bioactivos algas

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Martha Hengst 09 junio 2015 Biotecnología Marina BT 925/ I-2015 Compuestos Bioactivos producidos por organismos marinos autótrofos

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BIOACTIVOS DE ALGAS

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Page 1: Bioactivos Algas

Martha Hengst09 junio 2015

Biotecnología MarinaBT 925/ I-2015

Compuestos Bioactivos producidospor organismos marinos autótrofos

Page 2: Bioactivos Algas

¿Qué son los compuestos bioactivos?

• Son metabolitos secundarios• Compuestos no usados para metabolismo esencial (ej: Div. celular)• No impiden la sobrevivencia: pueden afectarla• Se producen en distintas etapas de la vida• Varían en cada organismo: especie específicos• Muy estudiados en plantas (aleloquímicos)

Ej: hormonas, antibióticos, aleloquímicos y toxinas.

Page 3: Bioactivos Algas

Ambientes marinos:Una gran fuente de nuevos compuestos bioactivos

75% del planeta son océanos ~11.000 m profundidad ↓ Temperaturas: excepto trópicos ↓ materia orgánica > 3,5% sal (35 g/L) pH alcalino (8) Alta presión (> con Profundidad) ↓ Oxígeno disuelto

Gran diversidad de hábitats y especies

Tridimensional

Page 4: Bioactivos Algas

Diversidad de organismos marinosvs diversidad de CB

Esponjas

Page 5: Bioactivos Algas

Métodos de búsqueda en la naturaleza: algas

Page 6: Bioactivos Algas

¿Cómo se buscan estos compuestosen la naturaleza?

Page 7: Bioactivos Algas

Se utilizan simultáneamenteestrategias dependientes eindependientes de cultivo

Page 8: Bioactivos Algas

• Las rutas para la biosíntesis demetabolitos secundarios sonmúltiples y complejas.

• Los operones mas estudiadosson los que codifican para laspolicétido sintetasa (PKS)y para péptidos no ribosomales(NRPS).

Page 9: Bioactivos Algas

• Policétido sintetasas• Péptidos no ribosomales

Cluster de genes involucrados en la síntesis de sustancias bioactivas sonampliamente distribuidos entre organismos no relacionados filogenéticamente

Curr Opin Biotechnol. Author manuscript; available in PMC 2011

Page 10: Bioactivos Algas

Por qué el interés por los organismos marinos escreciente…

Suplementos alimenticios

Pigmentos & antioxidantes

Cosméticos

Inmunoestimulantes

Page 11: Bioactivos Algas

Diversidad de macroalgas en ambientes marinos~ 27.000 spp en el mundo

Gracillaria chilensisUlva lactuca Macrocystis pyrifera

ChlorophytaAlgas verdes

RodophytaAlgas rojas

PhaeophytaAlgas pardas

Page 12: Bioactivos Algas

Microalgas eucariontes marinas

Pediastrum

Diatomeas (Crisófitos)

Euglena

Peridinium

Dinoflagelados

Brevetoxina

Alexandrium catenella

Page 13: Bioactivos Algas

Efecto de los compuestos producidospor algas

• ↓ palatabilidad

• ↓ Pastoreo

• Antimicrobianos

• ↓ crecimiento

• Antioxidantes• (-) Proliferación celular

Alta diversidad química de compuestos producidos por algas

• Toxinas (marea roja) Paralizante Diarreica Amnésica

2009. Ciencias Marinas 35(4): 345-358

• Antifouling

EFECTOS SINÉRGICOS

Page 14: Bioactivos Algas

Naturaleza de los compuestos producidospor algas

Liposolubles: Pigmentos, Carotenoides, Clorofila aÁcidos Grasos (PUFAs)

• Ácidos grasos insaturados: antioxidantes:Capturan radicales libres derivados de peroxidación lipídica.

• Tocoferoles (vit E): capturan radicales libres. Integridad demembranas celulares.

• Terpenoides: defensa contra depredadores, ↓producción deEROs por UV, Síntesis de vitaminas.

Radicales libres: átomos o moléculas altamente reactivas con un electróndisponible para aparearse

Page 15: Bioactivos Algas

Metabolitos secundarios de micro &macroalgas

Hidrosolubles: Polifenoles, Vit C, Polisacáridos

• Fluorotaninos (pardas), bromofenoles (rojas), ácidosfenólicos y ácidos cinámicos.

• Secuestran: O2.-, OH., H2O2 y óxido nítrico.

