Polyastax

POLYASTAX:
Mejoramiento genético vía poliploidización artificial de la microalga Haematococcus pluvialis para aumentar la productividad de Astaxantina

El mercado mundial de los compuestos antioxidantes naturales

Un antioxidante es aquella sustancia que presenta bajas concentraciones respecto de un sustrato oxidable (biomolécula) que retarda o previene su oxidación. En otras palabras es una sustancia que tiene la capacidad de inhibir la oxidación causada por los radicales libres, actuando algunos a nivel intracelular y otros en la membrana de las células, siempre en conjunto para proteger a los diferentes órganos y sistemas.

El creciente interés de la población por la ingesta de aditivos de origen natural ha provocado un aumento en la demanda por antioxidantes naturales (Ibáñez et al., 2003). Según el “Global Market Antioxidants: Trends & Opportunities 2013 – 2018″, a nivel mundial, se espera que la demanda de antioxidantes aumente a un ritmo acelerado en los próximos años. El mercado de los antioxidantes a nivel mundial ha tenido ventas por sobre los US$34 billones, debido principalmente a un aumento en la percepción del consumidor de una vida más saludable (Joysa, 2012).

Dentro de una gran familia de compuestos naturales con capacidades antioxidantes, los carotenoides constituyen un grupo destacado de moléculas con gran capacidad antioxidante, constituyendo poderosos agentes de protección en contra del daño producido por radicales libres.

Astaxantina, poderoso antioxidante con variadas aplicaciones industriales

De los cientos de moléculas con capacidades antioxidantes, solo unos cuantos carotenoides poseen importantes efectos benéficos, siendo una molécula muy destacada la astaxantina, pigmento de gran presencia en ambientes acuáticos, donde  contribuye a la coloración de muchos crustáceos y a la coloración de la carne de salmónidos, lo que la convierte en un compuesto muy importante dentro de la industria acuícola, puesto que estos animales no son capaces de producirla y debe ser proporcionado como suplemento en la alimentación.

En cuanto a su capacidad antioxidante, la astaxantina es 100 veces más poderosa que la vitamina E (a-tocoferol), siendo su capacidad de absorción de radicales libres (Oxigen Radical Absorbance Capacity, índice ORAC) la más alta dentro de los carotenoides (Nguyen, 2013), lo cual ha despertado gran interés para su uso como suplemento en alimentación humana. Al respecto existen estudios que indicarían potenciales efectos antitumorales, para la prevención de enfermedades cardíacas, arterioesclerosis, actividad inmunoprotectora, y de protección contra radiación UV en la piel, entre otras. Estas sobresalientes cualidades hacen que la astaxantina sea considerada como el “rey de los carotenoides”, con un renovado interés para el consumo humano (Nguyen, 2013).

Esta gran variedad de efectos benéficos ha permitido el ingreso de la astaxantina al mercado de productos nutracéuticos, con una enorme variedad de productos con propiedades antioxidantes que se comercializan en tiendas de alimentos naturales (Mc-Coy, 1999).

Producción industrial y el problema de los compuestos sintéticos

Debido a la necesidad por disponer de grandes cantidades del pigmento para la industria acuícola, desde 1990 la empresa Roche (actual DSM) produce astaxantina sintética, cubriendo la mayor parte del mercado, estimado en 150 a 200 millones de dólares (Higuera-Ciapara et al., 2006), sin embargo la astaxantina sintética no está libre de problemas, ya que, se compone de una mezcla en la cual no todos los componentes poseen la actividad biológica deseada. Adicionalmente su estabilidad y absorción son bajas en comparación a la natural (Capelli et al., 2013).

La producción de astaxantina de origen sintético es utilizada estrictamente para consumo animal, solo en su forma natural es destinada para consumo humano (Capelli et al., 2013), un mercado que tradicionalmente prefiere los productos de procesos biológicos o biotecnológicos a los de síntesis química. Sin embargo, la astaxantina natural representa solo un 10% de la producción actual.

