Actinobacterias fuente inagotable de recursos biotecnológicos

Leticia Barrientos, Claudio Lamilla y Andrés Santos
LABORATORIO DE BIOLOGÍA MOLECULAR APLICADA, NÚCLEO
CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO (BIOREN), UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA

El desarrollo de nuevos productos biológicos, tales como enzimas, colorantes, antibióticos y otros, continúa estimulando la búsqueda de microorganismos en ambientes extremos, ya que para adaptarse a las condiciones en las que viven utilizan otras vías metabólicas para sobrevivir. En los últimos años, el estudio de microorganismos antárticos, principalmente bacterias, ha recibido atención debido a que tienen aplicaciones biotecnológicas. Dentro de las bacterias, el grupo de las actinobacterias produce alrededor del 45% de todos los metabolitos con actividad biológica (metabolitos bioactivos), siendo el género Streptomyces el que produce un 80% de esos compuestos.

Los investigadores del proyecto “Diversidad de actinobacterias en ecosistemas  antárticos y evaluación del potencial biotecnológico de sus metabolitos activos”, financiado por el INACH, lograron aislar e identificar 30 cepas bacterianas pertenecientes al grupo de las actinobacterias, destacando entre ellas los géneros Arthrobacter, Streptomyces, Rhodococcus, Thermoleophilum, Janibacter, Knoellia, Brevibacterium y Curtobacterium. 

Los resultados obtenidos en este estudio destacan el potencial biotecnológico de las actinobacterias antárticas, ya que se demostró que todas producen, a lo menos, una enzima extracelular (proteasas, lipasas, celulasas). Respecto de la capacidad antimicrobiana de las actinobacterias aisladas, 28 de las 30 presentaron algún grado de actividad antimicrobiana frente a hongos y bacterias. También, algunos metabolitos aislados desde estas bacterias mostraron ser activos contra algunas líneas celulares humanas de carcinoma de pulmón, de colon, cervical y hepático. Con los resultados obtenidos, odemos concluir que las islas Shetland del Sur albergan actinobacterias que serían de especial relevancia en el estudio y la producción de nuevas  oléculas pequeñas con un gran potencial para ser utilizadas en la industria farmacéutica y biotecnológica de alimentos, industrial, de biocombustibles, entre otras.

Las actinobacterias

Dentro del dominio de las bacterias, destaca el grupo de las actinobacterias. Son bacterias Gram positivas, filamentosas y representan uno de los grupos más grandes entre los 18 linajes reconocidos dentro del dominio Bacteria. Estas bacterias están ampliamente distribuidas en hábitats terrestres, de agua dulce y marinos. Este  rupo s relevante en términos biotecnológicos y económicos, debido a que produce más de la mitad de los compuestos bioactivos presentes en la base de datos de  ntibióticos.

Potencialidades biotecnológicas

La diversidad metabólica y fisiológica de las actinobacterias las transforma en un grupo objetivo para biotecnología debido a su producción de enzimas extracelulares y  la formación de una amplia variedad de metabolitos bioactivos. Es así que los miembros del género Streptomyces son una de las fuentes más ricas en productos
naturales, incluyendo antibióticos de uso clínico (estreptomicina, tetraciclina, cloranfenicol y muchos más) y agentes antitumorales, produciendo alrededor del 80% de todos los metabolitos secundarios bioactivos. Asimismo, producen moléculas que actúan como inmunosupresores (ayudando a evitar el rechazo a los trasplantes, como, por ejemplo, de riñón y corazón), fitotoxinas, biopesticidas, biosurfactantes, nanopartículas, probióticos y enzimas involucradas en la degradación de polímeros complejos. Esta versatilidad de metabolitos hace de estas bacterias importantes herramientas para aplicaciones en el área farmacéutica, médica, y biotecnológica (biorremediación, biofertilizantes o en el control biológico de enfermedades de plantas de importancia agrícola).

Es así como nuestro proyecto se enfocó en caracterizar el potencial biotecnológico de los metabolitos activos de actinobacterias de las islas Shetland del Sur,
de ambientes marinos y terrestres.

El proyecto contó con la colaboración del Dr. Robert Capon y su grupo de trabajo, de la Universidad de Queensland, Australia, quienes nos permitieron la caracterización de estos metabolitos bioactivos con el empleo de técnicas de análisis altamente sofisticadas, como el uso de cromatografía líquida de alto rendimiento acoplada a espectrómetro de masa y de resonancia magnética nuclear.

Se obtuvieron muestras de suelo, agua y sedimentos marinos durante la Expedición Científica Antártica (ECA) 49 (verano del 2013) y 50 (verano del 2014). Durante ambas expediciones, un total de 90 muestras (10 de agua de mar, 40 de suelo y 40 de sedimentos marinos y de agua dulce) fueron recolectadas en diferentes  ambientes de las islas Shetland del Sur (fig. 1).

