A diario se producen en la naturaleza infinidad de fascinantes procesos que, independientemente de la utilidad que los humanos podamos obtener de ellos, son de gran importancia para muchos otros seres vivos. Un fascinante ejemplo es que le voy a contar en este post en el que a través de un paseo por la microbiología, la enzimología, la biotecnología, la química y la nanotecnología les mostraré como una lucha a muerte entre dos microorganismos por obtener una fuente de alimentación puede dar lugar a un revolucionario perfume. Comencemos.
Imagínense un ring de boxeo. En una esquina del cuadrilátero se encuentra Lactobacillus helveticus, un tipo de bacteria empleada para hacer derivados lácteos. En la otra esquina está su eterno rival, Thermococcus sp. Strain B1001, una arqueobacteria hipertermofílica que vive en ambientes extremadamente calientes. El objetivo de la lucha entre ambos microorganismos no es otro que adueñarse del almidón presente en una patata situada en el centro del ring para poder utilizarlo como fuente de energía.
Estructura de la amilosa y la amilopectina que forman el almidón. Alimentos ricos en almidón (Fuentes: trecetas.com & Medline Plus)
A pesar de que tanto Lactobacillus como Thermococcus persiguen el mismo fin, una vez que comienza la pelea en el ring la estrategia que emplean es diferente. En la lucha Lactobacillus expulsa al medio de reacción extracelular en el que se encuentra el almidón un sistema catalítico formado por las enzimas beta-amilasa, alfa-amilasa, pululanasa e isoamilasa. Su idea es que dichas enzimas degraden el almidón presente en la patata para convertirlo en maltodextrinas y en maltosa. A continuación, y gracias a una proteína presente en la pared celular, las maltodextrinas y la maltosa lograrían entrar en el interior de la célula donde servirían como fuente de carbono. De esta forma Lactobacillus piensa obtener a partir del almidón la energía necesaria para sobrevivir ganándole la partida a Thermococcus.
Pero la arqueobacteria Thermococcus es mucho más inteligente que Lactobacillus y usa una táctica totalmente distinta. En vez de utilizar el sistema de enzimas amilasas/pulanasas que despliega en el ring su adversario, Thermococcus excreta al medio extracelular una enzima llamada ciclodextrina-glicosil-transferasa (CGT-asa). Dicha enzima emplea el mismo sustrato que las amilasas, el almidón, pero el producto de la reacción no son ni maltodextrinas ni maltosas… sino unas moléculas denominadas ciclodextrinas con las que la arqueobacteria Thermococcus le gana la batalla pugilística a Lactococcus.
Ciclodextrin-glicosil-transferasa y beta-ciclodextrina
¿Y por qué las ciclodextrinas producidas por Thermococcus a partir del almidón de la patata le dan la victoria a este microorganismo? Por dos razones. La primera es que las ciclodextrinas sintetizadas por Thermococcus inactivan el centro activo de las enzimas empleadas por su gran rival, Lactobacillus, para degradar el almidón. La segunda es que el sistema de amilasas/pulanasas que tiene Lactobacillus no es capaz de degradar la ciclodextrina generada por Thermococcus. Estas dos razones provocan que Lactobacillus se quede sin fuente de carbono tras el combate en el ring. Thermococcus ha ganado el combate… o eso cree él.
Mecanismos de degradación del almidón. (Izquierda: Lactobacillus. Derecha: Thermococcus)
Para culminar su gran triunfo Thermococcus solamente tiene que introducir la ciclodextrina sintetizada en el interior de la célula y emplearla como fuente de carbono. Sin embargo, justo antes de que “se coma” la ciclodextrina para obtener energía, los seres humanos, conocedores del maravilloso valor industrial de esta molécula del que les hablaré más tarde, intervenimos en el sistema mediante dos estrategias. Por un lado le robamos la ciclodextrina a Thermococcus y, por otro, ideamos mecanismos para producir aun más cantidad de ciclodextrinas. De esta forma el pobre Thermococcus, después de ganarle brillantemente la pelea pugilística a Lactobacillus, se queda también sin comida por culpa del afán del hombre por apropiarse por las ciclodextrinas.
Para incrementar la cantidad de ciclodextrinas, los hombres suelen emplear dos estrategias, una basada en procesos microbiológicos y bioquímicos y otra fundamentada en procesos biotecnológicos. La primera de ellas consiste en aislar aquellos microorganismos como Thermococcus que contengan la enzima responsable de formar la ciclodextrina (CGT-asa), purificar dicha enzima y finalmente emplearla para degradar almidón de forma que se sintetice la ciclodextrina. La segunda estrategia posible se basa en el diseño, mediante ingeniería genética, de la enzima CGT-asa sin necesidad de emplear los microorganismos como fuente de la enzima.
