Hay mucha energía dentro de las plantas, pero no siempre es fácil acceder a ella. Las paredes celulares están construidas con celulosa, que mantiene rígidas las células vegetales. Desafortunadamente, la celulosa es notoriamente difícil de descomponer. Algunos animales pueden procesarlo, pero no es simple. Un nuevo artículo, de Adriana Grandis y colegas, analiza cómo la caña de azúcar puede descomponer la celulosa para formar la aerénquima.

El aerénquima no es rígido. Es un tejido esponjoso lleno de espacios y canales para el aire. El profesor Marcos Buckridge, uno de los autores del estudio, explicó por qué el aerénquima era tan crucial para la caña de azúcar. “Se cree que el aerénquima radicular está relacionado con un aumento en la capacidad de mantener el flujo de oxígeno dentro del tejido radicular. Por lo tanto, protege a la raíz contra la hipoxia (falta de oxígeno) provocada por el encharcamiento o las inundaciones. Hemos estado buscando variedades de caña de azúcar sin aerénquima, pero aún no lo hemos encontrado, al menos en las variedades brasileñas que investigamos. Muchas gramíneas, como el arroz, el sorgo y el maíz, forman aerénquima. El maíz se ha investigado más a fondo y, en su caso, el aerénquima en las raíces solo se forma cuando está inundado o encharcado. El arroz, el sorgo y la caña de azúcar forman aerénquima radicular independientemente de la inducción por una señal externa (es decir, el aerénquima es constitutivo)”.

Una forma de tener una mejor idea de cómo funciona el aerénquima sería alterar una planta para que tenga menos. Y este es el trabajo en el que ha estado trabajando el equipo del profesor Buckeridge. “Hemos estado tratando de suprimir la formación de aerénquima en la caña de azúcar. Intentamos, por ejemplo, agregar sustancias que inhiben la señalización de la hormona etileno (Tavares et al., 2018), que es bien conocido por inducir la formación de aerénquima, pero no pudo hacerlo todavía. También intentamos aumentar un represor del primer paso (degradación de pectina), el factor de transcripción scRAV1 (caracterizado por Tavares et al., 2019), pero encontró que hay mecanismos que parecen “proteger” la formación de aerénquima, siendo en este caso un micro ARN que se dirige al factor de transcripción”.

“Es posible que el aerénquima también sea importante para mejorar el crecimiento de la caña de azúcar, ya que puede proporcionar oxigenación de las raíces, independientemente de inundaciones o anegamientos. Es bien sabido por los mejoradores que las raíces más profundas y de rápido crecimiento mejoran la producción de caña de azúcar. El aerénquima podría haber sido seleccionado a ciegas por los criadores, ya que buscaban un mayor crecimiento, azúcar y producción de biomasa”.

Es la forma en que se forman los aerénquimas lo que los convierte en una característica tan útil para estudiar. La caña de azúcar no crece con estos canales de aire preformados. En cambio, hay un proceso de demolición dentro de la planta a medida que crece. El Prof. Buckeridge dijo que esto ya podría ser familiar para los lectores de Botany One. “La formación del aerénquima se puede dividir en módulos (grandis et al., 2014, Tavares et al., 2015). El fenómeno se describe en Leite et al. 2017, y una película de su formación dentro de la raíz está disponible para descargar como material complementario o directamente de Botany One. El primer paso es la señalización. Probablemente una sola célula de la corteza “siente” el equilibrio entre el etileno (producido localmente) y la auxina (proveniente de las hojas) y entra en la segunda etapa que se caracteriza por dos rasgos: separación celular (ataque de enzimas a la lámina media) y expansión celular. Al mismo tiempo, comienza la muerte celular programada (ver también el artículo anterior en Botany One). A medida que las células mueren, producen enzimas sincrónicamente para modificar la composición de la pared celular (Grandis et al., 2019), formando un compuesto (Leite et al., 2017) que se vuelve gradualmente recalcitrante a las hidrolasas (grandis et al., 2019) y terminan creando canales que supuestamente son impermeables a los gases y forman una serie de caminos interconectados que conducen el oxígeno a través de la raíz.