Los cultivos existentes actualmente no satisfacen la demanda mundial de astaxantina natural, considerando que las condiciones actuales de cultivo presentan bajas productividades (Lorenz & Cysewski, 2000), y requieren para su implementación grandes extensiones de terrenos y elevados costos de producción (Nguyen, 2013).

En base a los antecedentes anteriores, es clara la necesidad de fuentes naturales de astaxantina, que además posean una mayor productividad para cubrir el creciente mercado de agentes colorantes de uso animal, y antioxidantes para cosmética y nutracéutica humana.

Fuentes naturales de Astaxantina para producción industrial

De forma natural son pocos los organismos capaces de sintetizar astaxantina, destacando solamente la levadura Xanthophyllomyces dendrorhous y la microalga verde Haematococcus pluvialis (Figura 1), con producciones registradas de 4 y 40 mg gr-1 peso seco, respectivamente, esto los constituye como los únicos organismos con potencialidad para competir contra la astaxantina sintética (Tinoi et al., 2006).

H. pluvialis es una microalga de distribución mundial, que tiene la capacidad de acumular grandes cantidades de astaxantina, alcanzando hasta 4% del compuesto en base a peso seco, siendo el organismo más productivo de este antioxidante encontrado en la naturaleza hasta el momento (Boussiva, 2000). En esta microalga, los quistes representan estados de resistencia inducida frente a condiciones de estrés ambiental, típicamente una salinidad o luminosidad elevadas, o una baja en la disponibilidad de nutrientes, las cuales llevan a las células a cambiar de color verde a un rojo intenso por la acumulación del pigmento. La gran cantidad del antioxidante producido por esta microalga ha sido aprovechada para su producción en masa (Figura 2), constituyendo una fuente de astaxantina natural de alto valor. Aun cuando la producción de astaxantina derivada de esta microalga es la más costosa en cuanto a materiales para su crecimiento, uso de terreno y precio final por el producto, en comparación con la artificial y la producida por fermentación en levaduras, presenta la mayor actividad ORAC y está autorizada para consumo humano. La comparación de los tres principales medios de producción de astaxantina, incluyendo varios parámetros relacionados con aspectos económicos, ambientales y sociales, se presenta en la tabla 1 (Basado en Nguyen 2013).

Obtención de nuevas cepas de H. pluvialis para incrementar la producción de astaxantina

Una técnica muy empleada y que no presenta gran complejidad, es la búsqueda de cepas de H. pluvialis con una alta productividad de astaxantina desde el medio natural, a través del aislamiento y caracterización a nivel de laboratorio. Es fácil de implementar pero también es lenta y laboriosa, y no asegura la obtención de cepas altamente sobreproductoras, el máximo reportado de producción es de un 4%, y esto considerando condiciones muy controladas de laboratorio, incluyendo iluminación, temperatura y nutrientes, que no se asemejan a las condiciones industriales de producción.

Aplicación de biotecnología para incrementar la productividad de Astaxantina

Para resolver esta problemática es claro el potencial de la aplicación de la biotecnología para la mejora de las cepas naturales disponibles. La primera alternativa, muy empleada para la obtención de cepas con mayor rendimiento en diversos compuestos secundarios, es la obtención de nuevos individuos inducidos por mutagénesis al azar, para lo cual se emplean agentes físicos como luz UV y radiación gamma, o químicos como el etilmetano sulfonato (EMS), entre otros. El procedimiento es relativamente sencillo de implementar, pero posee desventajas, principalmente el no lograr incrementos muy elevados, comparados con los de “buenas cepas” naturales de H. pluvialis. A modo de ejemplo, Chen et al., (2003) incrementaron 2,5% la producción de astaxantina, mientras que otros investigadores reportan cifras muy similares. Desventajas adicionales son la introducción de mutaciones secundarias, que afectan tanto la fisiología como la capacidad metabólica y de crecimiento de las células. Una notable desventaja adicional es la inestabilidad genética de los mutantes obtenidos, sobre todo en el caso del tratamiento con EMS, en que se observa una reversión muy frecuente (An et al., 1989).

