Dialnet polihidroxialcanoatos ph-asbiopolimerosproducidospor-3702404

Revista TEORÍA Y PRAXIS INVESTIGATIVA, Volumen 5 - No. 2, Julio - Diciembre 2010Centro de Investigación y Desarrollo • CID / Fundación Universitaria de Área Andina

79

Polihidroxialcanoatos (PHAs): Biopolímeros producidos por microorganismos. Una solución frente a la contaminación del

medio ambientePolyhydroxyalkanoates (PHAs) polymers produced by

microorganisms. A solution to environmental pollution

Julieth Yadira Serrano Riaño1

1 Magister en microbiología de la Universidad Nacional de Colombia, Centro de Investigación y Desarrollo de la Fundación Universitaria del Área Andina, Bogotá, Colombia. [email protected]

Resumen

Los polihidroxialcanoatos (PHAs) son biopolímeros que algunos microorganismos acumulan como reserva de carbono y energía, son producidos cuando hay limitaciones nutricionales en el medio. El sistema genético asociado con la producción de PHAs codifica para diversas proteínas formadoras de gránulos citoplasmáticos. Estos biopolímeros han cobrado gran importancia debido a que pueden ser utilizados reemplazando materiales como el plástico, que actualmente genera gran acumulación y que se ha convertido en un alto foco de contaminación ambiental debido a su lenta degradabilidad. La principal ventaja de los polihidroxialcanoatos frente a los plásticos derivado del petróleo es que al ser producidos por microorganismos son biodegradables por lo tanto no hay una acumulación; los PHAs tienen diversas aplicaciones entre las que se encuentran: empaques de larga y corta duración, injertos utilizados en medicina, productos de higiene y biocombustibles.

Palabras clave: biopolímeros, polihidroxialcanoatos, contaminación ambiental, microorganismos, biodegradabilidad.

Abstract

The polyhydroxyalkanoates (PHAs) are biopolymers that some microorganisms accumulate as carbon and energy reserve, they are produced under nutritional limitations in the culture media. The genetic system associated with the production of PHAs coding for various proteins forming the cytoplasmatic granule. These biopolymers have gained great importance because they can be used to replace other materials like plastic, due to its slow degradability accumulate in large quantities that have become a high source of environmental pollution. The main advantage of the polyhydroxyalkanoates is that they are produced by microorganisms are consumed by them, therefore there is no accumulation, in contrast with plastics derived from oil; the PHAs have various applications among which are: packaging of short and long term, grafts used in medicine, hygiene products and biofuels.

Key words: biopolymers, polyhydroxyalkanoates, environmental pollution, microorganisms, biodegradability.


Julieth Yadira Serrano Riaño 80

INTRODUCCIÓN

Los plásticos derivados del petróleo (sintéticos, no biodegradables), han sido utilizados desde la década de los 40s, según la Enviromental Protección Agen-cy [EPA], solo en Estados Unidos en el año 2009 se generaron 13 millones de toneladas de plásticos en envases y embalajes, casi 11 millones de tonela-das en objetos duraderos, como electrodomésticos, y alrededor de 7 millones de toneladas en objetos no duraderos como platos y tazas. En los países desarro-llados se observa un uso mayor de este material; por ejemplo el consumo per capita en Estados Unidos es de 80 kg, en Europa 60 Kg, y en países como India es de 2 Kg. (Kato, Bao, Kang, Fokui & Doi, 2000), lo que refleja que sin lugar a dudas este ma-terial es imprescindible en la época actual. Situación que ha generado acumulación y que se ha converti-do en un grave problema de contaminación ambien-tal (Ojumu, Yu & Solomon, 2004).Un Informe del PNUMA (Programa de Naciones Unidas para el Me-dio Ambiente) en el 2005 ha señalado que para ese año se encontraban más de 13.000 fragmentos de desechos plásticos flotando sobre cada kilómetro cua-drado del océano citado por (Allsopp, Wallers, Santi-llo & Johnston, 2007). A su vez, en el país según la Armada Nacional de Colombia [ARC], (2004) existen datos que revelan que en las playas se desechan en un día 2.875 unidades de plástico. La contaminación debido a la acumulación de plástico es un problema que ha sido de manera ineficientemente abordada ya que los métodos utilizados para la disminución de este problema resultan inútiles frente a la producción desbordada del mismo.

