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Modificación enzimática de la celulosa para la producción de biomateriales

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Universitat de Barcelona. Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística

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[spa] La creciente preocupación por la sostenibilidad y el impacto ambiental de los derivados del petróleo ha impulsado el desarrollo de nuevos materiales basados en fuentes renovables y amigables con el medio ambiente. Entre estos materiales, los polímeros naturales, como la celulosa, han surgido como una de las alternativas más prometedoras para reemplazar los a los plásticos y otros polímeros contaminantes. La celulosa, que es el polímero más abundante en la tierra, ha demostrado ser un recurso valioso debido a su carácter biodegradable, renovable e insoluble en muchos solventes, atribuido a sus enlaces de hidrógeno y su estructura cristalina.
Esta tesis se enfoca en la modificación de la celulosa con dos propósitos diferentes. Primeramente, se exploró la funcionalización de la celulosa, es decir dotar este material de nuevas propiedades. Luego, se estudió el uso de celulasas como agentes biorefinadores para la producción de papel.
La primera funcionalización consistió en añadir a la celulosa bacteriana un biopolímero, el quitosano. Se produjeron nanocomposites de celulosa bacteriana y quitosano mediante dos métodos diferentes: sumergiendo hojas de celulosa bacteriana en una solución acuosa de quitosano (BC−ChI) y empapando la pulpa de celulosa bacteriana con quitosano antes de producir hojas de papel (BC−ChM). Estos nanocomposites se investigaron para evaluar sus características físicas, sus propiedades antimicrobianas y antioxidantes, así como su capacidad para inhibir la formación de biofilms en su superficie. Ambos nanocomposites conservaron el carácter hidrofóbico y las propiedades de barrera de la celulosa bacteriana. Además, los nanocomposites mostraron actividad antimicrobiana Staphylococcus aureus y Pseudomonas aeruginosa, así como contra la levadura Candida albicans. También se encontró que la incorporación de quitosano aumentó la actividad antioxidante de la celulosa bacteriana.
La segunda funcionalización se centró en la modificación enzimática de la celulosa bacteriana y vegetal mediante el uso de la enzima oxidativa SamLPMO10C, una monooxigenasa lítica de polisacáridos (LPMO). La celulosa bacteriana y vegetal fueron funcionalizadas por oxidación enzimática, lo que aumentó la cantidad de grupos carboxilo en ambas. A continuación, se añadió una solución de nitrato de plata y se produjeron soportes de papel que contenían nanopartículas
de este metal, lo que permitió la interacción entre los iones de plata y los grupos hidroxilo o carboxilo de las celulosas. La formación de nanopartículas de plata se dio mediante reducción
térmica. Estos soportes de papel funcionalizados con plata exhibieron propiedades antibacterianas contra Staphylococcus aureus.
SamLPMO10C demostró su potencial como enzima modificadora de celulosa y, por tanto, impulsó la investigación de estrategias de expresión que permitieran producir este tipo de enzimas de manera más eficiente, rápida y económica. Se ha producido exitosamente dos LPMOs activas, SamLPMO10C y ShaLPMO10A, en Escherichia coli y Streptomyces lividans. Seguidamente, se observó que ambas mostraron actividad oxidativa en un amplio rango de temperaturas, lo que las convierte en candidatas prometedoras para ser utilizadas a nivel industrial.
La segunda modificación de la celulosa consistió en la evaluación del potencial de la enzima Cel6D, una exocelulasa recientemente descubierta, como agente biorefinador para la pasta de lino. Se compararon los efectos de Cel6D con otra enzima, Cel9B, y una combinación de ambas. Los resultados mostraron que los tratamientos con las enzimas Cel6D y Cel9B, tanto por separado como combinadas, mejoraron la permeabilidad al aire de las hojas de pasta de lino. Además, las enzimas tuvieron efectos variados en las propiedades mecánicas de las hojas de papel, como el índice de resistencia a la tensión, el índice de resistencia a la tracción y el índice de resistencia al rasgado, lo que sugiere que las exocelulasas y endocelulasas pueden tener aplicaciones diferenciadas en procesos de biorefinado y en otras aplicaciones biotecnológicas

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[eng] The growing concern for sustainability and the environmental impact of petroleum derivatives has driven the development of new materials based on renewable and eco-friendly sources. Among these materials, natural polymers like cellulose have emerged as one of the most promising alternatives to replace plastics and other polluting polymers. Cellulose, the most abundant polymer on Earth, has proven to be a valuable resource due to its biodegradable, renewable, and insoluble nature in many solvents, attributed to its hydrogen bonds and crystalline structure.
This thesis focuses on the modification of cellulose with two different purposes. Firstly, functionalization of cellulose was explored, aiming to impart new properties to the material. Secondly, the use of cellulases as biorefining agents for paper production was studied.
In the first functionalization, a biopolymer called chitosan was added to bacterial cellulose. Nanocomposites of bacterial cellulose and chitosan were produced using two different methods: immersing bacterial cellulose paper in an aqueous chitosan solution (BC−ChI) and impregnating bacterial cellulose pulp with chitosan before paper production (BC−ChM). These nanocomposites were investigated to evaluate their physical characteristics, antimicrobial and antioxidant properties, as well as their ability to inhibit biofilm formation on their surface. Both nanocomposites retained the hydrophobic character and barrier properties of bacterial cellulose. Additionally, they exhibited antimicrobial activity against Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa, as well as Candida albicans. Furthermore, the incorporation of chitosan increased the antioxidant activity of bacterial cellulose.
The second functionalization focused on the enzymatic modification of bacterial and plant-origin cellulose using the oxidative enzyme SamLPMO10C, a lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO). Bacterial and plant-origin celluloses were functionalized through enzymatic oxidation, which increased the number of carboxyl groups in both. Subsequently, a silver nitrate solution was added, and paper supports containing silver nanoparticles were produced, allowing interaction between silver ions and hydroxyl or carboxyl groups of the celluloses. The formation of silver nanoparticles occurred through thermal reduction. These silver-functionalized paper supports exhibited antibacterial properties against Staphylococcus aureus.
 
SamLPMO10C demonstrated its potential as a cellulose-modifying enzyme, prompting research into expression strategies to produce these enzymes more efficiently, rapidly, and economically.Two active LPMOs, SamLPMO10C and ShaLPMO10A, were successfully produced in Escherichia coli and Streptomyces lividans. Additionally, both enzymes showed oxidative activity across a wide temperature range, making them promising candidates for industrial applications.
The second cellulose modification involved evaluating the potential of the enzyme Cel6D, a recently discovered exocellulase, as a biorefining agent for flax pulp. Its effects were compared with another enzyme, Cel9B, and a combination of both. The results indicated that treatments with Cel6D and Cel9B, either separately or combined, improved the air permeability of flax pulp sheets. Moreover, the enzymes had varied effects on the mechanical properties of the paper sheets, such as tensile strength index, tear resistance index, and tensile index, suggesting that exocellulases and endocellulases may have different applications in biorefining processes and other biotechnological applications.

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cc by-nc-sa (c) Cabañas Romero, Lourdes Verónica, 2024

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Tesis Doctorals - Departament - Genètica, Microbiologia i Estadística

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Modificación enzimática de la celulosa para la producción de biomateriales