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Polihidroxialcanoatos (PHAs): Biopolímeros
producidos por microorganismos. Una
solución frente a la contaminación del
medio ambiente
Polyhydroxyalkanoates (PHAs) polymers produced by
microorganisms. A solution to environmental pollution
Julieth Yadira Serrano Riaño1
Resumen
Los polihidroxialcanoatos (PHAs) son biopolímeros que algunos microorganismos acumulan
como reserva de carbono y energía, son producidos cuando hay limitaciones nutricionales en el
medio. El sistema genético asociado con la producción de PHAs codifica para diversas proteínas
formadoras de gránulos citoplasmáticos. Estos biopolímeros han cobrado gran importancia
debido a que pueden ser utilizados reemplazando materiales como el plástico, que actualmente
genera gran acumulación y que se ha convertido en un alto foco de contaminación ambiental
debido a su lenta degradabilidad. La principal ventaja de los polihidroxialcanoatos frente a los
plásticos derivado del petróleo es que al ser producidos por microorganismos son biodegradables
por lo tanto no hay una acumulación; los PHAs tienen diversas aplicaciones entre las que se
encuentran: empaques de larga y corta duración, injertos utilizados en medicina, productos de
higiene y biocombustibles.
Palabras clave: biopolímeros, polihidroxialcanoatos, contaminación ambiental, microorganismos,
biodegradabilidad.
Abstract
The polyhydroxyalkanoates (PHAs) are biopolymers that some microorganisms accumulate as
carbon and energy reserve, they are produced under nutritional limitations in the culture media.
The genetic system associated with the production of PHAs coding for various proteins forming
the cytoplasmatic granule. These biopolymers have gained great importance because they can
be used to replace other materials like plastic, due to its slow degradability accumulate in large
quantities that have become a high source of environmental pollution. The main advantage of
the polyhydroxyalkanoates is that they are produced by microorganisms are consumed by them,
therefore there is no accumulation, in contrast with plastics derived from oil; the PHAs have
various applications among which are: packaging of short and long term, grafts used in medicine,
hygiene products and biofuels.
Key words: biopolymers, polyhydroxyalkanoates, environmental pollution, microorganisms,
biodegradability.
1 Magister en microbiología de la Universidad Nacional de Colombia, Centro de Investigación y Desarrollo de
la Fundación Universitaria del Área Andina, Bogotá, Colombia. jserrano@areandina.edu.co
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INTRODUCCIÓN racterísticas propias del plástico sintético, con la ven-
taja de ser completamente degradados pocos meses
Los plásticos derivados del petróleo (sintéticos, no después de su uso. Los gránulos de PHA son produ-
biodegradables), han sido utilizados desde la década cidos intracelularmente por más de 300 bacterias di-
de los 40s, según la Enviromental Protección Agen- ferentes incluyendo Eubacterias y Archeas (Braune-
cy [EPA], solo en Estados Unidos en el año 2009 gg, Lefebriöe & Genser, 1998; Ojumu et al., 2004).
se generaron 13 millones de toneladas de plásticos
en envases y embalajes, casi 11 millones de tonela- Una vez se conocieron las bondades de este material
das en objetos duraderos, como electrodomésticos, y biodegradable, las investigaciones apuntan a crear
alrededor de 7 millones de toneladas en objetos no estrategias que superen la principal desventaja exis-
duraderos como platos y tazas. En los países desarro- tente y es su alto costo de producción frente a los
llados se observa un uso mayor de este material; por plásticos derivados del petróleo; la utilización en el
ejemplo el consumo per capita en Estados Unidos medio de cultivo de fuentes de carbono económicas,
es de 80 kg, en Europa 60 Kg, y en países como y optimización en los procesos de fermentación,
India es de 2 Kg. (Kato, Bao, Kang, Fokui & Doi, recuperación y purificación del biopolímero son las
2000), lo que refleja que sin lugar a dudas este ma- estrategias más usadas (Choi, Lee & Han, 1998). A
terial es imprescindible en la época actual. Situación su vez el empleo de microorganismos recombinantes
que ha generado acumulación y que se ha converti- como Escherichia coli, ayuda a resolver algunas limi-
do en un grave problema de contaminación ambien- taciones tecnológicas que se pueden presentar con
tal (Ojumu, Yu & Solomon, 2004).Un Informe del los métodos anteriores ya que permiten manejar a
PNUMA (Programa de Naciones Unidas para el Me- fondo la parte metabólica y cinética del microorganis-
dio Ambiente) en el 2005 ha señalado que para ese mo, por lo tanto y de manera directa la producción
año se encontraban más de 13.000 fragmentos de de PHAs. (García et al., 2004; Hein, Söhling, Gotts-
desechos plásticos flotando sobre cada kilómetro cua- halk & Steinbüchel 1997; Park & Lee, 2002; Sato,
drado del océano citado por (Allsopp, Wallers, Santi- Nomura, Abe, Doi & Tsuge, 2007).
