Biotecnología para la Biomasa Lignocelulósica

Los objetivos científicos de nuestro grupo están relacionados con:

1. Proporcionar conocimiento sobre la biodegradación de la biomasa vegetal con especial énfasis en la transformación y degradación de la lignina por hongos, un proceso clave para el reciclaje del C en la naturaleza, y el aprovechamiento integral de la biomasa vegetal como materia prima frente al uso de recursos fósiles en las Biorrefinerías de Lignocelulosa.
2. Promover el uso de estos organismos y sus enzimas (mejoradas en el laboratorio por técnicas de biología molecular, ingeniería de proteínas, diseño computacional y biología sintética) para la conversión industrial de materias primas renovables en productos químicos o materiales bio-basados, incluyendo la síntesis de bioplásticos.
3. Contribuir de esta forma al concepto de (Bio)economía Circular a través de procesos industriales más sostenibles, eficientes y limpios (y con menor huella de carbono) en los que no se generan o se aprovechan los residuos (agrícolas, forestales o industriales), así como a la valorización y reciclaje de los polímeros plásticos derivados del petróleo.

Para alcanzar los objetivos anteriores, desarrollamos líneas de investigación básica y aplicada. Las primeras se centran en desvelar la composición y entender el funcionamiento de las maquinarias enzimáticas responsables de la transformación de la lignocelulosa por hongos especializados en su degradación (proyectos CSP15-1609 de DOE-JGI y GenoBioref de BIO2017). Para ello realizamos estudios multiómicos, incluyendo análisis secretómicos, transcriptómicos y de genómica comparada de gran variedad de especies de hongos saprófitos, completados con análisis químicos de los sustratos degradados. Estos estudios son fundamentales para el descubrimiento de nuevas enzimas. Nos interesan de manera particular las oxidorreductasas implicadas en la biodegradación del polímero de lignina y otros compuestos aromáticos, de gran interés biotecnológico. De especial interés son también las peroxigenasas secretadas por los hongos saprófitos, homólogas de los P450 (intracelulares) pero filogenéticamente no relacionadas. Ambas comparten la capacidad de catalizar selectivamente reacciones de oxigenación difíciles de conseguir por métodos químicos pero, mientras que los P450 necesitan proteínas auxiliares y una fuente de poder reductor, las peroxigenasas fúngicas son autosuficientes y sólo necesitan peróxido para activarse. Este hecho, junto con su mayor robustez como enzimas secretadas, les confiere un potencial biotecnológico mucho mayor como biocatalizadores selectivos en el sector químico. Finalmente, los estudios filogenéticos y evolutivos de todas estas enzimas, y la reconstrucción computacional y posterior resurrección y caracterización de enzimas ancestrales, proporcionan valiosa información para conocer los cambios responsables de las propiedades de las enzimas actuales y para el diseño de nuevas enzimas a la carta de interés industrial.

Las líneas de investigación aplicada parten de la expresión heteróloga de las oxidorreductasas actuales o resucitadas más interesantes desde un punto de vista biotecnológico. Estos proyectos se centran en la mejora de sus propiedades o la adquisición de las nuevas funcionalidades requeridas (para cada aplicación específica) mediante la evolución dirigida y/o el diseño racional, así como en su utilización como biocatalizadores en reacciones oxidativas de síntesis o degradación de interés industrial, como las investigadas en los proyectos WoodZymes (https://woodzymes.eu), SusBind (https://susbind.eu), y FurEnPol (PLEC2021-007690), liderados por nuestro grupo. Nuestro trabajo en estos proyectos se centra en enzimas de tipo (i) oxidasa multicobre, (ii) hemo-peroxidasa, (iii) hemo-peroxigenasa, y (iv) flavo-oxidasa, y su empleo como biocatalizadores en la conversión de materiales vegetales en compuestos de valor añadido o en componentes de productos bio-basados, desarrollando reacciones de oxidación y oxifuncionalización de interés en Química Verde. El grupo participa además en la Plataforma Temática Interdisciplinar SusPlast del CSIC sobre "Plásticos Sostenibles para una Economía Circular", con el objeto de contribuir con soluciones biotecnológicas a la producción de plásticos bio-basados a partir de fuentes renovables y la transformación y reciclaje de polímeros derivados del petróleo.

Las actividades realizadas por nuestro grupo se alinean con varios de los retos de cambio global propuestos en la Estrategia CSIC 2025. En este sentido, contribuimos activamente a encontrar respuestas a desafíos científicos con un alto impacto social, como los incluidos en los proyectos WoodZymes, SusBind y FurEnPol mencionados anteriormente. Del mismo modo, nuestro trabajo de investigación queda recogido en patentes y publicaciones internacionales de primer nivel y de alto impacto, fruto de colaboraciones de carácter interdisciplinar, que nos han permitido consolidar colaboraciones con universidades, centros de investigación y empresas nacionales, europeos y estadounidenses.