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Introducción
Cuenta la mitología griega que Prometeo entregó a los hombres la sabiduría. Pero la realidad es que el hombre ha desarrollado los saberes. En la actualidad es imprescindible orientar sabiamente el rumbo del conocimiento, ya que el vertiginoso avance de la ciencia y la tecnología ha colocado a la humanidad en la cúspide del bien y del mal (Valdés, Hernández, Pimentel, López & Flores, 2004).
Es preciso conocer mejor los procesos técnicos, su impacto y sus inter-relaciones con la evolución económica para que tanto los individuos como los gobiernos pueden comprender e influir en el progreso técnico y encausarlo (Organización de Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, 1997). La ciencia, convertida en una fuerza productiva basada en la generación de conocimientos para la búsqueda de soluciones a estos problemas, será la base que puede asegurar un desarrollo sostenible a mediano plazo y puede además resolver la problemática del desarrollo (Concepción & González, 2013).
Es importante recordar los inmensos esfuerzos de Fidel por hacer de Cuba un país de hombre de ciencias, idea que intentó expandir para el resto de los pueblos de América que han apostado por los nobles propósitos de la sostenibilidad, pues, como subrayó, los maestros deben sentir la necesidad de saber hacia dónde encaminan sus razonamientos, “porque todos los que enseñamos tenemos una tarea por delante: conducir a los que llegan a nosotros y guiarlos por la senda oscura”.
En el recién clausurado 11no. Congreso Internacional de Educación Superior, Spengler (2018), refiriéndose al compromiso personal de los hombres de ciencia de hoy, enfatizó en que ese compromiso no puede ser pasivo y dijo que “Es necesario vivir, crear y fundar, y cada uno de nosotros debe hacerlo en la medida de sus posibilidades”.
Esta advertencia convoca a que cada cual, desde la posición que ocupa en su rango profesional, debe tener en cuenta cómo contribuir a que su labor pueda conducir a resolver un problema en la sociedad y más aun cuando estos tiempos exigen del profesional comprometido, su aporte a la sostenibilidad del mundo.
La hidrólisis enzimática: sus generalidades
Las enzimas son compuestos degradadores, pertenecen a las proteínas de forma globular, funcionan como unidades funcionales del metabolismo celular, actúan acelerando reacciones químicas biológicas como reguladoras de rutas metabólicas y para esta finalidad necesitan valores de pH y temperatura óptimos.
Existen enzimas sintéticas y también enzimas de origen microbiológico. En este estudio se estudian las de origen microbiológico que son capaces de degradar en un proceso conocido como hidrólisis.
La hidrólisis enzimática de la celulosa está basada en la habilidad de hongos y bacterias de producir un set de enzimas extracelulares capaces de degradar las moléculas de D-glucosa (Albernas, et al., 2014) que componen la estructura de la celulosa.
La hidrólisis enzimática va ganando terreno (Morales, et al., 2010), debido a que la hidrólisis ácida empleada para la obtención de azúcares fermentables (Boutros, Sarrouh & Jover, 2005) ha generado algunos problemas en cuanto a costo y rendimiento.
Aunque un gran número de microorganismos hongos, bacterias y actinomicetos) son capaces de degradar la celulosa, como los micro hongos celulolíticos pertenecientes a los géneros Trichoderma y Aspergillus que son productores de celulasas notables (De Vries & Viser, 2001), existe el problema de que sólo unos pocos de los microorganismos producen cantidades significativas de fracciones de enzimas libres capaces de la hidrólisis completa de la celulosa in vitro.
La búsqueda continua de organismos altamente secretadores de enzimas celulolíticas para optimizar la producción (Narasimha, Sridevi, Viswanath, Chandra & Reddy, 2006) es una prioridad de la Biotecnología industrial aplicada a la obtención de azúcares reductores.
La comprensión de estos microorganismos no sólo juega un papel muy importante por sus aplicaciones industriales sino en el proceso de reciclaje de varios productos como la celulosa en la biosfera (Han, Feng, Zhu & Zhang, 2009). También se han encontrado algunos microorganismos con potenciales capacidades degradadoras del material biomásico en la micro biota simbionte de animales como la lombriz de tierra (Salvador, et al., 2011; Salvador, et al., 2012). Las herramientas modernas de metagenómica, interactoma, metabolómica y pirosecuenciación logran estudiar los diferentes genomas degradarores, existentes en los intestinos del animal, que pueden ser altamente eficientes en la hidrólisis enzimática, pero el coste económico de éstas tecnologías es bastante alto.
