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sustancia polimérica extracelular

Formación de matriz de sustancia polimérica extracelular en un biofilm Las sustancias poliméricas extracelulares ( EPS ) son polímeros naturales de alto peso molecular secretado...

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Formación de matriz de sustancia polimérica extracelular en un biofilm

Las sustancias poliméricas extracelulares ( EPS ) son polímeros naturales de alto peso molecular secretados por microorganismos en su entorno. [ 1 ] Las EPS establecen la integridad funcional y estructural de los biofilms y se consideran el componente fundamental que determina las propiedades fisicoquímicas de un biofilm. [ 2 ] Las EPS en la matriz de los biofilms brindan soporte composicional y protección a las comunidades microbianas de los entornos adversos. [ 3 ] Los componentes de las EPS pueden ser de diferentes clases de polisacáridos, lípidos, ácidos nucleicos, proteínas, lipopolisacáridos y minerales.

Componentes

Los EPS se componen principalmente de polisacáridos (exopolisacáridos) y proteínas , pero también incluyen otras macromoléculas como ADN , lípidos y sustancias húmicas . Los EPS son el material de construcción de los asentamientos bacterianos y permanecen adheridos a la superficie externa de la célula o se secretan en su medio de cultivo . Estos compuestos son importantes en la formación de biopelículas y la adhesión de las células a las superficies. Los EPS constituyen entre el 50 % y el 90 % de la materia orgánica total de una biopelícula . [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]

Exopolisacáridos

Los exopolisacáridos (también a veces abreviados como EPS ; azúcares EPS en adelante) son las partes a base de azúcares de los EPS. Los microorganismos sintetizan un amplio espectro de polisacáridos multifuncionales que incluyen polisacáridos intracelulares , polisacáridos estructurales y polisacáridos extracelulares o exopolisacáridos. [ 6 ] Los exopolisacáridos generalmente consisten en monosacáridos y algunos sustituyentes no carbohidratos (como acetato , piruvato , succinato y fosfato ).

Los exopolisacáridos son secretados por microorganismos, incluidas las microalgas, al medio ambiente circundante durante su crecimiento o propagación. [ 7 ] Pueden estar unidos de forma laxa a la pared celular o ser excretados al medio ambiente. [ 8 ] [ 9 ] Muchas microalgas, especialmente diversas algas rojas y cianobacterias , producen exopolisacáridos con estructuras diversas. Además, los exopolisacáridos participan en las interacciones célula-célula, la adhesión y la formación de biopelículas . [ 10 ] [ 11 ]

Los exopolisacáridos se utilizan ampliamente en la industria alimentaria como espesantes y aditivos gelificantes, que mejoran la calidad y la textura de los alimentos. [ 12 ] Actualmente, los exopolisacáridos han recibido mucha atención por sus propiedades antibacterianas , antioxidantes y anticancerígenas , lo que ha llevado al desarrollo de prometedores candidatos farmacéuticos. [ 13 ] [ 14 ] Dado que los exopolisacáridos se liberan en el medio de cultivo, se pueden recuperar y purificar fácilmente. [ 15 ] En un capítulo del libro de referencia se discutieron diferentes estrategias utilizadas para la extracción económica y otros procesos posteriores. [ 16 ]

Los minerales, resultado de procesos de biomineralización regulados por el ambiente o las bacterias, también son componentes esenciales de los exopolisacáridos. Proporcionan integridad estructural a la matriz del biofilm y actúan como un andamio para proteger a las células bacterianas de las fuerzas de cizallamiento y los agentes antimicrobianos. [ 17 ] Se ha descubierto que los minerales en los EPS contribuyen a la morfogénesis de las bacterias y a la integridad estructural de la matriz. Por ejemplo, en los biofilms de Bacillus subtilis , Mycobacterium smegmatis y Pseudomonas aeruginosa , la calcita ( CaCO 3 ) contribuye a la integridad de la matriz. Los minerales también se asocian con afecciones médicas. En los biofilms de Proteus mirabilis , Proteus vulgaris y Providencia rettgeri , los minerales calcio y magnesio causan incrustación del catéter. [ 18 ]

