Proteína unicelular

Las proteínas unicelulares ( SCP ) o proteínas microbianas ^{[ 1 ]} se refieren a microorganismos unicelulares comestibles . ^{[ a ]} La biomasa o el extracto proteico de cultivos puros o mixtos de algas , levaduras , hongos o bacterias puede utilizarse como ingrediente o sustituto de alimentos ricos en proteínas, y es apto para el consumo humano o como alimento para animales. La agricultura industrial se caracteriza por una alta huella hídrica , ^{[ 2 ]} un alto uso de la tierra, ^{[ 3 ]} destrucción de la biodiversidad, ^{[ 3 ]} degradación ambiental general ^{[ 3 ]} y contribuye al cambio climático mediante la emisión de un tercio de todos los gases de efecto invernadero ; ^{[ 4 ]} la producción de SCP no necesariamente presenta ninguno de estos graves inconvenientes. Actualmente, las SCP se cultivan comúnmente en residuos agrícolas y, como tales, heredan la huella ecológica y la huella hídrica de la agricultura industrial. Sin embargo, las SCP también pueden producirse de forma totalmente independiente de los residuos agrícolas mediante crecimiento autotrófico . ^{[ 5 ]} Gracias a la alta diversidad del metabolismo microbiano, la SCP autotrófica proporciona varios modos de crecimiento diferentes, opciones versátiles de reciclaje de nutrientes y una eficiencia sustancialmente mayor en comparación con los cultivos. ^{[ 5 ]} Una publicación de 2021 mostró que la producción de proteína microbiana impulsada por energía fotovoltaica podría usar 10 veces menos tierra para una cantidad equivalente de proteína en comparación con el cultivo de soja. ^{[ 1 ]}

Con una población mundial que alcanzará los 9 mil millones para 2050, hay fuertes evidencias de que la agricultura no podrá satisfacer la demanda ^{[ 6 ]} y que existe un grave riesgo de escasez de alimentos. ^{[ 7 ] [ 8 ]} La SCP autotrófica representa opciones de producción masiva de alimentos a prueba de fallos que pueden producir alimentos de manera confiable incluso en condiciones climáticas adversas. ^{[ 5 ]}

En 1781, se establecieron procesos para preparar formas altamente concentradas de levadura. La investigación sobre la tecnología de proteína de célula única comenzó hace más de un siglo cuando Max Delbrück y sus colegas descubrieron el alto valor de la levadura de cerveza sobrante como suplemento alimenticio para animales. ^{[ 9 ]} Durante la Primera y la Segunda Guerra Mundial , la levadura-SCP se empleó a gran escala en Alemania para contrarrestar la escasez de alimentos durante la guerra. Las invenciones para la producción de SCP a menudo representaron hitos para la biotecnología en general: por ejemplo, en 1919, Sak en Dinamarca y Hayduck en Alemania inventaron un método llamado "Zulaufverfahren" ( alimentación por lotes ), en el que se alimentaba continuamente una solución de azúcar a una suspensión aireada de levadura en lugar de agregar la levadura a la solución de azúcar diluida una sola vez ( lote ). ^{[ 9 ]} En el período de posguerra, la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) hizo hincapié en los problemas de hambre y malnutrición en el mundo en 1960 e introdujo el concepto de brecha proteica, mostrando que el 25% de la población mundial tenía una deficiencia de ingesta de proteínas en su dieta. ^{[ 9 ]} También se temía que la producción agrícola no pudiera satisfacer la creciente demanda de alimentos de la humanidad. A mediados de la década de 1960, se producían casi un cuarto de millón de toneladas de levadura alimentaria en diferentes partes del mundo y solo la Unión Soviética produjo unas 900 000 toneladas para 1970 de levadura alimentaria y forrajera. ^{[ 9 ]}

