Proteínas de los intestinos de los carpinchos pueden servir para aprovechar residuos agroindustriales

Brasil, uno de los mayores productores mundiales de biomasa vegetal, es un país privilegiado en tal sentido. Pero este tipo de materia prima lignocelulósica (que posee lignina, hemicelulosa y celulosa en su composición) es de difícil desintegración, o como se dice en la jerga científica, es recalcitrante.

En un intento con miras a perfeccionar este proceso de despolimerización, científicos de Brasil vienen estudiando y aprendiendo con la naturaleza estrategias tendientes a incrementar la disponibilidad de azúcares contenidos en esos materiales. En Campinas (en el interior del estado de São Paulo), un grupo de investigación del Laboratorio Nacional de Biorrenovables (LNBR) del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM) –una organización privada sin fines de lucro bajo la supervisión del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI)– llevó a cabo un estudio interdisciplinario que comprendió a las ómicas y técnicas sincrotrón, y que descubrió dos nuevas familias de enzimas con potencial biotecnológico, producidas por microorganismos presentes en los intestinos de los carpinchos.

Ambas familias actúan en componentes de las paredes celulares vegetales y, por ende, pueden utilizarse en procesos de fabricación de biocombustibles, bioquímicos y biomateriales. En particular, una de las familias descubiertas también posee potencial para insertarse en la industria de derivados de la leche, pues promueve la degradación de la lactosa.

“Una de nuestras líneas de investigación consiste en explorar la biodiversidad brasileña, en busca de nuevos mecanismos microbianos que reduzcan el carácter recalcitrante de los residuos lignocelulósicos. En nuestros estudios identificamos al carpincho como un herbívoro altamente adaptado para obtener energía con base en residuos vegetales recalcitrantes y aún poco estudiado”, revela Mario Tyago Murakami, director científico del LNBR y responsable del trabajo, publicado en la revista Nature Communications.

El carpincho es el mayor roedor del planeta. Y es sumamente eficiente en la conversión de azúcares contenidos en materiales lignocelulósicos en energía, aunque se lo conoce más entre la mayor parte de la población por sus pecados (pues puede hospedar a la garrapata transmisora de la fiebre maculosa) que por sus virtudes.

“Existen diversos estudios con rumiantes, fundamentalmente vacunos, pero con herbívoros monogástricos la información es más escasa. En el carpincho, a diferencia de los rumiantes, la digestión de los alimentos ingeridos, fundamentalmente gramíneas, se concreta en el ciego, la parte inicial del intestino grueso. Como el carpincho exhibe una alta eficiencia en la conversión de azúcares, y los carpinchos de la zona de Piracicaba [un municipio del interior de São Paulo] incorporaron la caña de azúcar a su alimentación, nuestra hipótesis fue que los microorganismos existentes en su tracto digestivo podrían poner en acción estrategias moleculares inéditas para la despolimerización de esa biomasa de gran relevancia industrial”, resume la investigadora y bioinformática Gabriela Felix Persinoti, corresponsable del artículo. Esta investigación contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de un Proyecto Temático y de una beca posdoctoral otorgada a Mariana Abrahão Bueno de Morais.

Una metodología inédita

En el trabajo se aplicó un abordaje interdisciplinario que comprendió análisis multiómicos (empleados en la caracterización a gran escala de distintos aspectos moleculares de la comunidad microbiana intestinal del carpincho, que abarcan genómica, transcriptómica y metabolómica), herramientas de bioinformática e incluso aceleradores de partículas para caracterizar a las enzimas descubiertas a nivel atómico. “No recuerdo ningún trabajo que haya unido todos estos abordajes, incluido el uso de luz sincrotrón [una fuente de radiación electromagnética de alto brillo empleada en la observación de las estructuras internas de los materiales]”, afirma Murakami. “En este trabajo, fuimos desde la comprensión de la comunidad microbiana hasta el nivel de la estructura atómica de las proteínas.”

Los científicos trabajaron con muestras recolectadas directamente en el ciego y en el recto de los carpinchos. Las muestras se extrajeron de tres hembras jóvenes sometidas a eutanasia en la localidad de Tatuí, en el interior de São Paulo, en el año 2017, contemplando las políticas locales de control poblacional de estos animales, que no estaban preñadas ni infectadas con Rickettsia rickettsii, la bacteria causante de la fiebre maculosa.

“Mediante cirugía abdominal, se extrajeron muestras del ciego y del recto de tres animales. Se congeló el material en nitrógeno líquido y, en el laboratorio, tomamos muestras de ADN y ARN, utilizadas para realizar la secuenciación a gran escala mediante la aplicación de abordajes de ómicas integrativas”, detalla Felix Persinoti.

Inicialmente, los investigadores realizaron la secuenciación de genes marcadores (en ese caso, el gen 16S, presente en todas las bacterias y arqueas). “Con esa primera secuenciación, logramos detectar diferencias entre las muestras del ciego y del recto y verificar cuáles eran los principales microorganismos presentes en ellas.

