Utilización de
microorganismos de ambientes extremos y sus productos en el desarrollo
biotecnológico
Utilization of microorganisms from extreme environments and their
products in biotechnological development
Rosa María Oliart-Ros1, Ángeles
Manresa-Presas2, María Guadalupe Sánchez-Otero3*
*Autor para correspondencia: guadsanchez@uv.mx/ Fecha
de recepción: 11 de octubre de 2014 /Fecha de aceptación:
5 de febrero de 2016
1Instituto
Tecnológico de Veracruz, Unidad de Investigación y Desarrollo en Alimentos, M.
A. de Quevedo núm. 2779, Veracruz, Veracruz, México, C.P. 91860. 2Universitat
de Barcelona, Facultat de Farmacia, Unitat de Microbiologia, Av. Joan XXIII,
27-31, E-08028, Barcelona, España. 3Universidad Veracruzana,
Facultad de Bioanálisis, Carmen Serdán e Iturbide S/N, col. Flores Magón,
Veracruz, Veracruz, México, C.P. 91700.
RESUMEN
La biotecnología
representa una alternativa viable para el desarrollo industrial sustentable, ya
que provee las
herramientas
necesarias para adaptar y modificar organismos, productos, sistemas y procesos
naturales para mejorar el quehacer industrial, haciéndolo más rentable, diverso
y amigable con el entorno de lo que pueden ser los procesos químicos y físicos
tradicionales. En este sentido, los microorganismos extremófilos
constituyen la opción más prometedora como fuente de biomoléculas con capacidad
biocatalizadora, capaces de soportar condiciones drásticas de proceso y cuyo
uso comercial puede conducir a la sustentabilidad industrial.
PALABRAS CLAVE: microorganismos, extremófilos,
biotecnología.
ABSTRACT
Biotechnology
represents a viable alternative for a sustainable industrial
development, as it provides the tools
needed to adapt and modify organisms, products systems, and processes to
improve industrial activity. This makes it more
profitable, diverse and friendly with the environment than the traditional
chemical and physical processes. In this regard, extremophilic
microorganisms represent the most promising option as a source of biomolecules
with biocatalytic capacity,
able to withstand drastic process conditions. In addition, theirfull-scale use may lead
to industrial sustainability.
KEYWORDS: extremophiles, microorganisms, biotechnology.
INTRODUCCIÓN
El desarrollo tecnológico requiere del uso de catalizadores y otras
biomoléculas capaces de generar productos con una inversión mínima y en lapsos
de tiempo cortos. De manera paralela, se debe disminuir el impacto ambiental
que genera la actividad industrial, y optimizar la utilización y el manejo de
los recursos naturales (Cavicchioli y col., 2011). Al
día de hoy, el número de enzimas con aplicación industrial es inmenso, sin
embargo, muchas de ellas sólo pueden funcionar bajo limitadas condiciones de
temperatura, pH y medio de reacción (Sarmiento y col., 2015).
El
descubrimiento de los microorganismos extremófilos,
capaces de vivir bajo condiciones extremas de temperatura, pH, presión,
salinidad, radiación y sus combinaciones, ha proporcionado herramientas
invaluables para su aplicación en una amplia gama de procesos biotecnológicos,
permitiendo el manejo racional de los recursos naturales (Reed y col., 2013).
El objetivo
del presente trabajo fue revisar el uso de biomoléculas producidas por
microorganismos extremófilos en aplicaciones
comerciales e industriales, as. como en la producción
de intermediarios químicos enantioméricamente puros.
Microorganismos
Los microorganismos son un grupo grande y diverso de organismos
microscópicos que pueden llevar a cabo sus procesos metabólicos de crecimiento,
generación de energía y reproducción, de
manera independiente de otras células; esta clasificación incluye a las
bacterias, las arqueas, las algas, los hongos, los protozoarios y los virus (Madigan y col., 2003). El rol que juegan los
microorganismos en la vida terrestre es de tal importancia que la vida en la
Tierra no sería posible sin la presencia de ellos (Demain
y Adrio, 2008). Los microorganismos no solamente
fueron las primeras formas de vida sobre la Tierra, por lo que todos los seres
vivos comparten una historia evolutiva con el mundo microbiológico, sino que
además, actualmente sustentan la vida en ella (Madigan
y col., 2003; Demain y Adrio,
2008).
