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XXX Aniversario de Biotecnologa y Bioingeniera

Celulasas y xilanasasen la industria

Teresa Ponce Noyola yOdilia Prez Avalos

Las celulasas y xilanasas son enzimas hidrolticas queparticipan en el rompimiento de los enlaces glicosdicos-1,4 presentes en los polisacridos celulosa y hemi-celulosa, respectivamente. El inters por las celulasas yxilanasas empez alrededor de los aos 50 debido a suenorme potencial para convertir la lignocelulosa en glucosay azcares solubles. Cabe sealar que la lignocelulosa esla fuente de energa renovable ms abundante de la tierra.Est formada por tres componentes principales que son:celulosa, hemicelulosa y lignina, y su contenido es bajoen cenizas, protenas, grasas y ceras1.

Produccin y regulacin

Las celulasas y xilanasas son producidas por una granvariedad de microorganismos entre los que se encuentranhongos y bacterias. La mayora de los microorganismoscelulolticos son capaces de producir tanto celulasas comoxilanasas; sin embargo, algunos otros slo producencelulasas o xilanasas. La produccin microbiana de estasenzimas est sujeta a diferentes mecanismos de re-gulacin. A partir de los estudios realizados tanto enhongos como bacterias se ha propuesto un modelo ge-neral de regulacin controlado por dos mecanismos prin-cipalmente. Por un lado, la induccin que se lleva a cabopor sus sustratos naturales celulosa y xilana para lascelulasas y xilanasas, respectivamente, y por otro larepresin por fuentes de carbono de bajo peso molecularcomo glucosa y celobiosa para el caso de las celulasas, yxilosa, arabinosa o xilobiosa para las xilanasas. Estemodelo sugiere, adems, la existencia de un nivel basal

La Dra. Teresa Ponce Noyola es investigadora titular del Departamentode Biotecnologa y Bioingeniera del Cinvestav. La M. en C. OdiliaPrez Avalos es auxiliar de investigacin del mismo departamento.Direccin electrnica:tponce@mail.cinvestav.mx

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de enzimas; aqu el microorganismo sintetiza y exporta ala superficie celular pequeas cantidades de enzimas, queinician la hidrlisis del sustrato y producen pequeosoligosacridos que entran a la clula siendo los verdaderosinductores que encienden la transcripcin de los genes(figura 1)2.

Modo de accin

Celulasas. El trmino celulasas involucra un complejo de,por lo menos, tres actividades diferentes, las que a su vezexisten en una multiplicidad de formas para llevar a cabola hidrlisis total de la celulosa. De esta manera las endo--1,4-glucanasas (E.C. 3.2.1.4) rompen al azar los en-laces internos de la molcula en las regiones amorfas,producen un rpido decremento en la longitud de lacadena y un lento incremento de los grupos reductoreslibres. Las exo--1,4-glucanasas (E.C. 3.2.1.91) remue-ven unidades de glucosa o celobiosa a partir del extremolibre no reductor de la cadena de celulosa, dando comoresultado un incremento rpido en los azcares o gruposreductores y poco cambio en el tamao del polmero.Finalmente la -glucosidasa (E.C. 3.2.1.21) hidroliza la

celobiosa producida por las actividades anteriores, dandocomo producto final la glucosa (figura 2)3.

Xilanasas. Las xilanas son heteropolisacridos y sudegradacin total para producir xilosa y/o arabinosa esllevada a cabo, como en la celulosa, por un grupo de en-zimas que participan sinergsticamente. Las ms conocidasson las endo--D-xilanasas (E.C. 3.2.1.8), las cuales rom-pen al azar los enlaces glicosdicos de la cadena principalde la molcula. La arabinofuranosidasa (E.C. 3.2.1.55)hidroliza las cadenas laterales de arabinosa, mientras quelas acetil xilan esterasas (E.C. 3.1.1.72) liberan gruposacetatos. La glucoronidasa (E.C. 3.2.1.139) remueve lascadenas laterales de cido glucornico a partir de unidadesde xilosa. Las -xilosidasas (E.C. 3.2.1.37) son enzimasactivas sobre oligosacridos cortos, llevando a cabo lahidrlisis de los enlaces -1,4-aril-xilopiransidoproduciendo xilosa (figura 3)4.

