Aplicaciones biotecnológicas y mediambientales de la microalga Chlorella sorokiniana

Resumen

El término microalga engloba a un grupo heterogéneo de microorganismos unicelulares que realizan fotosíntesis oxigénica y que han demostrado una gran capacidad para fijar CO2 y producir O2, con una eficiencia entre 10 y 50 veces mayor que las plantas superiores. En los últimos años, han despertado un gran interés como potenciales fijadores de CO2 y productores de biocombustibles con baja huella de carbono, así como, por el aprovechamiento de su biomasa para la obtención de compuestos de alto valor añadido, que pueden ser utilizados en la industria cosmética, farmacéutica, en nutrición humana o alimentación animal. Más aún, algunas especies de microalgas pueden utilizar residuos agroindustriales como nutrientes y tolerar altas concentraciones de contaminantes, como los metales pesados, lo que las convierte en sistemas muy prometedores para procesos de bioremediación. Todos estos aspectos se revisan con detalle en un capítulo introductorio (Capítulo 1). Esta memoria de Tesis doctoral incluye además un capítulo con la descripción pormenorizada de toda la metodología utilizada (Capítulo 2) y cuatro capítulos que describen los resultados de las investigaciones realizadas utilizando la microalga clorofita perteneciente a la clase de las Trebouxiophyceae, Chlorella sorokiniana, una especie robusta y capaz de crecer con una alta tasa de crecimiento, incluso en condiciones adversas. Las investigaciones realizadas se centran en las potenciales aplicaciones biotecnológicas y medioambientales de la microalga, entre las que se incluyen su cultivo utilizando residuos industriales (Capítulo 3) o en presencia de metales pesados (Capítulo 4). Además, se ha optimizado la metodología para la modificación genética de la microalga mediante electroporación (Capítulo 5) y se ha realizado una comparativa de su perfil de aminoácidos y su valor nutricional frente al de otras 57 especies de microalgas (Capítulo 6). En las investigaciones descritas en el Capítulo 3 se muestra como la microalga Chlorella sorokiniana puede cultivarse en condiciones mixotróficas utilizando varios residuos industriales. En este capítulo también se demuestra la viabilidad de un cultivo con residuos de lías oxidadas de la industria vinícola, que resultaron ser la mejor fuente de carbono entre todas las testadas. El estudio se ha realizado en un reactor de 2 L en modo discontinuo, con concentraciones optimizadas de nutrientes, donde se obtiene una alta productividad de biomasa (11,0 g L-1) y lípidos neutros (38% DW). En el Capítulo 4 se estudia el efecto de metales pesados, como el cobre y el cadmio, y metaloides, como el arsénico en sus estados de oxidación III y V, sobre el crecimiento, la asimilación de nitrógeno y la capacidad de acumulación intracelular en Chlorella sorokiniana, siendo el cadmio el elemento acumulado en mayor cantidad. También se ha estudiado el efecto de los metales pesados sobre los niveles de expresión génica y de actividad enzimática de varias enzimas antioxidantes, tales como la ascorbato peroxidasa y la catalasa; y de enzimas de la ruta de asimilación del nitrógeno y el azufre, observándose que en general la mayor parte de estas enzimas se inducen en presencia del metal. Finalmente, se ha llevado a cabo un estudio proteómico cuantitativo que compara la expresión de diferentes proteínas de Chlorella sorokiniana en presencia y ausencia de cadmio. Este estudio muestra que diversas rutas metabólicas, como la fotosíntesis, la fosforilación oxidativa, la glucólisis, el ciclo de Krebs o la biosíntesis de proteínas ribosomales se encuentran inhibidas en presencia de cadmio. Sin embargo, otras como la fotorrespiración, las enzimas antioxidantes, la gluconeogénesis, la asimilación de nitrógeno y azufre o la biosíntesis de ciertos aminoácidos, se encuentran inducidas en las mismas condiciones. En el Capítulo 5 se describe la optimización de la transformación nuclear de Chlorella sorokiniana mediante electroporación, utilizando diferentes promotores heterólogos como el promotor CaMV 35S del virus del mosaico de la coliflor, el promotor NOS de la nopalina sintasa de Agrobactereium tumefaciens y el promotor híbrido HSP70S/RBCS2 de Chlamydomonas reinhardtii, que dirigen la expresión del gen selectivo APHVIII de resistencia al antibiótico paromomicina. Para ello se han optimizado los parámetros de la electroporación, a 2,5 kV de intensidad de campo eléctrico y 3 el número de pulsos. De entre los tres promotores utilizados, el que mayor eficiencia obtuvo en número de transformantes y mejor expresión en Chlorella sorokiniana, tanto a nivel génico como de proteínas, fue el promotor CaMV 35S. Además, se ha desarrollado un método de criopreservación a -80 °C, utilizando etilenglicol al 5% v/v como criopreservante, capaz de mantener la viabilidad celular de los transformantes obtenidos durante periodos de 365 días. Por otra parte, el en Capítulo 6 se compara el perfil aminoácidico de 57 microalgas pertenecientes a 8 phyla y 38 genera, entre las que se incluye Chlorella sorokiniana. En el estudio se incluyen tanto los aminoácidos estructurales como los aminoácidos libres. Se han determinado 17 aminoácidos mediante GC-MS, siendo mayoritarios, de manera general, glutamato/glutamina, aspartato/asparragina, alanina, leucina y lisina. Por otro lado, el phylum miozoa y las microalgas Ochromonas sp. y Chroomonas salina presentaron mayor contenido en aminoácidos esenciales y, por tanto, mayor valor nutricional. Además, se ha conseguido establecer una relación entre el perfil de aminoácidos libres y el grupo taxonómico al que pertenecen la mayoría de las especies.