La biomasa microbiana en el planeta conforma el 60 % de la biomasa total y
constituye una reserva genética dinámica que no ha podido ser caracterizada en
su totalidad, debido a la dificultad de
su cultivo en el laboratorio (Kennedy y col., 2011; McMahon
y Parnell, 2014). La mayor parte de la vida
microbiana que se conoce vive en el subsuelo marino y terrestre; estos hábitats
son un campo lleno de posibilidades para el descubrimiento de formas
microbianas de vida aún desconocidas (Madigan y col.,
2003).
Los microorganismos poseen la mayor diversidad genética y metabólica de los
seres vivos (Madigan y col., 2003), lo que, aunado a
su pequeño tamaño, su rápido crecimiento y su habilidad para intercambiar
genes, les permite vivir prácticamente en cualquier nicho ecológico y adaptarse
rápidamente a condiciones ambientales cambiantes. Los microorganismos realizan
más fotosíntesis que las plantas verdes y llevan a cabo la degradación de la
materia orgánica necesaria para el sostén de los ciclos vitales, aunque también
son los causantes de las enfermedades más importantes de las plantas y los
animales, incluidos los humanos (Demain y Adrio, 2008).
Se prefiere usar microorganismos o sus productos para producir compuestos que se podrían
aislar de plantas y animales, o ser sintetizadas químicamente, debido a que los
microorganismos producen grandes cantidades de metabolitos valiosos y cuya
producción vía síntesis química puede ser muy compleja y costosa (Tang y Zhao, 2009). Con ellos se
pueden obtener altos rendimientos en la producción de sustancias químicas, ya
que tienen una alta relación área/ volumen, lo que facilita la adquisición de
los nutrientes requeridos para sostener altos niveles de biosíntesis. Además,
pueden llevar a cabo una gran variedad de reacciones en diversos ambientes y
medios de cultivo, produciendo compuestos de alto valor agregado a partir de
materiales biológicos y sin la generación de residuos tóxicos (Demain y Adrio, 2008).
Finalmente, los microorganismos pueden ser manipulados genéticamente con
relativa facilidad, in vivo e in vitro, para aumentar la producción miles de
veces, modificar estructuras y actividades, y fabricar nuevos productos (Demain y Adrio, 2008). Por todo
lo anterior, estos organismos son clave en el desarrollo de tecnologías que
requieran de sistemas biológicos o sus derivados.
Biotecnología
La biotecnología es la utilización tecnológica de sistemas biológicos y
organismos vivos o sus derivados, para la creación o modificación de productos
o procesos para usos específicos (ONU, 1992). La biotecnología tiene aplicaciones en áreas
relevantes, como la atención de la salud (conocida como biotecnología roja),
donde su principal interés se centra en la producción de fármacos;
particularmente, en la búsqueda de antibióticos para combatir nuevos patógenos,
virus, hongos y bacterias resistentes, para mejorar
las propiedades farmacológicas de los ya existentes y para encontrar
compuestos más seguros, potentes y de más amplio espectro (Tang
y Zhao, 2009). También se aplica en el desarrollo de
vacunas más seguras, de antitumorales, de agentes para disminuir los niveles de
colesterol, de antiparasitarios, bioinsecticidas,
vitaminas, factores de crecimiento, anticuerpos, esteroides, hormonas, en el
diagnóstico molecular, en la aplicación de terapias regenerativas, y en el
desarrollo de la ingeniería genética, para curar enfermedades a través de la manipulación
genética, entre otros (Demain y Adrio,
2008).
La biotecnología verde es aquella aplicada a la agricultura. Ejemplo de
ello es el diseño de plantas transgénicas capaces de crecer en condiciones
ambientales desfavorables, plantas resistentes a plagas, a enfermedades,
cultivos mejorados y el desarrollo de usos no alimentarios de los cultivos,
como la producción de biocombustibles. En todos estos procesos participan
también los microorganismos (Tang y Zhao, 2009).