Pero si ustedes están siguiendo correctamente el hilo de este post deberían estar preguntándose… ¿qué propiedades tienen esas ciclodextrinas que tanto son deseadas por el hombre? Las ciclodextrinas moléculas muy simples formadas por diferentes moléculas de glucosa unidas por enlaces α-1-4-glucosídicos. El número de unidades de glucosa determina el nombre de cada ciclodextrina, que es designada por una letra griega: α-CD (6 unidades de glucosa), β-CD (7 unidades de glucosa) γ-CD (8 unidades de glucosa), etc. Además, las ciclodextrinas están sujetas a posibles adiciones, sustituciones o eliminaciones que den lugar a modificaciones en su estructura.
Ciclodextrinas naturales
La peculiaridad de estas maravillosas moléculas es que, estructuralmente, las ciclodextrinas tienen forma de anillo tronco cónico con un interior altamente apolar y un exterior muy hidrofílico lo que les otorga una capacidad para encapsular una amplia variedad de moléculas orgánicas e inorgánicas, comúnmente denominadas moléculas huésped, dentro de su cavidad interna.
Pero las ciclodextrinas producidas por la arqueobacteria Thermococcus tienen otra particularidad. Al no ser cápsulas cerradas, sino que presentan forma de “donuts”, las moléculas que quedan atrapadas en su interior son liberadas poco a poco al medio externo. Pues bien, ese fenómeno de liberación controlada o “release” está siendo aprovechado por diferentes sectores industriales. Entre ellos destacan la alimentación donde las ciclodextrinas forman parte de alimentos funcionales, la medicina en las que se emplean en el tratamiento de determinadas enfermedades, la farmacología donde las ciclodextrinas se usan en el diseño de nuevos fármacos, la industria textil en las que se usan como blanqueadores de tejidos… y también la industria de la cosmética, uno de los sectores empresariales que más dinero factura anualmente.
Proceso de encapsulación molecular.
¿Y para qué usan las principales marcas cosméticas las ciclodextrinas? Veamos.
Uno de los grandes inconvenientes que tienen muchos perfumes es que presentan un aroma muy intenso en primera instancia pero que se pierde rápidamente. Los compuestos responsables del olor se volatilizan al poco tiempo de usar el perfume y la fragancia desaparece. Pues bien, las empresas de cosmética más importantes del mundo están empleando la encapsulación molecular para solventar este problema.
La primera empresa que empleó ciclodextrinas en la formulación de sus perfumes fue Shiseido, una de las marcas de cosmética más importantes del mundo. La empresa japonesa decidió emplear estas moléculas, originadas en la lucha entre Thermococcus y Lactobacillus, para diseñar su perfume “Vivace”. Mediante un innovador proceso diferentes aromas fueron encapsulados en el interior de las ciclodextrinas. Al adicionar el perfume sobre la piel los aromas encapsulados se liberaban poco a poco y de esta forma la intensidad del perfume perduraba más tiempo.
Perfume “Vivace” de Shiseido.
Desde que Shiseido decidió incorporar las ciclodextrinas a la formulación de sus perfumes los departamentos de Investigación y Desarrollo de muchas de las empresas de cosméticos, utilizando la nanotecnología como herramienta, encapsulan a diario aromas como el linalool, el mentol, geraniol y otras sustancias para asegurar que el olor de sus fragancias no se pierde rápidamente… y todo gracias a todos los estudios que descubrieron como Lactobacillus y Thermococcus luchaban por el almidón presente en los alimentos.
Estimados lectores, como han comprobado el conocimiento de los distintos fenómenos que ocurren en la naturaleza es esencial para el diseño de infinidad de productos que empleamos en el día a día. En este post les he demostrado como la investigación básica realizada para conocer los diferentes mecanismos de actuación de distintos microorganismos en su búsqueda de una fuente de alimentación es absolutamente fundamental para el avance en la investigación, desarrollo e innovación de famosos productos comercializados por grandes multinacionales…. lo que vuelve a poner en evidencia, una vez más, que intentar desvincular la investigación básica de la aplicada es un grave error en el cual no se debe caer.
Jose
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Nota: Este post supone mi primera colaboración en BIOTEKIS donde fue publicado en el día de ayer.
Fuente
Scientia / facebook.com / twitter.com / youtube.com / ivoox.com
Página web dedicada al blog de divulgación científica Scientia, una de las bitácoras más leídas en lengua castellana cuyo responsable es José Manuel López Nicolás, profesor de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad de Murcia.
