Instituto Antártico Chileno

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Biorrecursos antárticos: una nueva era de la ciencia polar chilena (primera parte)

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Publicado
5 de jun del 2014

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Boletín Ciencia

Punta Arenas, 5 de junio de 2014. Para comprender cómo los ecosistemas extremos pueden transformarse en un lugar de oportunidades, es necesario explicar sus singularidades. Los organismos antárticos han adoptado caminos evolutivos distintos a la biota del resto del planeta. La reducción de las poblaciones durante los eventos glaciales y los fenómenos que impiden el flujo génico han contribuido a la generación de ecosistemas únicos y aún muy poco estudiados. Asimismo, el clima polar ha conducido a la evolución de particulares adaptaciones bioquímicas frente a temperaturas extremadamente bajas, elevados niveles de radiación ultravioleta y de estrés hídrico, modificación de la salinidad, entre otros factores. La comprensión de los mecanismos moleculares que les permiten a los organismos antárticos sobrevivir a estas condiciones es importante no solo para la biología polar y las ciencias de la vida, sino también para la biotecnología.

En la actualidad muchos procesos biotecnológicos deben ser efectuados a muy altas o bajas temperaturas, o con altas presiones, por lo que la búsqueda de compuestos bioactivos capaces de funcionar en condiciones extremas es el centro de muchos estudios científicos de última generación. Adicionalmente, la búsqueda de productos naturales derivados de plantas y microorganismos representa una importante vía para el descubrimiento de nuevos productos químicos, bioactivos y terapéuticos de uso en la industria farmacéutica y biotecnológica.

En diciembre del 2007, el programa InnovaChile, de CORFO, aprobó el financiamiento del proyecto “Antártica: Fuente de recursos biológicos para la biotecnología nacional” (cód. 07CN13PXT-264), en cuya realización participó como ejecutor principal la Fundación Biociencia y como co-ejecutores el INACH y la Universidad de Santiago de Chile. El principal objetivo de este proyecto fue incrementar la investigación polar en líneas con alto impacto potencial en procesos productivos biotecnológicos, agroalimentarios y farmacéuticos, así como potenciar la infraestructura de laboratorios y fomentar la formación de capital humano científico y técnico.

En este contexto, el proyecto generó una plataforma para la obtención de recursos biotecnológicos de plantas y microorganismos antárticos extremofílicos que se detallan a continuación.

Extremófilos, pequeños titanes con potencial biotecnológico

En la Antártica existe una amplia diversidad de microorganismos de vida extrema: sicrófilos (viven óptimamente en bajas temperaturas), termófilos e hipertermófilos (viven óptimamente en altas temperaturas), xerófilos (organismos que resisten la desecación) y halófilos (viven óptimamente en altas concentraciones de sales), entre otros.

Las aplicaciones biotecnológicas de los microorganismos extremófilos son variadas e incluyen sectores productivos diversos como la agricultura, biomedicina y la biotecnología industrial. Es por esto que durante el desarrollo del proyecto, los extremófilos fueron el foco principal de investigación para el grupo científico de la Fundación Biociencia a cargo de la exploración microbiológica antártica y sus biomoléculas de importancia biotecnológica.

Los paradójicos hipertermófilos polares

A pesar de su condición de permanente congelamiento, la Antártica es el hogar de diversos ambientes no congelados, como desiertos fríos y sitios geotermales activos (volcanes activos y solfataras), entre los que se encuentra la isla Decepción, un volcán activo localizado en las Shetland del Sur (fig. 1).

fig1-blameyFigura 1. La Dra. Jenny Blamey en la isla Decepción, uno de los lugares que más atención ha concitado para estudios biológicos por sus particulares condiciones que posibilitan la existencia de microorganismos extremófilos.

A pesar de los distintos sitios con actividad termal presentes en la Antártica, aún no se ha descrito la presencia de microorganismos hipertermofílicos. Estos microorganismos poseen interesantes aplicaciones en el campo de los biocombustibles, ya que pueden ser capaces de producir H2, combustible altamente energético. Además poseen enzimas termoestables que pueden presentar nuevas ventajas con respecto a las comercialmente disponibles.

En este trabajo se logró cultivar y aislar una arquea hipertermofílica a partir de uno de los sitios hidrotermales de esta isla. La temperatura del sitio de muestreo osciló entre los 50 ºC a 90 ºC y el pH entre 5.5 a 6.5. El microorganismo aislado (BX13) pertenece al género Thermococcus. A la fecha no se ha reportado la presencia de este género en la Antártica. BX13 crece en un rango de temperatura entre los 50-90 ºC y en un rango de 1-5 % de sal (NaCl). Sus células (fig. 2) son cocos irregulares con tamaño variable generalmente entre 0.6 a 2 μm de diámetro.

fig2Figura 2. Micrografía electrónica de transmisión de cortes ultrafinos de la cepa BX13. CM, membrana citoplasmática; DP, partículas densas. Barra: 0.8 μm.

A pesar de sus semejanzas con otras arqueas hipertermofílicas, esta arquea antártica fue aislada desde un sitio hidrotermal a una profundidad de 4 m, una ventaja considerable para muestrear, ya que otras han sido aisladas desde sitios hidrotermales a una profundidad de más de 1000 m. Se necesitan caracterizaciones posteriores para determinar si la cepa BX13 corresponde a una nueva especie de este género.

