Hidrólisis enzimática: conceptos y avances recientes en aplicaciones biotecnológicas

Hidrólisis enzimática: conceptos y avances recientes en aplicaciones

Beatriz Riverón

Bioquímica farmacéutica

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Hidrólisis enzimática: conceptos y avances recientes en aplicaciones

biotecnológicas

Avances actuales en la exploración de enzimas hidrolíticas

Beatriz Riverón

briveron20@gmail.com

Bioquímico farmacéutica

Indice

1 - Introducción

2 - Avances actuales en la exploración de enzimas hidrolíticas

2.1 - Hidrolasas obtenidas a partir de microorganismos marinos

2.2 - Hidrolasas producidas por microorganismos extremófilos

2.3 - Hidrolasas obtenidas a partir de microorganismos endófitos

2.4 - Hidrolasas aisladas a partir de microorganismos del suelo

2.5 - Hidrolasas obtenidas a partir de desechos

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Hidrólisis enzimática: conceptos y avances recientes en aplicaciones biotecnológicas

1 - Introducción

Las enzimas son moléculas orgánicas que actúan como catalizadores de reacciones químicas, es decir, aceleran la velocidad de reacción. En estas reacciones, las enzimas actúan sobre moléculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en sustancias diferentes denominadas productos.

Enzimas catalizando reacciones químicas

Comúnmente, las enzimas son de naturaleza proteica, pero también existen de ácido ribonucleico -ARN(ribozimas). La gran mayoría de los procesos celulares necesita enzimas para que ocurran a tasas significativas.

Las enzimas son selectivas con sus sustratos y el conjunto de enzimas presentes en una célula que depende de la regulación de la expresión génica, determina el tipo de metabolismo celular.

Como todos los catalizadores, las enzimas actúan disminuyendo la energía de activación, que es la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química.

Las enzimas hidrolíticas se encuentran entre los principales objetivos de la investigación debido a su gran potencial de aplicación. Numerosos procesos, especialmente en las áreas biotecnológicas, industriales y ambientales utilizan la tecnología enzimática en varias de sus etapas. Actualmente, las enzimas hidrolíticas son las más utilizadas en los procesos industriales, aplicándose en la degradación de diversas sustancias naturales.

La hidrólisis enzimática es la reacción química que se produce mediante un grupo de enzimas llamadas hidrolasas sobre un sustrato, el cual sufre la ruptura de enlaces químicos por incorporación de agua, degradándose a sustancias más sencillas.

Por ejemplo:

A–B + H2O → A–OH + B–H

Existe un gran número de hidrolasas que se incrementa constantemente a la luz de nuevas investigaciones. En los últimos años, se han incrementado enormemente los trabajos científicos que describen procesos de biotransformación industrial e investigan cómo se puede aplicar la tecnología a escala de nivel de producción.

Las hidrolasas forman la categoría de enzimas más destacada.

Las hidrolasas son las enzimas más frecuentes

2 - Avances actuales en la exploración de enzimas hidrolíticas

Los microorganismos son los principales productores de enzimas hidrolíticas como amilasas, celulasas, lipasas y proteasas entre otras.

Se desarrollan microorganismos en los más diversos hábitats y varios científicos van a sitios extremos en busca de nuevos especies y linajes que pueden representar un gran avance para la ciencia, ya que existe gran expectativa en la prospección de nuevas sustancias producidas por el metabolismo microbiano y, en consecuencia, de aplicaciones industriales. La selección de microorganismos es un proceso cuidadoso, y encontrar un nuevo productor de enzimas, un desafío.

Existen varias industrias que utilizan enzimas hidrolíticas de microorganismos como por ejemplo, en la industria textil en que las enzimas son capaces de mejorar la calidad de los tejidos; en la industria de la celulosa y el papel, realizan el despulpado biomecánico y blanqueamiento; en la industria de los detergentes, para obtener una acción más eficaz.

La expectativa es que las enzimas jueguen, en un futuro próximo, un papel fundamental y transformador en la industria alimentaria, especialmente en los procesos de producción de margarinas, aceites comestibles y productos lácteos con características nutricionales y funcionales deseables. Ya se utilizan en el proceso de extracción de sustancias como carotenoides y aceite de oliva, y se aplican enzimas en procesos en elaboración de leche sin lactosa, en la maduración de quesos para modificar su aroma y textura y en el procesado de carnes y pescado.

