Bacterias nucleadoras de hielo

23 Febrero 2017

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Todos conocemos los personajes de ciencia ficción Iceman o a Elsa, de la película de Disney “Frozen”, que son capaces de congelar todo lo que tocan, pues bien este superpoder también lo tienen en el mundo real algunas bacterias, entre las que se encuentra Pseudomonas syringae.

Pseudomonas syringae es una bacteria Gram – que se encuentra de manera de natural en las hojas de muchos cultivos comunes y de árboles frutales. Dicha bacteria se conoce ampliamente por los daños que genera en los cultivos, disminuyendo el rendimiento de las cosechas y generando grandes pérdidas económicas.

El mecanismo que sigue la bacteria para dañar a los cultivos se basa en la generación de cristales de hielo produciendo la ruptura de los tejidos vegetales, lo cual favorece la entrada de la bacteria en la planta consiguiendo así la obtención de nutrientes.

Figura 1: La imagen de la izquierda muestra una imagen de Pseudomonas syringae obtenida por James Kremer y Sheng Yang He del Howar Hugesh Medical Institute (http://www.hhmi.org/bulletin/winter-2014/defenses). La imagen de la derecha muestra los daños producidos por la bacteria.

El agua pura posee un punto de congelación situado a -40oC. En la naturaleza su punto de congelación se encuentra situado a 0oC debido a la presencia de sales que actúan como núcleos de formación de hielo. Además de las sales, se conocen otros factores que actúan como iniciadores de núcleos de la formación de hielo como las proteínas de determinadas bacterias aumentando la temperatura de congelación del agua a -5oC. Las bacterias que son capaces de iniciar la nucleación del hielo se denominan bacterias con fenotipo Ina+.

Pseudomonas syringae puede llevar a cabo este mecanismo gracias a la presencia de la glicoproteína InaZ en su membrana externa, a la que se ancla mediante un enlace de glicofosfatidil inositol y realiza la función de mimetizar la estructura hexamérica del hielo actuando como molde para su formación.

La expresión y el mantenimiento de la actividad de nucleación del hielo se desencadena por temperaturas bajas en el ambiente y necesidad de nutrientes, de forma que cuando la temperatura cae, la bacteria acelera la nucleación del hielo dañando a la planta. Componentes no proteicos de Ina como manosa y fosfatidil inositol tienen una función relevante en la eficiencia de la nucleación.

Figura 2: La proteína InaZ (mostrada en verde) actúa como molde favoreciendo la correcta disposición de las moléculas de agua facilitando así la formación de hielo.

La bacteria actúa alineando las moléculas del agua a lo largo de repeticiones de dominios de 48 aminoácidos (InaZ), que consisten en 16 residuos repetidos conteniendo el octámero conservado AGYGSTxT. Estas secuencias repetidas de manera regular en el core central permiten la unión consistente de los hidrógenos de la proteína y los hidrógenos de las moléculas de agua vecinas. De este modo la proteína Ina cataliza la formación de hielo de una forma energéticamente favorable.

Esta peculiar función de la proteína permite desarrollar diversas aplicaciones biotecnológicas como es el caso de novedosas técnicas de refrigeración de alimentos o aplicaciones de refrigeración en industrias químicas y de bioprocesos.

Aunque las aplicaciones antes nombradas puedan llegar a tener un gran desarrollo, la que actualmente ha conseguido un mayor éxito es la producción de nieve artificial a partir de la proteína InaZ de Pseudomonas syringae, perteneciente a la industria del frío.

El producto que ya se comercializa para la producción de nieve artificial es conocido con el nombre de “Snomax”. El proceso de producción comienza con el crecimiento de la bacteria para proceder posteriormente a la extracción de sus proteínas. Las proteínas se separan del fluido y se procesan utilizando filtros especiales hasta conseguir un extracto que contiene InaZ con la suficiente actividad para llevar a cabo la nucleación de hielo. El extracto es congelado, por lo que no existe ninguna bacteria viva en el producto final.

Figura 3: Producto final envasado para la comercialización.

Obtenido el producto final, únicamente se requiere la mezcla de “Snomax” con agua de nieve mediante un sistema de inyección consiguiendo así la inducción del proceso de nucleación de hielo.

La seguridad ambiental del producto ha sido testada en multitud de países incluyendo: Canadá, Noruega, Japón, Suecia, Finlandia, Italia, Suiza, Argentina, Chile y Australia, concluyendo todos ellos que “Snomax” no genera ningún daño en los ecosistemas. Concretamente, un estudio en Canadá, afirma que la cantidad de microorganismos en los ecosistemas de las pistas de esqui es el mismo antes y después de liberar la proteína al medio. Esto se debe a que el producto no contiene ningún microorganismo vivo. En la actualidad, países como Canadá o Suiza ya han incorporado este sistema de generación de nieve artificial en sus estaciones de ski.

Asimismo, la producción de nieve mediante la utilización del producto genera menos gases efecto invernadero que la producción mediante el método tradicional, por lo que presenta ventajas medioambientales. Además, este proceso resulta más económico que el tradicional. Otra ventaja de este sistema es que la nieve mantiene las características deseadas durante más tiempo.

Vistas las ventajas que este producto presenta, se puede concluir que la producción de nieve artificial mediante la utilización de bacterias nucleadoras de hielo es una buena alternativa tanto económica como medioambiental al método tradicional.

Bibliografía:

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  • snomax.com

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