28001 MADRID

“Utilización de polisacáridos por bacterias intestinales: potencial para nuevos conocimientos a partir del análisis genómico” Harry J. Flint, Edward A. Bayer, Marco T. Rincon, Raphael Lamed y Bryan A. White. Publicado en la revista Nature el febrero de 2008