La biotecnología industrial ( biotecnología blanca), es la producción
sustentable de químicos, materiales y combustibles a partir de fuentes
renovables, usando células vivas o sus enzimas como catalizadores industriales
(Tang y Zhao, 2009). Es un
campo multidisciplinario que abarca las ciencias de la vida, de la química y de
la ingeniería, utilizando conocimientos de ingeniería de procesos metabólicos,
ingeniería de proteínas, ingeniería genética, microbióloga, bioquímica,
química, biología, modelación matemática, y técnicas como la metagenómica (estudio del material genético de un conjunto
de organismos), la proteómica (análisis de la
estructura y función del conjunto de proteínas expresadas de un genoma), la metabolómica (estudio de todos los metabolitos producidos
en respuesta a un determinado estímulo) (Demain y Adrio, 2008; Tang y Zhao, 2009).
Los procesos que utilizan biotecnología blanca cubren ya el 5 % de los
procesos químicos en todo el mundo, siendo los sectores de la química fina y de
la química básica los que presentan mayor avance en la transición de los
procesos tradicionales a los procesos con biotecnología (Tang
y Zhao, 2009). Existen factores que son la fuerza impulsora
del cambio de proceso tales como: el factor económico, por la reducción
significativa de costos; el desarrollo de la biotecnología, estimulando la investigación
y el desarrollo de procesos; la sustentabilidad, al permitir una percepción pública
positiva del quehacer industrial, integrando una reducción en el consumo de energía,
en las emisiones de gas invernadero, en la generación de desechos, y en el uso
de materiales no biodegradables, con un impacto mínimo a las fuentes de
alimentos y agua (Tang y Zhao,
2009). Además, permiten la transición de la producción de sustancias químicas
de alto valor agregado a partir de materiales biológicos, en lugar de utilizar
combustibles fósiles (Tang y Zhao,
2009; Otero y Nielsen, 2010).
La biotecnología industrial ha tenido un efecto preponderante en industrias,
tales como, la petroquímica, minera, de alimentos y ambiental (Demain y Adrio, 2008). De
particular importancia ha sido el desarrollo y producción de biocombustibles
(bioetanol, biobutanol y el biodiésel)
que promueven la disminución en el uso de combustibles fósiles al utilizar
desechos vegetales como materia prima. El biodiésel
se prepara a partir de grasas en forma de triglicéridos o ácidos grasos libres,
por un proceso de transesterificación con alcoholes
de cadena corta. Los insumos provienen de aceites vegetales, grasas animales,
aceites de cocina de desecho, y aceites microbianos (Tang
y Zhao, 2009). La transesterificación
con enzimas lipolíticas aisladas de microorganismos
lleva consigo una mayor eficiencia catalítica, en comparación con los procesos químicos
tradicionales (Demain y Adrio,
2008; Tang y Zhao, 2009).
La amplia aplicación de las enzimas para las industrias química, farmacéutica
y de alimentos crea una fuerte demanda de biocatalizadores que tengan
propiedades nuevas y mejoradas. En general, las enzimas tienen requerimientos
muy específicos de pH y temperatura para funcionar de manera óptima, y
normalmente estos requerimientos son diferentes de los que se encuentran en las
industrias (Tang y Zhao,
2009). En este sentido, la tecnología del DNA (ácido desoxirribonucleico) recombinante
ha dado un gran impulso a la biotecnología a través del desarrollo de nuevos
sistemas de expresión para la sobreproducción de enzimas en la cantidad y de la
calidad que la industria demanda, modificando las rutas biosintéticas
y las características bioquímicas de las moléculas a través de técnicas de mutagénesis y evolución dirigida (Demain
y Adrio, 2008; Tang y Zhao, 2009). De esta manera, se han generado enzimas con
modificaciones en su actividad, en
la capacidad de utilizar sustratos no
convencionales, se ha incrementado su termoestabilidad,
la tolerancia a la presencia de disolventes orgánicos y la enantioselectividad,
entre otras características (Singh, 2010).
