Aplicaciones Biotecnológicas de Microorganismos Halófilos

Revista Sistemas Ambientales, Vol. 4, No 2, 2011, p. 45-54
APLICACIONES BIOTECNOLÓGICAS DE MICROORGANISMOS
HALÓFILOS
Laura Castillo-Carvajal, Blanca E. Barragán-Huerta, B*.
Laboratorio de Residuos Peligrosos. Departamento de Ingeniería en Sistemas Ambientales. Escuela Nacional de Ciencias Biológicas.
Instituto Politécnico Nacional. Av. Wilfrido Massieu s/n, Unidad Profesional Adolfo López Mateos. CP 07738. DF. México
e-mail: [email protected]
RESUMEN
Los microorganismos tienen múltiples aplicaciones industriales; en el caso de los microorganismos halófilos su uso biotecnológico se ve orientada a diferentes campos, por ejemplo
en la industria alimentaria en donde se requiere preservar y conservar las características
sensoriales de los alimentos, en la industria de plásticos en la que se busca generar nuevas
tecnologías amigables con el ambiente y en la industria farmacéutica con la incorporación
de principios activos que originan nuevos productos. Se ha demostrado que los microorganismos halófilos presentan una alta capacidad de bioremediación, ya que pueden ser empleados como catalizadores en diversos procesos en donde se requieren condiciones extremas para poder recuperar eficientemente un ambiente contaminado.
Palabras clave: Halófilas, Biotecnología, Bioremediación.
ABSTRACT
Microorganisms have several industrial applications; in case of halophilic microorganisms
their biotechnological use is oriented to different fields, for example in food industry where
it needs to preserve and maintain the sensory characteristics of the food, in the plastics industry which looks for new friendly environmental technologies and in the pharmaceutical
industry with the incorporation of active principles that are the base of new products. It has
shown that the halophilic microorganisms have a high capability of bioremediation, due to
they can be used as catalysts in different process in which need extreme conditions to recuperate efficiently polluted environments.
Key words: Halophilic, Biotechnology, Bioremediation.
Revista Sistemas Ambientales, Vol. 4, No 2, 2011, p. 45-56
INTRODUCCIÓN
Los ambientes hipersalinos acuáticos en los que la
concentración de sal supera la del agua de mar
(3.5% de sales totales) pueden ser de origen natural, pero también pueden ser de origen artificial
como las salinas construidas por el hombre para la
obtención de sal. Por otra parte, la mayoría de las
salinas están ubicadas en la costa, ya que la sal se
obtiene por la evaporación del agua de mar, tal es
el caso de las salinas de Bras del Port en Santa
Pola, Alicante (España); existen también salinas
terrestres en las que las salmueras o aguas saladas
proceden ríos o lagos, un ejemplo de este tipo son
las salinas de Maras de la provincia de Urubamba,
Cusco (Perú), las cuales son denominadas ―estanque múltiple‖, debido a que las salmueras se distribuyen en un conjunto de balas de evaporación.
Este tipo de salinas son útiles para realizar estudios sobre la diversidad de los microorganismos
halófilos, ya que en ellas se encuentran multitud
de ambientes con distintos grados de salinidad
(Meseguer-Soria, 2004).
El salar de Uyuni en Bolivia y el de Atacama en
Chile son ejemplos muy conocidos por su gran
extensión y alto contenido de litio.
En México existen algunas salinas que han sido
utilizadas desde tiempos prehispánicos para la
obtención de sal (Figura 1). Estos ambientes son
ricos en microorganismos halófilos con gran potencial biotecnológico poco explorado. Las aplicaciones biotecnológicas de los microorganismos
extremófilos halófilos son diversas entre las cuales
se pueden citar: producción de alimentos fermentados, producción de salsa de soya, colorantes,
extremozimas resistentes a altas concentraciones
de sal (amilasas, proteasas, etc.), aditivos utilizados en cosméticos, plásticos biodegradables y
producción de agentes gelificantes como exopolisacáridos
(EPS).
(http://cbt.fcyt.umss.edu.bo/trabajo/verarticulo.ph
p?cod_art=5
A
B
Figura 1. Ambientes Salinos. Salar de Atacama,
Chile (A). Zapotitlán de las Salinas, México (B).
En la actualidad está creciendo el interés por conocer mejor la diversidad de microorganismos
halófilos y cada vez es mayor el número de investigaciones relacionadas con el tema ya que estos
organismos producen una amplia variedad de
metabolitos secundarios estables que pueden tener
aplicaciones prácticas (González-Hernández y
Peña, 2002; Podar y Reysenbach, 2006).