En la década de 1960, investigadores de BP desarrollaron lo que denominaron "proceso de proteínas a partir de petróleo": una tecnología para producir proteína unicelular mediante levadura alimentada con n- parafinas cerosas, un subproducto de las refinerías de petróleo. El trabajo de investigación inicial fue realizado por Alfred Champagnat en la refinería de BP en Lavera , Francia; una pequeña planta piloto comenzó a operar allí en marzo de 1963, y se autorizó la construcción de una segunda planta piloto en la refinería de petróleo de Grangemouth , en Gran Bretaña. ^{[ 10 ]}

El término SCP fue acuñado en 1966 por Carroll L. Wilson del MIT . ^{[ 11 ]}

La idea de los "alimentos a partir de aceite" se popularizó bastante en la década de 1970, y Champagnat recibió el Premio de Ciencias de la UNESCO en 1976, ^{[ 12 ]} y se construyeron instalaciones para la producción de levadura alimentada con parafina en varios países. El uso principal del producto era como alimento para aves de corral y ganado. ^{[ 13 ]}

Los soviéticos se mostraron particularmente entusiastas, abriendo grandes plantas de "BVK" ( belkovo-vitaminny kontsentrat , es decir, "concentrado de proteínas y vitaminas") junto a sus refinerías de petróleo en Kstovo (1973) ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} y Kirishi (1974). ^{[ 17 ]} El Ministerio de Industria Microbiológica soviético contaba con ocho plantas de este tipo en 1989. Sin embargo, debido a la preocupación por la toxicidad de los alcanos en el SCP y a la presión de los movimientos ecologistas, el gobierno decidió cerrarlas o convertirlas a otros procesos microbiológicos. ^{[ 17 ]}

Quorn es una gama de sustitutos de la carne, vegetarianos y veganos, elaborados a partir de la micoproteína de Fusarium venenatum , que se venden en Europa y Norteamérica.

Otro tipo de análogo de carne basado en proteínas unicelulares (que, sin embargo, no utiliza hongos sino bacterias ^{[ 18 ]} ) es Calysta . Otros productores son Unibio (Dinamarca), Circe Biotechnologie (Austria) y String Bio (India).

Se ha argumentado que el SCP es una fuente de alimentos alternativos o resilientes. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Las proteínas unicelulares se desarrollan cuando los microbios fermentan materiales de desecho (incluyendo madera, paja, desechos de conserveras y procesamiento de alimentos, residuos de la producción de alcohol, hidrocarburos o excrementos humanos y animales). ^{[ 21 ]} En los procesos de "alimentos eléctricos", los insumos son electricidad, CO ₂ y oligoelementos y productos químicos como fertilizantes. ^{[ 22 ]} También es posible obtener SCP a partir de gas natural para usarlo como alimento resiliente . ^{[ 23 ]} De manera similar, se puede obtener SCP a partir de plástico de desecho mediante el reciclaje creativo . ^{[ 24 ]}

El problema de extraer proteínas unicelulares de los residuos radica en la dilución y el coste. Estas proteínas se encuentran en concentraciones muy bajas, generalmente inferiores al 5 %. Los ingenieros han desarrollado métodos para aumentar dichas concentraciones, como la centrifugación, la flotación, la precipitación, la coagulación y la filtración, o el uso de membranas semipermeables.

La proteína unicelular debe deshidratarse hasta alcanzar aproximadamente un 10 % de humedad y/o acidificarse para facilitar su almacenamiento y evitar su deterioro. Los métodos para aumentar la concentración a niveles adecuados y el proceso de deshidratación requieren equipos costosos que no siempre son aptos para operaciones a pequeña escala. Resulta económicamente conveniente utilizar el producto localmente y poco después de su producción.

Entre los microorganismos empleados se incluyen (nombres de marca entre paréntesis para ejemplos comercializados):

La producción a gran escala de biomasa microbiana presenta muchas ventajas sobre los métodos tradicionales de producción de proteínas para alimentos o piensos.