Una actividad constante de la biotecnología ha sido la búsqueda de nuevos microorganismos
productores de enzimas capaces de resistir las condiciones drásticas de los
procesos industriales. Se ha estimado que menos del 1 % de los microorganismos
que habitan el planeta han sido cultivados y estudiados en el laboratorio. En
general, las condiciones de los medios de cultivo imponen presiones de selección
sobre los microorganismos, impidiendo el crecimiento de una gran cantidad de
ellos, por lo que pudiera haber alrededor de 50 millones de especies
bacterianas por descubrir y que son una fuente potencial de enzimas nuevas
(Singh, 2010). Una excelente opción son los microorganismos que viven en medios
ambientes que son considerados por el hombre como extremos, denominados extremófilos (Madigan y Marrs, 1997; Rothschild y Mancinelli,
2001; Canganella y Wiegel,
2011).
Existen métodos que permiten el acceso a todo el conjunto de
microorganismos de un entorno dado, tales como, la metagenómica, que es el análisis funcional y de secuencias
de los genomas de los microorganismos en una muestra ambiental (Singh, 2010).
Esta técnica permite entender, entre otras cosas, la diversidad genética de una
comunidad, su estructura poblacional y sus roles ecológicos. Para ello, es
necesario el aislamiento del DNA total de una muestra, la constitución de una
biblioteca genómica o genoteca y la secuenciación de
porciones del DNA y/o buscar fenotipos específicos cuando los vectores son expresados
en un microorganismo huésped (Stewart, 2012). En este sentido, instituciones como
el Instituto Tecnológico de Veracruz y la Universidad Veracruzana realizan investigación
conjunta para el descubrimiento, caracterización y mejora de microorganismos termófilos
y biomoléculas producidas por ellos (Castro-Ochoa
y col., 2005; Sánchez-Otero y col., 2008; Quintana- Castro y col., 2009;
Pinzón-Martínez y col., 2010; Sánchez-Otero y col., 2010; Sánchez-Otero y col.,
2011; Espinosa-Luna y col., 2016.
Microorganismos extremófilos
Los microorganismos extremófilos tienen como
hábitat natural ambientes que antiguamente se consideraban demasiado hostiles
para permitir la supervivencia de organismos vivos. Se clasifican en base a la
condición física o química extrema del ambiente donde se desarrollan:
termófilos (temperatura óptima de crecimiento superior a 45 ºC);
dentro de éstos se encuentran los hipertermófilos (temperatura
óptima de crecimiento superior a 80 ºC); psicrófilos (temperatura óptima de crecimiento por abajo de
10 .C); acidófilos (pH óptimo
de crecimiento por abajo de 5); alcalófilos (pH
óptimo de crecimiento por arriba de 8); halófilos (habitan en medios hipersalinos, de 5 % a 30 % de sal); osmófilos
(viven a altas presiones os-móticas); radiófilos (resisten altos niveles de radiación); metalófilos (toleran altas concentraciones de metales
pesados); piezófilos (antes llamados barófilos, requieren o toleran presión hidrostática de 40
atm a 60 atm) (Antranikian y col., 2005; Ferrer y
col., 2007; Jia y col., 2013; Reed y col., 2013).
Los hábitats donde viven los extremófilos incluyen
manantiales calientes, sistemas hidrotermales submarinos poco profundos o
sistemas de aberturas termales abisales, tierras y mares polares fríos y
glaciares alpinos; lagos salinos y ambientes con valores de pH extremos, sea ácido
(zonas de solfataras, minas) o alcalino (fuentes carbónicas, tierras y lagos
alcalinos); y con relativa frecuencia, en zonas que combinan dos o más factores
extremos, como alta temperatura y condiciones ácidas, en los manantiales ácidos
y calientes de zonas volcánicas, o baja temperatura y alta presión, en los
fondos marinos (Madigan y
Marrs, 1997; Rothschild y Mancinelli,
2001; Canganella y Wiegel,
2011). En México, se han aislado bacterias y arqueas extremófilas
de pozos petroleros (Miranda-Tello y col., 2004), aguas termales (Castro-Ochoa
y col., 2005; Pinzón-Martínez y col., 2010), zonas desérticas (Souza y col.,
2006), suelos alcalinos (Valenzuela-Encinas y col., 2008; Ruiz-Romero y col.,
2009), zonas volcánicas (Cavicchioli y col., 2011),
entre otros, revelando la gran biodiversidad y el gran potencial biotecnológico
de la microflora mexicana.