Por lo mencionado es de vital importancia generar nuevas alternativas que sean competitivas y amiga-bles con el medio ambiente; por tal razón el hombre ha buscado en la biotecnología soluciones que son viables y que brindan soluciones más eficientes. Es allí donde aparecen los polihidroxialcanoatos (PHAs), poliésteres de hidroxialcanoatos que conservan ca-

racterísticas propias del plástico sintético, con la ven-taja de ser completamente degradados pocos meses después de su uso. Los gránulos de PHA son produ-cidos intracelularmente por más de 300 bacterias di-ferentes incluyendo Eubacterias y Archeas (Braune-gg, Lefebriöe & Genser, 1998; Ojumu et al., 2004).

Una vez se conocieron las bondades de este material biodegradable, las investigaciones apuntan a crear estrategias que superen la principal desventaja exis-tente y es su alto costo de producción frente a los plásticos derivados del petróleo; la utilización en el medio de cultivo de fuentes de carbono económicas, y optimización en los procesos de fermentación, recuperación y purificación del biopolímero son las estrategias más usadas (Choi, Lee & Han, 1998). A su vez el empleo de microorganismos recombinantes como Escherichia coli, ayuda a resolver algunas limi-taciones tecnológicas que se pueden presentar con los métodos anteriores ya que permiten manejar a fondo la parte metabólica y cinética del microorganis-mo, por lo tanto y de manera directa la producción de PHAs. (García et al., 2004; Hein, Söhling, Gotts-halk & Steinbüchel 1997; Park & Lee, 2002; Sato, Nomura, Abe, Doi & Tsuge, 2007).

Características generales de los PHAs

Los gránulos de PHAs sirven como almacenamiento de energía y carbono cuando en el medio hay abun-dancia de este y déficit de elementos como nitrógeno, fósforo, magnesio entre otros (Lee, Choi & Wong, 1999), lo que los hace más resistentes bajo esta con-dición de estrés (Hezayen, Steinbüchel, & Rehm, 2002; Rehm & Steinbüchel, 1999; Steinbüchel & Eversloh, 2003). Su tamaño oscila entre 0.2 - 0.5 μm con un número aproximado de 8-10 gránulos por célula y con un peso molecular de 2x105-3x106 daltons (Figura 1), sin embargo esto varía dependien-do de la especie (Ojumu et al., 2004). A su vez pue-den acumular biopolímero hasta el 90% de su peso seco (Reddy & Rashm, 2003; Sudesch, Abe & Doi, 2000).

Figura 1.


Polihidroxialcanoatos (PHAs): Biopolímeros producidos por microorganismos. 81

Síntesis de PHAs

La composición monomérica de los biopolímeros de PHAs es muy variada, depende de las rutas metabó-licas por las cuales fueron sintetizados y por la fuente de carbono externa que se usa como materia prima para dicha ruta. Provienen básicamente de tres vías metabólicas: la degradación de azucares mediante la obtención de Acetil CoA, la degradación de ácidos grasos (β-oxidación) y/o biosíntesis de ácidos grasos (Aldor & Keasling, 2003).

Clasificación de PHAs

Los polihidroxialcanoatos se clasifican de acuerdo con la naturaleza de sus unidades monómeras, si el polímero está formado por solo un tipo de unidades se denomina homopolímero (Anderson & Dawes, 1990; Chung et al., 2001). A su vez, si está integra-do por monómeros con distinta longitud de átomos de carbono en el mismo granulo se refiere entonces a un copolímero (Zhao & Chen, 2007). Del mismo modo si los monómeros que forman el polímero po-seen cada uno de 3-5 átomos de carbono se conocen como PHAs de cadena corta (scl - PHA), y PHAs

de cadena media (mcl - PHA) cuando contienen de 6-14 átomos de carbono. La razón por la cual un PHAs se forma como un polímero de cadena corta o media está relacionada directamente con la enzima encargada de la síntesis (sintasa) ya que esta tiene una especificidad de sustrato que puede actuar sobre monómeros con diferente número de átomos de car-bono (Anderson & Dawes, 1990).

