Archive for marzo, 2013

En una de las entradas ya he mencionado que las microalgas son grandes productoras de aceites, útiles en la producción de biodiesel, lo que sucede es que empiezan a producir los ácidos grasos sólo en condiciones de estrés.  Tradicionalmente, para incrementar el almacenaje de moléculas energéticas ( como los ácidos grasos) en todos los microorganismos, se ha recurrido a la privación de nutrientes en los medios de cultivo, como el N, P, o S, lo que imposibilita fabricar proteínas necesarias para que un organismo crezca y se multiplique, y por tanto no puede gastar la energía en estas funciones. La energía que se ahorra en el crecimiento es almacenada como moléculas de reserva (almidón), o lo que no interesa ahora, ácidos grasos. Es resumen, microalga j..a, microalga buena productora. Buena estrategia, fácil, pero tiene su trampa. La privación de nutrientes también lleva a relentizar la fotosíntesis, tan necesaria pàra fijar carbono y producir energía, ambos imprescindibles para la síntesis de cualquier molécula, incluidos los ácidos grasos (mira la entrada anterior).

La ingeniería genética busca otros métodos de aumentar la síntesis de ácidos grasos, éstos métodos consisten en generar organismos con rutas metabólicas alteradas, de forma que obtenemos un organismo superproductor. Ahora me decís para, para, que dices, ¿ruta meta… qué? vamos introducir un concepto muy útil para comprender la vida: la ruta metabólica. En la entrada acerca de la fotosíntesis mencione que las plantas tomaban CO2, y lo convertían en moléculas complejas (fijación del carbono), obviamente eso no ocurre en un paso, sino se trata de un proceso complejo, con muchas reacciones químicas, catolizadas (ayudadas) por diversas enzimas (máquinas celulares). Tal como reza la Wikipedia:

En bioquímica, una ruta metabólica o vía metabólica es una sucesión de reacciones químicas que conducen de un sustrato inicial a uno o variosproductos finales, a través de una serie de metabolitos intermediarios. Por ejemplo, en la ruta metabólica que incluye la secuencia de reacciones:

 

A     →     B     →    C     →     D     →    E

A es el sustrato inicial, E es el producto final, y B, C, D son los metabolitos intermediarios de la ruta metabólica.

Echemos el vistazo  a las rutas metabólicas que permiten a las microalgas la síntesis de ácidos grasos:

Metabolismo lipidico de las microalgas

Metabolismo lipídico de las microalgas

La imagen es compleja y además está en inglés, lo sé, pero vamos a ver cosas clave. El óvalo salmón con cositas verdes dentro es el cloroplasto (plastid, ya sabéis un poco más de inglés je je). El cloroplasto toma el CO2 y éste es convertido en el ciclo de Calvin (una ruta metabólica compleja que aparece como un círculo) la molécula de 3PGA, o ácido 3- fosfoglicérico, de tres carbonos. El 3PGA, o bien se condensa en una molécula de glucosa (seis carbonos), o bien se convierte en el piruvato, otra molécula de tres carbonos. Hay que mencionar que las moléculas de glucosa también pueden romperse para producir el piruvato. El piruvato se convierte, en dos pasos de catálisis enzimática con la necesaria presencia de la biotina (vitamina B7), en malonil – CoA, una molécula sobre la cual poder construir un ácido graso, de lo se encargan las enzimas de “ciclo de síntesis de ácidos grasos”. En dicho ciclo el malonil CoA, que es una molécula de ácido málico “activada” o preparada para la reacción por acetil CoA (molécula clave en muchas rutas metabólicas), se enriquece en carbono y hidrógeno, se alarga y se convierte en lo que se denomina “ácido graso libre”. Después los ácidos grasos libres son trasladados al citosol, donde se condensan con las moléculas de glicerol, para formar los triacilgliceridos ( grasas ) o TAG, que son depositados en forma de “cuerpos lipídicos ” (TAG lypid body) en el cuerpo de la microalga, lo cual convierte al microalga en el contenedores de grasas.

Con esta maraña de reacciones tienen que trabajar los científicos para aumentar la sintesis de ácidos grasos o triacilglicéridos, ambos tipos de moléculas útiles para la producción de biodiesel.

¿Se os ocurre que podríamos modificar para producir un alga superproductor, mutante, transgénico? De esto hablaremos en la siguiente entrada. Y no olvidéis, un mutante tiene alterados sus propios genes, un transgénico posee genes de organismos distintos a él.

 

 

¿A quién no le gustaría ponerse al sol, meter los pies en la tierra y de esta forma obtener la energía para vivir? Desgraciadamente son los organismos fotosintéticos, las plantas superiores, las algas, microalgas y bacterias fotosintéticas,  los privilegiados que poseen este don.

