Algo que la experiencia diaria de cualquiera de nosotros nos muestra, y quizá no le prestamos mucha atención al pasar por un parque de la ciudad o al salir de día de campo, es que las plantas son capaces de mantenerse erguidas, sin “aplastarse” como una masa sin forma de hojas, tallos y troncos en el suelo. Hay árboles como las sequoias que tienen alturas arriba de los 60 metros, se ha medido un árbol con la increíble altura de 115 metros.

¿Cómo es esto posible? Bueno, la explicación es que poseen una estructura celular muy importante que les permite desafiar las leyes de la gravedad -La Pared Celular-

Los componentes químicos de esta estructura son la clave para darle rigidez y forma a las células vegetales, incluidas las que constituyen las raíces, los tallos, los troncos y las hojas de las plantas. Las células de nuestro cuerpo o de cualquier especie animal no poseen esta estructura.

Pero, las plantas no son los únicos organismos cuyas células poseen una pared, ya que los hongos y las algas también la presentan, al igual que los organismos celulares más simples, como las eubacterias y las arqueobacterias. Aunque existe cierto parecido general en la composición química básica, las sustancias químicas más complejas y la estructura de la pared celular de cada uno de estos organismos presentan marcadas diferencias. 

¿Por qué estamos particularmente interesados en hablar aquí de la pared celular de las plantas y no de las de los otros grupos biológicos? Como lo explicaremos a continuación, la pared celular vegetal se ha convertido en los últimos años en un actor importante del desarrollo biotecnológico. 

La pared celular vegetal está hecha de polímeros

Es imposible en este espacio detallar el proceso completo que permite a las células vegetales ensamblar una estructura tan compleja, pero podemos intentar comprender cuáles son los componentes principales de la pared celular de las plantas y cómo interactúan.

Entre las estructuras químicas básicas que ensamblan la pared celular de las plantas se encuentran los azúcares simples o monosacáridos, destacándose la glucosa por su abundancia. Otros azúcares simples presentes en la pared son la xilosa, el ácido galacturónico, la galactosa, la arabinosa y la fucosa. Imaginemos que estos azúcares con nombres curiosos son eslabones con los que queremos formar cadenas. En el proceso de construcción de su pared, la célula vegetal ensambla “cadenas”, particularmente de glucosa, xilosa y ácido galacturónico, que pueden ser de cientos o en algunos casos, de miles de estos “eslabones”. Estas cadenas se llaman polímeros, que por estar formados de azúcares simples son polisacáridos.

La Celulosa.- El polímero formado por cadenas de glucosa es el polisacárido natural más abundante en los ecosistemas terrestres y se llama celulosa. Cuando varias cadenas de celulosa se asocian, se forman las microfibrillas de la pared celular vegetal, que pueden compararse con los “castillos” de varillas de fierro empleados en la construcción de un edificio. Las cadenas más cortas que la celulosa formadas por los otros azúcares mencionados constituyen distintos polímeros denominados genéricamente como hemicelulosa.

La Lignina.- Para complementar la estructura de la pared vegetal es necesario incluir otro tipo de compuesto complejo denominado lignina. Esta sustancia química no está construida con azúcares simples y no tiene la estructura de una cadena. Para formar la lignina, la planta hace uso de moléculas orgánicas denominadas alcoholes aromáticos o fenoles, estructuras de forma hexagonal que se unen para construir una “red” tridimensional. Aunque la comparación es muy simplista, imaginemos una red de gallinero o varias de estas redes orientadas en diferentes posiciones. Siguiendo con la comparación del edificio, la lignina podría ser como el concreto o cemento de la construcción, interactuando con las cadenas de celulosa y hemicelulosa para darle firmeza a la estructura de la pared. La reconstrucción que hemos hecho de la pared celular vegetal está simplificada, pero permite damos una idea de su complejidad química y estructural.

 

La pared celular cambia, es dinámica y diversa

La composición química de la pared celular vegetal y su conformación tridimensional no son estables. Al pasar de semilla a una planta madura, la pared celular se va modificando conforme la planta va desarrollando tejidos y órganos. Además, la pared es distinta en las estructuras que conforman una planta madura, de tal forma que la raíz, los tallos, las hojas y el tronco de árboles, presentan variaciones en la composición de polímeros y la estructura de la pared dentro de una misma planta.

Por último, la estructura de la pared celular es distinta entre diferentes especies de plantas. El maíz y el trigo presentan diferencias y ellos dos tienen una pared distinta a la de los pinos o los eucaliptos. Todo esto debe dejarnos la idea de que la pared celular es una estructura dinámica y diversa, que a partir de los mismos elementos básicos de construcción puede generar distintas versiones. Para seguir con nuestra comparación entre la pared celular y un edificio, es fácil imaginarse cualquier ciudad o voltear a ver alrededor de donde uno esté parado en cualquier calle, para darse cuenta cómo con los mismos elementos de construcción, se pueden generar edificios muy distintos.