Constituyentes

Una revisión de 2013 describió los polisacáridos sulfatados sintetizados por 120 microalgas marinas, la mayoría de los cuales son EPS. Estos heteropolímeros consisten principalmente en galactosa , glucosa y xilosa en diferentes proporciones, excepto los de Gyrodinium impudicum , que son homopolímeros. [ 19 ] La mayoría de los EPS de cianobacterias también son heteropolímeros aniónicos complejos que contienen de seis a diez monosacáridos diferentes, uno o más ácidos urónicos y varios sustituyentes funcionales como grupos metilo, acetato, piruvato, sulfato y proteínas. [ 20 ] Por ejemplo, los EPS de Arthrospira platensis son heteropolímeros con fracciones de proteína (55%) y una composición de polisacáridos compleja, que contiene siete azúcares neutros: glucosa, ramnosa, fructosa, galactosa, xilosa, arabinosa y manosa, así como dos ácidos urónicos, ácido galacturónico y ácido glucurónico . [ 21 ]

Dunaliella salina es un alga verde unicelular con una notable halotolerancia . [ 22 ] El estrés salino induce la secreción de sustancias poliméricas extracelulares de D. salina . Se especula que la liberación de mezclas complejas de polielectrolitos macromoleculares con alto contenido de polisacáridos contribuye a la estrategia de supervivencia de D. salina en concentraciones variables de sal. Se detectaron cuatro monosacáridos (galactosa, glucosa, xilosa y fructosa) en el hidrolizado de EPS de D. salina bajo estrés salino. [ 23 ] [ 24 ] En contraste, los polisacáridos solubles en agua liberados por Chlorella pyrenoidosa contienen galactosa, arabinosa , manosa , ribosa , xilosa, fucosa y ramnosa ; su liberación depende de la actividad fotosintética celular y del estado reproductivo. [ 25 ]

Estrategias para aumentar el rendimiento de las ganancias por acción

Aunque los EPS de microalgas tienen numerosas aplicaciones potenciales, su bajo rendimiento constituye una de las principales limitaciones para su producción a escala industrial. El tipo y la cantidad de EPS obtenidos de un cultivo de microalgas dependen de diversos factores, como el diseño del sistema de cultivo, las condiciones nutricionales y de cultivo, así como el proceso de recuperación y purificación. Por lo tanto, la configuración y optimización de los sistemas de producción son cruciales para el desarrollo de futuras aplicaciones.

Ejemplos de aumentos exitosos del rendimiento de EPS incluyen:

  • un medio optimizado (para Chlamydomonas reinhardtii ), [ 15 ]
  • un examen de las condiciones nutricionales que incluyen mayor salinidad y concentración de nitrógeno (para Botryococcus braunii ), [ 15 ]
  • la adición de sales de sulfato y magnesio en el medio de cultivo ( P. cruentum ), [ 26 ]
  • un cocultivo de Chlorella y Spirulina con el basidiomiceto Trametes versicolor , [ 27 ]
  • y una novedosa herramienta de mutagénesis (plasma atmosférico y a temperatura ambiente, ARTP), que conduce a un aumento de la producción de EPS de hasta un 34 % (rendimiento volumétrico de 1,02 g/L). [ 28 ]

Se sugirió que los cultivos mixtos de microalgas y otros microorganismos pueden utilizarse de forma más universal como tecnología para aumentar la producción de EPS, ya que los microorganismos pueden responder a sus socios de interacción secretando EPS como estrategia durante condiciones desfavorables. [ 29 ] [ 30 ]

Lista de exopolisacáridos (EPS)

Succinoglicano de Sinorhizobium meliloti

Exoenzimas

Las exoenzimas son enzimas secretadas por microorganismos, como bacterias y hongos , para funcionar fuera de sus células. Estas enzimas son cruciales para descomponer moléculas grandes del medio ambiente en otras más pequeñas que los microorganismos pueden absorber (transportar al interior de sus células) y utilizar para su crecimiento y obtención de energía.

Varios estudios han demostrado que la actividad de las enzimas extracelulares en la ecología microbiana acuática es de origen algal. [ 31 ] [ 32 ] Estas exoenzimas liberadas por las microalgas incluyen fosfatasas alcalinas , quitinasas , β-d-glucosidasas , proteasas , etc., y pueden influir en el crecimiento de los microorganismos, la señalización química y el ciclo biogeoquímico en los ecosistemas. [ 33 ] El estudio de estas exoenzimas puede ayudar a optimizar la estrategia de suplementación de nutrientes en la acuicultura. Sin embargo, solo se han aislado y purificado unas pocas enzimas. En la literatura citada se destacan algunas clases de enzimas prominentes. [ 34 ]

