Las bacterias fibrolíticas constituyen un grupo de microorganismos capaces de procesar polisacáridos vegetales complejos gracias a su capacidad de sintetizar enzimas celulolíticas y hemicelulolíticas . Los polisacáridos están presentes en las paredes celulares de las plantas en forma de fibras compactas donde están compuestos principalmente de celulosa y hemicelulosa .
Las enzimas fibrolíticas, que se clasifican como celulasas , pueden hidrolizar los enlaces β (1 -> 4) en 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 vías metabólicas para catabolizar los carbohidratos con el fin de obtener energía y cadenas principales de carbono . Utilizan el amoniaco como fuente principal y prácticamente exclusiva de nitrógeno , y requieren de 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 verse potenciada en presencia de cantidades considerables de ácidos grasos de cadena corta (isobutírico e isovalérico). Estos compuestos normalmente se generan como producto de la actividad fermentativa de aminoácidos de otros microorganismos. Por sus condiciones de 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 .
Se trata de especies normalmente 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 alcanzar unos 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 comunidades fibrolíticas en el tracto gastrointestinal de diferentes animales, puede proporcionar nuevas herramientas biotecnológicas para la transformación de polisacáridos complejos (incluyendo biomasa lignocelulítica).
Hasta el momento, la mayoría de las aplicaciones se realizan mediante soluciones acuosas enzimáticas que contienen uno o más tipos de celulasas. La producción de enzimas para uso industrial tiene sus orígenes a finales del siglo XIX en Dinamarca y Japón. Una enzima es un producto celular que se puede obtener a partir de tejidos animales y vegetales, o mediante la actividad biológica de microorganismos seleccionados. Las enzimas se utilizan luego 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 hace que el proceso sea más corto y económico. 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 los años 80 se incorporaron a la alimentación del ganado enzimas producidas por bacterias fibrolíticas, que les permitían obtener más energía del forraje del que se alimentaban gracias a la digestión parcial de material lignocelulósico. Han ido ganando importancia en la industria alimentaria, en la filtración de zumos de frutas y verduras, en la extracción de aceites comestibles, en la panificación, etc. Además, el uso de este tipo de enzimas se ha extendido progresivamente a la industria textil y de lavandería, donde se utilizan para atenuar el azul intenso de los tejidos y proporcionarles un aspecto más desteñido. En la industria química, estas enzimas han permitido el desarrollo de nuevos detergentes y lavavajillas; en la industria papelera juegan un papel muy importante en los procesos de blanqueo, minimizando la toxicidad y siendo más económicas; 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 a través de la degradación de 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 la atmósfera con una entrada neta de CO2 . El gas emitido durante la combustión de biocombustibles de origen celulolítico se reabsorberá en el crecimiento vegetal y es por ello que no tiene un impacto ambiental tan negativo.
Probablemente, la comunidad fibrolítica mejor estudiada es la del rumen de los rumiantes. Sin embargo, existen otros organismos que son capaces de degradar fibras vegetales, desde insectos a moluscos, todos ellos pueden hacerlo gracias a la actividad de diferentes simbiontes microbianos. Para mejorar los procesos de transformación industrial de fibras vegetales y aplicaciones relacionadas es necesario descubrir nuevas y eficientes enzimas y comunidades bacterianas especializadas. A continuación describimos los principales pasos en el descubrimiento de genes y genomas a partir de bacterias fibrolíticas. El primer paso que se puede seguir para obtener bacterias fibrolíticas a partir de cavidades gastrointestinales en rumiantes es el cultivo de las comunidades objetivo en el interior del rumen de una vaca introduciendo una bolsa de nylon que contenga un forraje con alto contenido en celulosa (por ejemplo, Panicum virgatum).
Se realiza quirúrgicamente un orificio en la espina dorsal que permite la entrada del rumen al exterior a través de un tampón que evita el cierre de la fístula. La bolsa de nylon se incuba en el rumen durante 72 horas. Después de 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 sobre la muestra, se puede comparar la diversidad de secuencias de la subunidad pequeña del ARN ribosomal de la muestra con una muestra de referencia. Tras la extracción y purificación del ADN de la muestra, se utiliza la técnica de emulsión de PCR para amplificar los genes de la subunidad pequeña del ribosomal. A continuación, cada amplicón se secuencia con la técnica de pirosecuenciación. Una vez que tenemos las secuencias, hay que compararlas y agruparlas según el grado de similitud, para definir OTUS (Operational Taxonomic Units), que son grupos de secuencias que pertenecen a organismos filogenéticamente próximos. Comparando las OTUS de las dos muestras se pueden evaluar las diferencias de ambas comunidades microbianas.
Para obtener las secuencias de genes lignocelulitis se realiza un análisis metagenómico preciso. La secuenciación y el ensamblaje de todo el ADN de la muestra proporciona el metagenoma de la muestra.
La identificación de genes que codifican proteínas con actividad fibrolítica se realiza en dos pasos. En primer lugar, se realiza un análisis bioinformático. Las secuencias obtenidas en el análisis metagenómico se comparan con las secuencias de genes de proteínas fibrolíticas conocidas (por ejemplo, las secuencias que se encuentran en la base de datos Carbohidrate Active Enzymes (CAZy)). En este primer paso, se reduce considerablemente el número de genes candidatos y son estos los que se utilizan en el siguiente paso. En el segundo paso, se construye una biblioteca para la expresión de proteínas. Los vectores de expresión se introducen en E. coli y, después del crecimiento de estas bacterias, se analiza el sobrenadante para determinar su actividad bioquímica en diferentes sustratos.
Para identificar a qué microorganismos pertenecen las enzimas identificadas y comprobar si el ensamblaje del metagenoma ha sido correcto, se puede realizar una separación de las diferentes especies de bacterias de la muestra mediante citometría de flujo. El uso de anticuerpos específicos marcados con fluorocromos permite separar los diferentes tipos celulares de la muestra que pertenecen a diferentes grupos filogenéticos. Esta técnica se denomina Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS). Una vez separadas las diferentes especies de bacterias, se secuencian sus genomas y se puede realizar la validación del análisis metagenómico.
Referencias
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 ruminal. Revista de ciencia animal 1983. 57:461-477
Mundo Ganadero. El mensual Mundo Ganadero lo edita Eumedia, SA en Madrid. C/ Claudio Coello, 16. 28001 MADRID
“Utilización de polisacáridos por las 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 en febrero de 2008