Las PHA sintasas son las enzimas que catalizan la conversión de sustratos (R)-3-hidroxiacil-CoA a PHAs con la liberación de CoA, es decir une los monóme-ros formando el polímero (Rehm & Steinbüchel, 1999). Hacen parte de una familia de enzimas que poseen cualidades no muy comunes considerando la función en la formación de estructuras intracelulares insolubles en agua (los gránulos de PHA) y la asocia-ción de estas inclusiones con una monocapa lipídi-ca (Rehm, 2003). Estas enzimas están unidas a las superficie de los gránulos y como todas ellas tienen una especificidad de sustrato, en este caso pueden aceptar monómeros con diferente número de carbo-nos, característica principal por la cual se clasifican (figura 2).

Figura 2.

Clase

I

II

III

IV

Subunidad Especies Sustrato

Las PHA sintasas clase I tienen como microorga-nismo modelo Ralstonia eutropha, están compues-tas de una sola clase de subunidad (PhaC), y actúan sobre tioésteres CoA de varios 3 hidroxialcanoatos de cadena corta (Eversloh, Bergander, Luftmann & Steinbüchel, 2001; Rehm, 2003). Las PHA sintasas Clase II también se componen de una sola subunidad (PhaC) y son activas sobre tioésteres CoA de varios 3-hidroxialcanoatos pero en este caso de cadena media (preferencialmente ácidos grasos 3-hidroxi), el PHA resultante de la producción de un microorga-nismo que posee esta clase de enzima tiene muchas

aplicaciones debido a su gran similitud con el látex los microorganismos representantes de este grupo son en su mayoría las bacterias del género Pseudo-monas, principalmente Pseudomonas aeruginosa (Rehm,2003).

Las PHA sintasas Clase III son representadas por Allochromatium vinosum, a diferencia de las dos anteriores están conformadas por dos subunidades (PhaC y PhaE), pero al igual que las de clase I pre-fierentioésteres CoAde3-hidroxialcanoatosdecadena corta (Rehm, 2003); por último las sintasas clase IV



poseen dos subunidades (PhaC y PhaR) actúan sobre tioésteresCoAde3-hidroxialcanoatosdecadenacorta y su microorganismo representante es Bacillus mega-terium (McCool & Cannon, 2001).

Cluster de síntesis de PHA

Un cluster se refiere a una agrupación de genes contiguos enfocados hacia una misma función, en este caso los gránulos de PHA son formados por un grupo de genes que codifican proteínas que no solo producen la inclusión sino también la estabilizan y la degradan cuando sea necesario. Se han descrito dife-rentes cluster de síntesis de PHA a partir de una gran variedad de bacterias; se observan diferentes genes

dependiendo del microorganismo y con diferente or-den; sin embargo el gen de la PHA sintasa (phaC) se encuentra presente en todos los cluster independien-temente del microorganismo, lo que sugiere que es una enzima crucial en todas las rutas de síntesis de PHA (Anderson & Dawes, 1990; Madison & Huis-man, 1999; Rehm & Steinbüchel, 1999) (Figura 3). Se habla con detalle de la organización del cluster productor de PHAs de cadena media producidos por sintasa tipo II ya que han cobrado gran interés debido a su propiedad de elastómeros y gran similitud con el látex. El cluster de este tipo de PHA está conforma-do por 6 genes en su orden (phaC1, phaZ, phaC2, phaD, phaF y phaI) y se han descrito principalmente en el género Pseudomonas (Rehm, 2003).

Figura 3. Cluster de PHAs en diferentes microorganismos.