llo & Johnston, 2007). A su vez, en el país según la Características generales de los PHAs
Armada Nacional de Colombia [ARC], (2004) existen
datos que revelan que en las playas se desechan en Los gránulos de PHAs sirven como almacenamiento
un día 2.875 unidades de plástico. La contaminación de energía y carbono cuando en el medio hay abun-
debido a la acumulación de plástico es un problema dancia de este y déficit de elementos como nitrógeno,
que ha sido de manera ineficientemente abordada fósforo, magnesio entre otros (Lee, Choi & Wong,
ya que los métodos utilizados para la disminución de 1999), lo que los hace más resistentes bajo esta con-
este problema resultan inútiles frente a la producción dición de estrés (Hezayen, Steinbüchel, & Rehm,
desbordada del mismo. 2002; Rehm & Steinbüchel, 1999; Steinbüchel &
Eversloh, 2003). Su tamaño oscila entre 0.2 - 0.5
Por lo mencionado es de vital importancia generar μm con un número aproximado de 8-10 gránulos
nuevas alternativas que sean competitivas y amiga- por célula y con un peso molecular de 2x105-3x106
bles con el medio ambiente; por tal razón el hombre daltons (Figura 1), sin embargo esto varía dependien-
ha buscado en la biotecnología soluciones que son do de la especie (Ojumu et al., 2004). A su vez pue-
viables y que brindan soluciones más eficientes. Es den acumular biopolímero hasta el 90% de su peso
allí donde aparecen los polihidroxialcanoatos (PHAs), seco (Reddy & Rashm, 2003; Sudesch, Abe & Doi,
poliésteres de hidroxialcanoatos que conservan ca- 2000).
Figura 1.
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Síntesis de PHAs de cadena media (mcl - PHA) cuando contienen de
6-14 átomos de carbono. La razón por la cual un
La composición monomérica de los biopolímeros de PHAs se forma como un polímero de cadena corta
PHAs es muy variada, depende de las rutas metabó- o media está relacionada directamente con la enzima
licas por las cuales fueron sintetizados y por la fuente encargada de la síntesis (sintasa) ya que esta tiene
de carbono externa que se usa como materia prima una especificidad de sustrato que puede actuar sobre
para dicha ruta. Provienen básicamente de tres vías monómeros con diferente número de átomos de car-
metabólicas: la degradación de azucares mediante la bono (Anderson & Dawes, 1990).
