Produccin de carotenoides a partir de las microalgas

Dra. Rosa Olivia Caizares-Villanueva, rcanizar@cinvestav.mx

Dr. Hugo Virgilio Perales Vela, hugo.perales@gmail.com

I. Introduccin

Las algas han sido utilizadas por la humanidad desde antes de Cristo, sin embargo, es en los

ltimos 50 aos que se ha desarrollado la biotecnologa aplicada a las microalgas. A grandes

rasgos, la biotecnologa de las microalgas consta de dos fases: produccin controlada de la

biomasa algal y aprovechamiento de sta1.

Los comienzos de la Biotecnologa de las Algas se remontan a la II Guerra Mundial, cuando

cientficos alemanes empezaron a cultivar masivamente microalgas para obtener lpidos y

protenas para la alimentacin humana1. Las investigaciones sobre produccin de microalgas

se iniciaron despus de terminada la guerra, con proyectos en Estados Unidos, Japn y

Alemania. Se pens que las microalgas eran mucho ms productivas que las plantas superiores

y se esperaba que su cultivo pudiera proveer de alimentos alternativos de bajo costo,

necesarios para la poblacin mundial que aumentaba con rapidez2.

II. Principales bioproductos de origen algal

Las microalgas y las cianobacterias, han sido catalogadas como un prometedor grupo de

organismos de los cuales se pueden aislar compuestos naturales secundarios de utilidad

alimenticia y mdica. En el aspecto mdico, las algas se pueden comparar con el grupo de los

actinomicetos, de los cuales en el pasado se aislaron una inmensidad de compuestos

bioactivos de importancia mdica. Los principales bioproductos de las microalgas y

cianobacterias obtenidos hasta el momento, son: 1-7

Protenas: La obtencin de protena unicelular a partir de microalgas para alimentacin

humana, fue uno de los primeros motivos por los cuales se inici la investigacin

biotecnolgica en microalgas. Actualmente, los productos microalgales ms vendidos con valor

alimenticio en protenas, son los derivados de la cianobacteria Spirulina sp. El contenido de

protenas de Arthrospira en base seca, es de 65%. En el ao 2000, la produccin de Spirulina

sp. fue de 2000 toneladas.

Toxinas: Ciertas cianobacterias y microalgas causan dermatitis en el hombre y animales;

sustancias como dibromoaplisiatoxina y su anlogo bromoaplisiatoxina y lyngbyatoxina A, han

sido reportadas como promotoras de tumores. Tubercidina es una toxina de cianobacterias

que tiene una actividad significativa en contra de tumores.

Lpidos y cidos grasos: El cido eicosapentaenoico (EPA) es un cido graso insaturado,

importante como precursor en la biosntesis de prostaglandina en mamferos. El EPA es capaz

de disminuir el colesterol en la sangre y es posible obtenerlo de especies de microalgas

marinas como Chlorella sp. La demanda anual mundial de EPA es de 300 toneladas. Este

producto puede tambin extraerse del aceite de pescado, sin embargo, el producto de las

algas es superior en pureza, concentracin de colesterol, olor y su costo de produccin es bajo.

En las microalgas se ha encontrado en el grupo de las Bacillariophyceae, Cholorophyceae,

Chrysophyceae, Eustigmatophyceae y Prasinophyceae. Su concentracin de lpidos es elevada,

llegando a ser hasta del 11% en el caso de algunas cianobacterias como la Spirulina. Otros

ejemplos de cidos grasos importantes son: el cido gama linoleico, que es tambin precursor

de prostaglandinas y es el principal componente de cidos grasos en algunas microalgas; el

cido arquidnico, otro cido graso esencial producido en cantidades significativas por

microalgas, entre ellas Porphyridium cruentum 22.

Antibiticos: Se han extrado numerosos compuestos de microalgas que sirven como

antibiticos para otras algas, bacterias y hongos. Un ejemplo es la Cianobacterina, alguicida

producido por la cianobacteria Scytonema hofmanii.

Polisacridos: Las cianobacterias producen exopolisacridos de hasta 10 monosacridos

diferentes, entre ellos pentosas que estn ausentes en los polisacridos de origen bacteriano.

Por otro lado, Chlorella produce un polisacrido muy importante para la salud humana, el -

1,3-glucano, el cual tiene activa la respuesta inmunolgica, adems de reducir la concentracin

de lpidos en sangre. La microalga Porphyridium sp. se cultiva comercialmente por su

capacidad de sintetizar polisacridos de inters comercial.

Carotenoides: Los carotenoides obtenidos a partir de cultivos de microalgas son tiles para la

industria cosmtica, alimentaria, farmacutica y acucola, adems de la mdica por tener

actividad biolgica. Se trata de Ficobilinas (ficoeritrina y ficocianina), Beta Carotenos,

Astaxantina y Zeaxantina.