El gen 16S nos brinda una respuesta superficial, esto es, qué microorganismos están allí en mayor o menor abundancia, pero no nos suministra información acerca de qué enzimas producen los microorganismos o cuáles se encuentran presentes en su genoma. Para ello aplicamos otra técnica ómica, la metagenómica. Utilizamos el ADN extraído de toda la comunidad microbiana del tracto gastrointestinal del carpincho y efectuamos una secuenciación a gran escala, con cantidades de datos mayores. Mediante el empleo de diversas herramientas de bioinformática, identificamos los genomas que estaban presentes en cada una de las muestras, qué genes contenía cada uno de los genomas, cuáles eran nuevos y qué microorganismos nunca habían sido descritos. De esta forma, logramos efectuar predicciones de las funciones de esos genes con potencial para actuar en la despolimerización de biomasa, en la conversión de los azúcares en energía y así sucesivamente.”

Pero el equipo pretendía también saber qué microorganismos se encontraban más activos al momento de la extracción de las muestras (es decir, qué genes esos organismos estaban expresando efectivamente). Para ello aplicaron la metatranscriptómica (cuya materia prima es el ARN). “Otra técnica ómica utilizada fue la metabolómica, para confirmar qué metabolitos estaban produciendo los microorganismos. Combinamos toda esa información ómica, de bioinformática, de expresión y potencial génico, para descifrar el papel de los microorganismos presentes en el intestino del carpincho como para que este logre esa alta eficiencia de conversión de las fibras vegetales, como así también qué genes estaban implicados en este proceso.”

Con esta información, los científicos apuntaron a saber qué genes podrían tener un papel clave en la disminución del carácter recalcitrante de las fibras vegetales, enfocándose fundamentalmente en blancos desconocidos hasta ese momento. “La estrategia de selección se enfocó en genomas inéditos que exhibiesen un repertorio rico en genes implicados en la despolimerización de biomasa vegetal. Verificamos de qué manera se organizaban estos genes en el genoma de los microorganismos, para identificar si había genes cercanos, cuya función se desconocía, pero que posiblemente podrían estar implicados en los mismos procesos de desintegración de las fibras vegetales recalcitrantes. Se trata de una información importante, que nos ayuda a orientar la búsqueda de nuevos genes. Con todo, solamente cuando logramos demostrar estos resultados experimentalmente, en una etapa posterior, determinamos la creación de esas nuevas familias de enzimas”.Una vez identificados los nuevos candidatos, el equipo se abocó a la demostración bioquímica de sus funciones.

“Sintetizamos los genes in vitro y los expresamos utilizando una bacteria para producir las proteínas correspondientes. Realizamos diversos ensayos enzimáticos y bioquímicos para hallar la función de esas proteínas y descubrir dónde actuarían. Determinamos la estructura atómica de las proteínas utilizando haces de luz sincrotrón y otras técnicas. Con esta información funcional y estructural, se realizaron otros experimentos a los efectos de determinar qué región de la proteína es crítica para su actividad y el mecanismo molecular mediante el cual realiza su función.”

Murakami enfatiza que, para tener la seguridad de que estaba describiendo una nueva familia, el grupo efectuó una doble validación. “Seleccionamos otro miembro del conjunto de secuencias de genes que teóricamente formaría el universo de la nueva familia descubierta, que tenía escasa similitud con el que habíamos estudiado inicialmente. Sintetizamos el gen, lo purificamos, lo caracterizamos bioquímicamente y demostramos que esa secuencia también posee las mismas propiedades funcionales de la anterior. Es decir: caracterizamos un segundo miembro de la nueva familia para tener la seguridad absoluta de que esas proteínas constituían efectivamente una nueva familia”.

Nuevas enzimas y cócteles 

Felix Persinoti revela que una de las nuevas familias descubiertas, denominada GH173, cuenta con potencial aplicación en la industria de alimentos, mientras que la familia CBM89, relacionada con el reconocimiento de los hidratos de carbono, podría contribuir para facilitar la producción de combustibles como el etanol de segunda generación, por ejemplo, obtenido a partir del bagazo y de la paja de la caña de azúcar.

El grupo desarrolla cocteles enzimáticos con hongos hiperproductores de enzimas, y la continuidad natural de este trabajo consistiría en incluir las enzimas descubiertas en este estudio de la microbiota del carpincho en esas plataformas fúngicas. “Existe una integración desde el descubrimiento de las nuevas familias de enzimas hasta la transferencia de tecnología de apoyo a la innovación. En nuestro grupo tenemos gran interés en explorar ese gran tesoro de la biodiversidad brasileña, en particular lo que denominamos como materia genómica oscura (partes de esas comunidades microbianas complejas que poseen potenciales aún desconocidos). Para ello contamos con una infraestructura sin igual en el centro y con las colaboraciones con las universidades públicas brasileñas, que permitieron que una investigación competitiva como esta se hiciese en Brasil, con el 99 % del trabajo, desde el diseño conceptual hasta la ejecución, el análisis y la escritura, todo hecho acá. Al observar la inmensa riqueza de la biodiversidad brasileña, era más que esperable que reuniésemos las condiciones y pudiésemos hacer descubrimientos de impacto con ellas”, enfatiza Murakami.