obtención de Acetil CoA, la degradación de ácidos
grasos (β-oxidación) y/o biosíntesis de ácidos grasos Las PHA sintasas son las enzimas que catalizan la
(Aldor & Keasling, 2003). conversión de sustratos (R)-3-hidroxiacil-CoA a PHAs
con la liberación de CoA, es decir une los monóme-
Clasificación de PHAs ros formando el polímero (Rehm & Steinbüchel,
Los polihidroxialcanoatos se clasifican de acuerdo 1999). Hacen parte de una familia de enzimas que
con la naturaleza de sus unidades monómeras, si el poseen cualidades no muy comunes considerando la
polímero está formado por solo un tipo de unidades función en la formación de estructuras intracelulares
se denomina homopolímero (Anderson & Dawes, insolubles en agua (los gránulos de PHA) y la asocia-
1990; Chung et al., 2001). A su vez, si está integra- ción de estas inclusiones con una monocapa lipídi-
do por monómeros con distinta longitud de átomos ca (Rehm, 2003). Estas enzimas están unidas a las
de carbono en el mismo granulo se refiere entonces superficie de los gránulos y como todas ellas tienen
a un copolímero (Zhao & Chen, 2007). Del mismo una especificidad de sustrato, en este caso pueden
modo si los monómeros que forman el polímero po- aceptar monómeros con diferente número de carbo-
seen cada uno de 3-5 átomos de carbono se conocen nos, característica principal por la cual se clasifican
como PHAs de cadena corta (scl - PHA), y PHAs (figura 2).
Clase Subunidad Especies Sustrato
I
II
III
IV
Figura 2.
Las PHA sintasas clase I tienen como microorga- aplicaciones debido a su gran similitud con el látex
nismo modelo Ralstonia eutropha, están compues- los microorganismos representantes de este grupo
tas de una sola clase de subunidad (PhaC), y actúan son en su mayoría las bacterias del género Pseudo-
sobre tioésteres CoA de varios 3 hidroxialcanoatos monas, principalmente Pseudomonas aeruginosa
de cadena corta (Eversloh, Bergander, Luftmann & (Rehm,2003).
Steinbüchel, 2001; Rehm, 2003). Las PHA sintasas
Clase II también se componen de una sola subunidad Las PHA sintasas Clase III son representadas por
(PhaC) y son activas sobre tioésteres CoA de varios Allochromatium vinosum, a diferencia de las dos
3-hidroxialcanoatos pero en este caso de cadena anteriores están conformadas por dos subunidades
media (preferencialmente ácidos grasos 3-hidroxi), el (PhaC y PhaE), pero al igual que las de clase I pre-
PHA resultante de la producción de un microorga- fierentioésteres CoAde3-hidroxialcanoatosdecadena
nismo que posee esta clase de enzima tiene muchas corta (Rehm, 2003); por último las sintasas clase IV
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poseen dos subunidades (PhaC y PhaR) actúan sobre dependiendo del microorganismo y con diferente or-
tioésteresCoAde3-hidroxialcanoatosdecadenacorta y den; sin embargo el gen de la PHA sintasa (phaC) se
su microorganismo representante es Bacillus mega- encuentra presente en todos los cluster independien-
terium (McCool & Cannon, 2001). temente del microorganismo, lo que sugiere que es
una enzima crucial en todas las rutas de síntesis de
Cluster de síntesis de PHA PHA (Anderson & Dawes, 1990; Madison & Huis-
man, 1999; Rehm & Steinbüchel, 1999) (Figura 3).
Un cluster se refiere a una agrupación de genes
Se habla con detalle de la organización del cluster
contiguos enfocados hacia una misma función, en
productor de PHAs de cadena media producidos por
este caso los gránulos de PHA son formados por un
sintasa tipo II ya que han cobrado gran interés debido
grupo de genes que codifican proteínas que no solo
a su propiedad de elastómeros y gran similitud con el
producen la inclusión sino también la estabilizan y la
látex. El cluster de este tipo de PHA está conforma-
degradan cuando sea necesario. Se han descrito dife-
do por 6 genes en su orden (phaC1, phaZ, phaC2,
rentes cluster de síntesis de PHA a partir de una gran
phaD, phaF y phaI) y se han descrito principalmente
variedad de bacterias; se observan diferentes genes
en el género Pseudomonas (Rehm, 2003).
Figura 3. Cluster de PHAs en diferentes microorganismos.
