Espirulina: el alga de moda se resiste a la ingeniería genética

06 abril 2017

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Se conoce como Espirulina a varias especies del género Arthrospira; cianobacterias fotosintéticas del orden Oscillatoriales constituidas por filamentos multicelulares recubiertos por una vaina ligeramente enrollada. Arhtrospira platensis es la especie de espirulina de mayor importancia. Aparece en ecosistemas húmedos y se ha encontrado en innumerables ambientes: suelo, arena, pantanos, aguas salobres… Su ubicuidad se debe a su facilidad para colonizar distintos ambientes y colonizar lugares difíciles.

Mari Cruz Aparicio Moreno y Mikel Lavilla Puerta

Todas estas características permiten que el cultivo de la espirulina sea relativamente sencillo, al tratarse de un organismo fotoautrótofo que sólo requiere luz, una fuente de CO2 y ciertos minerales. Su crecimiento en fotobiorreactores abiertos (tanques donde crece la cianobacteria en contacto con el aire) permitiría disminuir los costes del cultivo al poder usar la energía solar, e incluso acoplar de una manera sencilla la salida del CO2 industrial al crecimiento y aumento de biomasa del organismo en estos tanques. El cultivo de espirulina se puede llevar a cabo en tanques con agua marina (preservando así las reservas de agua continentales) y en medio alcalino que permite controlar el crecimiento de otros microorganismos en el cultivo.

Figura 1: Planta abierta de producción de Arthrospira (Calipatria, CA, USA. Soha (2012)

La espirulina es ampliamente cultivada desde hace mucho tiempo en numerosas aplicaciones:

Figura 2: Esquema de las aplicaciones principales de la espirulina.

  • Alimentación humana y animal, debido a su alto contenido en proteínas (60-70%), vitaminas como B12, minerales, composición de ácidos grasos esenciales, y antioxidantes como β-caroteno. Al ser fuente de carotenos y astaxantina, se utiliza en acuicultura para modificar el color en especies como el salmón, y en alimentación de aves para lograr la coloración naranja o amarilla de los productos (huevos y carne). También se utiliza para mejorar el crecimiento y la respuesta inmune en larvas de gambas y peces.
  • Aplicaciones Biomédicas: Arthrospira produce compuestos con capacidad antiviral, antifúngica, nematicida y molusquicida. Además produce ficobilinas (ficocianina y ficoeritrina) que podrían prevenir nefropatías diabéticas. Además, las ficocianinas concretamente, que son un grupo de proteínas coloreadas, son comercializadas como fluoróforos en investigación clínica, ensayos inmunológicos, y como antioxidantes. También producen otros antioxidantes como el β-caroteno.
  • Aplicaciones Industriales: Espirulina se usa en la producción de bioalcohol, por su capacidad de acumular gran cantidad de glucógeno en ciertas condiciones, y también para la producción de hidrógeno vía fermentativa en condiciones de oscuridad. También se puede usar en biorremediación para precipitar ciertos metales pesados, y para la producción de PHAs (polihidroxialcanoatos) que son polímeros biodegradables de origen lipídico con propiedades similares a los plásticos y que permitirían sustituir el uso de éstos por una alternativa más respetuosa ambientalmente.

Figura 3: Ejemplos de algunas aplicaciones de la espirulina. Arriba, se muestra la capacidad antifúngica en filtrados de Spirulina platensis (40 ml· L-1) suprimiendo el crecimiento del micelio de Cercospora beticola (a), comparados con el control sin espirulina (b). Soha (2012). Abajo se muestra la producción de PHA en los filamentos de Spirulina platensis en microscopio óptico con tinción de fluorescencia (c) y en microscopía electrónica (d). Abed et al. (2009)

Algunas de las aplicaciones del cultivo de espirulina se realizan a nivel industrial y son económicamente rentables; otras se siguen estudiando para conseguir aumentar su eficiencia; sin embargo, todas ellas podrían verse mejoradas mediante ingeniería genética: Sobreexpresión de productos génicos, mejora de sus propiedades nutricionales, y modificación de sus características, si bien el principal problema para su modificación reside en los mecanismos de defensa contra la entrada de DNA exógeno.

Cuando tratamos de insertar DNA en este tipo de organismos, este debe pasar varias barreras. La espirulina posee una vaina mucilaginosa envolvente que impide la entrada de material genético, así como una secreción de exopolisacáridos y nucleasas no específicas que degradarían el DNA, así como una pared celular de peptidoglicano difícil de atravesar. Obtener protoplastos (esto son, células aisladas sin la pared celular) ayudaría a vencer todas estas barreras, pero estas no son las únicas armas de la espirulina contra el DNA exógeno. Poseen unos potentes sistemas de Restricción-Modificación (R-M) de tipo II, así como un sistema CRISPR/Cas.

Los sistemas R-M (Figura 4) suponen el sistema de inmunidad bacteriana más importante. Se basan en una metiltransferasa que transfiere grupos metilo en las dianas del genoma propio del organismo creando un patrón característico que una endonucleasa no puede hidrolizar. Cuando entra DNA extraño, al no poseer este patrón de metilación característico, la endonucleasa actuaría degradando este DNA. El sistema CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) y proteínas asociadas (Cas) es un sistema de inmunidad adaptativo que también protege de la entrada de DNA exógeno procedente de virus).

Figura 4: Ejemplo de sistema de Restricción-Modificación tipo II.

Aunque sí hay otras especies de cianobacterias más fácilmente transformables, Arthrospira platensis tiene un interés especial por sus características de cultivo y sus aplicaciones, por lo que en el presente se investiga la posibilidad de eludir estos sistemas R-M para mejorar estas características mediante ingeniería genética.

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