• Generan poder reductor, (-) peroxidación lipídica y quelaniones Fe2+.

• (-) apoptosis inducida por H2O2.

• Retardan envejecimiento celular.

Page 16: Bioactivos Algas

HidrosolublesFluorotaninos

• (+) actividad de enzimas antioxidantes SOD, CAT y GPx (Ciclo Halliwell-Asada).

• Función: antioxidantes, neuroprotectores (↓ radicales libres)

Metabolitos secundarios de micro &macroalgas

Page 17: Bioactivos Algas

PolisacáridosPolisacáridos sulfatados:

Galactanos (rojas), alginatos y fucoidanos (pardas)

• Secuestran radicales libres → → → antioxidantes

Ej. Ratas efecto hepatoprotector en tratamientos conparacetamol.

↓ peroxidación lipídica↑ actividad de enzimas antioxidantes SOD, CAT y GPx↑ niveles de glutatión (GSH)

H2O2 + 2GSH ------- GSSG + 2H2O

Glutatión reductasa

Metabolitos secundarios de micro &macroalgas

Page 18: Bioactivos Algas

Reacción de lipoperoxidación: radicales libres – SOS

Page 19: Bioactivos Algas

Casos de estudioBioactivos de algas

Page 20: Bioactivos Algas

Effects of secondary metabolitesfrom marine algae on feeding bythe sea urchin, Lytechinusvariegatus. Oliver J. McConnell, Patricia A.Hughes, Nancy M. Targett and Joyce Daley

1982. Journal of Chemical Ecology 8(12): 1437-1453.

• Metabolitos secundarios de algas afectan la herviboría por erizos de mar.• Caulerpa prolifera y Cymopolia barbata producen terpenos.• Caulerpenina: neurotoxina• Cymopol: (-) sínt de ADN, arresto ciclo celular, muerte celular (anticáncer).

• La inhibición ocurre independiente de la edad de los erizos, del período dehambruna, salinidad y temperatura.

Page 21: Bioactivos Algas

Effects of secondary metabolites from marine algae on feedingby the sea urchin, Lytechinus variegatusOliver J. McConnell, Patricia A. Hughes, Nancy M. Targett and Joyce Daley

Porcentaje de biomasa algalconsumida por L. variegatus

Caulerpa spp

• Caulerpenina (neurotoxina)• (-) Na+/K+-ATPasa• ↓ secuestro intracelular H+• ↑ pH medio circundante

Algas asesinas invasoras

1996. J Biochem Toxicol. 11(5):243-50; 2001. Neuroscience 107: 519-526

Las algas poseen mecanismo de defensa químicos para evitar la herbivoría

Page 22: Bioactivos Algas

Himanthalia elongata (macroalga parda) y Synechocystis sp. (cianobacteria) Antioxidantes y antimicrobianos: ácidos grasos Fitol, fucosterol, neofitadieno, ac. palmítico, ac. palmitoleico y ac. oleico.

Screening for bioactive compoundsfrom algae. Plaza M, Santoyo S, Jaime L, García-Blairsy ReinaG, Herrero M, Señoráns FJ, Ibáñez E.

2010. J Pharm Biomed Anal. 51(2): 450-455

Himanthalia elongata Synechocystis sp

Page 23: Bioactivos Algas

Fluorotaninos: polifenoles de plantas y algas Asociados a la pared celular o solubles Su nivel de producción varía con nutrientes, edad, herbivoría. Inhiben enzimas digestivas (α-amilasa y α-glucosidasa) Efectos anti-diabetes = disminuyen absorción de carbohidratos.

Antiinflamatorios: (-) proliferación céls cancerígenas. (-) cáncer de colon

Actividad antioxidante

Contents of soluble, cell-wall-bound and exuded phlorotannins inthe brown alga Fucus vesiculosus, with implications on theirecological functions. Riitta Koivikko, Jyrki Loponen, Tuija Honkanen, and Veijo Jormalainen

2005. Journal of Chemical Ecology 31(1): 195-212

Page 24: Bioactivos Algas

Bioactivos de Microalgas Eucariontes

PUFAs, pigmentos, toxinas Dinoflagelados, diatomeas Forman mareas rojas (red tides, HABs [harmful algal blooms],

FAN [Floraciones de algas nocivas]) Alexandrium, Dinophysis, Prorocentrum y Pseudonitzschia

Distribución mundial de A. catenella

Page 25: Bioactivos Algas

• Microalgas y Cianobacterias: ↑ diversidad de compuestos bioactivos.