Sintasas (phaC1 y phaC2) miento general de esta proteína, uno de los más re-
presentativos es el realizado por Rehm & Steinbüchel
Los genes phaC1 y phaC2 son los genes encargados en 1999, donde realizaron un alineamiento múltiple
de la codificación de las PHA sintasas se encuentran utilizando las estructuras primarias de 59 sintasas
separados por la depolimerasa PhaZ y solo se ex- no solo de clase II sino también de las clases I, III y
presa una a la vez, el que se exprese el gen phaC1 IV. Allí, demostraron la presencia de seis regiones
y phaC2 depende del microorganismo y del sustrato de secuencias de aminoácidos conservados y ocho
proporcionado. En su secuencia primaria y secunda- residuos idénticos en todas las secuencias (Rehm &
ria son idénticas entre un 50 y 60 % y las dos pre- Steinbüchel, 1999). En el caso de las sintasas tipo
sentan especificidad de sustrato similares (Hezayen et II la PhaC1 posee una longitud de 559 aminoáci-
al., 2002; Liebergesell et al., 1991; Zhang, Kolves, dos y la PhaC2 de 560. Los ocho residuos conser-
Lenz & Goodwin, 2003). vados varían ligeramente en cuanto a su posición
Son las enzimas más estudiadas de todas las implica- entre la PhaC1 y PhaC2, en la PhaC1 se ubican de
das en la producción del granulo. Se han realizado la siguiente manera: serina (S) en la posición 238,
diferentes estudios sobre la estructura y comporta- cisteína (C) en la 296, glicina (G) en la 299, acido
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aspártico (D) en la 328, triptófano (W) en la 397, 2007; Jendrossek & Handrick 2002; Ohura, Kasuya
acido aspártico (D) en la 451, glicina (G) en la 478e & Doi, 1999). Se ubican en la superficie del granu-
histidina (H) en la479). Tres residuos (C296; D 451; lo e hidrolizan todas las inclusiones de PHAs incluso
H479) son los pertenecientes a la triada catalítica es los formados por monómeros poco usuales, lo que
decir, son los aminoácidos que tienen la función di- demuestra que actúa sobre gran cantidad de sustra-
recta con el sustrato. Se evidenció también que todas tos como acurre con otras esterasas (Sandoval et al.,
las PHA sintasas pertenecen a la familia de las lipasas 2005) (Figura4).
que se caracterizan por contener un motivo funcional
denominado caja lipasa [GX(S/C)XG] residuos 294- Genes phaD, phaF y PhaI
298, en la cual la serina, el sitio activo esencial de las
lipasas,es reemplazado con una cisteína (Gerngross,
Seguido del gen phaC2 se encuentra el gen phaD, un
Snell, Peoples & Sinskey, 1994; Jian, Ye, Wu &
gen del cual no se conoce mucho pero estudios como
Zhang, 2004;Müh & Sinskey, 1999).
el de Klinke, Roo, Witholt & Kessler, 2000 en don-
Depolimerasa phaZ de mutan este gen demuestran que es importante en
cuanto a la biosíntesis y acumulación del granulo ya
El gen que codifica esta proteína (phaZ) se encuen- que si había ausencia o mutación de este se observa-
tra en medio de las sintasas y su producto cumple ban efectos en la acumulación del polímero y reduc-
una función fundamental, ya que como se mencionó ción de la producción de PHAmcl a menos del 20%.
anteriormente los gránulos de PHA se forman en la El gen phaF se conoce como fascina y actúa de dos
célula como reserva de carbono y energía de esta maneras, primero como un elemento estructural que
manera cuando se necesita en los procesos celulares se necesita para la elongación del polímero crean-
es fundamental la presencia de una enzima que de- do una interacción polímero-proteína (PHA-PhaF), y
grade esta inclusión y es ahí donde la proteína PhaZ como un activador transcripcional de phaC1 actuan-
aparece. Esta proteína se conoce con el nombre de do directamente sobre la región reguladora del gen.
