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NANOFACTORÍAS BIOLÓGICAS

Yesenia Quispe De la Cruz
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Estudiante de

Biología

23 junio 2020

Imagen: E - Health Reporter

Cuando hablamos de factorías en el ámbito biológico nos referimos a la visión de utilidad que se le da a un organismo como un sistema de producción escalable, con el despliegue tanto de su maquinaria metabólica como genética, que lleva a cabo la traducción de factores claves en el desarrollo de un metabolito de interés. A través de los años, hemos visto como ejemplos de factorías celulares a varios microorganismos de origen fúngico y bacteriano.  Estos son ampliamente estudiados por tener características favorables en la industria, como ciclos celulares de períodos cortos o una reproducción asexual a través de divisiones exponenciales, entre otras, siendo Escherichia coli la bacteria más aprovechada por crecer rápida y controladamente en fermentadores para la producción de enzimas a escalas industriales. Seguidamente se describe una diversidad de organismos capaces de sintetizar partículas de gran interés en múltiples áreas, lo que se llama “Enfoque Verde”. (1)

 

En la diversidad hay bacterias gram positivas que nos sorprenden por su similitud con los hongos, estas bacterias tienen formas filamentosas, incluso con hifas que pueden diferenciarse en esporas germinativas, como son los Actinomicetos. Estas características particulares enriquecen su composición y su capacidad de síntesis, como también los aislados del género Streptomyces que llevaron al descubrimiento de varios antibióticos como la estreptomicina y la neomicina, sin embargo, para lograr el éxito comercial, se optimizan los parámetros de cultivo y producción, es lo que se conoce como biotecnología industrial o blanca. (2) 

 

En la rama de los eucariotas nos topamos con los hongos, unos organismos multicelulares que juegan un rol fundamental en la cadena trófica por ser los descomponedores de materia orgánica por excelencia, reciclando e intercambiando nutrientes.(1) Además también desempeñan una extraordinaria función como biorremediadores, por secuestrar o degradar agentes contaminantes (metales pesados). Su capacidad de acumular, extraer y reducir metales es usada ventajosamente en la síntesis de nanopartículas (NP´s), como consecuencia de los mecanismos de biosorción, bioreducción y actividades enzimáticas que se dan dentro de las células de estos organismos eucarióticos. (3)

 

Son varios los organismos como cianobacterias, algas e incluso plantas superiores que pueden sintetizar NP´s inorgánicas enzimáticamente. La importancia de estas NP´s metálicas se basan en su actividad antimicrobiana, antifúngicas, antivirales y bactericidas, como unas de las más importantes para el hombre. Estas partículas tienen la capacidad de desorganizar la membrana, generando poros en la pared celular y en la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS). Por ello, la importancia de la generación de NP´s por entidades biológicas es una alternativa eco-amigable, ya que remedia la contaminación por metales pesados a su vez que fabrica NP´s muy importantes. (4)

 

Otra de las aplicaciones de las NP´s usando entidades bioactivas es el tratamiento de aguas en la microbiología alimentaria, como los nanobiosensores unidos a anticuerpos que detectan microorganismos causantes de enfermedades y para combatir la resistencia a antibióticos. (5) Actualmente, la fitonanotecnología ha abierto nuevas fronteras en cuanto a las NP´s. Como producto, estas son biocompatibles y no tóxicas. Además, diferentes partes de la planta como hojas, frutos, raíces, tallo e incluso extractos han sido usadas para la síntesis de NP´s. (6)

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Figura 1. Síntesis biológica y aplicaciones de nanopartículas metálicas

 en áreas ambientales y biomédicas. (6)

Ahondando en el mecanismo de síntesis de NP´s, vemos que los microorganismos sintetizan estas partículas por dos vías: intracelularmente o extracelularmente usando diversos procesos de bioreducción. Diversos factores como la concentración del reactante, el pH, la temperatura y la duración de la reacción son limitantes en el tamaño de la NP´s. Se utilizan diversos mecanismos para la síntesis de NP´s, que incluyen cambios en la solubilidad, acomplejamiento del metal, bioadsorción y precipitación extracelular. 


 

Por el mecanismo intracelular presente en bacterianas y hongos, se generan productos que se acumulan en el espacio periplasmático, en membranas y en la pared celular.  Dentro de los desafíos en la producción biológica de NP´s, está la selección de los mejores candidatos, la diversidad de especies, el control de la multidispersidad de las NPs sintetizadas, la identificación de los componentes claves responsables de la reducción y estabilización de las NP´s metálicas de las sales precursoras, entre otros. (7)

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Figura 2. Rol de las enzimas microbianas dependientes de NADH y NADPH en la síntesis de nanopartículas metálicas (MtNP). (7)

Finalmente, se están realizando grandes avances en la biosíntesis de NPs con respecto a cada forma de vida ya vista, optimizando procesos y recursos. Incluso, se prueba el uso de biomasa fúngica, porque tiene como ventaja la recuperación de gran área superficial con un crecimiento óptimo del micelio esto como una alternativa verde y rentable. (3) Por ello el interés hacia estas formas de síntesis de nanopartículas que serán usadas para el bien de los humanos en diversas áreas.

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REFERENCIAS 

1. Deshmukh S, Misra J, Tewari J, Papp T. Applications of fungi and their management strategies. New York: RC Press Taylor & Francis Group. https://books.google.com.pe/books?id=UXyCDwAAQBAJ&printsec=frontcover&dq=Fungi+Application+and+management+strategies&hl=es-419&sa=X&ved=0ahUKEwiZsMTZ7_LpAhV7LLkGHZD4AlUQ6AEIJjAA#v=onepage&q=Fungi%20Application%20and%20management%20strategies&f=false 

2. De Lima Procópio R, da Silva I, Martins M, de Azevedo J, de Araújo J. Antibiotics produced by Streptomyces. The Brazilian Journal of Infectious Diseases. 2012;16(5):466-471. https://doi.org/10.1016/j.bjid.2012.08.014 

3. Salvadori M, Ando R, Nascimento C, Corrêa B. Biosynthesis of Metal Nanoparticles via Fungal Dead Biomass in Industrial Bioremediation Process. Fungal Nanobionics: Principles and Applications. 2018;:165-199. https://doi.org/10.1007/978-981-10-8666-3_7 

4. Busi S, Rajkumari J. Microbially synthesized nanoparticles as next generation antimicrobials: scope and applications. Nanoparticles in Pharmacotherapy. 2019;:485-524. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816504-1.00008-9

5. Depósito de Investigación Universidad de Sevilla [Internet]. Idus.us.es. 2016 [cited 6 May 2020]. Available from: https://idus.us.es/bitstream/handle/11441/49173/TFG-V7%20(1)ouahid%20hessissen,%20Amin.pdf;jsessionid=3A881E1F7C40924D58A8F0623906D2DF?sequence=1&isAllowed=y

6. Singh P, Kim Y, Zhang D, Yang D. Biological Synthesis of Nanoparticles from Plants and Microorganisms. Trends in Biotechnology. 2016;34(7):588-599. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2016.02.006 

7. Ovais M, Khalil A, Ayaz M, Ahmad I, Nethi S, Mukherjee S. Biosynthesis of Metal Nanoparticles via Microbial Enzymes: A Mechanistic Approach. International Journal of Molecular Sciences. 2018;19(12):4100. https://doi.org/10.3390/ijms19124100 

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