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Entendiendo cómo una bacteria del suelo selecciona su alimento para producir biopolímeros

Dra. Elva Yadira Quiroz Rocha y Dra. Cinthia Ernestina Núñez López

Este trabajo fue la tesis de doctorado de Elva Yadira Quiroz Rocha titulada “Estudio de la función del sistema de dos componentes CbrA/CbrB en la síntesis de alginato y represión catabólica por carbono en Azotobacter vinelandii” con la que se recibió en 2017.

Su tutora fue la Dra. Cinthia Ernestina

Núñez López. Esta tesis fue merecedora del Reconocimiento al Mérito Estatal de Investigación (Morelos) 2017.

¿Te gustan los helados cremosos? Esa agradable sensación que tienen los helados es gracias a la adición de un tipo de carbohidrato llamado alginato. El alginato está compuesto por dos azúcares -unidos entre sí como cuentas de rosario- formando largas cadenas, por esta razón se dice que el alginato es un polisacárido . Este compuesto es más común de lo que piensas. ¿Has probado alguna vez esas bebidas que tienen perlitas de sabores, que explotan en tu boca liberando deliciosas esencias frutales? Pues esas perlitas también están hechas de alginato, un compuesto capaz de formar geles lo suficientemente elásticos para encapsular sustancias (como las esencias frutales). El alginato también es usado en la industria alimentaria, farmacéutica, entre otras, para viscosificar, es decir, obtener productos cremosos como los helados, las cremas ácidas, etc. Este polisacárido normalmente es obtenido de unos organismos marinos, las algas; aunque también existen bacterias que lo producen, como la llamada Azotobacter vinelandii, una bacteria que normalmente vive en el suelo de manera libre o asociada a las raíces de las plantas. Azotobacter excreta alginato al medio donde se cultiva y, cuando las condiciones ambientales son adversas, la célula se recubre con varias capas bien estructuradas de este polímero, lo que le ayuda a resistir ambientes secos.

Ahora… ¿te imaginas si en lugar de sabores de frutas encapsuláramos células vivas o medicamentos que pudieran viajar por nuestro cuerpo y llegar al lugar preciso para liberar su contenido? Esto es algo que se está investigando, utilizando alginatos -muy puros- producido por algas. El proceso de purificación actualmente utilizado es muy caro, ya que busca eliminar los residuos de las algas que pudiesen desencadenar una respuesta inmune en los pacientes. Sin embargo, el alginato producido por las bacterias puede purificarse fácilmente. Por esta razón, el estudio de la producción de alginato en bacterias es un importante tema de investigación.

En nuestro laboratorio estudiamos cómo es que la bacteria Azotobacter produce este polisacárido, desde un punto de vista genético, es decir, identificamos y modificamos las porciones de ácido desoxiribonucleico (ADN) necesarios para sintetizar ya sea una mayor cantidad de alginato, o bien algina-tos de cadenas más largas (mayor peso molecular) o de composición definida. Con este conocimiento podemos modificar el ADN de la bacteria (bacteria mutante) y con ello cambiar las propiedades del alginato que ella produce y que llevan a la formación de geles más rígidos, o al contrario, más suaves, según la modificación del material genético respectivo. Una de las mutantes que construimos (modificando el ADN), nos enseñó algo muy importante: lo que comemos, en verdad determina las capacidades de un organismo. Esta mutante, llamada GG15, nos llevó a estudiar cómo es que la bacteria logra transformar “lo que come”, en este polisacárido. En este punto, podemos decir que las preferencias alimenticias de las bacterias son parecidas a las nuestras. Se han acostumbrado a nutrirse de los alimentos que tienen a la mano. Por ejemplo, yo (Elva Yadira) al ser originaria del norte del país, nunca había tenido la oportunidad de comer plátano macho, mientras que, en el centro y sur, es un postre muy común. He de confesar que no me gusta, pero en ocasiones ¡hay que comerlo! Me imagino que a muchos les pasa lo mismo con las verduras cualquier otro alimento que no esté dentro de nuestros favoritos. Las bacterias también tienen su alimento (llamado “fuente de carbono”) preferida: la que se comen primero antes que todo lo demás.

En el caso de A. vinelandii, acostumbrada a vivir en el suelo, o si le va bien, pegada a las raíces de las plantas, prefiere compuestos muy simples como el acetato, el cual, es un compuesto de dos carbonos y que no es otra cosa que el vinagre que se usa en casa (Figura 3). Sin embargo, cuando consume esta fuente de carbono, los recursos no le alcanzan para producir cantidades sustanciales de alginato; así que, si queremos optimizar la producción de este polímero, tenemos que proporcionarle otros compuestos un poco más complejos como la glucosa (compuesto de 6 carbonos). El detalle es que este tipo de compuestos (los azúcares como glucosa o sacarosa)… ¡no son sus favoritos!

¿Pero, cómo es que la bacteria hace para decidir qué va a comer, y después qué hará con todo ese carbono (carbohidratos) que viene de su alimento? Reciente-mente, identificamos lo que los científicos conocemos como “reguladores moleculares” (en particular, el sistema CbrA/CbrB), capaces de detectar las fuentes de carbono disponibles y jerarquizar su consumo. A este proceso se le llama “Represión Catabólica por Carbono”. Sucede que en Azotobacter, una vez que el acetato del medio se ha consumido, CbrA lo detecta y activa al regulador CbrB. Este regulador permite que la bacteria produzca un transportador que internaliza la glucosa a la célula para usarla como fuente de carbono. Encontramos que CbrA/CbrB es un regulador que orquesta numerosas funciones en la célula, ya que, además, ajusta el metabolismo y dirige los flujos de carbono dependiendo de las necesidades de la bacteria. Gracias a este sistema, la célula de Azotobacter es capaz de decidir si va a crecer, a producir alginato, o acumular otros polímeros como el plástico biodegradable polihidroxibutirato (PHB). Nuestras investigaciones indican que el sistema CbrA/CbrB impide la producción del polisacárido alginato, pero al mismo tiempo, es muy previsor, ya que favorece la producción de PHB (un polímero que se acumula dentro de la célula) y sirve de almacén de reserva de carbono y energía. De esta manera, la mutante GG15, en ausencia del sistema CbrA/CbrB, produce grandes cantidades de alginato (que es lo que persigue un biotecnólogo).

¿Cuál es la importancia de la caracterización de este sistema? Al conocer cómo es que la bacteria asimila los compuestos con los que la alimentamos y cómo es que los dirige para producir alginato y PHB, podemos optimizar la producción de éstos dos polímeros, no sólo para lograr un rendimiento mayor, sino también para generar una composición de-finida que lleven a la obtención de productos finales (geles u agentes espesantes) con las características deseadas.

Después de todo, quizás comer cosas que no nos gusten tanto pueda traernos más beneficios de los que creemos.

Fuente: Revista Biotecnología en Movimiento


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