Aplicaciones

La biotecnologa de las celulasas y xilanasas empez alprincipio de los aos 80, primero en la alimentacin ani-

Figura 1. Aplicacin de celulasas y xilanasas en la industria.

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mal seguida por aplicaciones en la industria de alimentos.Posteriormente estas enzimas empezaron a usarse en lasindustrias de lavandera, textil y de la pulpa y papel. Enlas ltimas dos dcadas su uso se ha incrementado enforma considerable y actualmente representan cerca del20% del mercado mundial de las enzimas. A continuacinse mencionan algunas de las aplicaciones ms im-portantes.

Celulasas. En la industria textil las celulasas jueganun papel muy importante en el desteido de mezclilla yaque se usan para remover el color azul ndigo y dar unaapariencia de desteido/deslavado (biostoning-biobleaching). Tradicionalmente el desteido de este tipode prendas se efectuaba con piedra pmez (stone wash).Una pequea cantidad de enzima puede sustituir varioskilos de piedras. Con la reduccin de las piedras se pro-duce menos dao a las telas, menos desgaste de laslavadoras y menos polvo de piedra pmez en el ambientede la lavandera5. El biostoning ha abierto nuevasposibilidades en el acabado de tela vaquera, aumentandola variedad de tratamientos de acabado. Tambin se in-crementa la productividad del proceso de deslavado, yaque las lavadoras contienen menos piedras y ms prendas.

Por otro lado, las celulasas se aaden a los detergentesquita pelusas, la enzima degrada las microfibrillas que seseparan parcialmente de las fibras principales, restitu-yendo a las fibras una superficie suave y a la prenda sucolor original. Dentro de la industria alimentaria, lascelulasas se usan para favorecer la extraccin y filtracinde jugos de frutas o verduras, filtracin de mostos,extraccin de aceites comestibles, etc. Asimismo se usanen la hidrlisis parcial de materiales lignocelulsicos paramejorar la digestin de rumiantes. Por otra parte, losdominios de unin a celulosa se han usado con granxito sobre una matriz de celulosa para facilitar lapurificacin de protenas recombinantes6.

Xilanasas.Una de las aplicaciones ms importantesde las xilanasas es en la industria de la pulpa y del papel.El pulpeo Kraft involucra el cocimiento alcalino de lapulpa para remover el 95% de la lignina presente en lamadera. El 5% remanente le confiere a la pulpa el colorcaf pardo oscuro. Por razones estticas y para mejorarlas propiedades del papel es necesario un paso deblanqueo, el cual tradicionalmente se haca por unproceso multietapas, que utiliza cloro o dixido de cloro.Los productos alternos de estos compuestos qumicos son

Figura 2. Aplicacin de las celulasas en detergentes quitapelusas.

Figura 3. Aplicacin de las D-xilanasas en la industria de lapulpa y el papel.

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sustancias orgnicas cloradas, algunas de las cuales sontxicas, mutagnicas, persistentes y bioacumulativas quecausan numerosos daos en los sistemas biolgicos. Enlos ltimos diez aos, la industria de la pulpa y el papelutiliza mezclas de xilanasas en el proceso de bioblanqueo,con esto se ha logrado realzar la brillantez de las pulpas ydisminuir la cantidad de cloro utilizado en las etapas deblanqueo, adems de resultar muy efectivas con respectoa los costos.

Hoy en da, un nmero significativo de fbricas entodo el mundo utilizan el proceso completo de blanqueocon xilanasas. Adems, diferentes productos, incluyendopapeles para revistas y papeles con determinado tejidoque son manufacturados con pulpas tratadas enzi-mticamente, han sido introducidos al mercado con xito.

