Selección, identificación y optimización de las condiciones de fermentación de Bacillus subtilis productores de celulasa de alto rendimiento
En los últimos años, con el uso ilimitado de combustibles fósiles, los precios mundiales del petróleo han fluctuado drásticamente, afectando gravemente a la vida cotidiana humana. La gente está cada vez más preocupada por la investigación y el desarrollo de nuevas fuentes de energía alternativas, y el combustible de biomasa celulósica se reconoce actualmente como la fuente de energía renovable más valiosa y prometedora. La biomasa celulósica es la biomasa más abundante y ampliamente distribuida en la Tierra, y está compuesta principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. Sin embargo, la celulosa, la hemicelulosa y la lignina están estrechamente unidas mediante enlaces de hidrógeno y covalentes, por lo que poseen una estructura de biomasa obstinada. Sólo hemos desarrollado menos de 2% de recursos celulósicos. El uso de la biotecnología moderna para convertir la celulosa en combustibles líquidos como el etanol tiene rendimientos estables, renovables y libres de contaminación, y tiene el potencial de resolver problemas como la crisis energética, la contaminación ambiental y la crisis alimentaria. Pero para resolver este problema, lo más crucial es obtener celulasas eficientes y de bajo coste.

Celulasa es un término colectivo para un grupo de sistemas enzimáticos complejos que degradan la celulosa para producir monosacáridos o polisacáridos, incluyendo principalmente endoglucanasa, exoglucanasa y β -1,4 glucosidasa. Estas tres enzimas trabajan juntas para degradar las sustancias celulósicas. En la actualidad, la investigación sobre bacterias productoras de celulasa se centra principalmente en hongos como Trichoderma, Penicillium y Aspergillus. Sin embargo, la mayoría de sus celulasas se unen a la membrana celular, lo que resulta incómodo de utilizar, y el coste de la separación y extracción de enzimas es demasiado elevado. Además, las celulasas fúngicas no sólo tienen un ciclo de producción largo, sino que la mayoría de las celulasas producidas también necesitan estar a temperaturas más altas para ejercer una buena eficiencia. A temperatura ambiente o a temperaturas inferiores, la actividad enzimática es muy baja. Las bacterias crecen más rápido que los hongos, pueden obtener mayores niveles de expresión de enzimas recombinantes y pueden producir glicosido hidrolasas más complejas para reacciones sinérgicas de hidrólisis enzimática. Mientras tanto, las bacterias tienen una gran diversidad natural y son más propensas a producir enzimas resistentes al calor y estables a los álcalis. Hasta ahora, las bacterias productoras de celulasa que se han estudiado ampliamente son Vibrio, Bacillus, Bacteroides, Clostridium, Erwinia, Ruminococcus y Thermomonas.

Hasta ahora, aunque se ha investigado mucho sobre la conversión de la lignocelulosa, la conversión de la biomasa celulósica en bioetanol sigue enfrentándose a importantes retos debido a los elevados costes comerciales de las hemicelulasas y las celulasas. Por lo tanto, es urgente desarrollar celulasas nuevas, eficientes y de bajo coste, y es especialmente importante la obtención de cepas de celulasa de alto rendimiento. La selección de cepas bacterianas productoras de celulasa de alto rendimiento a partir de cepas conservadas en laboratorio, la realización de su identificación e investigación, la provisión de fuentes de cepas para la investigación de la preparación de celulasas y el establecimiento de una cierta base para la mejora genética, la construcción de cepas de ingeniería genética y otros trabajos.

 

En este estudio, se examinaron un total de 5 cepas de bacterias con una elevada producción de celulasa a partir de cepas conservadas en laboratorio. Tras analizar las características morfológicas, fisiológicas y bioquímicas, así como el ADNr 16S, se identificaron como Bacillus subtilis, 2 cepas de Bacillus subtilis y 3 cepas de Bacillus amyloliquefaciens. Muchos hongos y bacterias de la naturaleza pueden producir diversas celulasas. En la actualidad, existen muchos estudios sobre las celulasas fúngicas, y las celulasas comercializadas proceden principalmente de hongos. Las bacterias productoras de celulasa también han atraído una gran atención debido a su gran adaptabilidad y otras ventajas, y es probable que se conviertan en una fuente muy importante de celulasa en la industria. Entre ellas, Bacillus subtilis puede producir y secretar un gran número de enzimas extracelulares, lo que la convierte en la principal bacteria estudiada. Además, también pueden formar endosporas y metabolitos secundarios en condiciones de crecimiento lento en matriz celulósica, lo que les confiere una ventaja competitiva. Entre ellas, Bacillus subtilis es la bacteria productora de celulasa más excelente de la que se tiene constancia, mientras que Bacillus amyloliquefaciens rara vez lo es.

La relación entre el diámetro del círculo de hidrólisis y el diámetro de la colonia en la placa de rojo Congo CMC en este artículo es superior a 4,5, siendo el mínimo de ZB6 de 4,61 y el máximo de AF1 bacteriana de 8,04, superando con creces las cepas bacterianas de alta actividad enzimática cribadas con el mismo método que se recogen en la bibliografía nacional y extranjera existente. La mayor actividad enzimática registrada en la literatura fue la de la cepa PX19 aislada por Tang Hao et al. del tracto intestinal del elefante gigante del bambú. La relación entre el diámetro del círculo de hidrólisis y el diámetro de la colonia de la cepa con mayor actividad enzimática era de sólo 4,83. Tras optimizar y seleccionar las condiciones de fermentación sólida para la producción de celulasa por la cepa AF1, su mayor actividad enzimática en papel de filtro puede alcanzar las 26,904U/g. Además, el equipo de investigación anterior descubrió que la bacteria AF1 también puede producir amilasa altamente activa, proteasa y sustancias antibacterianas de amplio espectro. Cuando se utiliza para alimentar a los pollos, puede mejorar significativamente el índice de conversión alimenticia, inhibir el crecimiento de patógenos, reducir la aparición de enfermedades y disminuir la tasa de mortalidad. Se trata de una cepa potente con múltiples funciones y un gran potencial de desarrollo.