III. Importancia de los carotenoides en la industria y la salud humana

Los carotenoides son usados como colorantes de alimentos para consumo humano, para

consumo de aves, peces y crustceos; en productos farmacuticos, cosmticos y como

suplementos nutricionales. En el ao de 2005 se tuvo un mercado estimado de 935 millones de

dlares 8.

Puesto que los animales no pueden sintetizar carotenoides de novo, necesitan una fuente de

estos compuestos en su dieta, ya que son de considerable inters debido a las propiedades

antioxidantes y la capacidad de aliviar enfermedades crnicas 8,9.

Los carotenoides son los pigmentos de tipo terpenoide con mayor distribucin en la

naturaleza. En la ltima dcada, se ha incrementado el estudio de estos pigmentos por su

diversidad de funciones en los animales, plantas y, sobre todo, en la salud humana.

Estudios epidemiolgicos han demostrado que una dieta rica en carotenoides puede disminuir

el inicio de muchas enfermedades causadas por la acumulacin de radicales libres. Ejemplos

de estas enfermedades son: arteriosclerosis, cataratas, degeneracin de la mcula, esclerosis

mltiple y, quizs la ms importante, el cncer 6,7,8.

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La fuente de muchos de estos pigmentos -principalmente carotenoides- se encuentra en la

dieta humana a travs del consumo de productos vegetales como races, hojas, tallos, flores y

frutos. Alrededor del 60% de ellos se han identificado en las frutas y vegetales consumidos por

humanos, y en menor cantidad pueden ser ingeridos en huevo, carne de ave y de pescado,

donde comnmente se han incluido productos de plantas y algas en su alimentacin 9.

Actualmente, las microalgas (cianobacterias y algas verdes) son una fuente alternativa para la

produccin de carotenoides para la industria alimentaria, farmacutica, acucola, cosmtica e,

indiscutiblemente, para aplicaciones en medicina.

IV. Biotecnologa de carotenoides de origen algal

1. -Caroteno 10,11,12,18,20,22

La produccin de beta carotenos (figura 1) era de manera sinttica hasta 1980. Durante los

aos 70, los investigadores encontraron que en condiciones de estrs nutricional y alta

salinidad, la microalga Dunaliella salina acumulaba -carotenos hasta en un 12% en biomasa

seca.

Los -carotenos (-carotenos, -carotenos -criptoxantina) son considerados esenciales en la

nutricin cuando se tiene un bajo consumo de retinol (Vitamina A). En conjunto, estos

carotenos son conocidos como provitamina A carotenos. No est completamente claro el

beneficio de los -carotenos en la salud humana, a excepcin de ser precursores de la vitamina

A y de la salud ocular. Sin embargo, estudios epidemiolgicos han encontrado una correlacin

entre una dieta rica en -carotenos y una disminucin en padecimientos relacionados con

estrs oxidativo, cncer y artritis, entre otras.

Biotecnolgicamente hablando, el cultivo de Dunaliella salina ofrece muchas ventajas. Su gran

capacidad de crecimiento en altas concentraciones de sal (0.5-1 M NaCl) y altas temperaturas

(hasta 40oC), permiten su cultivo en zonas costeras donde se utiliza agua de mar o en zonas de

extraccin de sal, donde se construyen lagunas poco profundas (30 a 60 cm) para cultivarlas

con agua salobre. Estas condiciones extremas impiden que otros organismos contaminen el

cultivo, de manera que se mantiene prcticamente axnico. En Australia se construyeron dos

plantas de produccin de beta carotenos en el Lago Hutt y Whyalla, al oeste y sur del pas.

Otros pases que han desarrollado plantas de produccin de beta carotenos son Israel y

Estados Unidos. En el ao 2004, los precios del beta caroteno fluctuaron de 300 a 3,000

dlares el kg.

Figura 1. Estructura del Caroteno.

Los beta carotenos estn teniendo una gran aceptacin en la industria de productos

farmacuticos como antioxidantes; en la industria alimentaria como colorante natural no

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txico; en las granjas acucolas para la pigmentacin de crustceos y peces; en las granjas

avcolas para la pigmentacin de la carne de las aves y el huevo; y en la industria cosmtica,

como colorante natural dermatolgicamente no txico.

Por otro lado, actualmente las investigaciones biotecnolgicas para la produccin de los -

carotenos estn siendo enfocadas en el uso de cianobacterias filamentosas, fijadoras de

nitrgeno con alta acumulacin de -carotenos. Las ventajas que ofrece este tipo de cultivo

son varias: 1) Reduccin en los costos de cultivo, ya que se eliminara la necesidad de una

fuente nitrogenada para el cultivo de las algas. 2) Baja contaminacin por otras algas y

bacterias al usar un medio de cultivo sin nitrgeno. 3) Facilidad de cosecha de la biomasa al ser

filamentosas.

