Científicos de Colima desarrollan bioplástico
Por Amelia Gutiérrez Solís
Colima, Colima. 1 de agosto de 2016 (Agencia Informativa Conacyt).- En el Laboratorio de Bioingeniería de la Universidad de Colima (Ucol) crean bioplástico para usarlo en la industria biomédica a partir de bacterias modificadas mediante ingeniería metabólica, que no presentan características patógenas.
La doctora en bioquímica, egresada de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Sara Centeno Leija, del Programa de Cátedras del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), señaló que el proyecto originalmente provenía de bacterias del género Pseudomonas, que fueron aisladas de aguas residuales. Dicho género posee una ruta metabólica muy bien definida para la síntesis de polihidroxialcanoatos, que es el nombre genérico de bioplásticos bacterianos.
Centeno Leija ha realizado varios trabajos relacionados con la biosíntesis de bioplásticos en colaboración con el Instituto de Biotecnología de la UNAM. Específicamente ha utilizado la ingeniería metabólica para modificar la bacteria Escherichia coli para sobreproducir polihidroxibutirato, que es un bioplástico biodegradable que compite con los derivados de petróleo y que actualmente es muy utilizado a nivel industrial. Dada la experiencia, la doctora Centeno se vinculó con este proyecto que se desarrolla en el Laboratorio de Bioingeniería de la Ucol, colaborando con la doctora en biología molecular Pilar Escalante Minakata.
Luis Angel Castillo Dávalos.Centeno Leija indicó que en la ruta metabólica de las Pseudomonas podrían estar vinculados 15 genes y generalmente se usan ácidos grasos u otro tipo de ácidos orgánicos para generar los plásticos. Sin embargo, existe una ruta más directa proveniente del género Ralstonia o Azotobacter que utiliza azúcares simples, en el que se involucra el metabolismo primario de la bacteria y tres genes clave para la síntesis del polímero.
Reconoció que debido a que la ruta metabólica de Pseudomonas está altamente regulada, resulta difícil emular condiciones nativas en el laboratorio que permitan maximizar la producción de plásticos, por ello al realizar la ingeniería se evitan las regulaciones metabólicas y génicas, así como trabajar con un organismo patógeno.
La especialista en ingeniería metabólica afirmó que extrayendo la secuencia de genes clave en Pseudomonas se puede transmitir a una bacteria que sí pueda ser utilizada a nivel biomédico, es decir, que no sea patógena.
“Actualmente estoy trabajando en esa ingeniería. Estamos aplicando técnicas moleculares a una cepa que es Escherichia coli, específicamente la MG1655, que no es patógena y que es ampliamente usada en bioingeniería. Dado que es de crecimiento rápido, fácil cultivo y es factible insertar o eliminar genes para manipular rutas metabólicas, combinaremos los genes de la ruta directa con la ruta indirecta y los produciremos en E. coli”, detalló la experta.
Mencionó que el estudiante de ciencias químicas de la Ucol, Luis Ángel Castillo Dávalos, en su tesis Producción heteróloga de polihidroxialcanoatos mediante el aislamiento y expresión del gen de la polihidroxialcanoato polimerasa phaC1 de una Pseudomonadaceae proveniente de la planta de tratamiento de aguas residuales del estado de Colima y Villa de Álvarez, investiga para dilucidar la secuencia del gen clave para la polimerización de este producto.
“Ya hemos logrado aislar un fragmento del gen phaC1 de las Pseudomonas aisladas en la planta de tratamiento, el cual secuenciaremos para compararlo con algunas bases de datos y diseñar oligonucleótidos que nos permitan amplificarlo completamente”, señaló.
Una vez que se conozca esta secuencia, en el Laboratorio de Bioingeniería se amplificará e insertará en una ruta troncal directa para la síntesis del polímero en Escherichia coli MG1655. Además se realizará la caracterización del polímero para conocer las propiedades fisicoquímicas como temperatura de transición vítrea, fusión, cristalinidad, resistencia y biocompatibilidad, que son las que proporcionan un polímero útil para la industria biomédica.
Esta investigación tiene varias ventajas. En primer lugar se elimina la parte patógena del sistema y, en segundo lugar, se puede optimizar de una forma más directa la síntesis del polímero, lo que permite obtener más de este producto de lo que se generaría en una cepa nativa y proporciona mejores rendimientos en la purificación del plástico, disminuyendo los pasos para el proceso de síntesis para su aplicación a nivel biomédico.
Otra de las ventajas de la cepa Escherichia coli, que donó la UNAM, es que puede usar los sustratos de manera versátil. Por ejemplo, puede usar monosacáridos, que son hidrolizados de caña de azúcar, tales como glucosa y fructosa.
“Para poder generar el bioplástico, se podría mejorar la cepa para utilizar los hidrolizados lignocelulósicos, que son básicamente bagazo de caña o desperdicios agroindustriales, lo que disminuiría los costos de producción”, aseguró Centeno Leija.
Colima es un estado agrícola en donde existen excedentes y desechos agroindustriales que son desperdiciados, los cuales podrían usarse en estas bacterias productoras de bioplásticos para generar un gran rendimiento.
Impacto de esta investigación
En el Laboratorio de Bioingeniería colaboran investigadores en áreas multidisciplinarias, por eso desde el punto de ciencia básica se investigan nuevos genes para la síntesis de bioplásticos, que es una gran familia de polihidroxialcanoatos, siendo uno de los más conocidos el polihidroxibutirato.