• Compuestos alelopáticos: Efectos inhibitorios contra depredadores ycompetidores (~10 m alrededor en plantas).

• Alcaloides, péptidos cíclicos, terpenos, compuestos orgánicos volátiles.

• Toxinas: inhibidores enzimáticos o interfieren con receptores demembrana.

• Mecanismo de acción: diversos• (-) fotosíntesis, (+) estrés oxidativo, parálisis celular.

• Rol ecológico: efectos negativos sobre fotótrofos, invertebrados yvertebrados.

• No se conoce el rol de los alcaloides en la naturaleza: (plantas,acumuladores de N).

Algal and cyanobacterial secondary metabolites in freshwaters: acomparison of allelopathic compounds and toxins. Jesephine Leflaive,Loïcten-Hage

2007. Freshwater Biology 52(2): 199-214

Page 26: Bioactivos Algas

El cambio de color en el agua depende de:

Tipo de organismo involucrado Concentración de los organismos Profundidad en la que se distribuyen

Marea Roja: Red Tides

Page 27: Bioactivos Algas

Se conocen cerca de 27.000 especies de microalgas planctónicas ybentónicas.

Hábitat: ambientes húmedos, dulceacuícolas, estuarinos y marinos. 405 spp forman florecimientos, 131 spp son tóxicas o nocivas. NO existe un catálogo que incluya todas las especies Su descripción completa aun no está disponible

Fitoplancton

Page 28: Bioactivos Algas

Diatomeas (100.000 spp) Dinoflagelados (>100.000 spp) Silicoflagelados Coccolitofóridos (300 spp) Fitoflagelados Bacterias Cianobacterias

Grupos taxonómicos del Fitoplancton

Page 29: Bioactivos Algas

Grupostaxonómicos del

Fitoplancton

Accionespreventivas

Page 30: Bioactivos Algas

Toxinas en Microalgas Eucariontes

Diatomeas producen Acido Domoico Aminoácido que compite con glutamato en cerebro

Toxina amnésica (Amnesic Shellfish Poisoning [ASP]) Producida por Pseudonitzschia y Nitzschia navis-varingica. Se bioacumula en moluscos, crustáceos y peces. Produce degeneración neuronal por influjo excesivo de calcio y agua →

Necrosis cerebral Neurotoxina → pérdida de memoria reciente, daño cerebral y muerte. No se inactiva con calor o frío. Hitchcock: “The birds”

Page 31: Bioactivos Algas

Acido domoico

Pseudonitzchia sp

Ac domoico

Page 32: Bioactivos Algas

Toxinas en Microalgas Eucariontes

Toxinas producidas por dinoflagelados (Prorocentrum,Dinophysis)

Toxina diarreica (Diarrheal shellfish poisoning [DSP]) La intoxicación produce diarrea, vómitos y calambres Acido Okadaico → (-) desfosorilación en céls intestinales ↑ permeabilidad al agua → deshidratación

Acido Okadaico

Dinophysis

Page 33: Bioactivos Algas

Toxinas de Microalgas Eucariontes

Alta similitud genética entre cepas de A. catenella chilenas y lasprovenientes del resto del mundo

• Produce saxitoxina (neurotoxina)• Paralytic shellfish poisoning (PSP)

Alexandrium catenella

Page 34: Bioactivos Algas

Villanueva 2005. Biografía y análisis retrospectivo de Alexandrium catenella (Dinoflagelado) en la zona Austral de Chile

La temperatura es uno de los factores que ↑ la biomasa de células

Page 35: Bioactivos Algas

Bioactivos de Microalgas EucariontesAplicaciones biotecnológicas

• Producción de PUFAs: Acidos grasos poliinsaturados• Omega 3, 6 y 9: prevención de enfermedades cardiovasculares yAlzheimer, ↓ depresión, (-) cáncer.• EPA (ac. eicosapentaenoico C20:5, n3) y DHA (ac. docosahexaenoicoC22:6)

Page 36: Bioactivos Algas

Bioactivos de Microalgas Eucariontes

• Existen pocas cepas productoras de EPAy DHA en alta concentración.

• Schizochytrium (DHA), Crypthecodinium(DHA), Phaeodactylum (EPA).

• La mayoría de las investigaciones estáncentradas en la búsqueda de nuevascepas y la optimización del cultivo.

• DHA y ac γ-linoleico: uso farmacológico,cosmético, alimentario.