Humano: me pinté de verde, me puse al sol tod el día y sigo con hambre.  Planta: pues yo no sé como lo hago; chupé un poco de agua, poco de CO2 del aire, tomé un puco de sol, y lo siguiente que sé es que estoy llena de azucares.

Humano: me pinté de verde, me puse al sol tod el día y sigo con hambre.
Planta: pues yo no sé como lo hago; chupé un poco de agua, poco de CO2 del aire, tomé un puco de sol, y lo siguiente que sé es que estoy llena de azucares.

 

Y en esto consiste el proceso de la fotosíntesis: se rompe una molécula de agua con la energía solar, el oxígeno del agua se libera a la atmósfera, los electrones procedentes de los átomos de hidrógeno exitados por la luz del sol se cargan de energía que es usada para condensar las moléculas simples de CO2 en biomoléculas complejas como azucares.  Todo el proceso ocurre en los orgánulos especializados de la célula vegetal, llamados cloroplastos. Hoy día se reconoce que el cloroplasto es un huesped simbiótico de la célula vegetal, y que tiene mucho en común con las bactarias fotosintéticas.

Un cloroplasto es esencialmente una mochilita con  muchos compartimentos dentro. Estos compartimentos se denominan tilacoides.

Estructuctura del cloroplasto

Estructuctura del cloroplasto

En la imagen se ve un cloroplasto abierto por la mitad. Se aprecia que éste tiene doble membrana: una de ellas es externa, la que le proporciona la célula vegetal, y una interna, suya propia cuyas numerosas invaginaciones son los tilacoides. Los tilacoides se encuentran apilados en estructuras llamadas “grana”, y estás suspendidos en el líquido que llena el espacio interno del cloroplasto, el “estroma”. Además es importante mencionar que el cloroplasto posee su ADN propio pero no tiene núcleo, igual que las bacterias, además sus ribosomas (máquinas de producir proteínas) son típicos de las bacterias también. Ω

Es la membrana del tilacoide donde la energía luminosa, la radiación electromagnética, se convierte en la energía química, una de las moléculas claves de la vida, el ATP. Sin entrar en mucho detalle El ATP es la moneda que utiliza la célula para pagar sus necesidades, sea la síntesis de azucares, grasas o proteínas, que son moléculas complejas imprescindibles para la vida. Toda generación de moléculas complejas necesita de ATP, y para generar un mol del mismo se necesitan unos 31 kj de energía.

Para conseguir la energía, la membrana del tilocoide cuenta con numerosas máquinas moléculares.  El esquema, que admito que es complicado resume todo el proceso:

Esquema de generación de energía en la fotosíntesis

Esquema de generación de energía en la fotosíntesis

Inicialmente la luz incide sobre “el complejo antena” del fotosistema I,  que es un reservorio de pigmentos, entre ellos la clorofila, cuya función es recoger la luz  y con su ayuda romper el agua, dos moléculas en un paso, para libera el oxígeno y 4 protones en el espacio del tilacoide, mientras los electrónes cargados de energía del sol son conducidos, con la molécula transportadora de electrones plastoquinona Q,  al complejo proteíco citocromo b6f donde cede la  energía, que sirve para bombear protones dentro del tilacoide. Después el transportador de electrones plastocianina pc lleva a éstos al  fotosistema I que los recarga con energía solar.  Al final se acamula una buena cantidad de protones en el espacio tilacoidal y los electrones cargados de energía solar. Estos protones salen a través del complejo ATP sintasa al estroma, ocacionando lo mismo que la caída de agua cayendo sobre una turbina (ATP sintasa) pero en forma de moléculas de ATP. Por otra parte los electrones cargados llegan a través de ferredoxina al complejo ferredoxina – NADP reductasa, donde la energía cedida se aprovecha para cargar los protones salientes a las moléculas de NADP, generando así el poder reductor, o NADPH. Las moléculas de NADPH se denominan muchas veces como el poder reductor porqué son imprescindibles en las reacciones de oxidación, donde recogen electrones procedentes de rotura de moléculas, o reducción donde reducen, o cargan de electrones otras moléculas.

De esta forma se obtiene el ATP, molécula que transporta energía, y el poder reductor que aporta electrones, ambas cosas necesarias para la síntesis de biomoléculas, que en plantas se sintetizan a partir de CO2, en un complejo proceso llamado el ciclo de Calvin.

Así que de forma general:

Esquema general de la fotosííntesis

Esquema general de la fotosííntesis

Los azucares generados en el ciclo de Calvinpueden ser quemados para regenerar energía, almacenarse en un almacen energético, o transformarse en aceite vegetal, que tienen importantes funciones en la célula vegetal, tanto de almacén energético, como la estructura de las membranas célulares.

 

Últimamente escuchamos bastante la palabra de microalgas en la tele, en relación con los biocombustibles, concretamente con el biodiesel. hablemos pues de estos  temas, de lo que son las microalgas, y como pueden servir en la producción de biocombustibles.