“Es probable que estos genes, que provienen de cepas nativas de un nicho ecológico específico, tengan características a nivel de sitio activo, que podrían generar cadenas de polímeros con distintos grados de polimerización o ramificación y proporcionen características fisicoquímicas deseables para la industria”, comentó la experta en esta materia en entrevista con la Agencia Informativa Conacyt.
De esta manera se exploran alternativas para producir polihidroxialcanoatos en diferentes ramas, además de que se estudian otros mecanismos para producir rutas metabólicas híbridas, es decir, la combinación de una ruta metabólica indirecta de una bacteria nativa, la de Pseudomonas, y una ruta directa que proviene de otros microorganismos —Ralstonia o Azotobacter— para conjuntarlas y depositarlas en otra bacteria completamente diferente, como la bacteria Escherichia coli MG1655. Esa es la labor de la ingeniería metabólica, apoyada por la ingeniería genética.
Además se podría modificar aún más esta bacteria y adaptarla para utilizarla en aguas residuales para generar polímeros que no sean para uso biomédico, pero que tengan un valor agregado y se usen en bolsas para alimentos, contenedores, botellas y embalajes, entre otros; aunque el valor agregado biomédico tiene mayor impacto porque es un producto que podría utilizarse para la producción de prótesis biocompatibles.
Antecedentes
La doctora en biología molecular egresada del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (Ipicyt), Pilar Escalante Minakata, señaló que la idea de buscar microorganismos en un planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR), con aplicación en el tratamiento de aguas, para obtener un producto de valor agregado, surgió hace tres años.
Doctoras Pilar Escalante Minakata y Sara Centeno Leija.Puntualizó que uno de los objetivos de la investigación es limpiar las aguas residuales, que es un problema ambiental, o aprovechar los residuos agroindustriales que genera el estado de Colima para obtener un producto que se pueda destinar a la biomedicina.
“Buscamos vincular el conocimiento en el área de bioingeniería con la problemática medioambiental que representan las aguas residuales y, al mismo tiempo, establecer una relación con el campo del conocimiento del ingeniero civil. De ahí surgió la idea de trabajar con bacterias que vivieran o se encontraran de forma nativa en sistemas como las plantas de tratamiento de aguas residuales”, explicó la encargada del Laboratorio de Bioingeniería.
La finalidad del proyecto era encontrar un organismo nativo que pudiera ser capaz de acumular bioplásticos bajo condiciones de desbalance de nutrientes, para posteriormente regresarlo al proceso.
En una primera etapa del proyecto, se realizó la búsqueda e identificación molecular de microorganismos nativos que tuvieran la capacidad, es decir que contaran con la información necesaria en su genoma para la síntesis y acumulación de los bioplásticos. Posteriormente, en una segunda etapa, la incorporación de dicho organismo nativo al mismo sistema, que sería la planta de tratamiento de aguas residuales.
“Es un proceso en el que se busca la síntesis y acumulación de bioplásticos en microorganismos nativos de la PTAR, utilizando condiciones en el laboratorio de desbalance de nutrientes. En ese sentido el proyecto fue evolucionando, este fue el primer planteamiento hacia el problema”, señaló Escalante Minakata.
En esta etapa inicial se identificaron bacterias del grupo de Pseudomonas, que tienen la capacidad de acumular los bioplásticos como mecanismos de reserva energética.
Aunque es algo que ya había sido explorado, la importancia radicaba en regresar al proceso estos microorganismos para disminuir los costos de la planta de tratamiento de aguas residuales, al generar un producto de valor agregado. Además de aprovechar y retirar una cantidad importante de sólidos solubles y así mejorar el proceso para optimizar la limpieza del agua.
Detalló que toda la biomasa que se recupera de la planta de tratamiento, que se separa de los reactores de los lodos activados, es desechada, por ello se propuso extraer bioplástico de esta biomasa para darle un uso. Con ello, se resolvería un problema ambiental que persiste en las plantas de tratamiento de aguas residuales.
Posterior al tratamiento primario, las aguas residuales todavía contienen gran concentración de sólidos solubles o sólidos disueltos que se podrían utilizar como sustrato para las Pseudomonas, proceso que debería llevarse a cabo en un tanque adicional, esto debido a que se requiere de la recuperación de la biomasa generada, pues es ahí donde se acumularía el bioplástico. Finalmente, el agua continúa su proceso de clarificación y sanitización.
Esta investigación titulada Alternative sources of microorganisms capable of producing biodegradable polymers: Polyhydroxyalcanoates se presentó en el 5th International Congress Food Science and Food Biotechnology in Developing Countries, and Food Safety, realizado en Puerto Vallarta en octubre de 2012, en donde fue reconocido con el primer lugar del premio Bioingenio patrocinado por Bioingenio Lifetech, el Departamento de Investigación en Alimentos (DIA-Uadec) y la Asociación Mexicana de Ciencias de los Alimentos A.C. (Ameca).
Por último, Escalante Minakata reconoció el invaluable apoyo de los investigadores que pertenecen al Programa Cátedras Conacyt para llevar a cabo estos proyectos en el Laboratorio de Bioingeniería.
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Dra. Sara Centeno Leija |
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