Cabe sealar que es indispensable que la preparacinde xilanasas est completamente libre de celulasas, yaque esto traera serias implicaciones econmicas entrminos de prdida de celulosa, calidad de la pulpadegradada y un incremento en los costos del tratamientode efluentes. Las xilanasas, como las celulasas, tambinse usan en la industria alimentaria en la clarificacin dejugos y vinos, licuefaccin de muclago de caf; extraccinde saborizantes y pigmentos, aceites de plantas y semillas;maceracin de materia vegetal; acondicionamiento de

piensos para aves y cerdos y en la industria de lapanificacin, entre otras7.

En la industria de la panificacin las xilanasas,especialmente la endo-1,4--xilanasa, se adicionan a lamasa para mejorar su calidad, obtenindose productosde panadera con mejor textura y sabor. El efecto de lasxilanasas es incrementar el volumen especfico de lospanes, sin provocar un efecto colateral negativo en elmanejo de la masa. Este efecto sobre el mejoramientodel volumen del pan puede atribuirse a la distribucin deagua de la fase del pentosano presente hacia la del glu-ten, resultando eventualmente en un mejor horneado8.Asimismo, se ha publicado recientemente que lasarabinasas, -L-arabinofuranosidasas, -L-arabino-furanohidrolasas y esterasas juegan un papel importanteen la textura, calidad y propiedades sensoriales de losproductos de panificacin(figura 4)9.

Futuro de la tecnologaenzimtica

El progreso de la biotecnologa de celulasas y xilanasasha llamado la atencin a nivel mundial, ya que losmtodos tradicionales de produccin de enzimas pueden

Figura 4. Aplicacin de xilanasas en la industria de la panificacin.

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ser demasiado prolongados hasta la obtencin de laenzima purificada. Por esta razn nace la necesidad debuscar nuevas alternativas que permitan la obtencin deenzimas en tiempos cortos y con propiedades bioqumicasadecuadas para el proceso en el cual va a usarse. Unade ellas es la obtencin de cepas productoras de xilanasaso celulasas mejoradas genticamente para la hiperpro-duccin de estas enzimas, con tcnicas de gentica clsicao bien por biologa molecular.

Nuestro grupo de trabajo cuenta con una bacteriaceluloltica, Cellulomona flavigena (CDBB-531), la cuales capaz de producir tanto celulasas como xilanasas alcrecer en cualquier residuo agrcola como sustrato; sinembargo, el mejor inductor del sistema celulasas/xilanasases el bagazo de caa10. A partir de esta bacteria se haobtenido una mutante (PN-120) que produce 2 veces mscelulasas y 4 veces ms xilanasa que la cepa silvestre.

Por otra parte, para conocer la arquitectura molecu-lar y los mecanismos de regulacin involucrados en labiosntesis de estas enzimas, se han aislado y carac-terizado hasta el momento tres genes; xyncflA que codificapara una xilanasa, celcflA que codifica para unacelobiohidrolasa y celcflB que codifica para unaendoglucanasa. La creciente demanda de celulasas yxilanasas y su gran potencial en biotecnologa nos llevana continuar con los estudios multidisciplinarios de estoscomplejos enzimticos.

Notas

1. D.B. Rivers, H.G. Emert, Biol. Wastes 26, 199 (1988)

2. Ch. Gong, G.T. Tsao, Ann. Rep. Ferment. Process 3,111(1979).

3. B.S. Montenecourt, D.E. Eveleigh, TAPPI 28,101(1979)

4. P. Biely, Hemicellulose and hemicellulases , Ed.Coughlan y Hazlewood (Portland Press Research Mono-graph, 1993) p. 29.

5. H. Esterbauer et al., Technol. 36, 51(1991).

6. E. Ong, Bioseparation 5, 95 (1995).

7. N. Kulkarni, A. Shendye, R. Mala, FEMS Microbiol.Rev. 23, 411 (1999).

8. J. Matt et al., Progress in Biotechnology 7, 349 (1992).

9. K. Poutanen, Trends Food Sci. Technol. 8, 300 (1997).

10. O. Prez-Avalos, T. Ponce-Noyola, I. Magaa-Plaza,M. de la Torre-Martnez, Appl. Microbiol. Biotechnol. 46,405 (1996).