La paret cel·lular de les cèl·lules vegetals és una xarxa formada per una fase cristal·lina de microfibril·les de cel·lulosa dins d’una fase amorfa formada d’una matriu polisacàrida d’hemicel·lulosa i substàncies pèctiques. En general però no sempre, la paret secundària estarà formada per la lignina.
A priori la lignina, és el component majoritari de la fusta i el que li dona la duresa i la textura tan característica. A nivell molecular, la definim com un biopolímer o cadena llarga tridimensional, heterogeni (format per varis components diferents) de polisacàrids aromàtics, amb un alt percentatge de ramificacions (Figura 1); no se'n coneix cap altre que es sintetitzi de manera natural, i està associat intrínsecament a la cel·lulosa i l’hemicel·lulosa formant la lignocel·lulosa (Vídeo 1), que forma a paret de les cèl·lules vegetals actuant com a barrera contra la degradació enzimàtica.
 |
| Figura 1. Representació́ esquemàtica del polímer de la lignina (modificada de Brunow, 2001). Observi’s les tres subunitats que presenta la molècula de la lignina: 4-hidroxifenil (H), guaiacil (G), siringil (S) i juntament amb els seus precursors monolignols: alcohol cumarílic (A), alcohol coniferílic (B) i alcohol sinapílic (C). S’indica amb una fletxa l’enllaç tipus èter -O-4, que mostra la figura. |
Es coneixen les tres subunitats principals que formen les cadenes llargues de la lignina: 4-hidroxifenil (Figura 1.H), guaiacil (Figura 1.G), siringil (Figura 1.S) i els monolignols precursors, alcohol cumarílic (Figura 1.A), alcohol coniferílic (Figura 1.B) y alcohol sinapílic (Figura 1.C), amb unions covalents d’enllaç èter -O-4. (Rodríguez, 2006)
Les substàncies pèctiques són un grup de polisacàrids heterogenis formats per cadenes d’àcids urònics ramificats. Aporten rigidesa a la paret cel·lular gràcies a l’alt nombre de grups hidroxil que presenten la ramnosa, arabinosa i galactosa.
Un compost recalcitrant, són aquells que a la natura són difícils de descompondre degut a que presenten una estructura química molt estable, al no ser solubles en aigua o bé pel fet de tenir un alt pes molecular que dificulta el seu transport a través de les membranes cel·lulars. Altres compostos recalcitrants que podem trobar a la natura són els hidrocarburs, la cel·lulosa, la pectina i contaminants sintetitzats de manera artificial.
La biodegradació és un procés biològic dut a terme per microorganismes que consisteix en la digestió i metabolització de compostos orgànics realitzat per bacteris, fongs i altres organismes. Per tant, la majoria de molècules orgàniques sintetitzades biològicament també poden ser degradades per éssers vius. Aquest procés, permet la eliminació de substàncies tòxiques del medi, tant en presència com en absència d’oxigen, per tal de restablir la composició òptima per la vida a la biosfera. La lignocel·lulosa, malgrat què és una molècula de síntesi orgànica, és difícil de degradar per part dels microorganismes degut a la seva gran estabilitat química; però es coneix una sèrie d’enzims que intervenen en la seva degradació.
Els enzims són proteïnes de mida molt variable i infinitat de funcions, que en aquest cas tindran funció oxidasa i peroxidasa, és a dir que afavoriran l'oxidació de la molècula per desfer la seva estabilitat i poder descomposar-la.
El metabolisme és el procés pel qual partint d'una molècula inicial, que passarà per diferents estadis on entrarà en contacte amb diferents enzims i altres molècules intermediàries amb poder reductor o oxidatiu, acabarà formats una o vàries molècules resultants amb característiques químiques diferents.
La bioremediació, és tot procés en el qual s'utilitzen microorganismes de qualsevol tipus (bacteris, fongs, plantes), o els enzims que fabriquen per tal de tornar un medi contaminat al seu estadi original; com el cas del sòl, que s'utilitzen bacteris per degradar hidrocarburs.
El metabolisme de la lignina es duu a terme per enzims de la família de les oxidases fenol i peroxidases hem (Figura 2), amb la funció de trencar els ponts d’hidrogen entre les subunitats de la molècula per mitjà de l’oxigen.
 |
| Figura 2: Ruta metabòlica de la descomposició de la lignina |
Aquests enzims es poden classificar en oxidases fenol (lacasa) que utilitzen l’oxigen molecular com acceptors d'electrons, mentre que la lignina peroxidasa (LIP), el manganès peroxidasa (MnP) i la peroxidasa versàtil (VP), utilitzen peròxid d'hidrogen com un cosubstrat amb la intervenció d’un grup hem com a cofactor (Taula 1).