Al examinar cómo las formas de aerénquima pueden parecer esotéricas, es una pregunta valiosa. Podría haber una gran recompensa al comprender cómo se forma. El Prof. Buckeridge dijo: “Nuestro artículo podría ser interesante para aquellos que deseen saber más sobre cómo podemos manipular las plantas para producir más bioenergía a partir de la biomasa vegetal. Para ello, es fundamental obtener los azúcares de sustancias como la celulosa. Al romperlo, se produce glucosa que se puede dar a la levadura que fermenta el azúcar y produce etanol. Sin embargo, esto es muy difícil debido a que las paredes celulares (el compuesto que se encuentra fuera de todas las células vegetales) son mucho más complicadas y tienen varios otros polímeros además de la celulosa. Nuestro artículo describe cómo se activan los genes para producir proteínas (enzimas) que pueden romper esos polímeros. Esto es parte de una estrategia para que las plantas de caña de azúcar se comporten como una fruta, se vuelvan blandas y fáciles para que la industria obtenga los azúcares para la producción de etanol”.

Mejorar este proceso de conversión de azúcares en etanol podría ayudar a reducir las emisiones de dióxido de carbono. El Prof. Buckeridge dijo: “La caña de azúcar es uno de los principales cultivos bioenergéticos del planeta. Además de ser la principal fuente de azúcar (sacarosa) utilizada con fines alimentarios, también es una de las principales fuentes de etanol para su uso como biocombustible. La expansión de la caña de azúcar en Brasil sin ningún efecto sobre la producción de alimentos o sobre la conservación de los biomas, incluida la selva tropical, sería suficiente para desplazar hasta el 6% de la gasolina utilizada en la planta y también disminuir las emisiones de CO₂ hasta un 14% sobre la base de 2014 (Jaiswal et al., 2017). Para lograr objetivos como este, necesitaríamos usar no solo los azúcares libres (sacarosa) ya disponibles en los tejidos de la caña de azúcar, sino también obtener los azúcares de las paredes celulares. Así, uno de los procesos críticos para producir etanol a partir de la biomasa de las plantas se denomina hidrólisis. Este último proceso es necesario porque más del 60% de la masa (exceptuando el agua) de una planta son paredes celulares. Esto es lo que llamamos bioetanol de segunda generación (2G).

“Porque trabajé toda mi carrera (ahora 38 años) con el proceso endógeno de degradación de la pared celular en semillas (Buckeridge et al., 2005), cuando el tema de la bioenergía se volvió prominente a mediados de la década del 2000, decidí buscar procesos de desarrollo en la caña de azúcar donde las paredes celulares se estuvieran degradando. En ese momento, uno de mis estudiantes de doctorado estaba trabajando en el desarrollo de papaya. Estábamos observando procesos bastante interesantes en los que las células de la fruta se separan (el cemento -laminilla media- es degradado por las enzimas) y la dulzura de la fruta madura da el sabor dulce al consumidor. Pensé que tal vez podríamos encontrar procesos de desarrollo en la caña de azúcar que serían análogos a lo que he estudiado en semillas y frutas y tratar de usar eso para rediseñar la caña de azúcar para que se ablande como una fruta. A partir de ese momento denominé a este proyecto “caña de papaya”. Primero buscamos eso en la senescencia de la hoja pero no encontramos signos de modificación de la pared celular (Martins et al., 2016). Seguimos buscando hasta encontrar el aerénquima. Quedamos impresionados porque toda la corteza de las raíces colapsó, dejando restos de paredes celulares. Mi grupo fue entonces dirigido a investigar el aerénquima de la caña de azúcar con respecto a los eventos asociados con las paredes celulares. La descripción del proceso fue publicado en 2017 en Annals of Botany"Y ahora informamos sobre los mecanismos de expresión genética, producción de proteínas y actividad enzimática implicados en la formación de aerénquima".