1. Los microorganismos tienen una tasa de crecimiento mucho mayor (algas: 2-6 horas, levaduras: 1-3 horas, bacterias: 0,5-2 horas). Esto también permite seleccionar cepas con alto rendimiento y buena composición nutricional de forma más rápida y sencilla que mediante el mejoramiento genético.
2. Si bien gran parte de los cultivos, como tallos, hojas y raíces, no son comestibles, los microorganismos unicelulares pueden utilizarse por completo. Aunque algunas partes de la fracción comestible de los cultivos son indigeribles, muchos microorganismos son digeribles en una proporción mucho mayor. ^{[ 5 ]}
3. Los microorganismos suelen tener un contenido proteico mucho mayor, entre el 30 y el 70 % en la masa seca, que las verduras o los cereales. ^{[ 34 ]} Los perfiles de aminoácidos de muchos microorganismos SCP suelen tener una excelente calidad nutricional, comparable a la de los huevos de gallina.
4. Algunos microorganismos pueden sintetizar vitaminas y nutrientes que los organismos eucariotas, como las plantas, no pueden producir o no producen en cantidades significativas, incluida la vitamina B12.
5. Los microorganismos pueden utilizar una amplia gama de materias primas como fuentes de carbono, incluyendo alcanos, metanol, metano, etanol y azúcares. Lo que antes se consideraba un "producto de desecho" a menudo puede recuperarse como nutrientes y favorecer el crecimiento de microorganismos comestibles.
   • Al igual que las plantas, los microorganismos autótrofos son capaces de crecer en CO₂ _. Algunos de ellos, como las bacterias con la vía de Wood-Ljungdahl o el TCA reductivo, _pueden fijar CO₂ con eficiencias que van de 2 a 3 veces ^{[ 35 ]} a 10 veces más eficientemente que las plantas, ^{[ 36 ]} cuando también se consideran los efectos de la fotoinhibición .
6. Algunas bacterias, como varias especies de clostridios homoacetogénicos, son capaces de realizar la fermentación del gas de síntesis . Esto significa que pueden metabolizar el gas de síntesis , una mezcla de gases compuesta por CO, H₂ _y CO₂ _que se puede obtener mediante la gasificación de residuos biológicos difíciles de tratar, como la lignocelulosa.
   • Algunas bacterias son diazotróficas, es decir, pueden fijar N₂ _del aire y, por lo tanto, son independientes de los fertilizantes químicos nitrogenados, cuya producción, utilización y degradación causan un daño tremendo al medio ambiente, deterioran la salud pública y fomentan el cambio climático. ^{[ 37 ]}
   • Muchas bacterias pueden utilizar H₂ _como fuente de energía mediante enzimas llamadas hidrogenasas . Si bien las hidrogenasas suelen ser muy sensibles al _O₂ , algunas bacterias son capaces de realizar la respiración de H₂ _dependiente de O₂ _. Esta característica permite que las bacterias autótrofas crezcan en CO₂ _sin luz a un ritmo de crecimiento rápido. Dado que el H₂ _se puede producir eficientemente mediante electrólisis del agua , en cierto modo, estas bacterias pueden ser "alimentadas por electricidad". ^{[ 5 ]}
7. La producción de biomasa microbiana es independiente de las variaciones estacionales y climáticas, y puede protegerse fácilmente de los fenómenos meteorológicos extremos que, debido al cambio climático , podrían provocar malas cosechas . Los microorganismos que no requieren luz, como las levaduras, pueden seguir creciendo durante la noche.
8. El cultivo de microorganismos generalmente tiene una huella hídrica mucho menor que la producción agrícola de alimentos. Mientras que la huella hídrica azul-verde promedio mundial (agua de riego, superficial, subterránea y pluvial) de los cultivos alcanza aproximadamente 1800 litros por kg de cultivo ^{[ 2 ]} debido a la evaporación, la transpiración, el drenaje y la escorrentía, los biorreactores cerrados que producen SCP no presentan ninguna de estas causas.
9. El cultivo de microorganismos no requiere suelo fértil y, por lo tanto, no compite con la agricultura. Gracias a sus bajos requerimientos hídricos, el cultivo de microorganismos puede realizarse incluso en climas secos con suelos infértiles y puede proporcionar un medio de suministro de alimentos infalible en países áridos.
10. Los microorganismos fotosintéticos pueden alcanzar una mayor eficiencia en la conversión de energía solar que las plantas, porque en los fotobiorreactores se puede controlar con precisión el suministro de agua, CO2 y una distribución equilibrada de la luz _.
11. A diferencia de los productos agrícolas, que se procesan para obtener una calidad específica, con los microorganismos es más sencillo dirigir la producción hacia dicha calidad. En lugar de extraer aminoácidos de la soja y desechar la mitad de la planta, los microorganismos pueden modificarse genéticamente para sobreproducir o incluso secretar un aminoácido en particular. Sin embargo, para mantener una buena aceptación por parte del consumidor, suele ser más fácil obtener resultados similares seleccionando microorganismos que ya poseen la característica deseada o entrenándolos mediante adaptación selectiva.

