Bacterias antárticas como fuente de pigmentos naturales

Abstract

En la actualidad existe una creciente preferencia de los consumidores por artículos más seguros y ambientalmente amigables. Dado que los pigmentos cumplen un rol preponderante en una amplia variedad de productos, se han buscado fuentes alternativas que cumplan con las exigencias de los consumidores. Las bacterias tienen un gran potencial como fuente de pigmentos, siendo en los últimos años un campo emergente de investigación. Sin embrago, la mayoría de los procesos de producción con pigmentos bacterianos está todavía en fase de investigación y desarrollo, lo que supone una interesante oportunidad de profundización. El objetivo de este trabajo fue estudiar el potencial de bacterias antárticas heterótrofas como fuente de pigmentos, a través de un proceso biotecnológico. Los pigmentos cumplen funciones adaptativas en las bacterias, protegiéndolas de condiciones ambientales extremas como bajas temperaturas, ciclos de luz-oscuridad, poca disponibilidad de agua y/o nutrientes y altas cargas de radiación ultravioleta y visible. Por esta razón, el ecosistema antártico resulta interesante para la búsqueda de potenciales microorganismos como fuentes alternativas de pigmentos. Se aislaron 30 cepas productoras de pigmentos pertenecientes a siete diferentes géneros bacterianos: Arthrobacter, Salinibacterium, Cryobacterium, Flavobacterium, Zobellia, Chryseobacterium y Panococcus. Se determinó la naturaleza de los diez pigmentos producidos por las cepas aisladas, siendo mayoritariamente carotenoides. Se identificaron carotenoides C40 (zeaxantina, β-caroteno, β-criptoxantina, β-zeacaroteno y licopeno), carotenoides C50 (decaprenoxantina, sus derivados glicosilados, C.p. 450) y su derivado glicosilado. Las cepas pertenecientes a los géneros Cryobacterium, Salinibacteriumy Planococcus fueron identificadas como nuevas fuentes de carotenoides C50. Se detectó la presencia de flexirrubinas en cepas de Flavobacterium sp. y Zobellia sp. Se seleccionó una cepa del género Flavobacterium para evaluar su potencial como fuente de zeaxantina y carotenoides. Se estudió la influencia de diferentes factores en la producción de zeaxantina, β-criptoxantina y β-caroteno (temperatura, fuentes de carbono, fuentes de nitrógeno, sales) de la cepa Flavobacterium sp. P8 en matraces agitados. Se utilizó de experimentos para formular un medio de cultivo para la producción de zeaxantina. Se determinó inicialmente que la peptona, el extracto de levadura y NaCl fueron los componentes con mayor influencia en la concentración de biomasa. Se realizó un diseño experimental factorial completo para determinar las concentraciones de estos tres componentes que favorezcan la producción de zeaxantina y carotenoides totales. Se formularon dos posibles medios de cultivo (medio 5 y PC). El medio 5 (2 g/L de peptona, 2 g/L de extracto de levadura y 24 g/L de NaCl), presentó mayor contenido y concentración de zeaxantina (105 ± 7 μgzeaxantina/gbiomasa y 272 ± 19 μgzeaxantina/L, respectivamente). El medio PC (7 g/L de peptona, 7 g/L de extracto de levadura y 5 g/L de NaCl) presentó las mayores concentraciones de biomasa (4,5 ± 0,1 g/L) y de carotenoides totales (426 ± 29 μg/L). Estas formulaciones se utilizaron para cultivar la cepa de Flavobacterium sp. P8 bajo condiciones de aireación controlada. Se seleccionó el medio PC por alcanzar una concentración de zeaxantina de 2184 ± 75 mg/L, siendo el 98% del total de carotenoides. Se realizó el escalado del proceso a un biorreactor de laboratorio para estudiar el efecto de la concentración de oxígeno disuelto sobre el crecimiento y la producción de carotenoides de la cepa Flavobacterium sp. P8. La disponibilidad de oxígeno tuvo efecto sobre la concentración de biomasa y la producción de zeaxantina y carotenoides totales. Los mejores resultados se obtuvieron con una concentración de