Per altra banda, intervenen altres enzims accessoris que estan involucrats en la degradació de la lignina. Aquests inclouen oxidases que generen el peròxid d’hidrogen requerit per les peroxidases, i a més, deshidrogenases que també ajuden a la degradació.
Les lacases utilitzen oxigen molecular per oxidar diversos compostos aromàtics i no aromàtics a través d’un mecanisme de radicalització (deixa radicals lliures). L’oxigen molecular actua com a acceptor d’electrons, i es redueix formant dos molècules d’aigua. Aquest enzim posseeix quatre ions de coure en el seu centre catalític que intervenen en aquet procés redox. Condueix a la formació de radicals lliures que reaccionen amb substrats d’alt potencial reductor (provinents de la ruta de les peroxidases), i així, degradar la lignina.
A més, estudis han demostrat que aquests enzims oxidatius són massa grans per penetrar en els microporus de la paret cel·lular de la fusta. Per tant, s'ha suggerit que abans de l'atac enzimàtic, compostos oxidants reactius de baix pes molecular han d'iniciar els canvis en l'estructura de la lignina.
En el cas de les LIP, són glicoproteïnes que catalitzen la reacció d’oxidació utilitzant el peròxid d’hidrogen i donant com a producte radicals intermedis.
Les MNP catalitzen la reacció d’oxidació del ió manganès (ll) a manganès (lll), utilitzant peròxid d’hidrogen. Aquest producte, manganès (lll) actua com un agent oxidant, amb la finalitat d’oxidar la lignina o altres compostos.
Les VP són glicoproteïnes capaces d'oxidar substrats típics d'altres peroxidases com el MNP i el LIP. Les VP han sigut de gran interès biotecnològic a causa de la seva catalització versàtil, que inclou la degradació dels compostos que altres peroxidases no són capaços d'oxidar directament.
En la metabolització de la lignocel·lulosa, a més del processos enzimàtics també hi actua un procés químic no enzimàtic, que ajuda a la degradació de la lignina i degrada la cel·lulosa i l’hemicel·lulosa (Vídeo 1).
Microorganismes implicats
A la natura, el procés de descomposició de la fusta comença per la degradació mecànica del tronc. Tot seguit, la fusta és colonitzada pels fongs de la podridura marró que ignoren la barrera de la lignina i ataquen directament a les cel·luloses i hemicel·luloses, deixant com a resultat, un polsim marró que consta principalment de lignina alliberada enzimàticament. De forma simultània al procés anterior, els fongs basidiomicets de la podridura blanca, principalment Phanerochaete crysosporium (LiP, MnP), acompanyat de Polyporus(LAC, MNP, LiP), Fomes(lacase Mnp), Pleurotus(lac mnp), Schizophyllum(lac mnp lip), Fusarium(lac), Rhodococcus i Streptomyces viridosporus (amb LiP extern) ataquen aquesta lignina produint un residu cel·lulòsic suau i fibrós en el procés.
Aquesta degradació es duu a terme en funció dels enzims que contenen, atacant primer els que presenten lacassa i posteriorment els altres, podent crear un consorci per a augmentar la seva eficàcia, com es el cas de bacillus sp. i pseudomoas pútrida que interactuen per a augmentar la seva producció de lacassa.
A més, es coneix que hi participen en la degradació de la lignina bacteris aerobis del gènere Arthrobacter, Flavobacterium, Micrococcus i Pseudomonas.
Els compostos recalcitrants al no poder ser degradats de forma fàcil en condicions naturals, això és perquè aquests compostos poden no ser reconeguts com a substrat per organismes degradadors a causa de la falta de vies metabòliques que els utilitzin, són insolubles en aigua, generen productes tòxics o simplement són massa grans per a que els microorganismes els puguin fer servir.
Compostos d'aquest tipus es poden trobar amb origen tant natural com artificial, un exemple de naturals són la lignina o la cel·lulosa mentre que entre els artificials podem trobar polímers sintètics , preservatius de la fusta, tints i fibres sintètiques o pesticides.