Generalidades de los Microor-ganismos Halófilos
Los microorganismos pertenecientes a la familia
Halobacteriaceae abundan en salinas y lagos
hipersalinos, ambientes bajo los cuales muy pocos
seres vivos pueden crecer. Una característica fundamental de los miembros de esta familia es que
son halófilos obligados, necesitando concentraciones de NaCl mayores de 1.5 M para crecer,
además, toleran bastante bien las temperaturas
elevadas, ya que los ambientes que habitan, por la
posición geográfica y por tratarse de aguas estancadas, suelen ser lugares muy cálidos con temperaturas que pueden llegar a mas de 50°C
(http://www.lluisvives.com/servlet/SirveObras/01
593741546702713008813/012969_2.pdf). Algunos estudios han demostrado que los microorganismos halófilos cuentan con estrategias que les
permiten enfrentar el estrés osmótico manteniendo
altas concentraciones intracelulares de sal y sinte-
Aplicaciones biotecnológicas de microorganismos halófilos
tizando solutos compatibles que les permiten
balancear su presión osmótica (GonzálezHernández y Peña, 2002).Las arqueas halófilas
son básicamente heterótrofas aerobias, muchas de
estas especies pueden crecer en medios inorgánicos con un solo compuesto orgánico como fuente
de carbono. Debido a las altas concentraciones de
sal y a las elevadas temperaturas de las salinas, la
solubilidad de oxígeno es muy baja convirtiéndose
Castillo y Barragán
en un factor limitante para el desarrollo de estos
microorganismos. Un detalle importante que se
debe resaltar es que aunque los halófilos son organismos quimioheterótrofos, se han descrito casos
de fijación de CO2 (Oren, 2002).
En la tabla 1 se presentan algunos de los géneros
de los microorganismos considerados como halófilos.
TABLA 1. MICROORGANISMOS HALÓFILOS
Dominio
Arquea
Bacteria
Género
Halobacterium sp.
Methanohalobium sp.
Methanohalophilus sp.
Acetohalobium sp.
Halorhodospira sp.
Actinopolyspora sp.
Salinibacter sp.
Halanaerobium sp.
Halothermothrix sp.
Halocella sp.
Halobacteroides sp.
Haloanaerobacter sp.
Salibacillus sp.
Halobacillus sp.
Marinococcus sp.
Salinococcus sp.
Tetragenococcus sp.
Halomonas sp.
Chromohalobacter sp.
Salipiger sp.
Palleronia sp.
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Rainey et al., 1995
Rainey et al., 1995
Rainey et al., 1995
Rainey et al., 1995
Mota et al., 1997
Mota et al., 1997
Mota et al., 1997
Mota et al., 1997
Mota et al., 1997
Vreeland et al., 1980
Ventosa et al., 1989
Martínez-Cánovas et al., 2004
Martínez-Checa et al., 2005
Revista Sistemas Ambientales, Vol. 4, No 2, 2011, p. 45-54
Producción de Enzimas
Los biotecnólogos han explotado a los extremófilos como fuente de enzimas denominadas extremoenzimas (Hendry, 2006), las cuales ofrecen
nuevas oportunidades para biocatálisis y biotransformaciones como resultado de su extrema estabilidad (Hough y Danson, 1999). Las bacterias halófilas moderadas crecen óptimamente en un rango
de salinidad de 0.5 a 2.5 M; además producen una
serie de enzimas hidrolíticas extracelulares tales
como: amilasas, proteasas, lipasas, nucleasas y
esterasas (Margesin and Schinner, 2001; Ventosa
et al., 2005). En los últimos años, el interés por el
estudio de estas enzimas se ha incrementado debido a sus propiedades catalíticas y potencial de
aplicación industrial en la formulación de detergentes, elaboración de productos dietéticos, procesamiento de cuero, papel y alimentos cárnicos, así
como también en la síntesis de enantiómeros puros de fármacos, biodegradación de residuos tóxicos y contaminantes industriales, entre otros (Ventosa et al., 2005; Sánchez-Porro et al., 2003).
Aunque el potencial de las halobacterias para
catalizar reacciones bajo condiciones extremas de
sal es bien conocido, hasta ahora no hay muchos
reportes de su aplicación en forma inmovilizada,
debido a que estas células son muy frágiles y se
lisan con la disminución de sal en el medio externo; sin embargo, se ha observado que la producción de α-amilasa por parte de microorganismos
halófilos se ha logrado mantener durante 45 días,
inmovilizando los microorganismos en perlas de
alginato y películas de alcohol polivinílico (Bagai
and Madamwar, 1996).
