Desarrollo de complejos enzimáticos bacterianos para la valorización de biomasa lignocelulósica

Topalian, Juliana

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Título:	Desarrollo de complejos enzimáticos bacterianos para la valorización de biomasa lignocelulósica
Título alternativo:	Development of bacterial enzyme cocktails for the valorization of lignocellulosic biomass
Autor:	Topalian, Juliana
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Lugar de trabajo:	Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria - CONICET. Instituto de Agrobiotecnología y Biología Molecular (IABIMO)
Fecha de defensa:	2026-02-03
Fecha en portada:	16 de diciembre de 2025
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Química Biológica
Departamento Docente:	Departamento de Química Biológica
Director:	Campos, Eleonora
Director Asistente:	Blasco, Martín
Consejero:	Pérez, Oscar Edgardo
Jurado:	Asención Diez, Matías Damián; Curatti, Leonardo; Figuerola, Eva Lucía Margarita
Idioma:	Español
Palabras clave:	BIOMASA LIGNOCELULOSICA; COMPLEJOS ENZIMATICOS; CAZIMAS; XILANASA; GLUCURONOXILANASA; VALORIZACION DE RESIDUOS AGROINDUSTRIALES; NUTRICION ANIMAL; ACTIVIDAD ANTIOXIDANTE; ESTIMULACION INMUNE VEGETALLIGNOCELLULOSIC BIOMASS; ENZYME COMPLEXES; CAZYMES; XYLANASE; GLUCURONO-XYLANASE; AGRO-INDUSTRIAL WASTE VALORIZATION; ANIMAL NUTRITION; ANTIOXIDANT ACTIVITY; PLANT IMMUNE STIMULATION
Formato:	PDF
Handle:	https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7888_Topalian
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7888_Topalian.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7888_Topalian
Ubicación:	QUI 007888
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Topalian, Juliana. (2026). Desarrollo de complejos enzimáticos bacterianos para la valorización de biomasa lignocelulósica. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7888_Topalian

Resumen:

La biomasa lignocelulósica, integrada principalmente por celulosa y hemicelulosa, constituye una fuente estratégica para la producción de biocombustibles y bioproductos. Su aprovechamiento eficiente requiere cócteles enzimáticos capaces de hidrolizar estos polímeros de manera específica, generando oligosacáridos bioactivos o monómeros fermentables. El objetivo central de esta tesis fue estudiar enzimas bacterianas activas sobre polisacáridos estructurales de la biomasa vegetal y desarrollar complejos enzimáticos aplicables en bioprocesos. Se optimizaron las condiciones de cultivo de Paenibacillus xylanivorans A59 para obtener un extracto enzimático enriquecido en actividades dirigidas a la hemicelulosa, evaluando distintas fuentes de carbono y la producción en matraces y biorreactores. El salvado de trigo resultó ser el mejor inductor de actividad extracelular, y la producción en biorreactor permitió obtener cinco veces más actividad enzimática que la producción en matraces. El análisis proteómico reveló un repertorio diverso de enzimas activas sobre carbohidratos, identificándose a la xilanasa PxXyn10A, de la familia GH10, como la más abundante. Asimismo, se identificaron dos enzimas de la familia GH30, una potencial glucurono xilanasa (subfamilia 8) y una β-xilosidasa intracelular (subfamilia 2), que fueron expresadas de manera recombinante para su caracterización funcional: PxXyn30_8 y PxXyl30_2. La enzima PxXyl30_2 mostró actividad restringida a un sustrato modelo, sin evidencias de acción sobre xilo-oligosacáridos, por lo que su rol biológico permanece incierto. En cambio, la enzima PxXyn30₈ presentó actividad glucurono-xilanasa específica, con capacidad inédita de tolerar decoraciones de ácido (metil)glucurónico en la posición +1 de la cadena de glucurono-xilano. La combinación de esta enzima con las endo-xilanasas extracelulares PxXyn10A y PxXyn11B mejoró la hidrólisis de glucurono-xilanos presentes en biomasa lignocelulósica, como el bagazo de agave. Se exploró el desarrollo de formulaciones enzimáticas para aplicaciones concretas. El extracto extracelular mejoró la solubilización de glucanos en alimentos balanceados para aves, estableciendo bases para su empleo como aditivo multienzimático en nutrición animal. Asimismo, la suplementación del extracto con β-xilosidasas y α-L-arabinofuranosidasas permitió una conversión más eficiente del xilano contenido en residuos agrícolas ricos en arabino-xilano, evidenciando el potencial de estas formulaciones en esquemas de biorrefinería. La hidrólisis del bagazo de agave, residuo rico en glucurono-xilano, permitió obtener xilo-oligosacáridos con propiedades bioactivas. La acción de PxXyn30_8 generó xilo-oligosacáridos ácidos de mayor longitud con actividad antioxidante superior a la obtenida con las otras xilanasa estudiadas. Asimismo, los xilo-oligosacáridos generados por hidrólisis del bagazo de agave con el extracto enzimático de P. xylanivorans, promovieron la respuesta inmune en plantas de tabaco frente al virus del mosaico. Es de destacar que el sobrenadante de cultivo por sí mismo también efecto protector en plantas, abriendo nuevas líneas de investigación. En conjunto, esta tesis doctoral permitió obtener y caracterizar extractos y cócteles enzimáticos bacterianos eficientes para la degradación de hemicelulosas, validando su aplicación en nutrición animal, biorrefinerías y generación de compuestos bioactivos. Estos resultados establecen bases sólidas para el diseño de formulaciones enzimáticas con alto valor agregado, orientadas al aprovechamiento sustentable de biomasa vegetal en el marco de la bioeconomía circular.