Mitjançant la bioremediació, aquestes substàncies poden ser eliminades de l'ambient, això s'aconsegueix seleccionant microorganismes capaços de degradar compostos similars als que es volen eliminar i s'afegeixen al medi els nutrients necessaris per a que puguin degradar les substancies desitjades. Un exemple d'això el podem trobar a la bioremediació d'abocaments d'hidrocarburs, aquestos són contaminants amb una estructura química formada per llargues cadenes aromàtiques similars a les presentades per la cel.lulosa i la lignina, per aquesta raò els fongs de la podridura blanca com el Pleurotus ostreatus son capaços de fer servir els enzims que normalment degraden la lignina per a degradar aquestes substancies.
Aplicacions
- Bioremediació: les peroxidases i lacases poden utilitzar-se per a la degradació de colorants sintètics, hidrocarburs, cel·luloses i pectines dels ecosistemes contaminats per l’activitat industrial.
- Alimentació: les lacases s’usen en el procés de clarificació de la mare del vi, sucs de fruites i cervesa.
- Industria paperera: les lacases serveixen com emblanquidors del paper al eliminar residus de lignina.
- S’està investigant l’obtenció de fil superresistent a partir del residu hummic final de la degradació de la lignocel·lulosa.
- En enginyeria genètica, la investigació dels gens que codifiquen i expressen aquests enzims obren un ventall en la seva utilització a partir d’una sobreexplotació heteròloga i de la inserció d’aquests en altres microorganismes per ampliar el rang de producció.
- Els organismes capaços de degradar la lignina, són components d’una etapa molt important, atès que sense aquests no es podria donar la completa descomposició de vegetals cormòfits.
- Gràcies a l’existència de microorganismes que sintetitzen aquests enzims, no s’acumula al sòl la fusta d’organismes vegetals morts dels últims 500 MA.
- Els fongs tenen la capacitat de degradar moltes substancies de composició similar a la lignina, cosa que els fa molt útils a l’hora d’eliminar substancies tòxiques del sol. Un exemple d’aquest ús es en abocaments de combustibles o polimers sintetics.
Bibliografia
[1] C.-V. PETRE, T. BALAEŞ, and C. TĂNASE, “Microsoft Word - dosar 0.doc - 3_Petre.pdf,” Mem. Sci. Sect. Rom. Acad. Tome XXXVII, 2014, vol. 37, 2014.
[2] R. Bansode, S. Kumar, L. C. Malav, and M. K. Malav, “Xenobiotic Compounds and Their Types,” Indian Agricultural Research Institute, New Delhi 110012, 2015.
[1] S. B. Pointing, “Feasibility of bioremediation by white-rot fungi.,” Appl. Microbiol. Biotechnol., vol. 57, no. 1–2, pp. 20–33, Oct. 2001.
[2] A. Taylor, W and P. Stamets, E, “Implementing Fungal Cultivation in Biofiltration Systems – The Past, Present, and Future of Mycofiltration,” Natl. Proc. For. Conserv. Nurs. Assoc., 2013.
[3] B. Folkedahl, “Cellulosic Ethanol: What to Do with the Lignin | Biomassmagazine.com,” Biomass Magazine. [Online]. Available: http://biomassmagazine.com/articles/2928/cellulosic-ethanol-what-to-do-with-the-lignin. [Accessed: 13-Mar-2016].
[4] A. M. Abdel-Hamid, J. O. Solbiati, and I. K. O. Cann, “Insights into lignin degradation and its potential industrial applications.,” Adv. Appl. Microbiol., vol. 82, pp. 1–28, Jan. 2013.
[5] A. E. Garcia Mora, “Microsoft Word - TAPA DEFINITIVA.doc - egg216e.pdf,” Universidad Austral de Chile, 2006.
[6] E. R. Sánchez, “Microsoft Word - TESIS_EnriqueRodriguezSanchez - TESIS_EnriqueRodriguezSanchez.pdf,” Universidad Complutense de Madrid, 2006.
[7] E. Shimizu, J. O. Velez Rueda, P. D. Zapata, and L. L. Villalba, “Relación entre degradación de colorantes y oxidación de lignina residual causados por Ganoderma applanatum y Pycnoporus sanguineus en el licor negro kraft,” Rev. Cienc. y Tecnol., no. 12, pp. 46–51.
[8] M. Chávez-Sifontes and M. Domine, “3-ACI1184-13-full.pdf,” Av. en Ciencias e Ing. - ISSN 0718 - 8706 Av. cien. ing. 4(4), 15 - 46 (Octubre/Diciembre, 2013), 2013.
