Tras biosensores antárticos
Las enzimas oxidoreductasas, incluida la glutamato deshidrogenasa (GDH), han sido altamente consideradas para el uso como biosensores, en particular por su especificidad y por su habilidad para operar en sistemas fotoquímicos y electroquímicos.
Sin embargo, el uso de enzimas como biosensores es relativamente problemático debido a su inestabilidad frente a la temperatura, solventes orgánicos y agentes desnaturantes. Es por esto que se decidió buscar un microorganismo termofílico proveniente de la Antártica que posea una enzima GDH termoestable, para luego clonar y expresar en un microorganismo recombinante la GDH estudiada y comparar sus características con la enzima nativa. A partir de las muestras recolectadas, se aislaron 10 microorganismos diferentes y se realizó un screeningenzimático de la actividad GDH (fig. 6), uno de ellos con una alta actividad específica GDH a 50 ºC y que conserva un gran porcentaje de actividad al ser medido a 37 ºC.
Figura 7. Temperatura y pH óptimo de reacción de desaminación oxidativa de GDH de Bacillus gelatini.
Estos resultados demuestran que es una enzima clave para el reemplazo de la enzima comercial actual, debido a su actividad específica en un amplio rango de temperaturas (35-70 ºC).
Enzimas degradadoras de madera
La lignina es uno de los tres componentes principales de la madera y es uno de los polímeros aromáticos más abundantes de la Tierra. Debido a que presenta una compleja estructura química, este compuesto es recalcitrante (es decir, de muy difícil manejo) y solo algunos organismos poseen las enzimas apropiadas para biodegradarlo o biotransformarlo. ¿Podrían encontrarse algunos de estos organismos en la Antártica? Por supuesto que sí. La antigua Antártica era mucho más cálida y húmeda que en la actualidad. El clima era el adecuado para mantener una vegetación importante, incluyendo árboles a lo largo de los bordes del Continente Helado y también en regiones interiores.
Las principales enzimas involucradas en el proceso natural de degradación o modificación de lignina son la lacasa, manganeso peroxidasa y lignina peroxidasa. El objetivo de la investigación fue purificar y caracterizar enzimas lacasas provenientes de microorganismos no fúngicos antárticos. Algunos de estos microorganismos son bacterias que pueden poseer características muy peculiares, por ejemplo, ser más activas y estables a pH neutro y alcalino, a las altas temperaturas y a las altas concentraciones de iones de cobre. Para cumplir con el objetivo propuesto, se aislaron tres bacterias sicrofílicas antárticas que poseen actividad fenoloxidasa tipo lacasa ( fig. 8 ) y xilanasa que pertenecen a los géneros Bacillus, Pseudomonas y Shewanella.
Figura 8. Fotografía electrónica de barrido que muestra a un Bacillus sicrofílico antártico creciendo sobre una pieza de lignina insoluble. Este polímero aromático fue la única fuente de carbono presente en el medio de cultivo.
Estos microorganismos son capaces de utilizar lignina soluble y xilano como única fuente de carbono. La actividad lacasa medida en el cultivo sicrofílico de Bacillus fue de 15,7 U/mg proteína, actividad que fue superior a la obtenida a partir del extracto crudo de un cultivo termófilo antártico (1,09 U/ mg proteína). Actualmente, se están optimizando los protocolos de purificación enzimática y de medición de actividad lacasa bajo condiciones extremas de reacción.
Por otra parte, los microorganismos antárticos aislados serían potenciales productores de lacasas crioactivas alcalinas o termoestables alcalinas que pueden ser aplicadas en diversas actividades de la industria textil, papelera o farmacéutica. Sobre todo en Chile, la aplicación de enzimas lacasas tiene mucha importancia en la biorremoción de lignina de la pulpa kraft en el proceso de elaboración de papel, en la producción de biocombustibles junto a xilanasas y celulasas, y en la eliminación de compuestos fenólicos tóxicos presentes en las aguas residuales tras la actividad de la industria papelera.
¿Y ahora quién podrá defenderme? Las bacteriocinas
En las últimas décadas, ha sido intensa la investigación de compuestos antimicrobianos producidos por bacterias. En la Antártica este interés se ha incrementado con el objetivo de encontrar nuevas especies de bacterias productoras de este tipo de compuestos. Los resultados del Laboratorio de Biorrecursos Antárticos del INACH a cargo del Dr. Marcelo González (fig. 9), muestran que existe una particular diversidad de bacterias con actividades asociadas a la producción de metabolitos secundarios o péptidos de bajo peso molecular llamados bacteriocinas
Figura 9. Laboratorio de Biorrecursos Antárticos, del INACH.