Las
condiciones físico-químicas de estos ambientes distan de los valores en los que
la vida de muchos organismos es posible. El agua líquida, el suministro de
energía y el control de la misma y las condiciones de óxido-reducción
ambientales son indispensables para la vida, por lo que los extremófilos
deben vivir dentro de esos parámetros o bien ser capaces de mantenerlos
regulados intracelularmente (Rothschild y Mancinnelli,
2001). Por ejemplo, los psicrófilos sitetizan enzimas con modificaciones bioquímicas que les permiten
funcionar a bajas temperaturas, as. como moléculas que reducen el punto de congelación
del agua dentro de la célula; los acidófilos y alcaófilos poseen mecanismos de regulación del pH
intracelular para mantenerlo en valores cercanos a la neutralidad a través de
diversas adaptaciones en las membranas celulares y en los transportadores de
iones transmembranales (Reed y col., 2013); la
membrana celular de los termófilos contiene ácidos grasos saturados, mantiene a
la célula lo suficientemente rígida para sobrevivir a elevadas temperaturas.
Las proteínas de los termófilos son especialmente estables, ya que poseen un
mayor número de puentes de hidrógeno entre sus aminoácidos, poseen menor
flexibilidad, un menor número de giros en su estructura, tienen una carga
superficial mayor y pocos aminoácidos termolábiles hacia el exterior, en comparación
con sus contrapartes mesófilas (Rothschild y Mancinnelli, 2001; Gomes y Steiner, 2004).
El descubrimiento de los extremófilos ha abierto
una nueva panorámica en las ciencias naturales al extenderse los límites en los
que es posible la vida. Se ha favorecido el surgimiento de nuevas hipótesis
sobre el origen de la vida, dado que las condiciones en las que habitan los extremófilos semejan a las que debieron existir cuando
surgieron las primeras células. Asimismo, ha estimulado la búsqueda de las
condiciones más extremas que pueden llegar a ser compatibles con alguna forma
de vida, haciendo más plausible su búsqueda fuera del planeta Tierra (Hough y Danson, 1999; Rothschild
y Mancinnelli, 2001).
La gran biodiversidad existente entre los microorganismos extremófilos y su capacidad para sintetizar proteínas y
enzimas (extremoenzimas), capaces de funcionar bajo condiciones extremas, ha abierto un prometedor panorama en la biotecnología, ya que gran parte de
los procesos industriales ocurren bajo condiciones extremas de temperatura,
presión, fuerza iónica, pH y solventes orgánicos. Además, las extremoenzimas pueden ser usadas como un modelo para
diseñar y construir proteínas con nuevas propiedades de interés para
determinadas aplicaciones industriales, a través
de la manipulación genética de microorganismos (Haki
y Rakshit, 2003; Eijsink y
col., 2004; Jia y col., 2013; Reed y col., 2013).
Se han obtenido y caracterizado extremoenzimas
provenientes de diferentes grupos de microorganismos extremófilos,
muchas de ellas se aplican actualmente en procesos industriales sustentables,
como la síntesis enantioselectiva de fármacos (Littlechild, 2015). Al ser biodegradables, su empleo es
amigable con el ambiente, tienen una alta estabilidad bajo condiciones extremas
(lo que elimina la necesidad de modificar las condiciones a lo largo de los
procesos), permiten la utilización de materia prima sin procesar (lo que
reditúa en una mayor eficiencia), permiten una reducción de costos y generan
pocos productos secundarios y materiales de desecho (Reed y col., 2013).