Page 37: Bioactivos Algas

Bioactivos de Microalgas Eucariontes

• Carotenoides• Astaxantinas y cantaxantinas

• Dunaliella: proteínas (60%), lípidos(β-caroteno, 6-18%), glicerol(10%), vitaminas.• Precursor de Vit A

• Haematococcus pluvialis:astaxantina (antioxidante)• Es el mas poderoso de losantioxidantes

Dunaliella Haematococcus

Page 38: Bioactivos Algas

Bioactivos de Microalgas: Carotenoides

• Carotenoides

Haematococcus pluvialis

Cultivo H. pluvialis

Cultivo raceways

Page 39: Bioactivos Algas

Bioactivos de Microalgas: Carotenoides

Astaxantina (terpeno) Antioxidante

Page 40: Bioactivos Algas

Bioactivos de Microalgas Eucariontes

• Secuestro de CO2• Reducción de gas invernadero• Obtención de biomasa:

• Proteínas• Lípidos• Carbohidratos

• Biocombustibles:• bioetanol: azúcares• biopetróleo: ácidos grasos

Page 41: Bioactivos Algas

Cyanobacteria secondary metabolites:the cyanotoxins (Procariotas)W.W. Carmichael

• Cianobacterias son algas verde-azules (No algas verdaderas).

• Fuente de vitaminas y proteínas.

• Fuente de químicos, biocombustibles y bioactivos.

• Antitumorales, anticáncer, antibióticos, antimicóticos, antivirales,antioxidantes.

• Producción de toxinas: citotoxinas, neurotoxinas, hepatotoxinas

Page 42: Bioactivos Algas

• Primer reporte de toxinas desde cianobacterias

• "a thick scum like green oil paint, some two to sixinches thick. Wildlife which drank the water died rapidlyand terribly”.

• Principalmente en agua dulce

Page 43: Bioactivos Algas

Toxinas en cianobacterias

Microcistina

1992. Journal of Applied Bacteriology 72: 445-459

Nodularina

Page 44: Bioactivos Algas

Toxinas en cianobacterias

J. Sep. Sci. 2006, 29: 399 – 404

Electropherograms of seven PSTs obtained from CITP/CZE analysis. The standard solution used in theexperiments contained 9.3 lM dcSTX, 12.0 lM STX, 9.2 lM NEO, 7.4 lM GTX-2, 8.9 lM GTX-3, 13.2 lM GTX-1, and4.4 lM GTX-4. The experimental conditions were 30 mM morpholine buffer (pH 5.3), 14 kV separation voltage,1.2 min duration time in the CITP process and 10 mM formic acid (pH 2.7) as the terminating electrolyte.

PSTParalytic Shellfish Toxins

1 especie = muchas toxinas

Page 45: Bioactivos Algas

Moléculas formadas por 53 péptidos cíclicos o anularesemparentados entre sí.

Intoxicación:Los péptidos activan retracción de células hepáticas →separación de células vecinas → las células que formancapilares sinusoides se separan → La sangre inunda lostejidos → Shock

Hepatotoxinas

Page 46: Bioactivos Algas

Actúan sobre el citoesqueleto celularAfectan principalmente a filamentos intermedios y

microfilamentos.

Intoxicación: Inducen contracción del citoesqueleto → Pérdida de

interdigitaciones → Separación de células → Necrosishepática.

Mecanismo acción Hepatotoxinas

Page 47: Bioactivos Algas

Proteínas inhibitorias de fosfatasasFosfatasas y Quinasas: regulan estado de

fosforilación de proteínas

Intoxicación:Descontrol de las quinasas → Fosforilaciónexcesiva de microfilamentos y filamentosintermedios → aumenta la velocidad de disociacióny pérdida de subunidades.

Mecanismo acción Hepatotoxinas

Page 48: Bioactivos Algas

Quinasas y fosfatasas: Regulación de la divisióncelular → Activación de Factores de transcripción →(+) velocidad de formación de tumores

¿Por qué las toxinas actúan preferentemente a nivel delhígado?

Los hepatocitos poseen transportadores específicos quefacilitan el movimiento de las toxinas.

Mecanismo acción Hepatotoxinas

Page 49: Bioactivos Algas

Sustancias capaces de dañar células, pero no llegan amatar a organismos pluricelulares.

Se cree que estas toxinas en el pasado podrían habertenido alguna función más crítica, además de actuarsólo como medio de defensa.