depolimerasa y está relacionada estructuralmente La otra fascina PhaI es la otra proteína asociada al
con la familia de las esterasas. Estas enzimas catali- gránulo que se sugiere tiene una función reguladora
zan la liberación de (R)-3-hidroxi-acil /aril -CoA deri- sobre el gen phaF actuando como represor del mis-
vados de polímeros intracelulares (De Eugenio et al., mo (Figura4) (Prieto, 1999; Chen, 2010).
transcription
phaC1 phaZ phaC2 phaD phaF phaI
Depolymerase
Phasins
PHA polymerases
CoA
PHA (R)-3-hydroxyacyl-CoA
granule CoA
Monolayer
Uknown phospholipid
Proteins membrane
Figura 4. Organización genética del cluster phaC1ZC2DFI involucrado en
la síntesis de PHAmcl.
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Degradación de PHAs convirtiéndola en unidades de monómeros indepen-
dientes. El tiempo que demora la degradación de-
La principal ventaja de los polihidroxialcanoatos es pende de la naturaleza propia del polímero así como
su biodegradabilidad y esto lo logran ya que los grá- también las condiciones ambientales a las que sean
nulos son hidrolizados por microorganismo que bus- expuestos, se ha observado degradación de los PHAs
can en ellos fuentes de carbono y energía; lo hacen en gran cantidad de ambientes incluyendo aerobios,
por medio de depolimerasas que son secretadas de anaerobios, salinos, marinos y otros (Ojumu, Yu &
las células y se adhieren a la superficie del polímero Solomon, 2004) (Figura 5).
Figura 5. Degradación completa de PHA en menos de 50 días bajo
condiciones tropicales
Aplicaciones de PHAs de PHA de cadena media que son los que presentan
mayor variedad de aplicaciones por su característica
Se han reportado cerca de 150 monómeros diferen- de ser similar al látex.
tes formadores de PHAs, esto indica no solo que son
ricos estructuralmente sino además que pueden tener Los gránulos se forman cuando los microorganismos
aplicaciones variadas, razón por la cual se pueden se encuentran bajo ciertas condiciones de estrés es-
encontrar en empaques (envolturas de elementos de pecíficamente cuando en el medio hay abundancia
aseo y alimentos, en general envases de plásticos de carbono y déficit de elementos como nitrógeno,
desechables o de larga duración); al ser biocompati- fósforo, magnesio entre otros, por tanto sirven como
bles también se utilizan en medicina como en injertos, almacenamiento de energía y carbono. La maquina-
reemplazando parte de tejidos, o como materia pri- ria genética encargada de producir los gránulos es
ma de implementos médicos, también en productos compleja y ordenada está conformada por un grupo
de higiene y en biocombustibles (Lee, et al, 1999). de genes “cluster” encargados no solo de la forma-
ción sino también de la estabilización y degradación
CONCLUSIONES del granulo cuando el microorganismo necesita utili-
zar la reserva de energía que acumulo en la inclusión.
En este artículo se describe otra manera de combatir
la acumulación y actualmente contaminación debida Es necesario seguir con el estudio detallado de estos
al uso desenfrenado del plástico de origen petroquí- microorganismos ya que proveen una fuente inago-
mico; se hace énfasis en el uso de microorganismos table de recursos y de nuevas alternativas que suplen
para la producción de polihidroxialcanoatos (PHAs); muchas de las necesidades que actualmente deman-
material con características similares al plástico y to- da la sociedad o que afrontara en el futuro.
talmente biodegradable, tienen aplicaciones variadas
como en empaques, matera prima para productos REFERENCIAS
de higiene y biocombustibles y gracias a su biocom-
patibilidad tiene gran aplicación en el campo de la Allsopp, M; Walters, A; Santillo, D; Johnston, P.
medicina. Los PHAs son polímeros formados por (2007).Contaminación por plástico en los océa-
monómeros que son unidos gracias a la acción de nos del mundo. Recuperado de: http://www.
una enzima denominada PHA sintasa. Existen varias greenpeace.org/espana/es/reports/contami-
clases de esta enzima, sin embargo la PHA sintasa naci-n-por-plasticos-en/.
clase II llama es de interés ya que produce gránulos
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