Primero acerca de las microalgas, como su propio nombre indica son organismos microscópicos, o sea, que no se ven a simple vista ( a veces si cuando se juntan unas tantas en esa típica espumita verde). Para definir más las microalgas diremos que son organismos que realizan la fotosíntesis oxigénica (consiguen energía rompiendo el agua liberando el oxigeno), y que poseen un pigmento llamado clorofila a. de esta forma mucho tipos de organismos microscópicos pueden entrar en la categoría de microalgas. Solo hace falta un vistazo a esa imagen para ver la enorme diversidad de las microalgas:

 

La diversidad de las microalgas.

La diversidad de las microalgas.

 

Ahora sobre el famoso biodiesel. La principal diferencia entre el diesel y el biodiesel es que el primero se obtiene de refinado de petroleo y el segundo a partir de los aceites vegetales. Según la ASTM (American Society for Testing and Material Standard) la definición de biodeisel es :  se trata de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de  lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignición de animales, y que se emplean en motores de ignición de compresión. O sea para fabricar el biodiesel se debería llevar a cabo la siguiente reacción:

Formación de bidiesel.

Formación de bidiesel.

Para aclarar un poco la imagen cabe decir que la letra R se refiere a las cadenas carbonatadas como estas:

 

Las ventajas de biodiesel sobre el diesel son una menor producción de CO2,  no se emiten sulfatos, mayor lubricidad (alarga la vida del motor), sin embargo también posee un mayor poder disolvente con lo cual se ensucia más y podría darsee la necesidad de un cambio más frecuente de filtros. Estas diferencias derivan del hecho que la composición de biodiesel es más homogénea que de petrodiesel, que al ser un producto de refenería de petroleo contiene una grana cantidad de compuestos aromáticos.

Hasta la fecha las principales fuentes de biodiesel han sido los siguientes:

Materias primas de obtención de biodiesel.

Materias primas de obtención de biodiesel.

El problema de estas materias primas es que en muchos casos sirven de alimento humano y animal, y su uso para la producción de biodiesel aumenta los precios de productos de primera necesidad. ¿Y que podrían aportar esos curiosos bichitos, las microalgas, a la producción de combustibles? La razón es que como muchos plantas superiores acumulan ácidos grasos en sus semillas o frutos ( olivo, girasol), las microalgas también acumulan aceites en su interior. Y estos aceites pueden convertirse en el biodiesel por transesterificación.

La ventajas de usar las microalgas para producir biodiesel sobre las plantas superiores son:

  • no son una fuente de alimentación principal humana ni animal
  • en el caso de usar microalgas transgénicas el peligro de contaminación de plantas silvestres es nulo, ya que las mismas crecen contenidas en reactores, y aunque éstos estén al aire libre no liberan polen al ambiente

Aquí está la lista de contenido en aceites de diferentes especies de microalgas:

Contenido en aceites de las diferentes especies de microalgas

Contenido en aceites de las diferentes especies de microalgas

 

Las cantidades están en % de peso seco. Por ejemplo 30 % de peso seca  significa básicamente si tenemos 1 kg de alga deshidratada 300 gramos son de aceites. En la próxima entrada voy a contar como se forman estos aceites dentro de las microalgas.

P.S. La información de esta entrada fue conseguida de los temarios de las asignaturas del Grado de Biotecnología: “Procesos Biotecnológicos” y “Cultivo de Microorganismos Fotosintéticos”. Además algunos archivos interesantes para consultar:

Microalgas

ProcesosProductivosParaLaObtencionDeAgroCombustible

Produccion_biodiesel_conAlgas

 

 

¿Qué tal producir los anticuerpos de uso médico en granjas de animales transgénicos? ¿Y si estos animales transgénicos son gusanos de seda? Este fue el tema de uno de los seminarios hechos por mis compañeros en la asignatura “biotecnología animal”.

Para empezar recordemos que son los anticuerpos. Se trata de las proteínas de sistema inmunitario, que son responsables de reconocer un patógeno. El organismo produce machismos tipos de anticuerpos y cada tipo se especifica en reconocer un determinado patógeno, esto se debe a que estas proteínas, contienen una región, relativamente pequeña, que varía entre ellas, y esta variedad se debe a las mutaciones que sufren los ganes de los linfocitos B encargados de producirlas. Ahí ya vemos una utilidad de las mutaciones, en este caso en concreto ayudan a mantener la variabilidad de anticuerpos para poder reconocer distintos patógenos.