Hongos y bacterias degradadores de pared celular de plantas

Las bacterias y los hongos son los responsables de “romper” tanto las “cadenas” de azúcares simples de celulosa y hemicelulosa, como las “redes” de lignina en la naturaleza. Cuando la hoja de un árbol cae al suelo del bosque, o se deja el tallo y las hojas de la planta del maíz en el suelo de la parcela de cultivo, inicia un proceso de descomposición muy complejo, cuya relevancia es que tanto bacterias como hongos producen proteínas  tipo enzimas que funcionan como “tijeras” que pueden “cortar” las fibras de celulosa y hemicelulosa, así como a la lignina, liberando fragmentos cada vez más pequeños que pueden ser utilizados por otros microorganismos para alimentarse, iniciando así un ciclo de reciclado de sustancias químicas en la naturaleza.

 

Aplicaciones de la degradación microbiana de la pared celular vegetal

Los científicos tienen gran interés en entender cómo ocurre el proceso de degradación de tejidos vegetales en la naturaleza, reproducirlo en el laboratorio y desarrollar plantas industriales del proceso a gran escala. Esto se debe a que la biomasa vegetal se ha convertido en una fuente importante de combustibles, que en un futuro no muy lejano pueden reemplazar completamente a los combustibles fósiles derivados del petróleo.

Una ventaja importante de los biocombustibles es que al utilizarse en motores no producen gases tóxicos, que además de afectar la salud humana y contaminar los ecosistemas, provocan el calentamiento global que tanta preocupación ha despertado en los últimos años. Para aprovechar todos los componentes de la biomasa vegetal, el paso clave es degradar la pared celular. La idea para la producción de los biocombustibles es que en un proceso industrial controlado, los polímeros sean degradados o “cortados” por las enzimas de bacterias y hongos, y los azúcares simples que resultan de dicha degradación sean convertidos en alcohol para ser utilizado como combustible.

Pero el biocombustible no es el único producto que se puede obtener de la degradación de la biomasa vegetal y los polímeros que conforman la pared celular. La recuperación y tratamiento adecuado de la lignina permite obtener emulsificantes, preservadores de madera, aditivos para la construcción, matriz para fertilizantes, así como productos químicos con aplicaciones en medicina humana y animal, incluyendo estimuladores del sistema inmune y sustancias antivirales. La actividad pecuaria también se ve beneficiada del proceso de degradación microbiana de la pared celular vegetal, ya que se puede obtener alimento enriquecido para vacas, borregos y chivos. Puede decirse que el tratamiento de biomasa vegetal con bacterias y hongos contribuye a mejorar la producción de leche y carne, ¡algo que quizá no nos hubiéramos imaginado!

El complejo industrial que permite generar todos esto productos se ha denominado biorrefinería, y echar a andar una empresa de esa índole involucra el esfuerzo de distintas áreas del conocimiento, desde microbiólogos y genetistas hasta ingenieros químicos y expertos en cómputo, marcando un nuevo hito en el desarrollo biotecnológico. Algo de lo que muy probablemente quieren formar parte los lectores jóvenes con intereses en la biotecnología. 

Saber Más

Centeno-Rumbos y Pavone-Maniscalco. 2015. Producción de celulasas y biomasa del hongo Trichoderma reesei utilizando lodo papelero como fuente de carbono. Revista de la Sociedad Venezolana de Microbiología, 35(1), 40-46.

http://www.redalyc.org/html/1994/199441803008/ 

Montoya S.B. 2014. Evaluación de actividades endoglucanasa, exoglucanasa, lacasa y lignina peroxidasa en diez hongos de pudrición blanca. Biotecnología en el Sector Agropecuario y Agroindustrial, 12(2),115-124.

http://revistabiotecnologia.unicauca.edu.co/revista/index.php/biotecnologia/article/view/347 

Segura-Vílchez y Navarrete-Coronado. 2012. Enzimas microbianas para producir moléculas con potencial uso terapéutico, el caso del xilitol. Revista Médica de Costa Rica y Centroamérica, LXIX (600), 25- 29.

http://new.medigraphic.com/cgi-bin/contenido.cgi?IDPUBLICACION=3612

 

La M. en C. Marina Arredondo Santoyo es estudiante del Programa Institucional de Doctorado en Ciencias Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, en la Opción de Biotecnología Molecular Agropecuaria.

El D. en C. Gerardo Vázquez Marrufo es investigador responsable del Laboratorio de Conservación y Biotecnología Microbiana del Centro Multidisciplinario de Estudios en Biotecnología, Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.