Para la hidrólisis enzimática completa es necesaria la actividad de tres enzimas celulolíticas, compuesta por endo y exoglucanasas suplementadas con ß-glucosidasas cuyo objetivo es asegurar la ruptura de las moléculas de celobiosa generadas por la acción de las otras enzimas (Breuil, Chan & Saddler, 1990).
Al respecto es difícil que un solo microorganismo, de forma natural pueda producir las enzimas celulolíticas necesarias para una degradación exitosa. Es importante la acción sinergística de varios microorganismos (Ryu & Mandels, 1980). Esto también ha conllevado a la necesidad de crear microorganismos modificados genéticamente (Mesa, González, Cara, Ruiz, Castro & Mussatto, 2010), aprovechando herramientas tecnológicas que se conocieron en la década de los 70, con el descubrimiento realizado por Stanley Cohen y Herbert Bayer que emplean el aislamiento e inserción de un genoma a otro (Antunes, Pereira & Ebole, 2006). Es por ello que se reprograman organismos productores de enzimas celulolíticas para obtener cantidades altas de las enzimas en estudio.
Pese a que con el advenimiento de la genética moderna los costos de producción de azúcares a partir de estas fracciones recalcitrantes se han reducido significativamente (Adsul, et al., 2004; Kovacs, Szakacs & Zacch, 2009), aún el proceso no es eficiente a escala industrial.
Existe carencia de biocatalizadores tolerables a las condiciones de laboratorio e industriales y la producción de enzimas de interés muestra una baja actividad y por lo tanto son consumidas de forma elevada.
Para reducir el coste de las enzimas se pueden investigar nuevas fuentes de enzimas y/o se pueden reciclar las enzimas utilizando su relativa alta estabilidad y su alta afinidad por la celulosa.
Al respecto a nivel mundial e iberoamericano, representando el 50% y 53% bajo el código de clasificación C12N, relacionado al estudio de microorganismos o enzimas, se encuentran clasificadas más de la mitad de patentes (Red de Indicadores de Ciencia y Tecnología -Iberoamericana e Interamericana, 2015), tal como se observa en la figura 1.
Enzimas
Fig 1 - Principales códigos de clasificación (4 dígitos) en el mundo e Iberoamérica para Biotecnología (acumulado 2007-2013).
Resulta prioritario estudiar la interacción de las enzimas que degraden lignina (lacasas), celulosa (celulasas) y xilanasas para mejorar el proceso de degradación de biomasa y surge conveniente atender a la siguiente interrogante: ¿Por qué emplear enzimas para degradar la biomasa?
La degradación de la biomasa a partir de enzimas
La biomasa constituye la materia prima más abundante del planeta. Se considera que desempeña el mismo papel que el petróleo en el siglo XX (Sims, et al, 2010).
Aunque se han realizado varios estudios sobre su manejo, aún no se encuentra una aplicación práctica significativa (Mesa, et al., 2010). No obstante, es considerado un subproducto de enorme disponibilidad que se genera a partir de diferentes fuentes como la agroindustrial (Álvarez, et al., 2012).
La biomasa vegetal representa una de las fuentes más importantes sostenibles de combustibles orgánicos, productos químicos y materiales (Lynd, 1999).
La utilización de la biomasa celulósica sigue siendo un tema de interés mundial en vista del agotamiento rápido del petróleo (Chinedu, Okochi & Omidiji, 2011) y de las altas posibilidades químicas energéticas de esta materia prima.
La bioconversión de las lignocelulosas se está estudiando como un medio para aliviar la escasez de los alimentos, la energía y la reducción de la contaminación. Sin embargo, la conversión de biomasa basada solo en la utilización de celulosa tiene pocas oportunidades de volverse económicamente atractiva (Ghose & Bisaria, 1987).
La búsqueda de nuevos crudos enzimáticos de origen microbiológico, que permitan aprovechar la capacidad celulolítica de hongos y bacterias existentes en material en degradación de bosques, residuos sólidos urbanos y residuos agrícolas, en el contexto de una biorefinería, constituye una alternativa interesante ante los retos que impone el modelo actual de desarrollo.
Consecuentemente a esto, la caracterización de las fuentes enzimática, su optimización en el proceso de hidrólisis y la recirculación de las mismas es un objetivo prioritario, debido a que la biomasa lignocelulósica, también posee enzimas (Mussato & Teixeira, 2010).
Hacer esto desde las universidades en beneficio del desarrollo sustentable local de cualquier país tiene un gran valor intangible.