Abstract:

Lignocellulosic biomass, mainly composed of cellulose and hemicellulose, represents a strategic feedstock to produce biofuels and bioproducts. Its efficient utilization requires tailored enzymatic cocktails capable of hydrolyzing these structural polymers into bioactive oligosaccharides or fermentable sugars. The aim of this doctoral thesis was to study bacterial enzymes active on plant cell wall polysaccharides and to develop enzyme cocktails applicable to bioprocesses. Culture conditions of Paenibacillus xylanivorans A59 were optimized to obtain an extracellular enzymatic extract enriched in hemicellulose-degrading activities, testing different carbon sources and production in flasks and bioreactors. Wheat bran was identified as the most effective inducer, and bioreactor cultivation increased extracellular enzymatic activity fivefold compared to flask cultures. Proteomic analysis revealed a diverse repertoire of carbohydrate-active enzymes, with the GH10 xylanase PxXyn10A being the most abundant. Besides, two GH30 enzymes were identified, including a putative glucurono-xylanase (subfamily 8) and an intracellular β-xylosidase (subfamily 2), which were recombinantly expressed and functionally characterized: PxXyn30_8 and PxXyl30_2. PxXyl30_2 showed activity restricted to a model substrate, with no evidence of action on xylo-oligosaccharides, leaving its biological role unclear. Conversely, PxXyn30_8 exhibited specific glucurono-xylanase activity and an unprecedented tolerance to (methyl)glucuronic acid substitutions at the +1 position of glucurono-xylan chains. Its combination with extracellular endo-xylanases PxXyn10A and PxXyn11B enhanced glucurono-xylan hydrolysis in lignocellulosic biomass such as agave bagasse. Enzyme formulations were explored for practical applications. The extracellular extract improved glucan solubilization in poultry feed, establishing a basis for its use as a multienzyme additive in animal nutrition. Supplementation with β-xylosidases and α-L-arabinofuranosidases enhanced xylan conversion from agricultural residues rich in arabinoxylan, demonstrating potential for biorefinery applications. Hydrolysis of agave bagasse, a residue rich in glucurono-xylan, generated xylo-oligosaccharides with bioactive properties. The action of PxXyn30_8 generated longer acidic xylo-oligosaccharides with antioxidant activity superior to that obtained with the other xylanases studied. Furthermore, xylo-oligosaccharides generated by hydrolysis of agave bagasse using the P. xylanivorans enzymatic extract promoted immune responses in tobacco plants against tobacco mosaic virus. Notably, the culture supernatant itself also exhibited a protective effect in plants, opening new lines of investigation. Overall, this work enabled the development and characterization of efficient bacterial enzyme extracts and cocktails for hemicellulose degradation, validating their application in animal nutrition, biorefineries, and the generation of bioactive compounds. These results provide a solid foundation for designing high-value enzymatic formulations for the sustainable utilization of plant biomass within the framework of the circular bioeconomy.

Citación:

---------- APA ----------

Topalian, Juliana. (2026). Desarrollo de complejos enzimáticos bacterianos para la valorización de biomasa lignocelulósica. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7888_Topalian

---------- CHICAGO ----------

Topalian, Juliana. "Desarrollo de complejos enzimáticos bacterianos para la valorización de biomasa lignocelulósica". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2026.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7888_Topalian

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