Las hidrolasas producidas por microorganismos
halófilos han sido usadas en la industria farmacéutica para la elaboración de algunos medicamentos
como antibióticos, hormonas y pesticidas (Joshi et
al., 2000: Sudge et al., 1998), también han sido
usadas para el tratamiento de superficies marinas
contaminadas con petróleo (Stosz et al., 1995).
Algunas celulasas haloestables han sido aisladas
de Salinovibrio sp. (Wang, et al, 2009). Por otro
lado, se han caracterizado isomerasas termoestables que permiten que la manipulación del DNA
sea más conveniente y eficiente; la Peptidil prolil
cis-trans isomerasa (PPIasa) ha sido usada para la
regeneración de proteínas desnaturalizadas, para la
estabilización de proteínas, para la producción de
proteínas recombinantes y para la producción de
importantes sustancias inmunosupresoras y fisiológicamente activas (Margesin and Schinner,
2001).
Producción de Biopolímeros
Los microorganismos halófilos tienen la capacidad de producir biopolímeros de diferentes clases
ente los cuales encontramos: exopolisacáridos,
biosurfactantes, liposomas, lectinas y bioplásticos.
Los exopolisacáridos (EPS) son biopolímeros
producidos extracelularmente por bacterias halófilas, teniendo aplicaciones en la industria alimentaria, farmacéutica y en procesos de biodegradación
(http://cbt.fcyt.umss.edu.bo/trabajo/verarticulo.ph
p?cod_art=5). Los exopolisacáridos sulfatados son
poco frecuentes entre los exopolisacáridos de
origen microbiano, sin embargo, algunos microorganismos halófilos estudiados sintetizan polímeros en cuya composición se detectan grupos sulfato. Una de las ventajas de estos exopolisacáridos
es que tienen actividad moduladora de la proliferación de distintos tipos celulares, entre ellos
células tumorales y bloquea la entrada de células
virales en células hospederas, además, los exopolisacáridos le dan la capacidad a las células bacterianas de formar biofilms permitiéndoles la adhesión a diferentes superficies.
Otras de las ventajas que le conceden los exopolisacáridos a las bacterias halófilas es la capacidad
de captar metales pesados, su actividad viscozante
y emulgente, adicionalmente algunos exopolisacáridos pueden ser fuentes de oligosacáridos ricos en
fucosa, presentando potenciales aplicaciones en
cosmética y medicina (Mata-Gómez, 2006).
El exopolímero poli(γ-D-ácido glutámico) (PGA)
puede ser usado como un espesante, humectante,
material de liberación sostenida, o portador de
medicamentos biodegradable en la industria farmacéutica o alimentaria (Kunioka, 1997).
Los biosurfactantes mejoran la remediación de
suelo y agua contaminados con aceite, disminuyen
la tensión superficial, incrementan la solubilidad y
movilidad de hidrocarburos hidrofóbicos, promo-
Aplicaciones biotecnológicas de microorganismos halófilos
viendo la degradación (Figura 2). Los microorganismos halófilos o halotolerantes productores de
biosurfactantes podrían jugar un papel importante
en la acelerada remediación de medios ambientes
salinos contaminados con aceite (Margesin and
Schinner, 2001).
Figura 2. Producción de emulsificantes del petróleo por bacterias halófilas aisladas en el Departamento de ISA-ENCB (Foto: Mónica Benítez)
Se ha aplicado la gelificación de exopolisacáridos
bajo condiciones alcalinas para remover colorantes de efluentes textiles (Margesin and Schinner,
2001).
Los liposomas son usados en medicina y cosméticos para el transporte de compuestos a sitios específicos en el cuerpo. Lípidos vinculados al éter
de arqueas halófilas tienen una alta estabilidad
química y resistencia contra las esterasas y por lo
tanto más alto rango de supervivencia que los
liposomas basados en derivados de ácidos grasos
(Margesin and Schinner, 2001).
Castillo y Barragán
Biotecnología Alimentaria
Los microorganismos halófilos juegan un importante papel en los procesos de fermentación que
ocurren en presencia de sal; estos microorganismos catalizan la fermentación y generan los compuestos encargados de dar características de sabor,
consistencia y aroma a los productos resultantes,
adicionalmente los microorganismos halófilos
producen compuestos que pueden servir como
control de microorganismos no deseados (Margesin and Schinner, 2001).