Es así como este proyecto logró purificar pigmentos tipo violaceína de bacterias antárticas del género Janthinobacterium sp. y bacteriocinas de bacterias del géneroPseudomonas spp. Estas bacterias han demostrado tener actividad contra bacterias como Escherichia coli o Staphylococcus aureus, y, además, contra bacterias multirresistentes a diferentes antibióticos que han sido aisladas desde hospitales chilenos. La aplicación por aspersión del pigmento ha demostrado ser eficiente en impedir el crecimiento de algunas de estas bacterias multirresistentes como Acinetobacter baumannii, Klebsiella pneumoniae y Escherichia coli. Actualmente, estamos trabajando en la incorporación de estos compuestos antibacterianos en vehículos para evaluar su aplicación en superficies que pudieran presentar focos de contaminación.
El tesoro oculto de las plantas antárticas
El comportamiento y la plasticidad de tres especies vegetales antárticas, Deschampsia antarctica, Colobanthus quitensis y el musgo Sanionia uncinata (fig. 10), fueron estudiados por el Laboratorio de Fisiología y Biotecnología Vegetal de la Universidad de Santiago de Chile (USACH), a cargo del Dr. Gustavo Zúñiga.
Figura 10. Plantas antárticas analizadas. De izquierda a derecha D. antarctica, C. quitensis y S. uncinata.
En D. antarctica se observó un incremento en la síntesis de fitoquímicos en respuesta al incremento de radiación UV-B, los que demostraron tener actividad antioxidante y fotoprotectora, por lo cual se postuló como un potencial blanco de generación de fitofármacos y fitocosméticos. Por otro lado, C. quitensis mostró un comportamiento similar; sin embargo, la actividad antioxidante es inferior a la encontrada en D. antarctica. La mantención de la condición de homeostasis en ambas especies presenta un recurso genético que se ha aislado parcialmente para su uso como fortalecedores en condiciones de alta radiación UV-B, frío y estrés hídrico, y como blanco de transformación para especies de interés comercial susceptibles a estrés.
En el caso del musgo S. uncinata, se analizó la respuesta a ciclos de desecación-rehidratación. Se observó que el musgo tiene la capacidad de recuperar su actividad metabólica posterior a un proceso de desecación, generando variaciones en el contenido de oxidantes, pero no llegando a generar la muerte del tejido. Este hallazgo tiene una importante proyección para la obtención de productos naturales para ser utilizados como protectores en la industria de los alimentos y farmacéutica.
Una nueva era para la biotecnología antártica nacional
El disponer de una infraestructura moderna para realizar investigación científica y biotecnológica en el Continente Blanco, es un hito a nivel nacional que ha permitido el desarrollo de profesionales vinculados a la biotecnología en un área altamente inexplorada. Esto ayudó a disminuir la brecha existente en temas de ciencia y biotecnología polar en relación a otros países emergentes, generando valor a partir de los biorrecursos sin alterar de ningún modo el equilibrio ecológico de la Antártica. En la actualidad, esta línea de investigación (Adaptaciones al medio antártico y sus biorrecursos) es la que más ha crecido dentro del Programa Nacional de Ciencia Antártica y es la que tiene más proyectos en ejecución (20). El conjunto de resultados obtenidos nos avala para afirmar que estamos viviendo una nueva etapa en el desarrollo de la biotecnología nacional asociada a la Antártica.
PRINCIPALES LOGROS DEL PROYECTO
CREACIÓN DE UN MODERNO Y EQUIPADO LABORATORIO DE BIOTECNOLOGÍA en la base “Profesor Julio Escudero”, en la isla Rey Jorge, y la potenciación de instalaciones adicionales del INACH en Punta Arenas y de la Fundación Biociencia en Santiago.
ELABORACIÓN DE LOGÍSTICA ADECUADA PARA EL TRANSPORTE DE MUESTRAS, PLANTAS Y MICROORGANISMOS, con especial atención a la cadena de frío. Esta logística no solamente requirió de los medios físicos adecuados, sino también de un conjunto de procedimientos y medidas de gestión implementadas a lo largo del proyecto. Implementación de los medios físicos y procedimientos que permitieron asegurar que la toma de muestras, actividades científicas y operación de laboratorios en la Antártica fuese llevada a cabo en estricto cumplimiento del Tratado Antártico y sus protocolos.