proteasas extracelulares

Se descubrió que las microalgas verdes Chlamydomonas coccoides y Dunaliella sp. [ 35 ] y Chlorella sphaerkii (una clorofita marina unicelular) producen proteasas extracelulares. [ 35 ] La diatomea Chaetoceros didymus libera cantidades sustanciales de proteasas al medio; esta producción es inducida por la presencia de la bacteria lítica Kordia algicida y está relacionada con la resistencia de esta alga a los efectos de dicha bacteria. [ 36 ] Algunas proteasas son de importancia funcional en los ciclos de vida virales, por lo que constituyen objetivos atractivos para el desarrollo de fármacos . [ 37 ]

Proteínas similares a la ficoeritrina

Las ficobiliproteínas son proteínas fotorreceptoras solubles en agua, producidas por cianobacterias y diversas algas. Estos pigmentos se han investigado como marcadores fluorescentes, colorantes alimentarios, cosméticos y agentes de diagnóstico inmunológico. La mayoría de estos pigmentos se sintetizan y acumulan intracelularmente. Como excepción, las cianobacterias Oscillatoria y Scytonema sp. liberan una proteína extracelular similar a la ficoeritrina de 250 kDa. Este pigmento inhibe el crecimiento de las algas verdes Chlorella fusca y Chlamydomonas y puede utilizarse potencialmente como alguicida. [ 38 ]

Fenoloxidasas extracelulares

Los fenoles son un grupo importante de ecotoxinas debido a su toxicidad y persistencia. [ 39 ] Muchos microorganismos pueden degradar contaminantes aromáticos y utilizarlos como fuente de energía, [ 40 ] y la capacidad de las microalgas para degradar una multitud de compuestos aromáticos, incluidos los compuestos fenólicos, es cada vez más reconocida. Algunas microalgas, incluidas Chlamydomonas sp., Chlorella sp., Scenedesmus sp. y Anabaena sp., son capaces de degradar varios fenoles como pentaclorofenol , p -nitrofenol y ácidos naftalenosulfónicos . [ 41 ] [ 42 ] Aunque las vías de degradación metabólica no se comprenden completamente, las enzimas incluidas la fenoloxidasa lacasa (EC 1.10.3.2) y las enzimas similares a la lacasa están involucradas en la oxidación de sustratos aromáticos. [ 40 ] [ 43 ] [ 44 ] Estas exoenzimas pueden aplicarse potencialmente en la degradación ambiental de contaminantes fenólicos.

inhibidores de la proteasa

Los inhibidores de proteasas son una clase de compuestos que inhiben la actividad de las proteasas (enzimas responsables de la ruptura de los enlaces peptídicos en las proteínas ). Estos inhibidores son cruciales en diversos procesos biológicos y aplicaciones terapéuticas, ya que las proteasas desempeñan funciones clave en numerosas funciones fisiológicas, como la digestión, la respuesta inmunitaria, la coagulación sanguínea y la señalización celular.

Se purificó un inhibidor de proteasa de cisteína extracelular, ECPI-2, del medio de cultivo de Chlorella sp. El inhibidor tuvo un efecto inhibitorio contra la actividad proteolítica de la papaína , la ficina y la quimopapaína . ECPI-2 contiene un 33,6 % de residuos de carbohidratos que pueden ser responsables de la estabilidad de la enzima en condiciones neutras o ácidas. Estas proteínas inhibidoras de Chlorella pueden sintetizarse para proteger las células de ataques de, por ejemplo, virus o herbívoros. [ 45 ] En comparación con los compuestos orgánicos, los fármacos peptídicos tienen una toxicidad relativamente baja para el cuerpo humano. El desarrollo de inhibidores peptídicos como fármacos es, por lo tanto, un tema de investigación atractivo en la química medicinal actual. [ 46 ] Los inhibidores de proteasa son agentes atractivos en el tratamiento de enfermedades específicas; por ejemplo, la elastasa es de importancia crítica en enfermedades como el enfisema pulmonar , lo que motiva una mayor investigación sobre los inhibidores de proteasa de microalgas como estructuras líderes valiosas en el desarrollo farmacéutico. [ 47 ]