Los microorganismos halófilos han sido usados
para la producción de suplementos alimenticios y
colorantes para alimentos; una alternativa promisoria para la producción de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga, son las bacterias marinas,
las cuales permiten procesos de purificación convencionales, rápidos rangos de producción y
buena consistencia del producto y rendimiento. En
el caso de los colorantes, los β-carotenos son usados en la industria de alimentos como colorantes
naturales, como precursores de la vitamina A,
como aditivos en cosméticos, preparaciones multivitamínicas, y productos saludables.
Se ha reportado que las bacterias halófilas extremas tienen un óptimo crecimiento y un buen rendimiento en la producción de carotenoides en
presencia de 25% de NaCl (Margesin and Schinner, 2001).
Las lectinas, proteínas selectivas unidas a azúcar,
son herramientas útiles para la investigación de la
superficie celular y marcadores celular.
Son usadas como marcadores de las modificaciones de la superficie celular para la detección de
células malignas (Margesin and Schinner, 2001).
Las bacterias halófilas también han sido usadas
para la producción de bioplásticos, los polihidroxialcanoatos (PHA) son compuestos bacterianos acumulados intracelularmente.
Como plásticos biodegradables podrían reemplazar termoplásticos derivados del aceite en algunos
campos (Margesin and Schinner, 2001).
Figura 3. Pigmentos naturales en los alimentos
Bioremediación
Revista Sistemas Ambientales, Vol. 4, No 2, 2011, p. 45-56
La presencia de sodio y condiciones salinas en los
suelos, interfiere en el crecimiento adecuado de la
mayoría de los cultivos y por lo tanto constituye
uno de los problemas más serios que enfrenta la
agricultura sostenible en todo el planeta. La FAO
y la UNESCO calculan que el área total de suelos
salinos en el mundo es de 397 millones de hectáreas y los suelos sódicos corresponden a 434 millones de hectáreas (Oldeman, 1991; Brandt and
Thornes, 1996; FAO, 2000; FAO, 2002). La recuperación de los suelos sódicos se ha hecho principalmente cambiando el sodio en complejo coloidal
por otro catión, aplicando principalmente sales
solubles de calcio ó sales de calcio con baja solubilidad (cal agrícola), siendo esta una opción costosa, Sánchez-Leal y Arguello- Arias, (2006)
proponen una alternativa en la cual algunas bacterias halófilas son capaces de capturar sodio in
vitro y pueden ser posiblemente utilizadas en un
biorreactor para la bioremediación de suelos sódicos y salinos, formando un consorcio entre bacterias autóctonas y bacterias a las cuales se les ha
comprobado su capacidad de capturar sodio.
Se han aprovechado la habilidad de microorganismos halófilos/ halotolerantes de utilizar aminas
aromáticas como una fuente de carbono y energía
( Li et al, 2010) y se ha comprobado que crecen
sobre compuestos aromáticos (Cuadros- Orellana
et al, 2006; Arulazhagan and Vasudevan, 2009; Li
et al 2006; Peyton et al, 2006 ). Asimismo se han
desarrollado procesos para el tratamiento biológico eficiente de ecosistemas contaminados con
productos del petróleo en presencia de sal (Betancur-Galvis et al, 2006).
Existen algunos reportes sobre la capacidad de los
microorganismos halófilos para degradar colorantes textiles (Kolekar et al, 2008). En el Laboratorio de Residuos Peligrosos hemos realizado el
aislamiento de microorganismos halófilos a partir
de ambientes salinos ubicados en Chile y México
(Figura 4).
Figura 4. Degradación de Naranja II por halófilos
aislados en el Departamento de ISA-ENCB (Foto:
Laura Castillo).
Se han aislado bacterias halófilas capaces de degradar compuestos orgánicos halogenados como
tricloroetileno, los cuales son de gran importancia
debido a su persistencia y toxicidad (Fuse, 1998).
Algunos autores han aislado bacterias halófilas
capaces de degradar lindano, DDT y 2,4-D (Oesterhelt et al., 1998; Maltseva et al., 1996).
Conclusiones.
Los microorganismos halófilos presentan un gran
potencial de aplicación en diferentes campos de la
biotecnología, el uso de microorganismos para la
degradación de contaminantes es un campo de
investigación en desarrollo. El uso de microorganismo para la obtención de metabolitos o enzimas
presenta ventajas biotecnológicas debido a que las
condiciones extremas requeridas para su crecimiento impiden los problemas de contaminación
inherentes a los procesos fermentativos.
Agradecimientos.
Este trabajo forma parte de las actividades enmarcadas en el proyecto SIP 20110775 del Instituto
Politécnico Nacional.
Aplicaciones biotecnológicas de microorganismos halófilos
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