Biofábricas de pigmentos sustanciales: melaninas, del amarillo al negro
- Biontes
- 21 abr
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Guillermo Gosset Lagarda
Luz María Martínez Mejía
Resumen
Las melaninas son un tipo de pigmento con funciones biológicas importantes y aplicaciones biotecnológicas específicas. Su formación a partir de diferentes sustratos genera tonalidades desde el amarillo hasta el negro. Una manera de producir melanina en grandes cantidades se logra a través de incorporar el gen melA de la bacteria del suelo Rhizobium etli en una bacteria de fácil cultivo como Escherichia coli, que naturalmente no la produce. El cultivo de esta bacteria con diferentes sustratos y fuentes de carbono posibilita la obtención sustentable de varios tipos de melanina útiles en industrias de la salud, cosmética, semiconductores, etc.
Palabras clave:
Bioproducción, fotoprotección, melaninas.
Melaninas en la naturaleza
La percepción de colores en la naturaleza desafía nuestra atención a través de la mirada y gracias a eso ¡Un derroche de colores y tonos nos sorprenden a diario!. De la inmensa gama de pigmentos y sustancias existentes responsables del color, nos ocuparemos de las melaninas, pigmentos generalmente oscuros que aportan no solo color a la naturaleza, sino también otras funciones de protección. Las melaninas son un tipo de pigmento omnipresente en la gran mayoría de los seres vivos. A través del estudio de este pigmento en diversos organismos, el ingenio humano descubrió las funciones y aplicaciones de un producto natural capaz de ser producido por cultivo microbiano o fermentación que es de gran utilidad para la humanidad.
Funciones biológicas de las melaninas
La presencia de melanina en los seres vivos tiene diversas funciones. En los humanos pigmenta la piel, el iris y el pelo para protegerlo contra la radiación excesiva del sol y promueve el atractivo personal. El color oscuro en los reptiles favorece la termorregulación y el mimetismo. El pigmento en las plumas de las aves vale tanto en señalización del territorio, como en el cortejo y camuflaje. En los pulpos y calamares, la secreción de tinta es un mecanismo de defensa. Por su parte, en los insectos, la formación de melanina se relaciona con el desarrollo y endurecimiento de la cutícula: la capa más externa que reviste y protege el cuerpo de estos organismos.
También se ha observado que el proceso de melanización funciona como defensa contra patógenos al impedir su proliferación debido a que, desde el inicio de una infección se forma una capa de melanina alrededor del mismo.
La capacidad de formar melaninas es común en varias especies de hongos, ya que los protege contra la radiación, luz UV y evitan el daño oxidativo por radicales libres. La melanina también provee resistencia a las setas comestibles, principalmente contra el estrés de tipo químico o mecánico, de allí el oscurecimiento al cortarlas. Finalmente, en bacterias, las investigaciones reportan presencia de melanina en grupos taxonómicos como Rhizobium, Streptomyces, Serratia, Pseudomonas, Marinomonas y Bacillus, donde también sirve para auxilio en procesos de virulencia, así como para la protección contra radiación y agentes oxidantes (Fig. 1).
Biosíntesis de melanina
La melanina se forma principalmente por acción de una proteína llamada tirosinasa. La tirosinasa es una enzima, una proteína con capacidad de acelerar la conversión de una sustancia o sustrato en otro producto. El sustrato frecuentemente utilizado por la tirosinasa es el aminoácido tirosina. En este caso, la melanina producida se denomina eumelanina (Fig. 2). Sin embargo, en las reacciones de melanización, la tirosinasa puede emplear diferentes sustratos de uno o dos anillos fenólicos y de esta forma se generan diversos tipos de melaninas. Los principales tipos son la eumelanina que posee un color café oscuro o negro, la feomelanina es un polímero color amarillo-rojizo, las alomelaninas tienen un color naranja o café, la piomelanina presenta un color marrón negruzco. En su centro catalítico (sitio donde se lleva a cabo la reacción química de mono-oxigenación), las tirosinasas poseen uno o dos átomos de cobre (Cu); posteriormente ocurren pasos de polimerización con la formación de cadenas de monómeros hasta la conformación de productos poliméricos complejos, llamados melaninas.
Aplicaciones de las melaninas
Las melaninas bloquean la luz UV, absorben rayos X y gamma, neutralizan radicales libres al participar en reacciones químicas de óxido-reducción (redox). Las reacciones redox son aquellas en donde se transfieren electrones entre dos especies, como sucede en la cadena de reacciones en nuestro cuerpo que llevan a la conversión de alimento en energía. Un ejemplo de la importancia del comportamiento redox de la melanina en la salud se ha estudiado en la neuromelanogénesis en pacientes con Parkinson. La neuromelanina de las neuronas del cerebro origina el nombre de sustancia negra en el mesencéfalo humano, es tan abundante que la estructura se observa a simple vista y la pérdida de neuronas pigmentadas nigrales en pacientes con enfermedad de Parkinson se utiliza como criterio de diagnóstico de la enfermedad. La neuromelania previene el daño oxidativo, sin embargo, en el envejecimiento, debido a que las células pueden llegar incapaces de equilibrar la producción de neuromelanina ante el aumento de la concentración de metales activos y otros productos tóxicos, la neuromelanina adquiere un papel prooxidante, una paradoja en la función de la neuromelanina, que desempeña tanto un papel citoprotector como neurotóxico dependiendo del contexto celular.