Aplicaciones de las extremoenzimas
Las
principales industrias que se han visto beneficiadas con el uso de extremoenzimas son las productoras de detergente, la
alimentaria, la textil, la peletera, la papelera y la farmacéutica (Van-Den-Burg, 2003; Hasan y col., 2010) (Tabla 1). Los termófilos y
los hipertermófilos son los grupos de extremófilos más estudiados; las enzimas que han sido
aisladas de ellos han sido objeto de diversas investigaciones y aplicaciones
industriales y biotecnológicas, ya que son extremadamente termoestables y
generalmente resistentes a la acción de agentes caotrópicos,
desnaturalizantes, detergentes, solventesorgánicos, y
a la exposición a valores extremos de pH (Sarmiento y col., 2015). La
realización de procesos biotecnológicos a elevadas temperaturas tiene muchas
ventajas. El incremento en la temperatura tiene una influencia significativa en
la biodisponibilidad y solubilidad de los compuestos orgánicos, en la
disminución en la viscosidad y en el incremento en el coeficiente de difusión
de los compuestos orgánicos (en especial substratos hidrofóbicos poco solubles,
como hidrocarburos y grasas alifáticas), por lo que las velocidades de reacción
son más altas (Van-Den- Burg, 2003). Esto es
especialmente importante en procesos que involucran el manejo enzimático de lípidos
y de efluentes industriales ricos en aceites. En la industria de los alimentos,
las lipasas termoestables se requieren para el procesamiento enzimático de
algunos lípidos, como la manteca animal y el aceite de palma, que son los principales
materiales utilizados en la producción de ácidos grasos libres, pero se
encuentran en estado sólido a las temperaturas normales en las que se llevan a
cabo estas reacciones (Haki y Rakshit,
2003; Hasan y col., 2010).
El ejemplo más
conocido de aplicación de una enzima termoestable es la de la enzima Taq polimerasa aislada de Thermus aquaticus, que significó un avance
trascendental en la biología molecular, al permitir la automatización de la tecnología
de Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR), que permite la amplificación de fragmentos
de DNA en unas cuantas horas, lo cual representó. una gran ventaja para
laboratorios e industrias (Reed y col., 2013).
De las
enzimas termofílicas, las lipasas se encuentran dentro
de las más prometedoras para las aplicaciones industriales, ya que presentan diversas
ventajas: una mayor estabilidad termodinámica
a altas temperaturas y la capacidad de llevar a cabo reacciones de hidrólisis
y de síntesis en presencia de disolventes orgánicos (Pinzón-Martínez y col.,
2010). Por ello, se han aplicado en la industria alimentaria para la hidrólisis
de grasas, particularmente en productos lácteos; en la industria textil, para
la remoción de impurezas del algodón antes del procesamiento y teñido; en la
industria peletera para retirar la grasa subcutánea de las pieles, entre otras
aplicaciones (Hasan y col., 2006).
Debido su excelente
capacidad para realizar reacciones específicas regioselectivas,
en presencia de solventes orgánicos, las lipasas termoestables se usan en la
síntesis de compuestos quirales de interés
farmacéutico. A través de reacciones de esterificación, interesterificación
y transesterificación, en presencia de solventes
orgánicos, las lipasas participan en la síntesis de compuestos enantioméricamente puros, que se recomiendan
particularmente en el campo de los farmoquímicos y
sus intermediarios sintíticos, también llamados
bloques de construcción quiral, debido a la
diferencia en las propiedades biológicas de dos enantiómeros
(Gotor Fernández y col., 2006). Por otro lado, los
procesos biocatalíticos son más eficientes, se
acompa.an de menos reacciones secundarias y son ambientalmente aceptables, en
contraste con los métodos químicos convencionales que utilizan catalizadores a
base de metales pesados (Gavrilescu y Chisti, 2005). La combinación de procedimientos químicos
con métodos biocatalíticos puede resultar una
excelente estrategia para la producción de la industria farmacéutica y de
productos químicos finos en general (Simon y col.,
2013).