2. Astaxantina 12,13,14,19

La astaxantina (figura 2) es un carotenoide de elevado valor nutracutico, cosmtico,

alimenticio y mdico. El mercado ms importante para la astaxantina es para la pigmentacin

de organismos en la acuacultura (camarones, salmones, truchas). El valor de astaxantina en el

2005 fue de 2,500 dlares por kilogramo, teniendo en este mismo ao ventas por 200 millones

de dlares. El mercado actual est dominado por la astaxantina sinttica, sin embargo, debido

a las legislaciones actuales en materia de alimentos, medicina y cosmticos, la astaxantina de

origen natural es la opcin para la industria.

En la actualidad, se han incrementado los reportes que mencionan que la astaxantina supera el

valor antioxidante (diez veces ms) de compuestos como los -carotenos, zeaxantina,

cantaxantina, vitamina C y vitamina E. Estudios con animales han probado que la astaxantina

protege contra la radiacin ultravioleta, disminuye la degeneracin ocular de la mcula,

protege contra el cncer inducido por compuestos qumicos, incrementa los niveles de las

lipoprotenas de alta densidad y fortalece el sistema inmunolgico. Por otro lado, estudios

epidemiolgicos han demostrado una correlacin entre una dieta rica en astaxantina y la

reduccin de infartos cardiacos, ciertos tipos de cncer, degeneracin ocular de la mcula y un

incremento de la resistencia a infecciones de origen viral, bacteriano, fngico y por parsitos.

Las fuentes naturales ms prometedoras para su explotacin comercial son la levadura Phaffia

rhodozyma y el alga Haematoccocus pluvialis.

Figura 2. Estructura de la astaxantina (3,3-dihidroxy-4,4-diceto--caroteno).

El cultivo comercial de Haematoccocus pluvialis se realiza en dos etapas: 1) La primera es la

produccin de biomasa a travs de un cuidadoso control de la temperatura, pH, luz y niveles

de nutrientes (fsforo y nitrgeno). 2) La segunda etapa se conoce como induccin, la cual

puede establecerse incrementando la luz, temperatura o limitando el cultivo en su fuente de

nitrgeno y fsforo. En un perodo de 2 a 3 das, los organismos forman una estructura de

resistencia llamada aplanospora, la cual acumula astaxantina hasta en un 3% en biomasa seca 16,17,21.

En experiencias en nuestro laboratorio (Caizares, datos no publicados) sobre la produccin de

astaxantina, Contreras (2004) 23 estudi los cambios en el ciclo de vida de Haematococcus

pluvialis causados por cambios nutricionales y ambientales, al variar la concentracin de N, P y

C inorgnico, estrs salino, intensidad luminosa y condiciones de mixotrofa en el cultivo. Los

resultados de este trabajo demostraron que la deficiencia de N y P, el incremento de C

inorgnico y la adicin de NaCl de manera independiente, inhibieron el crecimiento de las

clulas vegetativas, la sntesis de protena y clorofila a, pero al mismo tiempo estimularon la

sntesis y acumulacin de astaxanthina. Cualquiera de estas condiciones favoreci la aparicin

de clulas palmela en los casos menos severos, hasta el extremo de la formacin de quistes y

lisis celular. El cultivo mixotrfico caus el crecimiento de clulas microzoides, las cuales

tuvieron menor cantidad de astaxantina que las clulas palmela y quistes. Se confirm que la

produccin de astaxantina puede ocurrir independientemente de la interrupcin de la divisin

celular y del enquistamiento.

Lpez (2009) 24 estudi las condiciones de crecimiento y de produccin de astaxanthina en

condiciones de autotrofa con la microalga de agua dulce Haematococcus pluvialis en cultivo

por lote alimentado, y logr prolongar la fase de crecimiento celular vegetativo; con esto se

obtuvo mayor concentracin de biomasa (2.71gL-1, 2.17106 cl mL-1) que en cultivo por lote

(2.18 gL-1, 7.8105 cl mL-1). Por ello, el contenido especfico de astaxantina fue similar en

ambos sistemas de cultivo e igual a 7.97 y 7.38 mg g-1 de biomasa respectivamente; sin

embargo, la productividad del pigmento fue menor en cultivo por lote alimentado que por

lote, a pesar de haber requerido un tiempo mayor para alcanzar dicho contenido.