A partir del análisis de las muestras, se logró conformar una colección de bacterias  (cepario), la que se mantiene a -20 ºC. Con el empleo de técnicas tradicionales de cultivo (siembra en medios sólidos enriquecidos para el crecimiento de actinobacterias) y moleculares (mediante la obtención y amplificación del ADN bacteriano para la identificación de las bacterias aisladas), se logró aislar e identificar 30 cepas bacterianas pertenecientes al grupo de las actinobacterias, destacando entre ellas los géneros Arthrobacter, Streptomyces, Rhodococcus, Thermoleophilum, Janibacter, Knoellia, Brevibacterium y Curtobacterium. De estas 30 cepas de actinobacterias aisladas, 18 cepas fueron aisladas desde suelo (60%), 10 desde sedimentos marinos y de agua dulce (33%) y dos cepas desde agua de mar (7%) (fig. 2). La caracterización bioquímica de estos aislados permitió comprobar que todas las cepas de actinobacterias tienen un perfil enzimático distinto, lo que sugiere que son metabólicamente diferentes.

En este estudio, las 30 cepas de actinobacterias evaluadas produjeron, al menos, una enzima extracelular. Es así que 25 de las 30 actinobacterias (83%) produjeron proteasas, 13 presentaron actividad amilasa (43%), 24 de las cepas presentaron actividad lipolítica (80 %) y siete actividad celulolítica (23%). Estos resultados destacan el potencial biotecnológico de las actinobacterias de la islas Shetland del Sur, demostrando que todos los aislados producen, a lo menos, una enzima extracelular.

Esto también da prueba de la versatilidad de la microbiota cultivable de estos ecosistemas para aprovechar las fuentes de nutrientes, que a veces son escasos en la Antártica. Las comunidades microbianas se adaptan localmente, variando según las condiciones fisicoquímicas y las características de los suelos. Debemos considerar, sin embargo, que las condiciones ambientales están cambiando rápidamente en algunas zonas, debido al aumento de la actividad humana en el continente y al impacto del cambio climático.

Respecto de la capacidad antimicrobiana de las actinobacterias aisladas (se cultivan en medio líquido, luego se centrifugan y se emplea el sobrenadante), 28 de 30 sobrenadantes ensayados presentaron algún grado de actividad antimicrobiana frente a hongos y bacterias. El género Arthrobacter presentó actividad antifúngica, principalmente para el hongo fitopatógeno Rhizoctonia solani. También, Janibacter limosus y Streptomyces sp. fueron capaces de inhibir otro hongo fitopatógeno (Phytophthora infestans) (fig. 3), por lo que pudieran ser aplicados en el control biológico de estas enfermedades. Estos fitopatógenos afectan diversos cultivos de importancia agrícola en Chile (tomate, papa, remolacha azucarera, entre otros). El control biológico es el uso de organismos (o de sus metabolitos o subproductos) que son enemigos naturales de una plaga o patógeno, con el fin de reducir o eliminar sus efectos dañinos en las plantas o sus productos; la ventaja de su empleo es que no se utilizan productos químicos para el control de los patógenos.

La actividad antibacteriana frente a patógenos clínicos fue menor en comparación a la descrita anteriormente. Sin embargo, el aislado Arthrobacter sulfonivorans tuvo actividad contra Enterococcus fecalis, bacteria de gran importancia en infecciones de tipo hospitalaria. Otras cepas que tuvieron actividad antimicrobiana fueron algunas como Streptomyces cellulosae y S. thermospinosisporus. Thermoleophilum minutum también presentó actividad frente a E. fecalis. La actividad antimicrobiana de las actinobacterias es extensamente relatada, sin embargo, muchas de las bacterias encontradas en el ambiente extremo de la Antártica son bacterias poco descritas y, por ende, poco estudiadas, siendo un potencial de estudio para nuevos antimicrobianos, necesarios para combatir la creciente resistencia a los antimicrobianos de uso común que presentan las bacterias patógenas.

Contra el cáncer

Algunos metabolitos aislados desde estas bacterias mostraron ser activos contra algunas líneas celulares humanas de carcinoma de pulmón, de colon, cervical y hepático. Los resultados obtenidos en este ensayo muestran el potencial que poseen algunas actinobacterias para inhibir células cancerígenas, lo que, sin duda, abre otro interesante campo de investigación futuro. 

Con los resultados obtenidos, podemos concluir que los diferentes ecosistemas de la Antártica albergan actinobacterias que serán de especial relevancia en futuros estudios para la producción de nuevas moléculas pequeñas, con un gran potencial para ser utilizadas en la industria farmacéutica y biotecnológica. 

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GLOSARIO
Metabolito bioactivo. Molécula producida durante el metabolismo secundario, que cumple funciones complementarias a las vitales, tales como defensa de depredadores, patógenos y parásitos, entre otras.
Fitotoxina. Sustancia tóxica de origen vegetal.
Biosurfactante. Compuesto producido por microorganismos, con propiedades emulsificantes y dispersantes, que disminuyen la tensión superficial del agua.
Proteasa. Enzimas que rompen los enlaces peptídicos de las proteínas.
Amilasa. Enzima que degrada el almidón hasta sus azúcares más simples.
Lipasa. Enzima encargada de degradar los ácidos grasos.
Celulasa. Enzima que degrada la celulosa, transformándola en glucosa.
Fitopatógeno. Microorganismos que producen enfermedades en las plantas