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lunes, 13 de febrero de 2012

CIANOBACTERIAS: un mundo de aplicaciones biotecnológicas

Por: Cristina Mariana Prieto Barajas

Las cianobacterias, son el único grupo bacteriano fotoautótrofo oxigénico. Son monofiléticas y presentan una impresionante diversidad morfológica (Fig.1.), podemos encontrarla en una gran variedad de hábitat alrededor del globo incluso han manipulado el ambiente terrestre al inundar la atmósfera con oxígeno a finales del Criogeniense, hace unos 600 millones de años atrás. Este gas tóxico en aquella época, eliminando una gran cantidad de organismos y dió pie a la evolución de otros como los eucariontes y los animales.

Fig.1. Diversidad morfológica; De izquierda a derecha y de arriba hacia abajo: Synechocystis, Gloeothece, Nostoc, Dermocarpa, Anabaena, Scytonema, Pleurocapsa, Oscillatoria, Fischerella, Stigonema.

Es inminente que su belleza nos conquiste  y además, han resultado una rica fuente de productos con aplicación biotecnológica. A continuación, se describen brevemente algunos de sus usos…

Productores de compuestos bioactivos
Se ha observado que estas increíbles cianobacterias sintetizan toda una gama de compuestos con distintas actividades biológicas, cuya naturaleza química tiende a ser lipopéptidica; entre las que destacan antibacteriales, antialgales, antiprotozoarios, antivirales, y antitumorales (Tabla 1). Los géneros más estudiados por ser excelentes productores de tales compuestos son Phormidium y Lyngbya. Además de estos compuestos se han obtenido enzimas termoestables, que son ampliamente utilizadas y requeridas en procesos industriales.

Tabla 1. Resumen de los compuestos bioactivos obtenidos a partir de cianobacterias, su nombre y función. Tomada y modificada de Abed et al. 2008.

Polihidroxialcanoatos (PHAs); plásticos biodegradables?

            Muchas bacterias tienen la capacidad de formar almacenes de nutrientes a forma de inclusiones celulares cuando estos,  se encuentran en exceso en el ambiente circundante. Entre las principales naturalezas químicas de las sustancias de almacén encontramos azufre, poliaminoácidos, polifosfatos y lípidos. Una de las reservas más interesantes son los polihidroxialcanoatos, material lipoídico, termoplástico cristalino con propiedades similares a las del propileno, por lo que se ha considerado que pudiera llegar a sustituir a este en la producción de plásticos, estos “plásticos” tendrían características más amigables con el medio ambiente tanto durante su elaboración como durante su degradación, ya que al ser de origen biológico pueden ser degradados por organismos vivos. Algunas cianobacterias pueden almacenar este compuesto en grandes cantidades, algunas de ellas son las del genero Spirulina que presentan importantes inclusiones que regularmente llegan a ser del 6 al 7% del peso seco de la bacteria (Fig.2.). Algunas otras cianobacterias producen en condiciones ideales una mayor cantidad de estos PHAs llegando hasta los 50 y 70% del peso seco de la célula S. maxima y Synechococcus MA19 son ejemplos de ellas.

Fig. 2. a) Microfotografía de transmisión electrónica de los gránulos de Polihidroxialcanoatos en células de cianobacterias b) Película fundida de PHAs obtenida de cianobacterias, c) Spirulina platensis teñida con azul Nilo A bajo microscopía de fluorescencia se observan las inclusiones celulares de PHAs, d) Microscopía de Transmisión electrónica, acumulación de gránulos en el citoplasma de Spirulina platensis.

Biorremediación
Durante mucho tiempo se pensó y se llevaron a cabo muchos estudios sobre la degradación de compuestos petroquímicos por parte de las cianobacterias, sin embargo, trabajos recientes han demostrado que no son estas las degradadoras si no que están formando un consorcio con bacterias organotróficas, que son quienes verdaderamente se encargan de la degradación de los hidrocarburos. Pero no todo está perdido, resulta que este consorcio bacterias organotróficas-cianobacterias se ve altamente beneficiado en tres aspectos por la presencia de estas últimas; 1) Producción de oxígeno, que contribuye al rompimiento de los anillos aromáticos de los hidrocarburos a degradar, 2) Fijación de nitrógeno, que contribuye al desarrollo de las degradadoras y  3) Producción de compuestos orgánicos simples que les proveen a las bacterias degradadoras una mejor relación simbiótica. Así que se posicionan como importantes actores en la biorremediación aunque de una manera extravagante y poco entendida.

Productoras de combustibles amigables con el medio ambiente
Muchas cianobacterias tienen la capacidad de fijar nitrógeno, un producto de la fijación del nitrógeno es el hidrógeno, este es actualmente visto como una importante fuente alternativa al uso de combustibles fósiles. Sus ventajas son que es: amigable con el ambiente, eficiente y no emite dióxido de carbono, tanto durante su producción como durante su uso. Entre los géneros que se destacan por la producción de hidrógeno se encuentran  Anabaena, Calothrix, Oscillatoria, Cyanothece, Nostoc, Synechococcus, Microcystis, Gloeobacter, Aphanocapsa, Chroococcidiopsis, y Microcoleus, aunque los mayores productores corresponden al género Anabaena.

Cianobacterias biofertilizadoras
El arroz es un cultivo que requiere de suelos anegados, donde una asociación simbiótica entre un helecho acuático y una cianobacteria: Azolla-Anabaena  prolifera (Fig.3.). Este par se encarga de la fijación de nitrógeno, produciendo un total de 18kg N ha/año. Esto eleva la productividad y las ganancias de la siembra de tan prestigiado cereal, base alimenticia de millones de personas alrededor del mundo.

Fig.3. De Izq. a Der. Azolla (helecho acuático), Anabaena (cianobacteria fijadora de nitrógeno), Asociación Azolla- Anabaena.

Una rica fuente de nutrientes
Al parecer, las aplicaciones de estos organismos no se limitan, Spirulina y Nostoc  por ejemplo son ampliamente utilizadas como suplemento alimenticio (Fig.4.) por ser ricas en nutrientes tales como proteínas (60%), beta carotenos, tiamina, riboflavina y vitamina B12.

               
Fig. 4. Suplementos alimenticios a base de Spirulina y Nostoc, gran variedad de productos que van desde capsulas y pastillas hasta suplementos de algunas cervezas.

Actualmente los investigadores están en busca de solucionar los diversos problemas a los que día con día deben enfrentarse para obtener los productos antes mencionados, el conseguir cepas que produzcan grandes cantidades de compuestos bioactivos, PHAs, hidrógeno, mejorar el diseño de los bioreactores (sistemas que mantienen un ambiente biológicamente activo). Sin embargo, son problemas que deberán solucionarse, por medio de la investigación continua, explorando nuevos campos en los cuales se puedan aplicar las bondades de tan asombrosos e importantes microorganismos muchas veces olvidados y relegados a simples.



Literatura recomendada

Abed, R. M. M, S. Dobretsov y K. Sudesh. 2008.  Applications of cyanobacteria in biotechnology. Journal of Applied Microbiology 106(2009): 1-12pp.

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