Un hongo convierte la celulosa directamente en una nueva plataforma química
El hongo Talaromyces verruculosus puede producir directamente a partir de residuos vegetales baratos el producto químico ácido eritroisocítrico, que hasta la fecha ha recibido poca atención en el mercado, y hacerlo así interesante para su utilización industrial. Utilizando las capacidades naturales del hongo no modificado genéticamente, un equipo de investigación de Jena ha descubierto un método para la conversión eficiente de la celulosa en una forma de ácido isocítrico. El nuevo método de producción podría simplificar significativamente el proceso de obtención de productos químicos de plataforma a partir de celulosa, hasta ahora complejo y con múltiples etapas, al requerir un único bioproceso. Gracias al nuevo método rentable, la molécula hermana raramente utilizada del ácido cítrico, de uso intensivo, puede beneficiar a una economía circular sostenible, siempre que exista un mercado para ella. El estudio ha sido publicado por un equipo de investigadores del Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de las Infecciones – Instituto Hans Knöll (Leibniz-HKI) en la revista ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Como productos metabólicos naturales de la mayoría de los organismos vivos, el ácido cítrico y el ácido isocítrico se encuentran entre los ácidos más extendidos en la naturaleza. El ácido cítrico se produce industrialmente en grandes cantidades a partir del hongo Aspergillus niger. Con una producción anual de unos 2,8 millones de toneladas en todo el mundo, es uno de los productos biotecnológicos de mayor volumen de todos. Su gama de aplicaciones es enorme: ya sea como agente desincrustante, conservante, producto de cuidado o potenciador del sabor, este versátil producto químico natural es un aditivo importante y también barato en la industria, ya que la producción biotecnológica es extremadamente eficiente y poco complicada. La producción de bioplásticos y biocombustibles a partir del ácido cítrico también es técnicamente posible. Sin embargo, como el ácido cítrico se produce a partir del azúcar y, por tanto, compite directamente con la producción de alimentos, estos campos de aplicación no han sido hasta ahora ni económicos ni sostenibles. De hecho, la producción de ácido cítrico consume actualmente más del 1% de la producción mundial de azúcar.
El ácido icosítrico es muy similar al ácido cítrico, sólo que un grupo hidroxilo está situado en un átomo de carbono diferente. Esto hace que la molécula sea asimétrica y que existan dos variantes diferentes, conocidas como diastereómeros, que se denominan ácido treo- y eritro-isocítrico. Cada diastereómero tiene dos variantes especulares, las formas D- y L-. El ácido cítrico y el ácido isocítrico tienen propiedades casi idénticas y cabe suponer que la forma iso sería igual de aplicable. La razón de que esto no sea así es que aún no se ha conseguido un proceso de producción eficiente para el ácido isocítrico puro, por lo que actualmente sólo está disponible como producto químico de investigación. Actualmente, un kilogramo de esta sustancia cuesta unos 18.000 euros. Sin embargo, el nuevo proceso de producción permite una producción sostenible y barata a partir de desechos y residuos vegetales como paja, papel usado o residuos de madera, lo que podría hacer posible producir ácido isocítrico incluso más barato que el ácido cítrico en el futuro. Hasta ahora, para utilizar estas materias primas renovables era necesario un complejo proceso de tres etapas. En primer lugar, se necesitaban costosas enzimas para descomponer enzimáticamente la celulosa en azúcar, para que finalmente pudiera ser utilizada por los microorganismos.
Un hongo, un proceso
En pruebas de detección, el primer autor Ivan Schlembach descubrió que el tipo salvaje de T. verruculosus aislado de la naturaleza puede convertir la lignocelulosa directamente en ácido eritroisocítrico, en masa y de manera muy eficiente, en un solo proceso en el que el propio hongo produce todas las enzimas necesarias para este.
Un enfoque prometedor es el llamado bioprocesamiento consolidado (CBP), en el que se combinan varios pasos del proceso en uno solo utilizando microorganismos adecuados. La estrella del nuevo procedimiento biotecnológico es el moho Talaromyces verruculosus.
En experimentos, los investigadores determinaron las condiciones ideales para la degradación de la celulosa y la producción de ácido isocítrico, incluyendo factores como el contenido de nitrógeno, el valor del pH, la temperatura y la concentración de nutrientes. También desarrollaron nuevos métodos para medir con precisión la actividad de la enzima celulasa, que es crucial para la degradación de la celulosa, durante el proceso de fermentación. Esto permite un control óptimo del proceso de producción.
El producto busca mercado
El ácido isocítrico se puede convertir químicamente fácilmente en ácido itacónico, del que ya existe una gran demanda para la producción de plásticos y revestimientos sostenibles. Si el ácido eritroisocítrico está fácilmente disponible, no debería faltar clientes. Sin embargo, se plantea el mismo obstáculo que con cualquier sustancia nueva: como hasta ahora el ácido eritroisocítrico no está disponible en grandes cantidades, primero hay que establecer su mercado. El proceso significativamente más económico desarrollado ahora abre nuevas posibilidades y aplicaciones.
Otra característica especial es el hecho de que en el proceso sólo se forma ácido eritroisocítrico y no una mezcla de diferentes diastereómeros. Esto hace que la molécula sea particularmente interesante para aplicaciones especiales, por ejemplo en la industria farmacéutica.
Las propiedades biológicas específicas del ácido eritroisocítrico han sido poco estudiadas hasta la fecha. Sin embargo, se han demostrado muchas propiedades útiles para la molécula hermana, el ácido treo-isocítrico, que puede ser un valioso complemento del ácido cítrico, especialmente en la industria médica, farmacéutica, cosmética o alimentaria, por ejemplo como agente quelante, como anticoagulante en muestras de sangre, como complemento alimenticio funcional, como ingrediente en cosméticos, como conservante o como compuesto antienvejecimiento en productos de estilo de vida.
Los hallazgos subrayan que organismos como T. verruculosus pueden permitir la utilización sostenible de biorresiduos y hacer que la producción de sustancias químicas valiosas a partir de biomasa renovable sea económicamente viable.
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Fuente: quimica.es; phys.org