Hidrólisis enzimática: conceptos y avances recientes en aplicaciones biotecnológicas

2.1 - Hidrolasas obtenidas a partir de microorganismos marinos

El hábitat marino se ha vuelto cada vez más estudiado porque representa una fuente exuberante de producción de enzimas.

Los microorganismos marinos representan más del 90 % de la biomasa oceánica y se cree que su diversidad es el resultado de su capacidad de adaptación a las condiciones extremas del entorno marino; los hongos han demostrado ser una fuente de nuevas enzimas, incluso para actividades no descritas anteriormente, incluida la biorremediación*.

Cepas fúngicas aisladas de diferentes sustratos de origen marino, como invertebrados, madera en descomposición, agua de mar, sedimentos y detritos de manglares, son productoras de enzimas hidrolíticas como amilasa, celulasa, xilanasa, quitinasa, inulinasa, queratinasa, ligninasa, lipasa, nucleasa, fitasa y proteasa. Estas enzimas presentan actividades óptimas a temperaturas que oscilan entre 35 y 70°C, y pH entre 3,0 y 11,0, además de condiciones de elevada salinidad. La producción en gran escala se realiza principalmente por fermentación sumergida en biorreactores.

Varias dehalogenasas novedosas aisladas de ambientes marinos muestran características interesantes como alta actividad, especificidad de sustrato inusualmente amplia, estabilidad o selectividad. Estas enzimas degradan compuestos halogenados a los alcoholes correspondientes mediante un mecanismo hidrolítico, y se obtienen a partir de varios organismos marinos, incluidas bacterias y arqueas.

Las actinobacterias marinas constituyen un grupo reconocido por su capacidad de producir sustancias naturales valiosas, que tienen un gran potencial para aplicaciones en las industrias médica, agrícola y química fina. Además de producir enzimas únicas responsables de la biosíntesis de productos naturales, muchas actinobacterias marinas también producen enzimas hidrolíticas que pueden degradar varios biopolímeros, como celulosa, xilano y quitina. Estas enzimas son importantes para producir biocombustibles y otros de interés, a partir de biomasa renovable.

* La biorremediación es el proceso por el cual los contaminantes del medio ambiente, usualmente sustancias tóxicas como derivados de petróleo y pesticidas, son removidos a través del uso de organismos o de sus productos, mayormente llevado a cabo por exoenzimas secretadas por microorganismos.

2.2 - Hidrolasas producidas por microorganismos extremófilos

Los usos biotecnológicos e industriales de enzimas tolerantes a solventes orgánicos y termoestables son extensos y su investigación a partir de la microbiota presente en los yacimientos de petróleo es un enfoque prometedor. Buscando bases de datos de secuencias para esterasas de dicha microbiota, se ha identificado in silico una esterasa secretada de Acetomicrobium hydrogeniformans, llamada AhEst. Su actividad es alta y estable a temperaturas de hasta 75 °C y en una concentración del 30% de varios solventes orgánicos. Y curiosamente, la alta concentración de sal induce un aumento significativo de la actividad catalítica. Todas las características observadas en AhEst la convierten en un candidato interesante para muchas aplicaciones industriales, como aquellas en las que se requiere una importante actividad hidrolítica a altas temperaturas.

En las últimas dos décadas, los investigadores se han centrado también y cada vez más, en la rica diversidad de microorganismos en las fuentes naturales de aguas termales para explorar los beneficios de los termófilos en los

campos industrial y biotecnológico. Los microorganismos aislados se caracterizaron por producir amilasa, celulasa y proteasa extracelulares a temperaturas que oscilan entre 40 y 85°C. Las bacterias termófilas, especialmente del género Bacillus, constituyen una enorme fuente potencial de nuevas enzimas que podrían ser relevantes para aplicaciones biotecnológicas.

Se han descrito también las actividades enzimáticas relacionadas con la celulosa y la hemicelulosa de la bacteria Bacillus aerius aislada también de fuente termal y se reveló su potencial para degradar polisacáridos complejos como el xilano, el liquenano y la carboximetilcelulosa. La cepa también se desarrolla en desechos agrícolas, como cáscaras de naranja y manzana, como única fuente de carbono. Las secuencias genómicas evidencian más de 52 genes que codifican glicósido hidrolasas y pectato liasas pertenecientes a 27 familias diferentes de CAZimas (enzimas activas sobre carbohidratos) que están involucradas en la degradación de los carbohidratos de la pared celular vegetal.