Una
aplicación muy exitosa de las enzimas termófilas y alcalófilas
ha sido como aditivos de los detergentes biológicos, para la remoción de
depósitos orgánicos en la ropa, como grasas y aceites. Se han utilizado enzimas
del tipo de las amilasas, proteasas, celulasas y
lipasas, que además de ser activas a las altas temperaturas y en las
condiciones alcalinas de las aguas de lavado, son resistentes a los componentes
de los mismos (Hasan y col., 2010). Las enzimas de los psicrófilos,
que catalizan reacciones a bajas temperaturas, tienen también un gran potencial
de aplicación en la biotecnología y la industria. Por ejemplo, la aplicación de
enzimas hidrolíticas, como proteasas, lipasas, amilasas y celulasas,
en la formulación de detergentes, ofrecen la gran ventaja de reducir el consumo
de energía y el deterioro de las telas al llevar a cabo el lavado en frío (Cavicchioli y col., 2011; Sarmiento y col., 2015). La
aplicación de proteasas y queratinasas psicrófilas en el depilado de pieles y cueros representa un
ahorro de energía, al eliminar el calentamiento y la necesidad de utilizar
compuestos químicos que impactan en el ambiente (Cavicchioli
y col., 2011). Las enzimas psicrófilas se han
utilizado también en la industria de los alimentos, por ejemplo para la
extracción y clarificación de jugos de frutas con pectinasas,
y en el caso de las proteasas, como aditivos en la industria de alimentos
congelados para el ablandado y la potenciación del sabor en carnes refrigeradas
(Cavicchioli y col., 2011; Reed y col., 2013).
En el área
ambiental, las lipasas, oxidasas, peroxidasas y
catalasas de termófilos y psicrófilos, se han utilizado
como alternativa a los métodos fisicoquímicos de bioremediación
de sólidos y aguas residuales contaminados con hidrocarburos, aceites y lípidos
(Hasan y col., 2006).
Algunas
enzimas de alcalófilos y acidófilos
se han utilizado en la producción de detergentes y en el procesamiento de
almidón. De manera particular, algunas enzimas alcalófilas,
tales como xilanasas, lipasas y proteasas, ya se
producen a gran escala para ser utilizadas en diferentes aplicaciones, como en
el depilado del cuero, que se lleva a cabo a pH entre 8 y 10, y en la
recuperación de plata a partir de placas de rayos X, donde la proteólisis
ocurre a pH 10 (Horikoshi, 1999; Wiegel
y Kevbrin, 2004).
Productos de los extremófilos y su aplicación
biotecnológica
El estrés
provocado por las drásticas condiciones ambientales ha seleccionado aquellas
poblaciones de microorganismos capaces de sintetizar compuestos que protegen a
la célula del estrés ambiental en un amplio rango de salinidad o temperatura.
Estos productos, denominados “extremolitos” o solutos
compatibles, mantienen el balance de agua
y protegen a las macromoléculas biológicas. Desde el punto de vista químico
son moléculas diversas; en los organismos mesófilos
las más frecuentes son: aminoácidos (prolina), azúcares (trehalosa),
betaínas (glicina beta.na), ácido aminosulfónico
(taurina) (Bonaterra y col., 2005); mientras que los
termófilos sintetizan altas concentraciones de derivados de myo-inositol (DIP) en el caso de
las Thermotogales, o diglicerol
fosfato (DGP y cDGP) acumulado por algunas arqueobacterias termófilas y metanógenas
(Lenzen y Schwarz, 2006).
Desde el
punto de vista biotecnológico estos compuestos son interesantes para la
estabilización de macromoléculas, enzimas y como protectores celulares por su
respuesta al estrés hídrico (Margesin y Schinner, 2001). Uno de los más frecuentes es la ecto.na,
que en el caso de Halomonas elon-gata
puede incrementar sus niveles en un 50 %, cuando la concentración de NaCl es del orden del 20 %, lo que permite
estabilizar
la actividad enzimática de lipasas, amilasas, celulasas
o proteasas (Sauer y Gallinski,
1998). La trehalosa es un osmolito
que puede ser utilizado como crioprotector, o bien el
diglicerol fosfato, producido por Arqueolobus fulgidus, que es un potente
estabilizador de proteínas frente a la temperatura (Margesin
y Schinner, 2001). Otro de los productos utilizados como
moléculas para el reconocimiento celular son las lectinas,
especialmente la concanavalina A, producidas por arqueobacterias halófilas que se usan como indicadores de
las modificaciones de la superficie celular en la detección de células malignas
(Lei y Chang, 2007).
Biopolímeros
De gran interés
biotecnológico en la industria farmacéutica o alimentaria son los biopolímeros extracelulares
de diversos microorganismos extremófilos, como el
poli-gamma-D-glutámico (PGA) con propiedades de espesante y humectante (Kunioka, 1997), o la capa S de las arqueobacterias,
que contiene una glicoproteína situada en la parte exterior de la célula y que
tiene la propiedad de autoensamblarse, formando un
malla altamente regular, que ha despertado gran interés en la nanotecnología (Sára y col., 2006).