La propuesta tecnológica en la que se basa el estudio realizado, desde la perspectiva de la ciencia universitaria, establece una estrategia en la que se generan nuevos crudos enzimáticos a partir de técnicas biotecnológicas tradicionales y modernas y se ofrece una información sobre los mecanismos de acción de las enzimas estudiadas (Leal, 2018).
El método a emplear incluye un estudio de vigilancia tecnológica, el desarrollo de experimentos con variables de entrada y salida para comprender los parámetros que afectan la producción enzimática y los tipos de enzimas producidas.
Sin embargo, como todo estudio novedoso, se encuentran contradicciones a solucionar mediante la representación del fenómeno en modelos matemáticos y se determinan las mejores condiciones de obtención del producto con capacidad degradadora para posterior verificación experimental.
¿Qué impactos puede generar la propuesta tecnológica?
Según el estudio realizado, se prevé que los impactos esperados no responden únicamente al orden científico-técnico como se ha explicado, sino que lleva implícito una repercusión en el ámbito económico, social y ambiental.
Las razones en que se sustenta este planteamiento obedece en primer lugar a que la materia prima empleada no compite con la biomasa alimenticia, aspecto relevante si tenemos en cuenta la necesidad de encontrar fuentes renovables de recursos para la obtención de productos con alto valor agregado, los que pueden ser considerados como productos innovadores, de mayor rentabilidad para su empleo y que no comprometan la alimentación de la población.
Esta alternativa contribuye a reducir el volumen de desechos (aproximadamente en un 40%), aspecto que reduce los problemas referidos al tratamiento, gestión y riesgo por la proliferación de los diferentes tipos de desechos urbanos, agrícolas y forestales que conduce a la toma de medidas para proteger el Medio Ambiente, contrarrestar los efectos negativos del cambio climático mundial, mitigar los gases de efecto invernadero, disminuir los lixiviados que contaminan las aguas subterráneas, previene el deterioro del suelo a consecuencia de la deforestación, limitando los avances de la frontera ganadera y agrícola que atentan contra los ecosistemas, aspecto que defiende Funes (2005), en sus estudios relativos al tema y que se corresponden con las acciones encaminadas al cumplimiento del Objetivo 12 de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas para garantizar modalidades de consumo y producción sostenibles, debatido y propuesto en la reunión de Hábitat III y planteados en el Plan del Buen Vivir en Ecuador, que promueve el crecimiento económico sostenido, inclusivo y sostenible, impulsar indirectamente el desarrollo de la matriz productiva y energética de nuestros países, aspecto que en el nivel económico disminuye el coste de producción, por lo tanto incrementa la rentabilidad de la inversión.
Finalmente es importante resaltar que estas temáticas constituyen un apoyo para el desarrollo de estudios de alto impacto y formación de alto nivel que garantizan la pertinencia de las investigaciones científicas universitarias las que convocan a atender las nuevas urgencias, demandas y desafíos de la sociedad.
Conclusiones
Constituye un reto de la ciencia universitaria, desempeñar su rol como centro de generación del conocimiento, caracterizado por la calidad y pertinencia de todos los procesos que en ella se desarrollan, logrando para este fin una integración con los actores sociales que conduzca a lograr un verdadero compromiso para favorecer el desarrollo local y territorial.
La posibilidad de las universidades de desempeñar en sus territorios este rol como centro de generación de conocimiento capaz de pronosticar y evaluar alternativas de desarrollo local constituye un valor intangible que potencia el uso de sus recursos humanos y de equipamiento en bien del beneficio del desarrollo local.
La existencia probada mediante la investigación científica, de nuevos crudos enzimáticos con alta actividad catalítica, hace factible su incorporación al diseño industrial de una tecnología de producción in situ de enzimas para descomponer los desechos biomásicos en un contexto de diversificación del producto.
La obtención de una tecnología enzimática propia constituye una herramienta poderosa, resultado de la colaboración y cooperación internacional, fundamentalmente entre países en vías de desarrollo, en materia de ciencia, tecnología e innovación en la que se involucran universidades de estos países, aspecto que muestra la importancia de lograr alianzas con el objetivo estratégico de avanzar en los procesos de desarrollo con una mayor inserción en las dinámicas sociales y productivas.
La introducción de este resultado redundará tanto en el desarrollo de conocimientos que abre las posibilidades de obtención de nuevos productos e instalaciones tecnológicas, así como la creación de empleo y probables productos de beneficio social.