Alcalófilos y acidófilos antárticos: alternativas para la biominería

En la Antártica es posible encontrar microorganismos que son capaces de resistir tanto a altas como a bajas temperaturas con pH ácidos y básicos. Diversas áreas de la industria necesitan microorganismos que crezcan en este tipo de condiciones, especialmente para aplicaciones de biominería, en donde la solubilización microbiana de metales vía el uso de microorganismos quimiolitotróficos es el proceso por el cual se efectúa la recuperación de metales como el cobre, oro, uranio y cobalto.

Con el objetivo de encontrar microorganismos con una potencial aplicación en estos procesos industriales se cultivaron diversas muestras, capaces de crecer a pH tanto ácido como alcalino y a temperaturas que fluctuaban entre los 4 ºC y 65 ºC. El screening enzimático reveló actividades relevantes tanto para microorganismos acidófilos como alcalófilos, destacándose un alcalitolerante llamado REF3 con un pH óptimo de 8.0 cuyo screening enzimático reveló actividad para la enzima fosfatasa alcalina (fig. 3).

fig3Figura 3. Microorganismo alcalitolerante llamado “REF3”, con un pH óptimo de 8.0.

Todas las muestras confirmaron el crecimiento quimiolitotrófico, pues hubo oxidación de Fe2 + (por la presencia color marrón del óxido férrico). Adicionalmente, en algunas muestras hubo formación de exopolisacáridos asociadas a las superficies de azufre y fueron capaces de conservar un pH acídico bajo un crecimiento a 65 ºC. Estos resultados demostraron que la Antártica es un continente que alberga diversas comunidades que se han adaptado a más de una condición extrema.

Pigmentos antioxidantes, ¿hacia una cosmetología polar?

Se ha descrito que los microorganismos que habitan zonas frías sintetizan pigmentos carotenoídeos, los cuales forman parte del sistema de defensa antioxidante no enzimático y cumplen funciones de tipo estructural en sus membranas. Actualmente, existe un gran interés industrial por pigmentos de origen natural, con gran capacidad antioxidante, inocuos y con un bajo costo de producción. Es por esto que se decidió extraer pigmentos a partir de microorganismos aislados de muestras ambientales de la Antártica, lugar donde se esperaba encontrar sistemas biológicos que poseyeran sistemas antioxidantes eficientes, debido a los altos índices de radiación ultravioleta-B (UV-B). Se aislaron dos microorganismos, CM y Yelcho, pertenecientes a los géneros JanthinobacteriumPedobacter, respectivamente, que producían aparentemente diferentes tipos de pigmentos, entre ellos, violaceína, proveniente de CM, que posee absorción máxima a 585 nm (fig. 4B) y un grupo de nueve carotenoides, producidos por Yelcho, los cuales en conjunto poseen una absorción máxima a 480 nm (fig. 4A).

fig4Figura 4. Cepas pigmentadas seleccionadas y espectros de absorción de sus respectivos pigmentos. Espectro de absorción entre longitudes de onda de 330 nm y 720 nm de los pigmentos de Yelcho (A) y del pigmento de CM (B).

En este estudio se determinó la capacidad antioxidante de los pigmentos y se estudió su contribución a la resistencia frente al choque osmótico de liposomas que los contenían en su estructura. De estos últimos se purificaron e identificaron cuatro pigmentos: nostoxantina 3-sulfato, pirroxantina, fucoxantina y violaxantina. Los pigmentos carotenoídeos encontrados demostraron poseer una gran capacidad antioxidante y los liposomas que contenían pigmentos en su estructura fueron más resistentes frente a cambios en la concentración de sales en el medio que los contenía. Los resultados obtenidos convierten a estos pigmentos en candidatos para su uso en cosmetología.

Lipasas, preparadas para el trabajo sucio

Las lipasas son un grupo importante de enzimas con gran valor biotecnológico, principalmente por la versatilidad de sus propiedades y su capacidad para facilitar una amplia variedad de reacciones. No sólo catalizan la ruptura de las grasas en presencia de agua, sino que, además, pueden sintetizar distintos tipos de moléculas que poseen un alto interés industrial. No obstante, los procesos que requieren lipasas ocurren a altas temperaturas, por lo que la industria requiere de enzimas estables que puedan llevar a cabo estas reacciones en condiciones extremas.

Por esto, buscamos un microorganismo termofílico productor de lipasas, para lo cual se aisló un microorganismo termófilo (fig. 5) desde muestras recolectadas en la isla Decepción.

fig5Figura 5. Visualización al microscopio electrónico de transmisión del microorganismo obtenido de isla Decepción capaz de producir lipasas activas a altas temperaturas.

Este microorganismo es capaz de producir cuatro lipasas activas a altas temperaturas, lo que las convierte en excelentes candidatas para acelerar reacciones en distintos procesos; además, su alcalinidad les permitiría ser empleadas en detergentes. Más aún, la especificidad hacia compuestos que poseen ácido láurico amplía la aplicación para la generación de compuestos de interés cosmetológico, ya que esta molécula presenta propiedades antibacterianas, antioxidantes y antivirales. Además, todas ellas mostraron ser estables por períodos más prolongados cuando son expuestas a 70 °C en comparación con otras lipasas descritas.

– Fin de la primera parte –

Por Freddy Boehmwald, Verónica Kramm y Jenny Blamey
Fundación Científica y Cultural Biociencia

Publicado en el Boletín Antártico Chileno (vol. 32, edición Aniversario INACH)