El estrés abiótico en el metabolismo del nitrógeno y en el sistema antioxidante de la microlga acidófilaCoccomyxa onubensis

Resumen

Las microalgas son micoorganismos eucarióticos unicelulares de muy variadas formas y tamaños capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica. Debido a la estructura celular sencilla de las microalgas, la acumulación de energía química después del proceso fotosintético no se desperdicia en la construcción de estructuras complejas, sino que se orienta a un uso más eficiente de formación de nuevas células. En este sentido, los microorganismos fotosintéticos son la base de todas las cadenas alimenticias y, por tanto, de la vida en el planeta. Existen microorganismos que son capaces de vivir en ambientes cuyas características fisicoquímicas se encuentran fuera de los parámetros normales, tomando valores considerados límites para la vida. Las variables más importantes que pueden afectar a las funciones y estructuras de los componentes celulares y, por lo tanto, las que permiten definir un ambiente como extremo son la temperatura, el pH, la presión, la disponibilidad de oxígeno, la salinidad y la exposición a la radiación. Es común que muchos de estos microorganismos, debido al ambiente en el cual se desarrollan, se vean afectados por más de una de estas cualidades extremófilas, tal y como le ocurre a la microalga objeto de estudio de la presente Tesis. Coccomyxa onubensis es una microalga acidófila aislada de la cuenca minera del río Tinto (Huelva). En su ambiente natural, es capaz de crecer a pH ácido (aproximadamente 2,5) y en altas concentraciones de metales. El estudio de los micoorganismos acidófilos es muy importante debido a sus aplicaciones biotecnológicas, las cuales están relacionadas con el procesamiento de minerales con intervención microbiana (biominería) y la biorremediación de ambientes contaminados con metales. Estos procesos mediados por microorganismos se consideran "tecnologías limpias", ya que tienen menores requerimientos energéticos, menores costes y, fundamentalmente, menor impacto ambiental que los procesos no biológicos tradicionales. En microalgas, la presencia de metales pesados afecta de manera importante al metabolismo celular generando estrés oxidativo y afectando a distintas rutas metabólicas. Por ello, el Capítulo 1 de la presente Tesis Doctoral se ha centrado en el estudio del comportamiento de las células de C. onubensis frente al consumo de diferentes fuentes nitrogenadas (nitrato, amonio y nitrato amónico) a pH neutro (7) y a pH ácido (2,5), también se ha comprobado el efecto que producen el consumo de diferentes fuentes nitrogenadas sobre el pH del medio de cultivo y, además, se ha estudiado cómo distintos metales (cobre, cadmio y mercurio) y metaloides (arsenito y arseniato) actúan sobre el consumo de nitrato y amonio en la microalga. Se ha comprobado que el pH del medio no afecta al consumo de nitrógeno, que el consumo de nitrato basifica el pH del medio de cultivo, y el de amonio lo acidifica; además, el consumo de nitrato es más sensible que el de amonio al estrés metálico. Por otro lado, las microalgas utilizan la síntesis de fitoquelatinas para minimizar los efectos provocados por la exposición a metales, teniendo en cuenta la demanda de glutamato necesaria para la síntesis de las fitoquelatinas. Por ello, en el Capítulo 2 se ha realizado un estudio de tres enzimas del metabolismo del nitrógeno (nitrito reductasa, glutamina sintetasa y glutamato deshidrogenasa) que, de manera directa o indirecta, participan en la síntesis de este aminoácido. Se han caracterizado cinética y molecularmente las enzimas indicadas, y se han comprobado el efecto que sobre ellas provoca el estrés abiótico, comprobándose en general una inhibición de las dos primeras y una activación de la glutamato deshidrogensa. Además, la presencia de metales pesados también provoca un incremento en los niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS), siendo el peróxido de hidrógeno (H₂O₂) la especie que desempeña el papel más importante en la señalización de los cambios estresantes debido a su elevada estabilidad y largo tiempo de vida media. Por ello, en el Capítulo 3 se ha estudiado tres enzimas (catalasa, ascorbato peroxidasa y glutatión reductasa) que, de menera directa o indirecta, participan en la eliminación del H₂O₂. Las enzimas se han caracterizado cinética y molecularmente, observándose un incremento generalizado de las mismas, en especial de la catalasa. Por último, en el Capítulo 4 se ha llevado a cabo un estudio que muestra cómo las condiciones de estrés provocada por los metales pesados y metaloides afectan al crecimiento celular de C. onubensis. Además, con vista a su posible fitorremediador, también se ha estudiado la capacidad bioacumuladora de la microalga cuando se expone a cobre, cadmio, zinc o arsénico, mostrándose C. onubensis como una microalga hiperacumuladora de arsénico, especialmente en ambientes ácidos.