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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.
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.
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.