Project Description

Introducción

Una gran porción de la biodiversidad mundial está localizada en los ecosistemas amazónicos, lo cual constituye una fuente importante de materiales crudos con potencial utilidad en diferentes áreas biotecnológicas (Da Silva et al. 2011). En particular, la diversidad de microorganismos excede en el orden de algunos miles la diversidad de plantas y animales y gracias a su versatilidad metabólica son una fuente de diversidad química para el descubrimiento de compuestos con nuevas propiedades y actividades biológicas.

Entre los metabolitos de interés se encuentran los pigmentos, cuya demanda ha incrementado significativamente en los últimos años por su utilidad en la industria alimentaria (Dufossé, 2018), en la cual se usan como aditivos, antioxidantes e intensificadores de colores, también se usan en cosmética por sus propiedades antioxidantes, en la industria textil y farmacéutica entre otros.

Entre los organismos productores de pigmentos, las bacterias ofrecen ciertas ventajas distintivas, al no tener problemas asociados a la variabilidad geográfica ni estacional, es posible realizar una amplia selección de cepas metabólicamente versátiles con la capacidad de crecer fácilmente en medios de cultivo económicos (Mata-Gómez et al. 2014), con posibilidad de ser genéticamente modificables para adaptarlos a los requisitos industriales.

Algunos ejemplos de bacterias productoras de pigmentos son: Flavobacterium sp. que produce el pigmento amarillo zeaxantina; Agrobacterium aurantiacum que produce astaxantina un pigmento rosado-rojo, Micrococcus sp. que produce varios pigmentos coloreados de tipo carotenoide, Pseudomonas aeruginosa que produce un pigmento azul-verdoso identificado como piocianina, Serratia marcescens productora de prodigiosina un pigmento de color rojo, Chromobacterium sp. que genera un pigmento violeta debido a la producción de violaceína, Rheinheimera sp. que genera un pigmento de color azul (Venil et al. 2013) y actinomicetes que producen una variedad de pigmentos intra y extracelulares incluyendo la melanina, la cual posee diferentes funciones biológicas (Diraviyam et al. 2011; Stankovic et al. 2012).

La experiencia del Instituto Amazónico de Investigaciones Científicas- SINCHI en la búsqueda de microorganismos productores de pigmentos inició en el año 2002, con el aislamiento y conservación de actinomicetos recuperados a partir de diversos muestreos realizados en ecosistemas amazónicos. Como producto de estos estudios, el Instituto cuenta con una colección de microorganismos productores de pigmentos (∼89), en la cual predominan organismos pertenecientes al Filum Actinobacteria, en la cual la mayor parte de sus representantes se asocian con el género Streptomyces sp. (Peña-Venegas, 2010).

Con el fin de evaluar la producción de pigmentos de los microorganismos de la colección del I. SINCHI, se evaluaron 56 aislamientos agrupados dentro del Filum Actinobacteria en diferentes medios de cultivo propuestos por Shirling & Gottlieb (1966) y Da Silva et al. (2011). En general se encontró que los pigmentos producidos por Streptomyces spp (cepas M6M1 y M2.4.M2) presentan una máxima absorción de luz-UV a 348nm y 319nm, por tal razón se podría presumir que pertenecen al grupo de los flavonoides (anillo B) de colores amarillos, cuya longitud de onda está entre los 300-550nm (Bechtold & Mussak 2009). Algunas cepas de Streptomyces han sido reportadas como productores de flavonoides con aplicación para tratamientos del cáncer de pulmón, actividad antibacteriana y antifúngica (Balachandran et al. 2014).

Más recientemente, el Instituto SINCHI a través del proyecto global “FORTALECIMIENTO DE LA CAPACIDAD LEGAL, POLÍTICA E INSTITUCIONAL PARA EL DESARROLLO DE LOS MARCOS NACIONALES DE ABS (ACCESO A LOS RECURSOS GENÉTICOS Y PARTICIPACIÓN JUSTA Y EQUITATIVA EN LOS BENEFICIOS QUE SE DERIVEN DE SU UTILIZACIÓN)”, financiado por PNUD-GEF (2018-2019), evaluó la producción de pigmentos a partir de la diversidad de microorganismos de la región amazónica con el fin de construir un proyecto piloto de ABS con fines comerciales.

Para su ejecución se evaluaron organismos productores de pigmentos a partir de un tamizaje funcional de 89 cepas microbianas previamente depositadas en la colección microbiana de trabajo del Instituto – SINCHI. Además, se realizaron nuevos muestreos en diferentes hábitats acuáticos y terrestres ubicados en Leticia (Amazonas) y se logró el aislamiento e identificación de 14 cepas microbianas de los géneros Flavobacterium, Streptomyces, Micrococcus, Chromobacterium, Burkholderia, Microbacterium, Agrococcus y Pseudomonas.

El tamizaje inicial permitió la selección de 25 cepas de los géneros Streptomyces, Kitasatospora, Burkholderia, Chromobacterium, Agrococcus y Pseudomonas, productoras de pigmentos extracelulares y/o intracelulares. Los pigmentos producidos fueron identificados de manera preliminar como flavonoides, carotenoides, violaceína y melanina, que dan tonalidades de color amarillo, azul, verde, rosa-rojo, violeta y marrón.

Figura 50 A) Pigmentos obtenidos a partir de cepas de la colección de trabajo del I. SINCHI.