3. Ficobilinas (Ficoeritrina y Ficocianina) 3,4

Las microalgas rojas se caracterizan por contener clorofila, carotenoides y ficocianinas, y

ficoreritrinas (pigmentos fotosintticos accesorios, llamados ficobiliprotenas -son rojos y

azules-). Estos pigmentos tienen el potencial para ser usados como colorantes en la industria

alimenticia, cosmtica y farmacutica como substitutos de los compuestos sintticos. Se han

hecho muchas investigaciones sobre la produccin y aislamiento de ficocianinas utilizando

cianobacterias. Comercialmente, la cianobacteria ms utilizada para la obtencin de

ficocianina (figura 3) es la Arthrospira (Spirulina) sp., cuyo contenido de ficobiliprotenas es de

17% en base seca.

Figura 3. Estructura del complejo ficocianina-protena.

4. Otros carotenoides: Lutena y Zeaxantina

La importancia de otros carotenoides en la salud humana est siendo materia de estudio. Por

ejemplo, las xantofilas lutena y zeaxantina (figurA 4 y 5) estn localizadas en lo que se conoce

como mancha amarilla de la retina. Estos pigmentos disminuyen con la edad del individuo,

dando como resultado la degeneracin de la mcula, siendo sta la mayor causa de ceguera en

los ancianos. Hay evidencias mdicas de que una dieta rica en xantofilas puede aminorar o

prevenir esta degeneracin ocular 15.

La investigacin biotecnolgica en microalgas para la produccin de otros carotenoides como

la lutena y la zeaxantina por medio de otras algas como Chlorella sp. y Chlamydomonas sp., se

encuentra en proceso.

Figura 4. Estructura de la lutena.

Figura 5. Estructura de la zeaxantina.

V. Investigaciones en el Laboratorio de Biotecnologa de Microalgas, Departamento de

Biotecnologa y Bioingenera del CINVESTAV-IPN, Zacatenco

En experiencias de nuestro laboratorio (Caizares, datos no publicados), hemos encontrado

que bajo condiciones especficas de crecimiento, la microalga clorofcea de agua dulce

Scenedesmus incrassatulus produce grandes cantidades de lutena, astaxantina y zeaxantina.

Algunos de estos resultados se resumen a continuacin:

Garca (2009) 25 encontr que en condiciones autotrficas Scenedesmus incrassatulus puede

producir carotenoides totales hasta una concentracin de 1.38% en peso en cultivo por lote, lo

que significa un contenido especfico de 13.8 mgg-1 de biomasa seca, mientras que en lote

alimentado la cantidad fue dos veces superior a otras cepas del gnero Scenedesmus

reportadas como altas productoras de carotenoides totales. En el mismo estudio se determin

que el carotenoide que se present en mayor cantidad fue la lutena, y represent alrededor

del 42% de las xantofilas totales. El contenido mximo de lutena en Scenedesmus

incrassatulus en cultivo por lote alimentado fue 5.9 veces superior a otras cepas del gnero

Scenedesmus; 5.5 veces a la microalga Muriellopsis sp. y 100 veces al contenido de la flor de

Cempaschitl (Tagetes erecta).

Urbina (2010) 26 analiz la produccin de carotenoides de Scenedesmus incrassatulus en

autotrofa, heterotrofa y mixotrofa, y encontr que el mayor contenido especfico de

carotenoides se obtuvo en el cultivo mixotrfico con nitrato de sodio como fuente de carbono,

mismo que fue igual a 16.53 mg g-1 de biomasa; adems, que la lutena fue el pigmento

predominante en cada condicin de cultivo estudiada. Relacionando el contenido de lutena

con el de xantofilas totales, dicho pigmento represent el 28% de ellas obtenidas en

heterotrofa, 46% en autotrofa y 51% en mixotrofa.

VI. Comentario final

Debido a que las microalgas pueden cultivarse en espacios ms pequeos que los utilizados

para crecer plantas y a que su tiempo de desarrollo es menor, su potencial es tan grande o ms

que el de la agricultura de plantas superiores. Dada su composicin qumica, las microalgas se

han utilizado en la nutricin humana y animal, y una de las ventajas de su cultivo como fuente

de biomasa proteica es que muchas especies pueden ser inducidas para producir compuestos

particulares de alto valor comercial en concentraciones elevadas, como por ejemplo protenas,

carbohidratos, lpidos y pigmentos; sin embargo, su aplicacin comercial es todava limitada.

*Dra. Rosa Olivia Caizares-Villanueva, investigadora titular del Departamento de

Biotecnologa y Bioingeniera del Cinvestav y Jefa del departamento. / Dr. Hugo Virgilio Perales

Vela, profesor asociado de la Universidad Autnoma de Mxico. Facultad de Estudios

Superiores Iztacala. Unidad de Morfologa y Funcin, Laboratorio de Bioqumica.

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