Sintasas (phaC1 y phaC2)

Los genes phaC1 y phaC2 son los genes encargados de la codificación de las PHA sintasas se encuentran separados por la depolimerasa PhaZ y solo se ex-presa una a la vez, el que se exprese el gen phaC1 y phaC2 depende del microorganismo y del sustrato proporcionado. En su secuencia primaria y secunda-ria son idénticas entre un 50 y 60 % y las dos pre-sentan especificidad de sustrato similares (Hezayen et al., 2002; Liebergesell et al., 1991; Zhang, Kolves, Lenz & Goodwin, 2003).

Son las enzimas más estudiadas de todas las implica-das en la producción del granulo. Se han realizado diferentes estudios sobre la estructura y comporta-

miento general de esta proteína, uno de los más re-presentativos es el realizado por Rehm & Steinbüchel en 1999, donde realizaron un alineamiento múltiple utilizando las estructuras primarias de 59 sintasas no solo de clase II sino también de las clases I, III y IV. Allí, demostraron la presencia de seis regiones de secuencias de aminoácidos conservados y ocho residuos idénticos en todas las secuencias (Rehm & Steinbüchel, 1999). En el caso de las sintasas tipo II la PhaC1 posee una longitud de 559 aminoáci-dos y la PhaC2 de 560. Los ocho residuos conser-vados varían ligeramente en cuanto a su posición entre la PhaC1 y PhaC2, en la PhaC1 se ubican de la siguiente manera: serina (S) en la posición 238, cisteína (C) en la 296, glicina (G) en la 299, acido


Polihidroxialcanoatos (PHAs): Biopolímeros producidos por microorganismos. 83

aspártico (D) en la 328, triptófano (W) en la 397, acido aspártico (D) en la 451, glicina (G) en la 478e histidina (H) en la479). Tres residuos (C296; D 451; H479) son los pertenecientes a la triada catalítica es decir, son los aminoácidos que tienen la función di-recta con el sustrato. Se evidenció también que todas las PHA sintasas pertenecen a la familia de las lipasas que se caracterizan por contener un motivo funcional denominado caja lipasa [GX(S/C)XG] residuos 294-298, en la cual la serina, el sitio activo esencial de las lipasas,es reemplazado con una cisteína (Gerngross, Snell, Peoples & Sinskey, 1994; Jian, Ye, Wu & Zhang, 2004;Müh & Sinskey, 1999).

Depolimerasa phaZ

El gen que codifica esta proteína (phaZ) se encuen-tra en medio de las sintasas y su producto cumple una función fundamental, ya que como se mencionó anteriormente los gránulos de PHA se forman en la célula como reserva de carbono y energía de esta manera cuando se necesita en los procesos celulares es fundamental la presencia de una enzima que de-grade esta inclusión y es ahí donde la proteína PhaZ aparece. Esta proteína se conoce con el nombre de depolimerasa y está relacionada estructuralmente con la familia de las esterasas. Estas enzimas catali-zan la liberación de (R)-3-hidroxi-acil /aril -CoA deri-vados de polímeros intracelulares (De Eugenio et al.,

2007; Jendrossek & Handrick 2002; Ohura, Kasuya & Doi, 1999). Se ubican en la superficie del granu-lo e hidrolizan todas las inclusiones de PHAs incluso los formados por monómeros poco usuales, lo que demuestra que actúa sobre gran cantidad de sustra-tos como acurre con otras esterasas (Sandoval et al., 2005) (Figura4).

Genes phaD, phaF y PhaI

Seguido del gen phaC2 se encuentra el gen phaD, un gen del cual no se conoce mucho pero estudios como el de Klinke, Roo, Witholt & Kessler, 2000 en don-de mutan este gen demuestran que es importante en cuanto a la biosíntesis y acumulación del granulo ya que si había ausencia o mutación de este se observa-ban efectos en la acumulación del polímero y reduc-ción de la producción de PHAmcl a menos del 20%.El gen phaF se conoce como fascina y actúa de dos maneras, primero como un elemento estructural que se necesita para la elongación del polímero crean-do una interacción polímero-proteína (PHA-PhaF), y como un activador transcripcional de phaC1 actuan-do directamente sobre la región reguladora del gen. La otra fascina PhaI es la otra proteína asociada al gránulo que se sugiere tiene una función reguladora sobre el gen phaF actuando como represor del mis-mo (Figura4) (Prieto, 1999; Chen, 2010).