Para el estudio inicial, se evaluaron las cepas AEX2, productora de un pigmento intracelular de color amarillo limón y la cepa S.H.S.9 productora de un pigmento extracelular rojo que se torna negro por procesos de oxidación espontánea. El análisis filogenómico de estas dos cepas permitió su asignación taxonómica como nuevas especies de los géneros Agrococcus sp. y Pseudomonas sp. respectivamente.

El trabajo realizado con estos dos organismos incluyó la caracterización preliminar de las condiciones óptimas de crecimiento variando pH, temperatura, salinidad, concentración de oxígeno disuelto, requerimiento de cofactores y fuentes de carbono (Figura 50).

Con respecto a la cepa Agrococcus sp. AEX2, se determinó que el pigmento producido tiene un rango de absorción de 380 nm a 400 nm, con un pico máximo de 383.8 nm. El análisis de la espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FT-IR) arrojó que es una molécula orgánica metoxilada, con enlace alquenos, alcanos con un anillo aromático.

Por otra parte, la cepa Pseudomonas sp. S.H.S.9, produce un pigmento extracelular rojo que mediante procesos de oxidación espontánea cambia a negro, este pigmento fue identificado por métodos analíticos como melanina.

Mediante la optimización de las condiciones de crecimiento se logró la producción de 1,2 g/L de melanina, creciendo a 30ºC, pH cercano a la neutralidad y 0,1 % (p/v) de NaCl

Figura 51. Crecimiento de la cepa S.H.S.9 y evidencia de la producción del intermediario metabólico de color rojo, el cual empieza a tornarse de color café – negro después de 96 horas de fermentación.

La producción de melanina por organismos del género Pseudomonas ha sido previamente reportada con rendimientos de melanina de 0,1 g/L hasta 6,7 g/L (Hunter & Newman, 2010; Zerrad et al. 2014). Los datos anteriores evidencian que los organismos del género Pseudomonas tienen potencial en la producción de melanina y su producción depende en gran medida de los componentes del medio y de proporcionar las condiciones fisicoquímicas óptimas de crecimiento.

Con la melanina obtenida, se generó un bioproducto basado en la formulación de una crema ligera corporal que incluye aceite de una de las especies vegetales más abundantes en la región Amazónica colombiana, esta formulación presentó un 60% de factor de protección solar y debido a las propiedades de la melanina, también presentó capacidad antioxidante (Figura 52). Aunque se corroboró la efectividad de la melanina como un agente de protección solar de tipo orgánico, es necesario llevar este prototipo a una segunda etapa, en la cual se evalúen la toxicidad, irritabilidad y eficacia del producto.

Figura 52. Prototipo de crema corporal ligera con inclusión de melanina (izquierda), y sin inclusión de melanina (derecha).

Además de su utilidad en la industria cosmética, la composición química de las melaninas les permite actuar como absorbentes de luz ultravioleta, intercambiadores de cationes, portadores de drogas, semiconductores amorfos, absorbentes de rayos X y rayos γ (Tarangini & Mishara, 2014). Sus características hacen que sean ampliamente utilizados en productos farmacéuticos, industria alimentaria y procesos de biorremediación de metales pesados como el mercurio, entre otros, debido a su alta capacidad de adsorción (Tarangini & Mishara 2014, Manirethan et al. 2018).

El estudio de factibilidad económica para la producción del pigmento demostró viabilidad para su producción a escala industrial, en gran parte por el alto costo del producto. El estudio evidenció tasas de retorno superiores al 32%, teniendo como valor de venta 459 USD por gramo de melanina, el cual es el precio actual del producto en el mercado (Sigma – Aldrich).

El desarrollo del proyecto en mención no solo permitió la exploración de la diversidad microbiana para la generación de un bioproducto, sino que también, permitió el acercamiento con la comunidad mediante la capacitación de un estudiante de Biología, miembro de la etnia Siriano de la comunidad indígena de Cachivera ubicada en el municipio de Mitú – Vaupés, en la valoración y uso sostenible de recursos biológicos, específicamente en el aislamiento y caracterización de pigmentos microbianos a partir de muestras de suelo, para asegurar la transferencia del conocimiento a su comunidad.

De igual manera, se realizó la capacitación de niños del colegio Jorge Eliecer Gaitán sobre la importancia de preservar la biodiversidad de su entorno, y cómo esta puede ser aprovechada de una manera sostenible. También, dentro del marco del proyecto se realizó un evento de socialización con comunidades de colonos e indígenas y con instituciones locales en Puerto Inírida – Guainía con el fin de informarles sobre los avances en la implementación del Protocolo de Nagoya en Colombia y su importancia para implementar un modelo de economía verde.

La implementación de un modelo económico a partir del uso de los recursos naturales, que se base en un desarrollo sostenible que busque una distribución justa y equitativa de los beneficios que se deriven se su utilización requiere de la implementación de estrategia claras de Propiedad Intelectual. Por tal razón, durante la ejecución de este proyecto, el I. SINCHI logró el desarrollo de una estrategia de Propiedad Intelectual, para la protección de los resultados obtenidos y sus posibles formas de transferencia. Como producto del desarrollo del proyecto, el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible y el SINCHI suscribieron el Contrato de Acceso a Recursos Genéticos y sus Productos Derivados con Fines Comerciales No. 277 de 2019.

La experiencia del I. SINCHI evidencia la importancia de involucrar a las comunidades locales activamente tanto en la conservación de la biodiversidad como en su utilización, logrando promover la bioeconomía en el país.

Literatura citada

Fichas del capítulo III

Fichas del capítulo III