Autodisplay de una xilanasa en células completas para la degradación de hemicelulosa y obtención de biocombustibles

Abstract

"Para mitigar los efectos ambientales causados por el uso de combustibles fósiles, se planea impulsar el uso de biocombustibles. Actualmente su producción se basa en la fermentación de carbohidratos obtenidos de cultivos destinados a la alimentación. Con la finalidad de consolidar un bioproceso económicamente viable a comparación de los ya establecidos, se propone obtener biocombustibles a partir de desechos agroindustriales ricos en material hemicelulósico. Sin embargo, uno de los retos a enfrentar es lograr la degradación eficiente del polímero hemicelulosa para la obtención de monosacáridos que puedan posteriormente ser fermentados. Para ello, el objetivo de este trabajo fue el uso del sistema autodisplay AIDA de Escherichia coli, para expresar en la superficie de esta bacteria la enzima endo-1,4-β-xilanasa proveniente de Clostridium cellulovorans para llevar a cabo biocatálisis de célula completa y así, degradar hemicelulosa. Para lo cual, se diseñó el vector pAIDA-xynA y cuya enzima que codifica en su secuencia tiene la capacidad de degradar xilanos puros con una actividad xilanolítica especifica de 270.96 U mg-1 y 1017.22 U mg-1; para cepas de E. coli WDHL y TOP10 respectivamente, bajo las condiciones óptimas de tempratura a 55°C y pH de 6.5. Se calcularon las constantes catalíticas Km y Vmax de la xilanasa anclada a la superficie de TOP10 que fueron Kmapp=6.01 mg mL-1 y Vmaxapp= 4.13 x 10 -2 mg mL-1 min-1 y WDHL las cuales fueron Kmapp= 7.52 mg mL-1 y Vmaxapp= 3 x 10-2 mg mL-1 min-1. Además, la xilanasa en la cepa WDHL mostro una inhibición por sustrato, tal vez debido al anclaje de la enzima en la membrana externa. Interesantemente el CaCl2 tiene un efecto potenciador de la actividad xilanolítica en la cepa TOP10 y en la cepa WDHL alcanzando un 240% y 120%, respectivamente. Los resultados indican que el vector diseñado pAIDA-xynA es funcional para expresar enzimas xilanolíticas y realizar biocatálisis de célula completa para la hidrolisis de material hemicelulósico."

"The use of biofuels has been increasing with the purpose of minimizing the impact caused by the use of fossil fuels in the environment. Nowadays, their production is based on the fermentation of carbohydrates from food crops. With the goal to obtaining a more affordable and viable consolidated bioprocess than others known, we intend to obtain biofuels from hemicellulose rich agroindustrial waste sources. However, another challenge we face is achieving the efficient degradation of hemicellulose polymer to obtain fermentable monosaccharides. For that, the objective of this work was the use of autodisplay AIDA system from Escherichia coli, to express on this bacterial surface the endo-1,4-β-xylanase enzyme from Clostridium cellulovorans to carry out whole cell biocatalysis and hydrolysate hemicellulose. For which, it was designed pAIDA-xynA vector and the enzyme that it codes, has xylan degradation capacity with the high xylanolytic specific activity of 270.96 U mg-1 y 1017.22 U mg-1 ; for E. coli WDHL and TOP10 strains respectively, over optimal conditions of temperature 55°C and pH de 6.5. In the same way, we calculated catalytic constants km and Vmax of anchored xylanase on TOP10 strain surface which were Kmapp=6.01 mg mL-1 and Vmaxapp= 4.13 x 10 -2 mg mL-1 min-1 and anchored on WDHL strain surface which were Kmapp= 7.52 mg mL-1 and Vmaxapp= 3 x 10-2 mg mL-1 min-1 . Besides, anchored xylanase on WDHL strain surface performed a substrate inhibition perhaps for the anchorage of the enzyme in the outer membrane. Interestingly, CaCl2 had an enhanced effect on the xylanolytic activity of TOP10 strain and WDHL strain reached about 240% and 120%, respectively. This suggests that designed pAIDA-xynA vector has the ability to express xylanolytic enzymes to carry out whole cell biocatalysis and so hydrolysate hemicellulose feedstock."