Biopelícula

Formación de biopelículas

El primer paso en la formación de biopelículas es la adhesión. La adhesión bacteriana inicial a las superficies implica interacciones adhesina-receptor. Ciertos polisacáridos, lípidos y proteínas en la matriz funcionan como agentes adhesivos. El EPS también promueve la cohesión célula-célula (incluido el reconocimiento entre especies) para facilitar la agregación microbiana y la formación de biopelículas. [ 48 ] En general, la matriz basada en EPS media el ensamblaje de la biopelícula de la siguiente manera. Primero, la formación de EPS tiene lugar en el sitio de adhesión, ya sea producido en las superficies bacterianas o secretado en la superficie de fijación, y forma una matriz polimérica inicial que promueve la colonización microbiana y la agrupación celular. Luego, la producción continua de EPS expande aún más la matriz en 3 dimensiones mientras forma un núcleo de células bacterianas. El núcleo bacteriano proporciona un marco de soporte y facilita el desarrollo de cúmulos 3D y la agregación de microcolonias. [ 49 ] Estudios sobre P. aeruginosa , B. subtilis , V. cholerae y S. mutans sugirieron que la transición de la agrupación celular inicial a la microcolonia parece estar conservada entre diferentes organismos modelo formadores de biopelículas. [ 49 ] Como ejemplo, S. mutans produce una exoenzima, llamada glucosiltransferasa (Gtf), que sintetiza glucanos in situ utilizando azúcares de la dieta del huésped como sustratos. Las Gtf incluso se unen a las bacterias que no sintetizan Gtf y, por lo tanto, facilitan la coadhesión entre especies y entre reinos. [ 50 ]

Importancia en biopelículas

Posteriormente, a medida que se establece el biofilm, el EPS proporciona estabilidad física y resistencia a la remoción mecánica, los antimicrobianos y la inmunidad del huésped. Los exopolisacáridos y el ADN ambiental (eDNA) contribuyen a la viscoelasticidad de los biofilms maduros, de modo que el desprendimiento del biofilm del sustrato será difícil incluso bajo una tensión de cizallamiento de fluido sostenida o alta presión mecánica. [ 51 ] Además de la resistencia mecánica, el EPS también promueve la protección contra los antimicrobianos y una mayor tolerancia a los fármacos. [ 52 ] Los antimicrobianos no pueden difundirse a través de la barrera de EPS, lo que resulta en un acceso limitado de los fármacos a las capas más profundas del biofilm. [ 53 ] Además, los agentes con carga positiva se unirán al EPS con carga negativa, lo que contribuye a la tolerancia antimicrobiana de los biofilms y permite la inactivación o degradación de los antimicrobianos por las enzimas presentes en la matriz del biofilm. El EPS también funciona como un reservorio local de nutrientes de varias biomoléculas, como los polisacáridos fermentables. [ 54 ] Un estudio sobre V. cholerae en 2017 sugirió que, debido a las diferencias de presión osmótica en los biofilms de V. cholerae , las colonias microbianas se hinchan físicamente, maximizando así su contacto con superficies nutritivas y, por lo tanto, la absorción de nutrientes. [ 55 ]

En biopelículas de microalgas

El EPS se encuentra en la matriz de otros biofilms microbianos, como los biofilms de microalgas . La formación del biofilm y la estructura del EPS comparten muchas similitudes con las bacterianas. La formación del biofilm comienza con la absorción reversible de células flotantes a la superficie. Posteriormente, con la producción de EPS, la adsorción se vuelve irreversible. El EPS coloniza las células en la superficie mediante enlaces de hidrógeno. La replicación de los primeros colonizadores se ve facilitada por la presencia de moléculas orgánicas en la matriz, que proporcionan nutrientes a las células de las algas. A medida que los colonizadores se reproducen, el biofilm crece y se convierte en una estructura tridimensional. [ 56 ] Los biofilms de microalgas constan de un 90 % de EPS y un 10 % de células de algas. El EPS de las algas tiene componentes similares al bacteriano; está compuesto por proteínas, fosfolípidos, polisacáridos, ácidos nucleicos, sustancias húmicas, ácidos urónicos y algunos grupos funcionales, como grupos fosfóricos, carboxílicos, hidroxilo y amino. Las células de las algas consumen EPS como fuente de energía y carbono. [ 57 ] Además, el EPS las protege de la deshidratación y refuerza la adhesión de las células a la superficie. En los biofilms de algas, el EPS tiene dos subcategorías: EPS soluble (sEPS) y EPS unido (bEPS), estando el primero distribuido en el medio y el segundo adherido a las células de las algas. [ 58 ] El EPS unido puede subdividirse a su vez en EPS fuertemente unido (TB-EPS) y EPS débilmente unido (LB-EPS). Varios factores contribuyen a la composición del EPS, incluyendo la especie, el tipo de sustrato, la disponibilidad de nutrientes, la temperatura, el pH y la intensidad de la luz. [ 59 ]