Las proteasas microbianas que ocupan una posición central con respecto a sus aplicaciones comerciales son las enzimas hidrolíticas más importantes y se han estudiado ampliamente desde el advenimiento de la enzimología. La proteasa alcalina es una de las enzimas industriales más importantes que se utiliza en las industrias de los detergentes, alimentaria, de piensos, farmacéutica, del cuero etc. El 60 % de la proteasa alcalina producida se consume únicamente en la industria de los detergentes. Fue aislada de agua de lagos, la bacteria Bacillus amyloliquefaciens productora de proteasa alcalina con una actividad óptima a pH 9,0. También, esta cepa bacteriana es termotolerante (crecimiento confluente a 50°C) y tolerante a la sal hasta una concentración de NaCl del 10%. Con su capacidad versátil, los aislados bacterianos o las enzimas purificadas tienen aplicaciones potenciales en la industria alimentaria y de detergentes.

Los microorganismos adaptados al frío son una fuente potencial de proteasas activas. Las proteasas junto con sus microbios productores tienen valor comercial y encuentran múltiples aplicaciones en diversos sectores industriales y biotecnológicos, como aditivos en detergentes, aditivos en industrias alimentarias, biorremediación ambiental, biotransformación y aplicaciones de biología molecular. Por otro lado, muestran estabilidad catalítica en condiciones alcalinas. Por lo tanto, las proteasas activas a bajas temperaturas son las enzimas elegidas por muchos biotecnólogos, microbiólogos, bioquímicos, ecologistas e ingenieros bioquímicos. Bacterias a destacar pertenecen al género Pseudomonas.

Los microorganismos halófilos y halotolerantes representan fuentes prometedoras de enzimas tolerantes a la sal que pueden utilizarse en diversos procesos biotecnológicos en los que, de otro modo, las altas concentraciones de sal inhibirían las transformaciones enzimáticas. Teniendo en cuenta la necesidad actual de biocatalizadores más eficientes, se ha explorado la diversidad microbiana de diversos lagos salados en busca de nuevas fuentes de enzimas hidrolíticas. Se obtuvieron bacterias, arqueas y hongos mediante enfoques basados en cultivos y se seleccionaron para la producción de hidrolasas como proteasa, lipasa, amilasa, celulasa, xilanasa y pectinasa. Entre los aislados identificados taxonómicamente, las mejores actividades hidrolíticas se observaron en bacterias halotolerantes pertenecientes al género Bacillus y en arqueas extremadamente halofílicas de los géneros Haloterrigena y Halostagnicola. También, fueron identificados halófilos extremos capaces de producir diferentes enzimas hidrolíticas (amilasa, proteasa, lipasa y ADNasa) en hábitats hipersalinos (con concentración 15-30 % p/v de sales totales). La mayoría de los productores de hidrolasas fue asignados a la familia Halobacteriaceae, perteneciente a los géneros Halorubrum, Haloarcula y Halobacterium, Salicola, Salinibacter y Pseudomonas.

2.3 - Hidrolasas obtenidas a partir de microorganismos endófitos

Hidrólisis enzimática: conceptos y avances recientes en aplicaciones biotecnológicas

Los microorganismos endófitos (bacterias y/o hongos) viven durante todo su ciclo dentro de los tejidos de las plantas sanas sin causar signos evidentes de enfermedad. La capacidad de estos organismos de producción de metabolitos y enzimas es de extrema relevancia biotecnológica.

Fueron aislados de géneros pertenecientes a la familia Poaceae bacterias productoras de lipasas, proteasas, amilasas, celulasas, pectinasas y xilanasas. La identificación molecular de un cierto número de aislados seleccionados de acuerdo con sus capacidades de producción de enzimas se realizó mediante la secuenciación del gen 16S rRNA siendo cepas pertenecientes a los géneros Pseudomonas, Micrococcus, Paenibacillus, Streptococcus, Curtobacterium, Chryseobacterium y Bacillus.

El hongo entomopatógeno/endofítico ampliamente conocido, Beauveria bassiana, además de su uso exclusivo como agente de biocontrol, muestra ser un productor de dos glucósidos hidrolasas, xilanasa y endoglucanasa. Las actividades significativas de las enzimas hidrolíticas registradas presentan vías prometedoras para el uso del entomopatógeno como una nueva fuente de enzimas industriales y, por extensión, otras aplicaciones biotecnológicas.

