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Integrated bioprocess development for laccase production by an endophytic Trametes villosa isolated from cocoa agro-industrial waste

Este estudio demuestra una estrategia de bioproceso sostenible que utiliza desechos agroindustriales del cacao para aislar y optimizar la producción de lacasa de *Trametes villosa*, seguida de la inmovilización de la enzima en quitosano para crear un biocatalizador eficiente y reutilizable para la degradación de colorantes.

Autores originales: Sophia Alves Luzeiro, João Victor Younes Oliveira, Gustavo Vieira Olivieri, Antonio d'Angelo, Rosa Turco, Riccardo Tesser, Bruna Pratto, Andreia de Araújo Morandim-Giannetti

Publicado 2026-08-13

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CC BY 4.0

Autores originales: Sophia Alves Luzeiro, João Victor Younes Oliveira, Gustavo Vieira Olivieri, Antonio d'Angelo, Rosa Turco, Riccardo Tesser, Bruna Pratto, Andreia de Araújo Morandim-Giannetti

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina el mundo de la ciencia como una cocina gigante y bulliciosa donde los chefs intentan constantemente inventar nuevas recetas. Algunos chefs trabajan con productos químicos, otros con la luz, pero un grupo especial de chefs trabaja con pequeños ayudantes invisibles llamados enzimas. Piensa en las enzimas como tijeras microscópicas o pinceles que pueden cortar cosas o pintar cuadros nuevos, pero que solo funcionan si se mantienen en la temperatura y humedad adecuadas. Un tipo de enzima muy famoso se llama "lacasa". Puedes pensar en la lacasa como un quitamanchas de óxido superpotente o un blanqueador que actúa sobre materia orgánica, capaz de descomponer colores y sustancias químicas persistentes. A los científicos les encanta la lacasa porque puede ayudar a limpiar el agua sucia y convertir los desechos en algo útil. Pero encontrar una buena fuente para estas enzimas es como encontrar una especia rara; normalmente, los científicos las buscan en bosques o laboratorios. Este artículo hace una pregunta diferente: ¿Podemos encontrar estas enzimas útiles escondidas dentro de la basura que tiramos al fabricar chocolate?

Los investigadores de este estudio decidieron mirar dentro de los desechos que quedan de la agricultura del cacao: las cáscaras, tallos y hojas que normalmente se desechan después de cosechar los granos para el chocolate. Trataron estos desechos como un mapa del tesoro, con la esperanza de encontrar una tripulación oculta de hongos microscópicos viviendo dentro de las partes de la planta. Buscaban un tipo específico de hongo que pudiera producir lacasa. Después de buscar entre 25 diferentes candidatos microscópicos que encontraron en los desechos de cacao, descubrieron a un campeón: un hongo llamado Trametes villosa (cepa CC4). Este hongo era una fábrica de lacasa. El equipo luego jugó un juego de "Goldilocks" (el de la temperatura justa), probando diferentes temperaturas y niveles de acidez para ver exactamente cómo hacer que este hongo produjera la mayor cantidad de enzima. Descubrieron que el hongo funcionaba mejor en un ambiente ligeramente ácido (como un jugo de limón suave) y a una temperatura acogedora y moderada de 28 °C. También rastrearon qué tan rápido trabajaba el hongo a lo largo del tiempo, descubriendo que producía la mayor cantidad de enzima en el quinto día de su ciclo de vida, siguiendo una curva de crecimiento predecible en forma de "S".

Para hacer esta enzima aún más útil, los científicos no solo la dejaron flotando en un líquido; le dieron un hogar. Pegaron la enzima a pequeñas cuentas hechas de quitosano (un material derivado de las cáscaras de crustáceos), creando un "biocatalizador" que podía usarse una y otra vez. Probaron esta nueva herramienta en dos tipos diferentes de colorante: Azul Brillante Remazol R y Bromofenol Azul. Los resultados fueron impresionantes. La enzima atrapada en las cuentas de quitosano eliminó por completo el color del colorante Remazol y eliminó el 99,9 % del color del Bromofenol Azul. Aún mejor, cuando lavaron las cuentas y las usaron de nuevo, seguían funcionando casi tan bien como la primera vez, manteniendo su poder durante al menos tres ciclos.

El artículo sugiere que este enfoque —encontrar un hongo en los desechos de cacao, optimizar su crecimiento y pegarlo a una cuenta reutilizable— es una forma poderosa de convertir basura de bajo valor en una herramienta de limpieza de alto valor. Los investigadores midieron la velocidad de la enzima y confirmaron que funciona eficientemente, pero también señalaron que la enzima no funcionaba perfectamente en cada colorante sin ayuda; necesitaba un pequeño impulso químico (un mediador llamado ABTS) para abordar el Bromofenol Azul de manera efectiva. Si bien el estudio demuestra que este método funciona en el laboratorio, los autores lo presentan como una estrategia prometedora para la limpieza sostenible del futuro, mostrando que los desechos de nuestras barras de chocolate podrían tener la clave para limpiar nuestra agua.

Resumen Técnico: Desarrollo de un Bioproceso Integrado para la Producción de Lacasa por el Endófito Trametes villosa a partir de Residuos Agroindustriales de Cacao

Planteamiento del Problema
El procesamiento del cacao (Theobroma cacao L.) genera una cantidad sustancial de residuos agroindustriales, estimados en el 70–80% de la masa del fruto, que a menudo se descartan a pesar de su rica composición lignocelulósica y bioactiva. Aunque los hongos endófitos son reconocidos como fuentes prometedoras de enzimas biotecnológicamente relevantes, existe una escasez de investigación centrada en el aislamiento de cepas productoras de lacasa a partir de residuos de cacao poco explorados. La literatura previa indica que solo un número limitado de estudios ha explorado hongos endófitos de tejidos de cacao, con muy pocos reportando la producción de lacasa. En consecuencia, existe la necesidad de valorizar esta biomasa de bajo valor en biocatalizadores de alto valor dentro del marco de la bioeconomía circular.

