Con il termine di cellulasi si indicano gli enzimi catalizzano la depolimerizzazione biochimica della cellulosa in glucosio, oligosaccaridi e polisaccaridi a catena corta. È la classe più diversificata di enzimi estremamente importanti sia a livello industriale che naturale, perché svolgono un ruolo importante nel ciclo globale del carbonio degradando la cellulosa insolubile in zuccheri solubili.
Sono prodotte principalmente da batteri, protozoi e funghi come Trichoderma, Aspergillus, Penicillium, Phanerochaete e Fusarium e il Trichoderma reesei è il principale fungo per la produzione industriale di cellulasi il cui genoma codifica 10 cellulasi e 16 emi-cellulasi
Le cellulasi è un complesso di tre diversi enzimi: endoglucanasi, esoglucanasi e β-glucosidasi appartenenti alla classe delle idrolasi che, unitamente alle xilanasi e pectinasi, sono responsabili della macerazione dei tessuti vegetali.
L’azione sinergica e sequenziale di questi tre enzimi porta alla degradazione della cellulosa: l’endoglucanasi idrolizza i legami glicosidici interni alla catena polisaccaridica in modo casuale, l’esoglucanasi agisce sull’estremità delle catene polisaccaridiche liberando glucosio o cellobiosio e successivamente la β-glucosidasi idrolizza cellodestrine e cellobiosio all’estremità non riducente della catena, scindendo i dimeri in singoli monomeri di glucosio.
Struttura della cellulasi
Nella struttura della cellulasi esistono contiene due domini che catalizzano la rottura del legame β-1,4-glicosidici. Il primo dominio, detto dominio di legame, si lega alla catena della cellulosa mettendo in tensione il legame glucosio-glucosio e consentendo di ottenere una notevole riduzione dell’energia di attivazione per idrolizzare la cellulosa.
I domini di legame sono costituiti da amminoacidi come la tirosina o il triptofano che presentano anelli aromatici che si legano alla parte idrofoba delle catene di cellulosa attraverso le forze di van der Waals.
Il secondo dominio, detto dominio catalitico, contiene alcuni amminoacidi di tirosina e molecole di zucchero come il mannosio legate a gruppi alcolici della proteina, che gli consentono di aderire alla catena di cellulosa permettendogli di trovarsi nella posizione per catalizzare le reazioni di rottura dei legami in rapida successione.
Questa struttura consente di esercitare l’attività catalitica su un substrato insolubile e permette all’enzima di diffondersi bidimensionalmente sulla superficie. Tuttavia, ci sono anche cellulasi, principalmente endoglucanasi, costituite da una catena polipeptidica di 181 aminoacidi reticolata con sei ponti disolfuro prive del dominio di legame della cellulosa.
Applicazioni delle cellulasi
La degradazione della biomassa proveniente da scarti lignocellulosici costituisce una sfida di fronte all’aumento dei costi energetici, alla diminuzione delle risorse fossili. La cellulosa è il principale polisaccaride presente nella biomassa vegetale e le piante producono circa 180 miliardi di tonnellate di cellulosa all’anno a livello globale, rendendo questo carboidrato il più grande serbatoio di carbonio organico sulla terra.
Di conseguenza, un’efficiente scomposizione della cellulosa è un prerequisito essenziale per la produzione di biocarburanti e le cellulasi sono enzimi chiave in questo processo. Sono state utilizzate in vari settori commerciali tra cui l’agricoltura, la produzione di birra, il bucato, l’industria della carta e tessile.
Le cellulasi sono principalmente coinvolte nella bioconversione della biomassa lignocellulosica rinnovabile. La degradazione di tale biomassa consiste in 3 passaggi: pretrattamento della biomassa, saccarificazione in cui sono coinvolti gli enzimi e fermentazione.
Sono largamente utilizzate nell’industria tessile, per modificare le fibre e per aumentare il finissaggio di filati e tessuti e diminuiscono anche la rugosità e aumentandone la lucentezza.
Trovano utilizzo nell’estrazione e la chiarificazione di succhi di frutta per aumentare la resa, migliorare la stabilità e diminuire la viscosità in particolare dei succhi di frutti tropicali come mango, pesche e papaya. La torbidità che è solitamente presente nei succhi di frutta è dovuta infatti ai materiali polisaccaridici galleggianti come cellulosa, emicellulosa, lignina, pectina, amido, metalli, proteine e tannini la cui presenza attira meno la domanda dei consumatori.
L’applicazione di questi enzimi in agricoltura è solitamente fatta per migliorare la crescita delle colture e come agente di controllo delle malattie delle piante in quanto alcune cellulasi fungine hanno la capacità di degradare la parete cellulare dei patogeni delle piante.
Miscele di enzimi sono usate in campo farmaceutico per aiutate il metabolismo di sostanze fibrose ricche di cellulosa come frutta e verdura, cereali, legumi, crusca, noci e semi, soia, latticini, germogli ed erbe insieme a lipidi, zuccheri, proteine, carboidrati e glutine. Un’altra possibile applicazione della cellulasi in medicina è la degradazione delle pareti cellulari di organismi patogeni.
Nella produzione di mangimi per animali, le cellulasi sono utilizzate per migliorare la digeribilità degli alimenti a base di cereali e per aumentare i valori nutritivi per una maggiore qualità dei foraggi.
L’utilizzo degli enzimi nella produzione di detergenti enzimatici o detergenti biologici risale agli anni ’60 grazie alla loro capacità di rimuovere le macchie. L’industria dei detersivi utilizza combinazioni di enzimi per raggiungere questo obiettivo e per aumentare l’efficienza nella pulizia delle macchie e nella cura dei tessuti.
Un esempio è costituito da un detergente liquido contenente quattro enzimi ovvero lipasi, cellulasi, amilasi e proteasi che ha la caratteristica di essere batteriostatico e idoneo alla rimozione di sangue, proteine, grassi, lipidi e carboidrati da tutti i tipi di apparecchiature endoscopiche e strumenti chirurgici.