Arabinofuranosidasas: la revolución para potenciar la eficacia de las xilanasas

Las arabinofuranosidasas surgieron como la revolución en la eficacia de las xilanasas para descomponer la hemicelulosa en las plantas. Permiten aumentar la digestibilidad total del alimento y, por tanto, optimizar el coste del alimento balanceado. Para mejorar la expresión de esas enzimas objetivo, se desarrolló un nuevo método.

Los carbohidratos representan la principal fuente de energía en los alimentos para animales.  Son encontrados esencialmente en cereales o subproductos de cereales. Sin embargo, además del almidón, el principal carbohidrato rico en energía, poseen polisacáridos no almidonosos (PNA), que no se digieren fácilmente por animales debido a la ausencia de las actividades enzimáticas necesarias y, por lo tanto, interfieren con la digestibilidad del alimento y la fisiología intestinal.

Los arabinoxilanos, principales PNA en cereales

Los PNA están presentes en las paredes celulares de los ingredientes vegetales y se componen principalmente de celulosa, hemicelulosa y pectina. Los PNA solubles poseen propiedades antinutricionales que encapsulan nutrientes y/o reducen la digestibilidad global de los mismos, mediante modificaciones dentro del tracto gastrointestinal.

Entre los cereales destinados a la nutrición animal, el maíz y el trigo son los más utilizados. Las paredes celulares de los tejidos externos del grano contienen principalmente celulosa y xilanos complejos, junto con una cantidad significativa de lignina. Por el contrario, en el endosperma, las paredes celulares contienen casi exclusivamente arabinoxilanos (AX) y b-glucanos.

El arabinoxilano (AX) está compuesto por un esqueleto de xilosa unido por enlaces β-(1,4) que lleva residuos de arabinosa en las posiciones C(O)2 y/o C(O)3 de los residuos de xilosa. La relación arabinosa: xilosa y la cantidad de ramas de arabinosa en diferentes posiciones en el xilano son variables entre los granos de cereales y también entre los diferentes tejidos dentro del mismo grano. Los heteroxilanos del maíz son más sustituidos que los del trigo y contienen más ácido glucurónico (8,3% frente a 2,6% de materia seca).

El arroz es uno de los cereales con más ramificaciones en diferentes posiciones de la xilosa, además de tener una relación arabiosa: xilosa de 2,8 a 5,6. Esta complejidad del arroz exigirá una estrategia enzimática diferenciada. Esta complejidad afectará la susceptibilidad de las enzimas exógenas. Incluso si un alto grado de ramas y sustituciones evita cualquier problema de viscosidad, la descomposición de tales estructuras mejorará la digestibilidad del alimento.

Es importante considerar que, aunque el trigo tiene la mayor cantidad de PNA totales, es el maíz el que tiene la mayor cantidad de arabinosas por unidad de xilosa. Esta característica demuestra la importancia de trabajar con enzimas desramificantes en la dieta.

Xilanasas y arabinofuranosidades, juntas para garantizar una mayor eficacia.

Los polisacáridos pueden ser degradados por enzimas hidrolíticas que son parte de un grupo más grande llamado enzimas activas de carbohidratos (CAZymes - www.cazy.org). Se han clasificado en 5 grupos: glucósido hidrolasas (GH), glucosiltransferasas (GT), polisacáridos liasas (PL), carbohidratos esterasas (CE) y finalmente actividades auxiliares (AA), según sus dominios funcionales y módulos catalíticos. Juntos, estos cinco grupos participan en la degradación de diferentes compuestos presentes en la pared celular vegetal.

El grupo GH se subdivide en 133 familias, según la similitud de la secuencia de aminoácidos de las enzimas. La afinidad por las conformaciones de sustrato específicas puede variar de un grupo a otro, como por ejemplo en las xilanasas de las familias GH 10 o GH 11.

Las diversas endoxilanasas identificadas en Talaromyces versatilis difieren en su tamaño molecular, su pH ideal para acción y afinidad por sustratos insolubles o solubles. Entre las ocho diferentes endoxilanasas de Talaromyces versatilis se puede descartar que la XynD pertenece a la GH 10, mientras que XynB y XynC pertenecen a las familias GH 11. Es precisamente la característica individual de cada enzima lo que determinará su familia.

Debido a su estrecha especificidad hacia un enlace, se requieren diferentes enzimas para la degradación de los arabinoxilanos. Para que las endoxilanasas tengan una mayor tasa de éxito, es necesario que las arabinosas se eliminen previamente de las cadenas de xilano. Las arabinofuranosidades (ABF) son enzimas glicosilo hidrolasas capaces de eliminar las ramas de arabinosa, dejando paso a la acción de las xilanasas. Por tanto, son un actor importante del sistema hidrolítico para degradar hemicelulosas como arabinoxilanos, arabinananos y arabinogalactanos siendo esenciales en dietas ricas en maíz – escenario común en Latinoamerica.