[9] L. De Cabo, “Biodegradación (=Descomposición orgánica),” 2003. [Online]. Available: http://www.cricyt.edu.ar/enciclopedia/terminos/Biodegrada.htm. [Accessed: 17-Mar-2016].
El treball que presenteu conté el nucli principal del tema, però cal millorar-ne alguns aspectes d'organització del text i ampliar-ne el contingut.
ResponEliminaLa introducció hauria de contenir aquells conceptes previs que cal saber per entendre el treball. En canvi, l'heu plantejat més com una presentació del treball, mentre que alguns d'aquests conceptes apareixen posteriorment en un altre apartat. Seria més adequat que l'explicació d'aquests conceptes (com ara l'estructura de la lignina i els conceptes de recalcitrància i de biodegradació) formés part de la introducció, d'una forma ordenada i més clara.
Les ilustracions que presenteu, que són adequades, s'han de referenciar en el text (ja ho feu) però no cal que les presenteu. En lloc d'això, el text hauria d'explicar el contingut de la figura, o remarcar aquelles coses que considereu més interessants o que siguin més rellevants per al tema, i no donar-les per explicades perquè ja apareixen a la figura. És a dir, el text s'hauria de poder entendre i llegir independentment de la figura, encara que la ilustració serveixi per facilitar-ne la comprensió. Si feu això, probablement l'explicació dels processos de degradació de la lignina, per exemple, quedarà més complerta i aprofundida, ja que tal i com està ara el text és molt superficial. El video també caldria que l'utilitzéssiu per ilustrar alguna cosa que expliqueu (i el referencieu quan estigueu comentant alguns aspectes que hi apareguin), en lloc de posar-lo al final de l'apartat amb una frase de presentació però sense comentar res del contingut.
Tots els microorganismes que esmenteu tenen tots els enzims? S'organitzen d'alguna manera per degradar la lignina? Cadascun d'ells pot degradar totalment el polímer? Aquest apartat deixa molts dubtes a l'aire, caldria que aprofundíssiu una mica més en la relació entre microorganismes, enzims i processos que poden portar a terme.
A banda de la lignina, que és el compost més important per enfocar el tema, també hi ha altres molècules recalcitrants d'origen natural (pectina, cel·lulosa, ...) que hauríeu de comentar. I fins i tot hi ha molècules d'origen sintètic, recalcitrants i sovint tòxiques, que tenen algunes similituds estructurals amb la lignina (o amb algunes parts del polímer) i per tant poden ser degradades pels mateixos enzims i els microorganismes que els contenen, que així esdevenen útils per a processos de descontaminació (bioremediació). Estaria bé que ho expliquéssiu i poséssiu alguns exemples.
A l'apartat de conclusions, en realitat, hi heu posat una sèrie d'aplicacions dels enzims i/o els bacteris relacionats amb la degradació de la lignina que està molt bé que les expliqueu però hauria de ser com un apartat previ, potser conjuntament amb les aplicacions per a la bioremediació. En canvi, les conclusions haurien d'estar més relacionades amb el conjunt del treball, o amb els diferents apartats que el formen, sense repetir-los però sense incorporar tampoc informacions noves que hagueu extret de fonts bibliogràfiques.
Pregunta avaluable:
ResponEliminaDe no ser per aquests enzims dels microorganismes que heu esmentat, la degradació dels components de la fusta com la lignina i en general els compostos recalcitrants seria impossible?
Fins a quin punt influeix el temporal, plujes, sol, vent... en la degradació de la fusta, sense tenir en compte aquest microorganismes?
Se sap fins a quin punt poden accelerar la degradació aquest conjunt d'enzims?
Simonas Valiuska
Hola Simonas!
EliminaEls enzims generalment actuen d'acceleradors d'una reacció que de manera espontània seria molt més lenta, així que en cas que aquests enzims no existissin la descomposició d'aquests compostos seria possible, però a una velocitat molt lenta (estem parlant de centenars d'anys per kg de fusta) i s'hauria de donar per reacció química espontània.
Els factors ambientals, ajuden en la descomposició a nivell mecànic, però no químic, l'aigua que produeix la lixiviació extreu un 10 i un 20% dels compostos del tronc, sobretot els solubles, però amb les estructures més estables i d'aport energètic baix, sense aquests enzims, la seva descomposició seria quasi inexistent.Així que podem concloure que aquests grups d'enzims acceleren de l'ordre de 10^3 vegades la velocitat de descomposició dels compostos recalcitrants.