VISITA E INSPECCIÓN DE MÁS DE 120 DIFERENTES AMBIENTES ANTÁRTICOS (glaciares, lagos, permafrost, muestras marinas y sitios geotermales), todos ellos localizados en las islas Shetland del Sur y la península Antártica, durante las Expediciones Científicas Antárticas 44, 45 y 46. Se trasladaron cantidades discretas de muestras ambientales (no superiores a 50 g) al nuevo laboratorio de la base Escudero, donde se procedió al cultivo, aislación y caracterización de microorganismos extremofílicos. Adicionalmente se analizó el comportamiento y la plasticidad de tres especies vegetales antárticas, Deschampsia antarctica, Colobanthus quitensis y el musgo Sanionia uncinata, con el fin de encontrar moléculas con potencial biotecnológico.
BÚSQUEDA Y CARACTERIZACIÓN DE ENZIMAS DE IMPORTANCIA INDUSTRIAL (lipasas, enzimas antioxidantes y ligninasas, entre otras) desde los nuevos microorganismos antárticos aislados, además de la búsqueda de pigmentos con actividad antioxidante y metabolitos antibacterianos. La caracterización de metabolitos con potencial aplicabilidad desde plantas antárticas fue otra arista importante del proyecto.
FORMACIÓN DE CAPACIDADES CIENTÍFICAS, ya que los conocimientos y la experiencia requerida para trabajar con microorganismos y plantas de ambientes extremos no son triviales y requieren años para adquirirse.
DIFUSIÓN DE LOS RESULTADOS DEL PROYECTO AL PAÍS Y A LA COMUNIDAD CIENTÍFICA INTERNACIONAL, lo que se concretó en más de 50 artículos periodísticos de difusión nacional e internacional y publicaciones en revistas científicas especializadas.
Por Freddy Boehmwald, Verónica Kramm y Jenny Blamey
Fundación Científica y Cultural Biociencia
Publicado en el Boletín Antártico Chileno (vol. 32, edición Aniversario INACH)
INACH
CREACIÓN DE UN MODERNO Y EQUIPADO LABORATORIO DE BIOTECNOLOGÍA en la base “Profesor Julio Escudero”, en la isla Rey Jorge, y la potenciación de instalaciones adicionales del INACH en Punta Arenas y de la Fundación Biociencia en Santiago.
ELABORACIÓN DE LOGÍSTICA ADECUADA PARA EL TRANSPORTE DE MUESTRAS, PLANTAS Y MICROORGANISMOS, con especial atención a la cadena de frío. Esta logística no solamente requirió de los medios físicos adecuados, sino también de un conjunto de procedimientos y medidas de gestión implementadas a lo largo del proyecto. Implementación de los medios físicos y procedimientos que permitieron asegurar que la toma de muestras, actividades científicas y operación de laboratorios en la Antártica fuese llevada a cabo en estricto cumplimiento del Tratado Antártico y sus protocolos.
VISITA E INSPECCIÓN DE MÁS DE 120 DIFERENTES AMBIENTES ANTÁRTICOS (glaciares, lagos, permafrost, muestras marinas y sitios geotermales), todos ellos localizados en las islas Shetland del Sur y la península Antártica, durante las Expediciones Científicas Antárticas 44, 45 y 46. Se trasladaron cantidades discretas de muestras ambientales (no superiores a 50 g) al nuevo laboratorio de la base Escudero, donde se procedió al cultivo, aislación y caracterización de microorganismos extremofílicos. Adicionalmente se analizó el comportamiento y la plasticidad de tres especies vegetales antárticas, Deschampsia antarctica, Colobanthus quitensis y el musgo Sanionia uncinata, con el fin de encontrar moléculas con potencial biotecnológico.
BÚSQUEDA Y CARACTERIZACIÓN DE ENZIMAS DE IMPORTANCIA INDUSTRIAL (lipasas, enzimas antioxidantes y ligninasas, entre otras) desde los nuevos microorganismos antárticos aislados, además de la búsqueda de pigmentos con actividad antioxidante y metabolitos antibacterianos. La caracterización de metabolitos con potencial aplicabilidad desde plantas antárticas fue otra arista importante del proyecto.
FORMACIÓN DE CAPACIDADES CIENTÍFICAS, ya que los conocimientos y la experiencia requerida para trabajar con microorganismos y plantas de ambientes extremos no son triviales y requieren años para adquirirse.
DIFUSIÓN DE LOS RESULTADOS DEL PROYECTO AL PAÍS Y A LA COMUNIDAD CIENTÍFICA INTERNACIONAL, lo que se concretó en más de 50 artículos periodísticos de difusión nacional e internacional y publicaciones en revistas científicas especializadas.
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