Ecología

Los exopolisacáridos pueden facilitar la adhesión de bacterias fijadoras de nitrógeno a las raíces de las plantas y partículas del suelo, lo que media una relación simbiótica . [ 60 ] Esto es importante para la colonización de las raíces y la rizosfera , que es un componente clave de las redes tróficas del suelo y el ciclo de nutrientes en los ecosistemas . También permite la invasión e infección exitosas de la planta huésped . [ 60 ] Las sustancias poliméricas extracelulares bacterianas pueden ayudar en la biorremediación de metales pesados ​​ya que tienen la capacidad de adsorber cationes metálicos, entre otras sustancias disueltas . [ 61 ] Esto puede ser útil en el tratamiento de sistemas de aguas residuales , ya que los biofilms pueden unirse y eliminar metales como cobre , plomo , níquel y cadmio . [ 61 ] La afinidad de unión y la especificidad de metales de EPS varían, dependiendo de la composición del polímero así como de factores como la concentración y el pH . [ 61 ] En un contexto geomicrobiológico , se ha observado que los EPS afectan la precipitación de minerales, particularmente carbonatos . [ 62 ] Los EPS también pueden unirse y atrapar partículas en suspensiones de biopelículas, lo que puede restringir la dispersión y el ciclo de elementos. [ 62 ] La estabilidad de los sedimentos puede aumentarse mediante los EPS, ya que influye en la cohesión , la permeabilidad y la erosión del sedimento. [ 62 ] Hay evidencia de que la adhesión y la capacidad de unión de metales de los EPS afectan las tasas de lixiviación de minerales tanto en contextos ambientales como industriales. [ 62 ] Estas interacciones entre los EPS y el ambiente abiótico permiten que los EPS tengan un gran impacto en el ciclo biogeoquímico . Interacciones depredador-presa entre biopelículas y bacteriófagos , como el nematodo que habita en el suelo Caenorhabditis elegans, se había estudiado extensamente. Mediante la producción de una matriz pegajosa y la formación de agregados, los biofilms de Yersinia pestis pueden impedir la alimentación al obstruir la boca de C. elegans . [ 63 ] Además, los biofilms de Pseudomonas aeruginosa pueden impedir la motilidad de deslizamiento de C. elegans , denominada " fenotipo de pantano ", lo que resulta en el atrapamiento de C. elegans dentro de los biofilms e impide que los nematodos exploren para alimentarse de biofilms susceptibles. [ 64 ] Esto redujo significativamente la capacidad del depredador para alimentarse y reproducirse, promoviendo así la supervivencia de los biofilms.

Los exopolisacáridos capsulares pueden proteger a las bacterias patógenas contra la desecación y la depredación , y contribuir a su patogenicidad . [ 60 ] Las bacterias sésiles fijadas y agregadas en biopelículas son menos vulnerables en comparación con las bacterias planctónicas flotantes , ya que la matriz de EPS puede actuar como una barrera de difusión protectora. [ 65 ] Las características físicas y químicas de las células bacterianas pueden verse afectadas por la composición de EPS, influyendo en factores como el reconocimiento celular, la agregación y la adhesión en sus entornos naturales. [ 65 ]

Usar

Hasta ahora, la producción de microalgas industriales a partir de biomasa se ha aplicado ampliamente en campos que van desde alimentos y piensos hasta productos químicos de alto valor para aplicaciones farmacéuticas y ecológicas. [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]

Aunque el cultivo comercial de microalgas se ha vuelto cada vez más popular, solo la biomasa algal se procesa para obtener los productos actuales, mientras que grandes volúmenes de sustratos libres de algas permanecen sin explotar en cultivos de flujo continuo y tras la cosecha de biomasa en cultivos por lotes. El reciclaje de sustratos para ahorrar costes de cultivo conlleva el riesgo de una inhibición del crecimiento. Los grandes volúmenes de sustratos usados ​​generan contaminación ambiental y aumentan el coste del agua y los nutrientes en el cultivo cuando se desechan directamente al medio ambiente. Por lo tanto, la aplicación de métodos de reciclaje, motivados por la generación simultánea de productos de alto valor a partir de sustratos usados, presenta un gran potencial tanto desde el punto de vista comercial como ambiental. [ 29 ]