En lo
concerniente al desarrollo alternativo de los plásticos y de nuevas
aplicaciones en el campo de la biomedicina, se han utilizado muy poco los
organismos extremófilos, posiblemente debido a las
dificultades de su manipulación, a pesar de que, algunos de ellos son capaces de
acumular hasta el 60 % del peso seco de poli-hidroxi-alcanoato (PHA), como en el caso de Haloferax mediterranei (Hezayen
y col., 2000).
Otro grupo
importante de biopolímeros son los exopolisacáridos
(EPS), compuestos de alto peso molecular que los microorganismos secretan al
medio ambiente y que pueden actuar como adhesinas favoreciendo la asociación
entre microorganismos. Estas biomoléculas son utilizadas en diversas áreas
industriales, ya que pueden actuar como emulsificantes,
espesantes, antioxidantes y quelantes (Freitas y col., 2011). Diversos
microorganismos extermófilos, tales como, los
halófilos de los géneros Haloterrigena y Halomonas, termoacidófilos de los géneros Sulfolobus y Thermococcus y termófilos del género Bacillus, producen biopolímeros con propiedades emulsificantes y antioxidantes (Squillaci
y col., 2016).
Biotensoactivos y
emulsionantes
La
colonización de hábitats altamente salinos y con alto contenido de material
oleoso, como los yacimientos petrolíferos, ha actuado como agente de presión
selectiva sobre microorganismos productores de biotensoactivos
(Khire, 2010). Estos compuestos anfifílicos
que tienen la capacidad de solubilizar fases inmiscibles, son producidos por
bacterias en hábitats con un alto grado de salinidad, hidrofobicidad
y temperatura. Se han detectado tensoactivos
producidos por microorganismos termófilos tales como Bacillus stearotermophilus o bien a partir del
termófilo halófilo Methanobacterium thermoautotrophicum.
En el otro extremo de la escala está. Arthrobacter protophormiae, microorganismo psicrófilo
aislado de la Antártida (Khire, 2010).
Otra
estrategia para proteger a la célula y permitir la emulsificación de nutrientes
en hábitats psicrófilos, es la acumulación de
material extracelular alrededor de la célula. Estas matrices extracelulares
están formadas por diversos materiales, como exopolisacáridos,
y por vesículas derivadas de la membrana externa. Debido a que tienen una alta
capacidad emulsionante, poseen un gran potencial biotecnológico en la industria
farmacéutica y cosmética (Frias y col., 2010).
Ha sido
demostrado que, para hacer frente a las extremas condiciones de su hábitat, los
extremófilos han desarrollado diversas estrategias
tanto a nivel intracelular como extracelular, que comprenden la biosíntesis de
productos singulares para la protección de la célula, y de macromoléculas
biológicas como enzimas y polímeros extracelulares que, en conjunto, les
ofrecen ventajas para su desarrollo en condiciones de baja actividad de agua,
elevada salinidad, pH, temperatura, entre otros (Rothschild y Mancinnelli, 2001). Esta versatilidad de los sistemas biológicos
ha sido fuente de inspiración y soporte para el avance de la ciencia,
permitiendo el nacimiento de una nueva era tecnológica, la biotecnología, que
tiende al diseño de nuevos organismos adaptados a los cambios del planeta y que
debieran beneficiar a todos.
CONCLUSIONES
El
desarrollo de procesos biotecnológicos empleando microorganismos extremófilos y las biomoléculas provenientes de ellos,
ofrece una alternativa viable para el desarrollo sustentable. Es necesario
entonces, encaminar esfuerzos por parte de la comunidad científica para apoyar
la búsqueda de nuevas fuentes de extremófilos, así
como el desarrollo de técnicas que impliquen la modificación genética,
estructural y funcional, de las
biomoléculas provenientes de estos microorganismos para su aplicación a gran
escala, lo que finalmente redundar. en el beneficio de las generaciones
presentes y futuras.
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