Las ABFs pertenecen a diferentes familias GH GH43, 51, 54, 62,… y son capaces de liberar arabinosa a partir de xilosas mono o di-sustituidas en oligo o polisacáridos (Figura 1; De La Mare et al., 2015). Además, la principal característica de las ABFs es tener un pH óptimo de acción enzimática más bajo que las endoxilanasas. La consecuencia directa en el tracto digestivo es que la acción desramificante ocurre en la parte superior (estómago) mientras que las endoxilanasas actuarán más abajo a lo largo del tracto digestivo.

Arabinofuranosidasas: la revolución en la eficacia de las xilanasas

Para mejorar la eficacia del complejo enzimático originado por Talaromyces versatilis, recientemente se ha desarrollado un enfoque original en el área de biotecnología molecular (Guais et al., 2015). La base del método era expresar un factor de transcripción (XlnR) que permite estimulación genética de las enzimas GH, dando como resultado una expresión mejorada de varias xilanasas nuevas, así como nuevas arabinofuranosidasas.

La Figura 2 muestra elefecto potenciadorde las ABFspara eliminarlas sustituciones y degradar los arabinoxilanos medidos por el método viscosimétrico. Cualquiera que sea la xilanasa simple obtenida de Talaromyces versatilis (Xyn B, C o D), la complementación con un solo ABF (Abf 51a) ya mejora la actividad de la xilanasa.

La adición de múltiples arabinofuranosidasas a una xilanasa mejora la degradación de las partículas de  arabinoxilano  insolubles, como se puede demostrar en la Figura 3. Los mejores resultados se obtienen través de una combinación de xilanasa D con diversas arabinofuranosidasas (Figura 3).

Lo más interesante es poder comprobar la sinergia entre las diferentes carbohidrasas y arabinofuranosidasas (ABFs) de un complejo multienzimatico (CME) también en experimentos in vivo.

Saleh et al. (2019) demostraron los efectos en parámetros zootécnicos de pollos de 35 días alimentados con dietas basadas en maíz y soya suplementadas con Rovabio® Advance, uno complejo multienzimático (CME) que contiene enzimas desramificadoras.

Las dietas del grupo Control Negativo (CN) tuvieron una reducción de 90kcal/kg de Energía Metabolizable Aparente (EMA) y un promedio de 3% de aminoácidos digestibles (AAd). Al analizar la conversión alimenticia (CA) se comprobó que la reducción de nutrientes afectó negativamente el desempeño de los animales. Sin embargo, cuando se agregó Rovabio® Advance a la dieta CN, se notó una mejora en la conversión alimenticia, confirmando su mejor liberación de nutrientes y, en consecuencia, el uso de la dieta por los pollos de engorde (Tabla 2).

El mismo efecto fue publicado por Cozannet et al. (2017), quienes demostraron que una combinación dietética de carbohidrasas y arabinofuranosidasas tuvo un resultado positivo en la utilización de energía y en la digestibilidad de proteína, grasa y fibras insolubles y solubles por pollos de engorde.

Además de efectos directos mejorando la digestibilidad de ingredientes vegetales, cuando se utiliza una asociación de enzimas carbohidrasas con enzimas desramificadoras, puede tenerse beneficios también en la salud intestinal, como ha publicado Lei et al. (2016), que utilizaron de una combinación de xilanasa, ABFs y feruloil esterasa (otro tipo de enzima desramificadora).

Saleh et al. (2019), en la misma prueba, también han demostrado que la combinación sinérgica de carbohidrasas y ABFs aumentó los parámetros sanguíneos relacionados con la inmunidad de los pollos (es decir, proteínas totales, globulina y títulos de anticuerpos séricos contra la Newcastle y la influenza aviar H9N1).

Conclusión.

La gran variedad de materias primas vegetales utilizadas en la nutrición animal y la complejidad de los polisacáridos de cada una muestran la necesidad de una amplia gama de amplia gama de enzimas, con el objetivo de aliviar la mayoría de sus efectos antinutricionales y obtener la plena disponibilidad de sus nutrientes.

El uso de xilanasas aisladas, o incluso combinadas con B-glucanasas o mananasas, no es suficiente para maximizar el aprovechamiento de los nutrientes ofrecidos en dietas a base de maíz/soja.

El maíz tiene grandes cantidades de ramificaciones de arabinosa en las cadenas de xilano, lo que exige una estrategia diferente para romper estos PNA.

De esta manera, además de un amplio espectro de diferentes xilanasas que actúan a lo largo del tracto digestivo, en diferentes pHs; se requiere una gama de enzimas desramificadoras, como las arabinofuranosidasas (ABFs) para aumentar de manera eficaz y eficiente la liberación de nutrientes en dietas maíz/soya, muy comunes en América Latina.

Diversos autores comprobaron en experimentos in vivo que un complejo multienzimatico que contenga ABFs en conjunto con diferentes carbohidasas pude traer beneficios expresivos a los animales, relacionados a no solamente aumento de digestibilidad de nutrientes, sino también una mejoría en la salud intestinal, siendo una excelente alternativa cuando se necesita mejorar el valor nutricional de una dieta objetivando mejora desempeño animal y hasta reducción en costos de formulación.

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