Esta es la estructura típica de anticuerpos. Decir que los más importante es que tienen dos cadenas largas – pesadas, y dos cadenas cortas – ligeras. Las cadenas pesadas sirven fundamentalmente para transportar los anticuerpos entre los diferentes tejidos. Existen cadenas pesadas capaces de secretarse en la leche, otras atraviesan la mucosa intestinal, dependiendo de que clase de seguridad se encarga el anticuerpo en cuestión. Por su parte, los extremos de las cadenas ligeras, junto con los extremos de las pesadas forman una estructura única de un anticuerpo dado, la región variable, que es la encargada de reconocer un  patógeno de una forma específica. Aquí está la representación esquemática de un anticuerpo típico, en forma de Y.

Estructura de un anticuerpo

Estructura de un anticuerpo

Una pequeña aclaración de la imagen:  con el nombre de antígeno se conocen las estructuras del patógeno reconocidos por los anticuerpos, normalmente se trata de proteínas o azucares presentes en las membranas de los organismos extraños.

Poder fabricar anticuerpos es algo muy útil tanto en curar enfermedades, cuando un paciente no ha llegado desarrollar sus anticuerpos propios, y estos deben serle administrados (sueroterapia), como para diagnosticarlas, ya que si tratamos la muestra de un paciente con un aticuerpo dado este detecta la presencia de un patógeno específico.  Dicho esto pasamos a hablar sobre las mariposas de seda. Los gusanos de Bombix mori ( de esa mariposa que parece un alienígena) producen gran cantidad de seda, que también es una proteína, para construir sus capullos.

 

Mariposa macho de Bombix mori

Mariposa macho de Bombix mori

Teniendo una gran cantidad de estos gusanos se podrían producir proteínas recombinantes ( si lo quereís así transgénicas) a gran escala, y además la necesidad de espacio sería menor que en el caso de vaca transgénica, dado tanto el pequeño tamaño del gusano, como la posibilidad de poner numerosos pisos en la granja (cajitas y cajitas con gusanos hasta el techo).

La idea sería transformar las glandulas de seda de gusano de forma que secreten proteína de interés junto a lasfibras de la seda. Las fibras de seda se componesn por dos proteínas la  fibroína y la sericina, un 75% y 25% del peso de la fibra, respectivamente. La fibroína, que forma el centro o núcleo de la fibra, es sintetizada por la glándula de seda superior (PSG) y es insoluble, mientras que la sericina, que compone un grupo de proteínas de “pegamento”   hidrofílicas y por tanto solubles, que rodean el cuerpo de fibroína, es sintetizada en la glándula de seda media (MSG).Ya se han hecho pruebas con los gusanos transgénicos que producían proteínas en la PSG, o en la MSG, y mientras las proteínas que se producían en la PSG eran difíciles de purificas, por estar literalmente embebidas dentro de la fibra de la seda, las producidas por la MSG, se encontraban en el exterior de la fibra, en su  ”pegamento”, y se extraían fácilmente con las soluciona¡es acuosas suaves.

Por tanto se construyeron dos vectores: uno llevaba el gen de la cadena ligera con una secuencia pormotora que permitía su expresión en la MSG  y un gen marcador que daba el producto fluorescente  de color  verde con una secuencia que permitía su expresión en el ojo, por tanto se sabría que mariposa porta el vector por el color verde de sus ojos; otro vector llevaba la cadena ligera y el marcador fluorescente  rojo.

Los huevos de las mariposas (3154 y 2854 para cada vector) se pusieron en contacto con los vectores, y fueron crecidos hasta desarrollarse en el animal adulto.

Para generar larvas transgénicas  con ambas cadenas, se cruzó una línea de gusano que expresa la cadena L con otra que expresa la cadena H. Los gusanos en la siguiente  generación  presentaban tanto la fluorescencia verde como roja en sus ojos.

Por otra parte se sabía de la existencia de un gen (ie 1) de baculovirus (virus específico de insectos) que mejoraba la expresión de los genes si estos iban acompañados de una secuencia llamada enhancer  o “aumentador”, hr 3.  De modo que se construyeron tres vectores dos como en el caso anterior con una de las cadenas y el gen marcador, pero además con la secuencia hr3, y un tercer vecctor portaba el gen ie 1, junto con el gen marcador de fluorescencia roja. volvieron  a cruzar los gusanos. Se llegó a obtener 1,2 mg de anticuerpo desde 500 mg de capullo. ¿Parece poco? ¿Pero, y que cantidad de capullos podemos obtener de una granja? Y mirad estos enormes capullos.

Capullos de Bombix mori

Capullos de Bombix mori

 

P.S, Si hay aquí algún amador de mariposas de seda, le gustaría ver está  hermosa colección de imágenes sobre su reproducción:

Esta entrada se basó en el trabajo realizado por los estudiantes de 4º de grado de Biotecnología, Universidad de Pablo de Olavide:

-Alejandro Aguayo  Orozco

-Lourdes Riquelme Dominguez

-Federica Esposito

-Daniel Vázquez Quiles

-Aliseda M Palomino Hernandez