Por otro lado, las melaninas pueden comportarse como un semiconductor amorfo y son evaluadas como componentes de circuitos electrónicos, baterías y celdas solares para sustituir materiales inorgánicos, costosos y contaminantes. Además, al ser biocompatibles, las melaninas pueden colocarse el cuerpo sin generar efectos adversos. Otras aplicaciones incluyen su empleo en moldes para sintetizar nanoestructuras y nanopartículas de plata y oro, aplicables en las industrias de salud y alimentaria. Además, hay melaninas utilizadas como aditivo de polímeros; por ejemplo, al añadirlas al poli-metil-metacrilato (un material plástico altamente transparente y resistente, utilizado en la industria de la construcción y automotriz) provocan un aumento significativo en su estabilidad térmica y en campos relacionados con la protección UV. Mientras que la alomelanina, que se deriva del dihidroxinaftaleno, puede ser incorporada a lentes de contacto suaves; que en contraste con pigmentos sintéticos, ofrece propiedades antibacteriales y antioxidantes. En el área biomédica, la melanina ha sido útil para estudiar la evolución de enfermedades bacterianas, utilizando algunos genes recombinantes (genes nativos de otros organismos) y en sus vías de síntesis.
Las aplicaciones cosméticas de las melaninas incluyen la tinción del cabello. En este caso, se aprovechan precursores de melanina que se unen favorablemente a la corteza del cabello y son inocuos.
Finalmente, debido a sus características químicas, las melaninas pueden ‘capturar’ varios tipos de átomos metálicos; esta capacidad ha sido propuesta como solución a problemas ambientales por biorremediación. Sus moléculas contienen grupos químicos hidroxilo (-OH), amino (-NH2) y carboxilo (-COOH), los cuales se pueden unir de forma eficiente a metales pesados como zinc y plomo, e incluso se ha determinado que puede remover eficientemente uranio de una solución acuosa.
Producción biotecnológica de melaninas
La obtención de melaninas en cultivo de microorganismos melanogénicos, presenta las ventajas de ser escalable y conseguir melaninas de composición relativamente constante. Algunas especies de microorganismos con capacidades naturales para sintetizar melaninas son Pseudomonas stutzeri, Gliocephalotrichum simplex, Rhizobium sp., Brevundimonas sp., Aspergillus fumigatus, Bacillus safensis, Streptomyces lusitanus y Streptomyces kathirae. El microorganismo se cultiva en medios líquidos en biorreactores con control de temperatura, pH y nivel de oxígeno. Para cada especie microbiana, el proceso es optimizado y escalable, en condiciones controladas se han alcanzado concentraciones finales de hasta 13.7 g/L, además de una relación proporcional entre la producción del pigmento y la cantidad de tirosina añadida al medio de cultivo (Fig. 3).
Por biología sintética, en nuestro laboratorio se ha introducido el gene melA que codifica para una enzima tirosinasa de la bacteria Rhizobium etli en Escherichia coli, una bacteria que naturalmente no produce melanina y se ha convertido en una productora de melanina de alto rendimiento, que como otros microorganismos es una biofábrica de pigmentos sustanciales benéficos en el desarrollo de la humanidad. En el laboratorio se diseñaron medios de cultivo y parámetros de control del proceso para esta cepa de Escherichia coli recombinante y se logró una producción de 6 g/L de eumelanina. Así mismo, hemos logrado desarrollar una Escherichia coli que produce eumelanina (3.2 g/L) y melanina de catecol (1.21 g/L), a partir de glucosa o glicerol como únicas fuentes de carbono. Estos desarrollos forman la base para generar procesos sustentables y de bajo costo para la obtención de varios tipos de melanina.
Conclusión
Retos tecnológicos en la cadena productiva
Considerando los avances en las técnicas de ingeniería genética y de bioprocesos, es posible seguir mejorando y ampliando la gama de melaninas que se lograrán producir industrialmente. Ahora bien, para ser usadas como un producto biotecnológico, las melaninas deben ser separadas de las células, purificarse, realizar un ajuste de tamaño de partícula y dosificación para cada aplicación específica.
Otro enfoque de estudio que consideramos es la dinámica de la polimerización de la melanina. En el se postula que precursores de la melanina se sintetizan al interior de las células y luego estas moléculas son secretadas para polimerizarse en el exterior, es decir, que las moléculas estructurales de la melanina se combinan para formar otros complejos de melanina fuera de las células. Conforme aumentan los polímeros, se genera una diversidad de moléculas de melanina que, observadas a diferentes tiempos del cultivo, muestran diferentes colores que van del amarillo al negro. Sin embargo, aún se requiere avanzar en conocer la dinámica del proceso de polimerización de las melaninas y obtener información útil que permitirá la biosíntesis de melaninas de diferentes colores con características definidas. Así mismo, es importante resaltar la posibilidad de generar nuevas melaninas empleando como precursores a moléculas obtenidas mediante síntesis química que puedan ser substratos de las tirosinasas. Con esta diversidad de nuevos tipos de melaninas podría aumentar de forma significativa el número de aplicaciones sustentables para esta familia de polímeros naturales.
Literatura relacionada
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Semblanzas
Dr. Guillermo Gosset Lagarda. Biólogo de formación, el Dr. Gosset cuenta con tres décadas de experiencia en el IBt, UNAM. En el área de ciencias de la vida desarrolla investigaciones con diversos modelos de microorganismos. Tutor de profesionales en licenciaturas y posgrados con especialidad en ingeniería metabólica. Sus múltiples productos de investigación pueden ser consultados en la literatura científica perteneciente a su área.
Luz María es Técnico Académico en el grupo del Dr. Gosset, ambos pertenecen al Consorcio Ingeniería Metabólica y Biología Sintética de Microorganismos.
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