“Junto con otros capítulos y artículos publicados (Grandis y otros, 2014,  Buckeridge y De Souza, 2014, Tavares et al., 2015, y otros), nos estamos acercando a lo que debería ser la caña de papaya. Tenemos buena evidencia de que un ataque a las pectinas en la lámina media (como sucede en la fruta) es lo que inicia el desarrollo del aerénquima y podría hacer el trabajo de ablandar la biomasa de la caña de azúcar. Utilizando un factor de transcripción descubierto por Tavares et al. (2019), que controla el primer paso del proceso, producimos plantas modificadas genéticamente. Estos se están analizando para ver si podrían estar cerca de lo que esperamos que sea la caña de papaya".

Si bien el documento responde algunas preguntas sobre cómo se forma el aerénquima, todavía queda mucho trabajo por hacer. El profesor Buckeridge dijo: "Uno de los principales objetivos de esta línea de investigación en mi laboratorio es comprender los mecanismos que podrían usarse para controlar la hidrólisis. de las paredes celulares para ablandar todo el cuerpo de la planta de caña de azúcar. Ahora pensamos que esto se puede hacer desencadenando el primer paso de la formación de aerénquima, es decir, la separación celular. Este primer paso por sí solo puede ser suficiente para ayudar a disminuir la demanda de energía para el proceso de producción de bioetanol 2G a partir de la caña de azúcar”.

El segundo objetivo se relaciona con la producción de hidrolasas más eficientes. Nuestro trabajo contribuye al desarrollo de cócteles enzimáticos específicos para la hidrólisis de la celulosa y las hemicelulosas de la caña de azúcar, de modo que la biomasa triturada se pretrate e hidrolice con mayor facilidad. La idea es que las hidrolasas de la pared celular producidas por una planta contra sus propias paredes celulares sean más eficientes en un proceso industrial. De una colección de aproximadamente 1,200 enzimas diferentes relacionadas con la pared celular de la caña de azúcar que hemos encontrado hasta ahora (pendiente de publicación), utilizamos el conocimiento adquirido en los estudios que realizamos sobre el aerénquima de la caña de azúcar para seleccionar dos enzimas candidatas. Clonamos y caracterizamos estos genes (una endopoligalacturonasa y una alfa-arabinofuranosidasa) y los expresamos heterólogamente en levadura. Estas enzimas se están caracterizando actualmente y pretendemos añadirlas a los cócteles enzimáticos utilizados en la industria y comprobar la hipótesis de que la eficiencia aumentaría con enzimas vegetales.

Uno de los principales desafíos que enfrentamos, y que aún enfrentamos, es la falta de una secuencia completa del genoma de la caña de azúcar. Sin embargo, este se ha desarrollado bastante bien recientemente, y ahora tenemos acceso a borradores del genoma que nos ayudan a obtener secuencias completas, promotores y muchos más detalles de las enzimas. Ya contamos con una lista de 29 hidrolasas de caña de azúcar que parecen ser buenas candidatas para ser utilizadas como aditivos en cócteles enzimáticos comerciales. Con las secuencias completas obtenidas del genoma y la posterior expresión heteróloga de dichas enzimas en microorganismos, los cócteles enzimáticos podrían mejorarse significativamente. Otra vía sería la activación de consorcios enzimáticos dentro de los tejidos de la caña de azúcar para promover la endohidrólisis, de modo que el proceso industrial pueda independizarse de los pretratamientos. Para lograr este objetivo, necesitaríamos instalar un sistema de formación de aerénquima en los demás órganos de la planta de caña de azúcar. A medida que adquirimos herramientas y comprendemos los mecanismos, creo que este es un desafío apasionante para la biología sintética en el futuro cercano.