Aún cuando se han logrado obtener cepas estables, muchas de estas cepas poseen un crecimiento o biomasa muy disminuida, o acumulan grandes cantidades de carotenoides intermedios o derivados lo que disminuye su aplicabilidad comercial (An et al., 1989).

El conocimiento acerca de las rutas metabólicas involucradas en la biosíntesis de carotenoides y de astaxantina, permiten la aplicación de tecnologías de ADN recombinante para la creación de cepas modificadas genéticamente (OGM) (Liu, 2010). Sin embargo, la producción de compuestos naturales a partir de OGMs está fuertemente regulada en muchos países compradores de astaxantina, requiere de extensas y costosas pruebas de bioseguridad e inocuidad ambientales, y es problemática en el caso de consumo humano, pues es un mercado que habitualmente exige la ausencia de OGMs en su producción, limitando el mercado potencial. Finalmente en Chile no está permitida la producción de OGMs excepto para producción de algunas semillas (normativa 15.023 del SAG) y solamente con fines de exportación, imposibilitando la producción de microalgas transgénicas o la comercialización de sus derivados.

El proyecto Polyastax, uso de poliploidización artificial para el incremento en las tasas de producción de astaxantina en H. pluvialis

Una tercera alternativa para mejorar los niveles de producción, es la poliploidización artificial de las células de H. pluvialis. La inducción de poliploidía en muchas especies vegetales, ha resultado en un incremento en los niveles de productividad, tanto así que gran parte de los cultivos agronómicos de los cuales la humanidad depende, poseen algún grado de poliploidía. De este modo, la poliploidía ya sea en variedades que son naturalmente poliploides, o inducida artificialmente para obtenerla, está ampliamente reportada como una característica valiosa en especies vegetales superiores, con variadas características relevantes como son el poseer células más grandes, con el incremento subsecuente del tamaño de los demás órganos vegetales, incluyendo flores y frutos, y una producción incrementada de metabolitos secundarios, tanto por poseer células de mayor volumen como por un incremento en su tasa metabólica. Una ventaja muy importante de los materiales poliploidizados, es que estos no son considerados como OGM y por ende, no están sujetos a las restricciones y exigencias de bioseguridad de estos, siendo tratados del mismo modo que los demás cultivos obtenidos mediante mutagénesis al azar, dado que no poseen material genético adicional a la especie, sino solamente una duplicación de su propio genoma.

El proyecto Fondef IDeA ID15i10014 “Polyastax: poliploidización artificial como herramienta biotecnológica para incrementar el rendimiento de astaxantina de la microalga Haematococcus pluvialis”, pretende lograr el incremento en rendimiento del compuesto antioxidante gracias a la inducción artificial de poliploidía en células de la microalga, y la subsecuente selección de los individuos que posean las características sobresalientes esperadas para los poliploides. Se espera que estas nuevas células produzcan mucha más astaxantina que las obtenidas por simple mutación al azar o selección de fuentes naturales, sin sacrificar las excelentes características de la producción natural de astaxantina, ni requerir de modificaciones en los procesos productivos industriales actualmente en uso a nivel nacional, o estar sujeto a restricciones de cultivo o comercialización aplicables a los OGMs. La figura 3 presenta como resultado preliminar de este proyecto, una imagen de microscopía confocal de una célula de H. pluvialis sometida a tratamiento de poliploidizacón artificial, distinguiéndose el núcleo donde se espera lograr la duplicación del material genético.

Pese al gran avance que las técnicas de poliploidización artificial han logrado en vegetales superiores cultivados, no existen antecedentes acerca del empleo de poliploidización para la mejora en la producción de ninguna microalga, por lo cual se considera que este trabajo sería pionero a nivel mundial en el empleo de este tipo de mejoramiento genético en material microalgal, constituyendo además un referente para futuros usos de esta tecnología en otras especies microalgales que se deseen mejorar.

Bibliografía

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Liu Jin. (2010). Genetic engineering of Chlorella zofingiensis for enhanced astaxanthin biosynthesis and assessment of the algal oil for biodiesel production. Doctoral thesis, University of Hong Kong. http://hdl.handle.net/10722/131813

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