Cosméticos y medicina

En las industrias nutracéuticas, Arthrospira ( Spirulina ) y Chlorella son las especies más importantes en la comercialización como alimentos saludables y suplementos nutricionales con varios beneficios para la salud que incluyen el fortalecimiento de la actividad del sistema inmunológico, efectos antitumorales y promoción del crecimiento animal, debido a sus abundantes proteínas, vitaminas, polisacáridos activos y otros compuestos importantes. [ 69 ] Los carotenoides de microalgas, con β-caroteno de Dunaliella y astaxantina de Haematococcus se producen comercialmente en procesos a gran escala. Los productos derivados de microalgas se están desarrollando con éxito actualmente para usos en cosméticos y productos farmacéuticos. [ 70 ] [ 71 ] Ejemplos incluyen los polisacáridos de cianobacterias utilizados en productos para el cuidado personal de la piel y extractos de Chlorella sp. que contienen oligopéptidos que pueden promover la firmeza de la piel. [ 72 ] En las industrias farmacéuticas se han identificado candidatos a fármacos con actividades antiinflamatorias, anticancerígenas y antiinfecciosas. [ 73 ] Por ejemplo, la adenosina de Phaeodactylum tricornutum puede actuar como agente antiarrítmico para el tratamiento de la taquicardia y el metabolito de algas verdes caulerpina se menciona en estudios de actividades antituberculosas. [ 74 ] [ 75 ]

Además, algunos polisacáridos extracelulares de microalgas poseen diversas bioactividades, incluyendo actividad antitumoral, antiinflamatoria y antiviral, lo que ofrece perspectivas prometedoras para aplicaciones farmacéuticas. [ 76 ]

Alimentos y piensos

Las microalgas como Isochrysis galbana, Nannochlor opsisoculata , Chaetoceros muelleri , Chaetoceros gracilis y P. tricornutum se han utilizado durante mucho tiempo en acuicultura como fuentes de alimento directas o indirectas en criaderos para proporcionar excelentes condiciones nutricionales para los juveniles tempranos de peces, mariscos y camarones de cultivo. [ 77 ] [ 78 ]

Además, la capa de EPS actúa como una trampa de nutrientes, facilitando el crecimiento bacteriano . [ 65 ] Los exopolisacáridos de algunas cepas de bacterias lácticas , por ejemplo, Lactococcus lactis subsp. cremoris , aportan una textura gelatinosa a los productos lácteos fermentados (por ejemplo, Viili ), y estos polisacáridos también son digeribles. [ 79 ] [ 80 ] Un ejemplo del uso industrial de exopolisacáridos es la aplicación de dextrano en el panettone y otros panes en la industria panadera. [ 81 ]

B. subtilis ha despertado interés por sus propiedades probióticas debido a su biopelícula, que le permite mantener eficazmente un microambiente favorable en el tracto gastrointestinal. Para sobrevivir al paso por el tracto gastrointestinal superior, B. subtilis produce una matriz extracelular que lo protege de entornos estresantes, como el ambiente altamente ácido del estómago. [ 82 ]

Energía

La producción de microalgas oleaginosas se está volviendo atractiva como fuente alternativa de biocombustibles con potencial para satisfacer la demanda mundial de bioenergía renovable. [ 83 ] La recuperación mejorada de petróleo (EOR) utilizando biopolímeros extracelulares de microalgas puede ser un campo de aplicación emergente. [ 84 ]

En los últimos años, se ha descubierto que los azúcares EPS de bacterias marinas aceleran la limpieza de derrames de petróleo. [ 85 ] Durante el derrame de petróleo de Deepwater Horizon en 2010, estas bacterias productoras de EPS pudieron crecer y multiplicarse rápidamente. [ 85 ] Posteriormente se descubrió que sus azúcares EPS disolvían el petróleo y formaban agregados de petróleo en la superficie del océano, lo que aceleraba el proceso de limpieza. [ 85 ] Estos agregados de petróleo también proporcionaban una valiosa fuente de nutrientes para otras comunidades microbianas marinas. Esto permitió a los científicos modificar y optimizar el uso de los azúcares EPS para limpiar derrames de petróleo . [ 85 ]