2.4 - Hidrolasas aisladas a partir de microorganismos del suelo

Los microorganismos habitan todo tipo de suelos y tienen una enorme diversidad metabólica, lo que los convierte en una importante fuente de bioproductos, entre ellos, de enzimas hidrolíticas.

La quitina es el polímero de carbohidrato renovable amino más extendido en la naturaleza y el segundo polisacárido más abundante. Por lo tanto, la quitina y las enzimas quitinolíticas son cada vez más importantes para las aplicaciones biotecnológicas en los campos de la alimentación, la salud y la agricultura, siendo el diseño de enzimas eficaces un tema primordial. Los derivados de quitina, el quitosano y los quitosanos-oligosacáridos sustituidos tienen un amplio espectro de aplicaciones que van desde la medicina hasta la cosmética y los suplementos dietéticos. La producción de estos compuestos basada en la acción de enzimas hidrolíticas se está volviendo cada vez más interesante. Los hongos producen un alto número de quitinasas con diferentes arquitecturas de sitios de unión al sustrato. Trichoderma harzianum es un hongo poderoso productor de CAZyme. Su hábitat natural es el suelo y es un agente de control biológico quitinolítico inocuo que representa una herramienta biotecnológica novedosa debido a la producción de enzimas extracelulares, incluidas las que producen una mezcla quitosanos-oligosacáridos.

La exploración del potencial catalítico de organismos no cultivados mediante el enfoque metagenómico ha resultado ser un método alternativo eficaz para la extracción de enzimas de interés. Así ha sido obtenida una carboxilesterasa que utiliza como sustrato ésteres de acilo graso de cadena corta con actividad óptima para butirato de p-nitrofenilo a pH 8,0 y 37 °C. Se demostró que esta enzima hidroliza una amplia gama de di y monoésteres de ftalatos sustituidos con alquilo, arilo y bencilo, mostrando un potencial hidrolítico atípico de importancia biotecnológica dentro de las esterasas. En función de su potencial catalítico hacia la hidrólisis de diésteres de ftalato y monoésteres de ftalato, esta enzima puede encontrar uso para contrarrestar la creciente contaminación causada por plásticos a base de ftalato en diversos entornos geológicos y en otros aspectos de las aplicaciones biotecnológicas.

Pleurotus eryngii (basidiomiceto) es un hongo de pastizales de interés biotecnológico debido a su capacidad para colonizar material lignocelulósico no leñoso, lo que es debido a su abundante producción de enzimas como glicósido-hidrolasas y carbohidrato-esterasas entre otras, que están involucradas en la despolimerización de la celulosa y la lignina.

Bacillus subtilis aislada de suelo es una bacteria capaz de secretar lipasa con actividad hacia los ésteres de ácido graso de p-nitrofenilo de cadena larga.

También se ha purificado y caracterizado una serina proteasa alcalina a partir de Bacillus cereus proveniente del suelo.

2.5 - Hidrolasas obtenidas a partir de desechos agrícolas

La hidrólisis enzimática es la técnica importante para la conversión de desechos agrícolas en productos valiosos. Los desechos agroindustriales como el salvado de arroz, el salvado de trigo, la paja de trigo, el bagazo de caña de azúcar y la mazorca de maíz son fuentes de carbono natural más baratas y disponibles en abundancia para la producción de enzimas de importancia industrial. Se han producido innumerables enzimas que tienen valiosas aplicaciones en procesos industriales para el uso de alimentos, medicamentos, textiles y tintes, que, por su vez, son producidas por microorganismos como los actinomicetos, desarrollados en desechos agrícolas. La utilización de estos residuos ofrece un gran potencial para reducir el costo de producción y aumentar el uso de enzimas para fines industriales, además de crear una mejor alternativa para la utilización de la biomasa de millones de toneladas que se genera como desecho anualmente.

Por ejemplo, las glucosidasas, entre ellas, las amilasas, pectinasas, entre otras, son usadas por un amplio rango de aplicaciones biotecnológicas e industriales, como la generación de biocombustibles (las celubiohidrolasas son de particular interés en la producción de etanol), la manufactura de papel, la producción de textiles y alimentos entre otros. La actividad de estas enzimas es también muy relevante en la degradación de desechos agrícolas y forestales, para facilitar el consumo y un mayor aporte de nutrientes para el ganado.

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https://humanidades.com/enzimas/ Acceso el 24/07/2023. moléculas orgánicas

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