Metodología
El estudio empleó un enfoque de bioproceso integrado que comprendió cinco etapas secuenciales:

Bioprospección Microbiana: Se aislaron hongos endófitos de las cáscaras, tallos y hojas de residuos agroindustriales de cacao. Se realizó la esterilización superficial seguida de la inoculación en Agar Papa Dextrosa (PDA) suplementado con gentamicina. Se aislaron veinticinco microorganismos, y la cepa con la mayor actividad de lacasa (CC4) fue identificada mediante secuenciación de ITS rDNA como Trametes villosa.
Optimización Estadística: Se utilizó un Diseño de Rotación de Composición Central (CCRD) para optimizar la producción de lacasa por la cepa CC4. Las variables independientes fueron el pH (rango 3.3–8.8) y la temperatura (rango 20.5–37.5 °C). La variable de respuesta fue la actividad específica de la lacasa (µmol/mg min).
Modelado Cinético de la Producción: La cinética de producción de la lacasa se monitoreó durante 9 días bajo condiciones óptimas. Los datos se ajustaron a los modelos Logístico y de Gompertz utilizando MATLAB para determinar la mejor ecuación predictiva del perfil de producción.
Modelado Cinético de la Catálisis: La oxidación de la de la siringaldazina por el extracto enriquecido con lacasa se modeló mediante un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (ODE) basado en balances de masa para una reacción catalizada por enzimas (E + S ↔ ES → P + E). Este enfoque permitió la estimación de las constantes cinéticas ( $k_1, k_{-1}, k_2$ ) y el cálculo de $K_M$ y $V_{max}$ .
Inmovilización y Aplicación: El extracto enriquecido con lacasa fue inmovilizado sobre quitosano activado con glutaraldehído. El biocatalizador resultante fue probado para la decoloración de Remazol Brilliant Blue R (RBBR) y Bromofenol Azul (BPF) a 35 °C y pH 6.0, utilizando ABTS como mediador redox. La estabilidad y la capacidad de reutilización se evaluaron a lo largo de tres ciclos consecutivos.

Resultados Clave

Aislamiento e Identificación: La cepa CC4, identificada como Trametes villosa, exhibió la mayor capacidad de producción de lacasa entre los 25 aislados. Esto representa el primer reporte de T. villosa aislado como endófito de residuos de cacao.
Optimización del Proceso: El análisis estadístico reveló que la producción de lacasa depende altamente de las condiciones de cultivo. Las condiciones óptimas determinadas fueron pH 5.4 y 28 °C. Bajo estas condiciones, la actividad específica de la lacasa alcanzó un máximo de 171.48 µmol/mg min después de cinco días de cultivo. El modelo cuadrático mostró un alto coeficiente de determinación ( $R^2 = 0.9364$ ).
Cinética de Producción: El perfil de producción siguió una curva sigmoidea. El modelo Logístico proporcionó un ajuste superior ( $R^2 = 0.9871$ ) en comparación con el modelo de Gompertz ( $R^2 = 0.9839$ ), describiendo con precisión la naturaleza asociada al crecimiento de la biosíntesis de la lacasa.
Cinética Catalítica: El modelo basado en ODE reprodujo con éxito los perfiles de oxidación de la siringaldazina. Los parámetros cinéticos calculados fueron $V_{max} = 284.65$ µmol/L min y $K_M = 67.38$ µmol/L, indicando una afinidad moderada por el sustrato y una alta capacidad catalítica.
Degradación de Colorantes:
- Enzima Libre: Logró una decoloración del 82.66% de RBBR pero solo del 0.15% para BPF en el primer ciclo.
- Enzima Inmovilizada: Logró el 100% de decoloración de RBBR y el 99.9% de decoloración de BPF en el primer ciclo.
- Reutilización: El biocatalizador inmovilizado mantuvo un alto desempeño durante tres ciclos, reteniendo el 85.18% de actividad para RBBR y el 98.79% para BPF hacia el tercer ciclo.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma presentar una estrategia integrada que vincula la exploración de recursos microbianos con la biotecnología ambiental. Su principal significancia radica en demostrar que los residuos agroindustriales del cacao sirven como un reservorio sostenible para biocatalizadores industriales de alto valor. Específicamente, el estudio:

Amplía las fuentes conocidas de Trametes villosa, identificándola como un endófito en residuos de cacao en lugar de solo un descomponedor de madera.
Valida un enfoque de bioeconomía circular al convertir residuos agrícolas de bajo valor en un biocatalizador funcional para el tratamiento de aguas residuales.
Demuestra la eficacia de la inmovilización, mostrando que la laccasa inmovilizada en quitosano mejora significativamente la eficiencia de decoloración y la estabilidad operativa en comparación con la enzima libre, particularmente para colorantes recalcitrantes como el BPF.
Provee un marco de modelado robusto utilizando tanto la cinética de producción (modelo Logístico) como la cinética de reacción (sistema de ODE) para predecir y optimizar el bioproceso.

Los autores concluyen que este marco integrado —que abarca la bioprospección, la optimización estadística, el modelado cinético y la inmovilización— ofrece una vía viable para el desarrollo de procesos enzimáticos sostenibles alineados con los principios de la ingeniería de bioprocesos sostenibles.

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