Ej. En la división celular de Cianobacterias

Citotoxinas

Page 50: Bioactivos Algas

Síntomas de intoxicación por cianotoxinas :

Parálisis Pérdida del conocimiento Pérdida del equilibrio y movilidad Convulsiones Espasmos

Page 51: Bioactivos Algas

Enriquecimiento de ambientes acuáticos con N y P (detergentes yfertilizantes).

Cianobacterias: fijan N Aumento de la biomasa de cianobacterias Aumento de la concentración de toxinas por unidad de volumen Dosis crecientes de toxinas contribuyen a la formación de tumores

Causas que favorecen el crecimiento de blooms(HAMBs: harmful microalgal blooms)

Anabaena

Page 52: Bioactivos Algas

Cianotoxinas

Cilindrospermopsis raciborskii

STX, GTX2, GTX3, dcSTX, dcGTX2, dcGTX3

Cilindrospermopsina

• La toxina es un alcaloide: derivado de aminoácidos• Resistente a T⁰ y pH• Rápida degradación con luz solar• Inhibe síntesis de glutatión y proteínas• Induce necrosis de hepatocitos y acumulación de lípidos en hígado y riñones.

Stx: saxitoxinas; GTX, goniautoxinas, dcGTX: decarbamoigoniautoxinas

Page 53: Bioactivos Algas

Cianotoxinas

Anabaena circinalis

STX, GTX2, GTX3, dcSTX, dcGTX2, dcGTX3

Anatoxina a-S-

• La toxina es un alcaloide producido por 4 géneros distintos• Neurotoxina: parálisis respiratoria (Paralytic Shellfish Poisoning)• Bloquea receptores de acetilcolina → (-) contracción muscular: calambres yparálisis• Conocida como "Very Fast Death Factor“ (bovinos).

Page 54: Bioactivos Algas

Mecanismo acción Anatoxina

Imita a la acetilcolina

Condición normal:Neuronas liberan acetilcolina → se une a receptor → se abre canaliónico → (+) contracción muscular → cierre del canal → Receptoreslibres para nuevas moléculas de acetilcolina → Acetilcolinesterasadegrada acetilcolina → evita la hiperestimulación muscular.

Intoxicación:Anatoxina-a no es degradada por la acetilcolinesterasa ni otra enzimaeucariótica → estimulación permanente de contracción muscular →Calambres y parálisis.

No hay cura

Page 55: Bioactivos Algas

Cianotoxinas

Saxitoxinas

• Neurotoxina producida por cianobacterias y dinoflagelados (eucariotas).• Se bioacumula en moluscos.• Termoestable• Soluble en agua• Produce parálisis por envenenamiento por consumo de moluscos• Bloquea los canales de sodio dependientes de voltaje.• Parálisis respiratoria (Paralytic shellfish poisoning)• No existe antídoto

Page 56: Bioactivos Algas

Impiden liberación de acetilcolina.Condición normal:Impulso viaja por axón según flujo iones Na+ y K+ →→ axón terminallibera Neurotrasmisores (Ac).

Intoxicación:Bloquean flujo de iones →→ (-) secreción acetilcolina.

Principalmente producidas por dinoflagelados, menos conocidas lasproducidas por Anabaena.

Mecanismo acción Saxitoxina yNeosaxitoxina

Cuadro clínico:Muy variable en intensidad y duración (hasta 72 horas desde la ingesta delmarisco contaminado)

Page 57: Bioactivos Algas

Hormigueo (parestesia) y adormecimiento de la zona perioral yde extremidades.

Debilidad muscular cervical (incapacidad para mantener lacabeza erguida)

Disfagia, disartria, disfonía y dificultad para deglutir. Dificultad para caminar: Síndrome vertiginoso. Náuseas, vómitos, cefalea. Puede causar muerte por parálisis respiratoria. La mortalidad está en relación directa con la cantidad de toxina

ingerida.

Síntomas mas frecuentes

Page 58: Bioactivos Algas

Intoxicación mínima: Hormigueo en labios, lengua, cuello y extremidades Náuseas, mareo y cefaleaModerada: Dificultad para hablar Debilidad de piernas y brazos Hormigueo, sensación de cuerpo extraño, sensación de

ceguera y disnea (falta de aire).Severa: parálisis muscular severa.

Síntomas de intoxicación

Page 59: Bioactivos Algas

• Sonda nasogástrica• Inducción del vómito• Lavado gástrico• Hidratación parenteral (suero)• Apoyo ventilatorio• Aumento de la volemia• Inducción de la diuresis• Drogas vasoactivas

Tratamiento