PHAgranule

phaC1 phaZ phaC2

Depolymerase

PHA polymerases

Monolayerphospholipidmembrane

CoA

CoA

(R)-3-hydroxyacyl-CoA

Phasins

UknownProteins

phaD phaF phaI

transcription

Figura 4. Organización genética del cluster phaC1ZC2DFI involucrado en la síntesis de PHAmcl.



Degradación de PHAs

La principal ventaja de los polihidroxialcanoatos es su biodegradabilidad y esto lo logran ya que los grá-nulos son hidrolizados por microorganismo que bus-can en ellos fuentes de carbono y energía; lo hacen por medio de depolimerasas que son secretadas de las células y se adhieren a la superficie del polímero

convirtiéndola en unidades de monómeros indepen-dientes. El tiempo que demora la degradación de-pende de la naturaleza propia del polímero así como también las condiciones ambientales a las que sean expuestos, se ha observado degradación de los PHAs en gran cantidad de ambientes incluyendo aerobios, anaerobios, salinos, marinos y otros (Ojumu, Yu & Solomon, 2004) (Figura 5).

Aplicaciones de PHAs

Se han reportado cerca de 150 monómeros diferen-tes formadores de PHAs, esto indica no solo que son ricos estructuralmente sino además que pueden tener aplicaciones variadas, razón por la cual se pueden encontrar en empaques (envolturas de elementos de aseo y alimentos, en general envases de plásticos desechables o de larga duración); al ser biocompati-bles también se utilizan en medicina como en injertos, reemplazando parte de tejidos, o como materia pri-ma de implementos médicos, también en productos de higiene y en biocombustibles (Lee, et al, 1999).

CONCLUSIONES

En este artículo se describe otra manera de combatir la acumulación y actualmente contaminación debida al uso desenfrenado del plástico de origen petroquí-mico; se hace énfasis en el uso de microorganismos para la producción de polihidroxialcanoatos (PHAs); material con características similares al plástico y to-talmente biodegradable, tienen aplicaciones variadas como en empaques, matera prima para productos de higiene y biocombustibles y gracias a su biocom-patibilidad tiene gran aplicación en el campo de la medicina. Los PHAs son polímeros formados por monómeros que son unidos gracias a la acción de una enzima denominada PHA sintasa. Existen varias clases de esta enzima, sin embargo la PHA sintasa clase II llama es de interés ya que produce gránulos

Figura 5. Degradación completa de PHA en menos de 50 días bajo condiciones tropicales

de PHA de cadena media que son los que presentan mayor variedad de aplicaciones por su característica de ser similar al látex.

Los gránulos se forman cuando los microorganismos se encuentran bajo ciertas condiciones de estrés es-pecíficamente cuando en el medio hay abundancia de carbono y déficit de elementos como nitrógeno, fósforo, magnesio entre otros, por tanto sirven como almacenamiento de energía y carbono. La maquina-ria genética encargada de producir los gránulos es compleja y ordenada está conformada por un grupo de genes “cluster” encargados no solo de la forma-ción sino también de la estabilización y degradación del granulo cuando el microorganismo necesita utili-zar la reserva de energía que acumulo en la inclusión.

Es necesario seguir con el estudio detallado de estos microorganismos ya que proveen una fuente inago-table de recursos y de nuevas alternativas que suplen muchas de las necesidades que actualmente deman-da la sociedad o que afrontara en el futuro.

REFERENCIAS

Allsopp, M; Walters, A; Santillo, D; Johnston, P. (2007).Contaminación por plástico en los océa-nos del mundo. Recuperado de: http://www.greenpeace.org/espana/es/reports/contami-naci-n-por-plasticos-en/.

Dialnet polihidroxialcanoatos ph-asbiopolimerosproducidospor-3702404

Documents

Transcript of Dialnet polihidroxialcanoatos ph-asbiopolimerosproducidospor-3702404