Agricultura y descontaminación

Durante el crecimiento, las microalgas producen y secretan metabolitos como acetato o glicerol al medio. [ 86 ] Los metabolitos extracelulares (ME) de las microalgas tienen importantes implicaciones ecológicas. Por ejemplo, las microalgas marinas liberan una gran cantidad de sustancias orgánicas disueltas (SOD), que sirven como fuentes de energía para los heterótrofos en las interacciones simbióticas alga-bacteria. [ 87 ] Las excreciones al espacio pericelular determinan, en gran medida, el curso de las interacciones alelopáticas entre las microalgas y otros microorganismos. [ 88 ] Algunos compuestos alelopáticos de las microalgas se reconocen como herbicidas ecológicos o agentes de biocontrol con perspectivas directas para su uso biotecnológico. [ 89 ]

En B. subtilis , se ha demostrado que tanto el componente de la matriz proteica, TasA, como el exopolisacárido son esenciales para la colonización efectiva de las raíces de las plantas en Arabidopsis y tomate. [ 52 ] También se sugirió que TasA desempeña un papel importante en la mediación de la agregación interespecífica con estreptococos. [ 90 ]

Debido a la creciente necesidad de encontrar una alternativa más eficiente y respetuosa con el medio ambiente a los métodos convencionales de eliminación de residuos, las industrias están prestando más atención a la función de las bacterias y sus azúcares EPS en la biorremediación . [ 91 ]

Los investigadores descubrieron que agregar azúcares EPS de cianobacterias a las aguas residuales elimina metales pesados ​​como el cobre , el cadmio y el plomo . [ 91 ] Los azúcares EPS por sí solos pueden interactuar físicamente con estos metales pesados ​​y absorberlos mediante biosorción . [ 91 ] La eficiencia de eliminación se puede optimizar tratando los azúcares EPS con diferentes ácidos o bases antes de agregarlos a las aguas residuales. [ 91 ] Algunos suelos contaminados contienen altos niveles de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP); los EPS de la bacteria Zoogloea sp . y del hongo Aspergillus niger son eficientes en la eliminación de estos compuestos tóxicos. [ 92 ] Los EPS contienen enzimas como la oxidorreductasa y la hidrolasa , que son capaces de degradar los HAP. [ 92 ] La cantidad de degradación de HAP depende de la concentración de EPS agregada al suelo. Este método demuestra ser de bajo costo y altamente eficiente. [ 92 ]

Nuevos enfoques para combatir las biopelículas

La aplicación de nanopartículas (NP) es una de las técnicas novedosas y prometedoras para atacar biopelículas debido a su alta relación superficie-volumen, su capacidad de penetrar a las capas más profundas de las biopelículas y la capacidad de liberar agentes antimicrobianos de forma controlada. El estudio de las interacciones NP-EPS podría proporcionar una comprensión más profunda sobre cómo desarrollar nanopartículas más efectivas. [ 3 ] Se han desarrollado nanotransportadores de "liberación inteligente" que pueden penetrar biopelículas y ser activados por microambientes patógenos para administrar fármacos o compuestos multifuncionales, como nanopartículas catalíticas a aptámeros, dendrímeros y péptidos bioactivos) para alterar el EPS y la viabilidad o actividad metabólica de las bacterias incrustadas. Algunos factores que alterarían el potencial de las NP para transportar agentes antimicrobianos al biofilm incluyen las interacciones fisicoquímicas de las NP con los componentes del EPS, las características de los espacios de agua (poros) dentro de la matriz de EPS y la viscosidad de la matriz de EPS. [ 93 ] El tamaño y las propiedades superficiales (carga y grupos funcionales) de las NP son los principales determinantes de la penetración y la interacción con el EPS. [ 3 ] Otra estrategia potencial contra los biofilms es la terapia con fagos. Se ha sugerido que los bacteriófagos, virus que invaden células bacterianas huésped específicas, son agentes eficaces para penetrar los biofilms. [ 18 ] Para alcanzar la máxima eficacia en la erradicación de biofilms, las estrategias terapéuticas deben dirigirse tanto a los componentes de la matriz del biofilm como a los microorganismos incrustados para abordar el complejo microambiente del biofilm. [ 18 ]

Véase también

Referencias

 Este artículo incorpora textos de Lu Liu, Georg Pohnert y Dong Wei, disponibles bajo la licencia CC BY 4.0 .

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