Si bien el SCP presenta características muy atractivas como nutriente para los humanos, existen algunos problemas que dificultan su adopción a nivel mundial:

• Los microorganismos de rápido crecimiento, como las bacterias y las levaduras, tienen una alta concentración de ácido nucleico , especialmente ARN. Sus niveles deben limitarse en la dieta de los animales monogástricos a menos de 50 g por día. La ingestión de compuestos de purina derivados de la degradación del ARN provoca un aumento de los niveles plasmáticos de ácido úrico , lo que puede causar gota y cálculos renales . El ácido úrico puede convertirse en alantoína , que se excreta en la orina. La eliminación de ácido nucleico no es necesaria en los piensos para animales, pero sí en los alimentos para humanos (los humanos han perdido partes de la vía catabólica del ácido úrico durante su evolución). ^{[ 38 ]}

Sin embargo, este problema puede remediarse. Un método común consiste en un tratamiento térmico que mata las células, inactiva las proteasas y permite que las ARNasas endógenas hidrolicen el ARN, liberando nucleótidos de la célula al caldo de cultivo. ^{[ 38 ]}

• De forma similar a las células vegetales, la pared celular de algunos microorganismos, como las algas y las levaduras, contiene componentes indigeribles, como la celulosa. Las células de algunos tipos de SCP deben romperse para liberar el interior celular y permitir una digestión completa. ^{[ 39 ]}
• Ciertos tipos de SCP presentan colores y sabores desagradables.
• Dependiendo del tipo de SCP y las condiciones de cultivo, se debe tener cuidado para prevenir y controlar la contaminación por otros microorganismos, ya que los contaminantes pueden producir toxinas como micotoxinas o cianotoxinas. Se propuso un enfoque interesante para abordar este problema con el hongo Scytalidium acidophilum , que crece a un pH tan bajo como 1, fuera del rango de tolerancia de la mayoría de los microorganismos. Esto le permite crecer en residuos de papel hidrolizados con ácido a bajo costo. ^{[ 29 ]}
• Algunas proteínas de levaduras y hongos son deficientes en metionina .

• Soleína : una proteína unicelular producida por Solar Foods Ltd., con sede en Finlandia. ^{[ 40 ]}
• Kiverdi, Inc ^{[ 41 ] [ 42 ]} y su subsidiaria Air Protein ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 40 ]} por Lisa Dyson . Con sede en California.
• Avecom - con sede en Bélgica ^{[ 40 ]}
• Unibio - con sede en Dinamarca ^{[ 45 ]}
• Calysta - con sede en California
• Circe Biotechnologie - con sede en Austria ^{[ 46 ]}
• Superbrewed Food (anteriormente White Dog Labs). Con sede en Delaware ^{[ 47 ]}
• Deep Branch - con sede en el Reino Unido ^{[ 40 ]}
• LanzaTech ^{[ 40 ]}
• Nature's Fynd - con sede en Chicago
• Kyanos ^{[ 48 ]}
• NovoNutrientes ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 42 ]}
• Biotecnología de rama profunda ^{[ 42 ] [ 51 ] [ 52 ]}
• Producción fermentativa de hidrógeno
• Hidrogenótrofos ^{[ 43 ]}
• Alimentos alternativos
• Cultivos microbianos de alimentos

• Contenido multimedia relacionado con las proteínas unicelulares en Wikimedia Commons.