oxígeno disuelto del 10% de saturación, alcanzando un contenido y concentración de zeaxantina de 442 ± 12 μgzeaxantina/gbiomasa y 2833 ± 76 μgzeaxantina/L, respectivamente. Por último, se estudió la modalidad de operación fed-batch en el biorreactor. Se obtuvo una concentración de biomasa mayor y un contenido de carotenoides totales similar al obtenido en modo batch (530 μg/gbiomasa). Sin embargo, la conversión de carotenoides a zeaxantina fue menor (86% en modo batch y 26% en modo fed-batch), obteniéndose una concentración de zeaxantina menor (2149 ± 99 μgzeaxantina/L). Por lo tanto, el modo de operación fed-batch en las condiciones ensayadas en esta tesis no presentó mejoras para la producción de zeaxantina, pero incrementó la concentración de carotenoides totales debido al aumento de la concentración de biomasa. Flavobacterium sp. P8 mostró ser una cepa con potencial biotecnológico para la producción de zeaxantina, β-criptoxantina y β-caroteno. Los requisitos de oxígeno para el crecimiento microbiano y la biosíntesis de zeaxantina incorporan una variable que requerirá la metodología de diseño estadístico de experimentos para formular un medio de cultivo para la producción de zeaxantina. Se determinó inicialmente que la peptona, el extracto de levadura y NaCl fueron los componentes con mayor influencia en la concentración de biomasa. Se realizó un diseño experimental factorial completo para determinar las concentraciones de estos tres componentes que favorezcan la producción de zeaxantina y carotenoides totales. Se formularon dos posibles medios de cultivo (medio 5 y PC). El medio 5 (2 g/L de peptona, 2 g/L de extracto de levadura y 24 g/L de NaCl), presentó mayor contenido y concentración de zeaxantina (105 ± 7 μgzeaxantina/gbiomasa y 272 ± 19 μgzeaxantina/L, respectivamente). El medio PC (7 g/L de peptona, 7 g/L de extracto de levadura y15 g/L de NaCl) presentó las mayores concentraciones de biomasa (4,5 ± 0,1 g/L) y de carotenoides totales (426 ± 29 μg/L). Estas formulaciones se utilizaron para cultivar la cepa de Flavobacteriumsp. P8 bajo condiciones de aireación controlada. Se seleccionó el medio PC por alcanzar una concentración de zeaxantina de 2184 ± 75 mg/L, siendo el 98% del total de carotenoides. Se realizó el escalado del proceso a un biorreactor de laboratorio para estudiar el efecto de la concentración de oxígeno disuelto sobre el crecimiento y la producción de carotenoides de la cepa Flavobacterium sp. P8. La disponibilidad de oxígeno tuvo efecto sobre la concentración de biomasa y la producción de zeaxantina y carotenoides totales. Los mejores resultados se obtuvieron con una concentración de oxígeno disuelto del 10% de saturación, alcanzando un contenido y concentración de zeaxantina de 442 ± 12 μgzeaxantina/gbiomasa y 2833 ± 76 μgzeaxantina/L, respectivamente. Por último, se estudió la modalidad de operación fed-batch en el biorreactor. Se obtuvo una concentración de biomasa mayor y un contenido de carotenoides totales similar al obtenido en modo batch (530 μg/gbiomasa). Sin embargo, la conversión de carotenoides a zeaxantina fue menor (86% en modo batch y 26% en modo fed-batch), obteniéndose una concentración de zeaxantina menor (2149 ± 99 μgzeaxantina/L). Por lo tanto, el modo de operación fed-batch en las condiciones ensayadas en esta tesis no presentó mejoras para la producción de zeaxantina, pero incrementó la concentración de carotenoides totales debido al aumento de la concentración de biomasa. Flavobacterium sp. P8 mostró ser una cepa con potencial biotecnológico para la producción de zeaxantina, β-criptoxantina y β-caroteno. Los requisitos de oxígeno para el crecimiento microbiano y la biosíntesis de zeaxantina incorporan una variable que requerirá consideraciones adicionales en trabajos futuros. Los rendimientos alcanzados en las condiciones estudiadas fueron similares a los de otros microorganismos mesófilos.