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Algas parlantes: aprovechar el antiguo poder de las microalgas utilizando biología sintética

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Algas parlantes: aprovechar el antiguo poder de las microalgas utilizando biología sintética

Un ejemplo de dos cultivos de microalgas diferentes. Crédito: Provectus Algae
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Albert Einstein dijo la famosa frase: "la única fuente de conocimiento es la experiencia".

¿Qué pasa si llevamos este principio al extremo, digamos, millones o incluso miles de millones de años de experiencia viviendo en la Tierra? ¿Qué conocimiento podría estar disponible?

No necesitamos adivinar. Podemos buscar microalgas, algunos de los organismos más antiguos y "más experimentados" de nuestro planeta.

Pero, esto plantea la pregunta, ¿cómo los humanos aprovechan la "experiencia de vida" de las microalgas para adquirir conocimientos valiosos? Para hacerlo, debemos aprender a hablar su "idioma" y traducir esa información en aplicaciones útiles para la sociedad y sus industrias.Sorprendentemente, los avances recientes en biotecnología de microalgas, biología sintética y biofabricación lo están haciendo posible.

Microalgas: un largo currículum de éxitos


Durante su tiempo en el planeta, las microalgas han estado ocupadas. Dados cientos de millones de años de experimentación, las microalgas desarrollaron las habilidades genéticas y bioquímicas necesarias para sobrevivir y colonizar casi todos los tipos de ecosistemas de la Tierra, incluidos algunos de los más inhóspitos., 1 como el ambiente altamente salino del Mar Muerto. 2

La evolución continua necesaria para dominar los numerosos ecosistemas del planeta impulsó la creación de una impresionante diversidad de especies de microalgas, con estimaciones conservadoras de alrededor de 70.000 3 especies y otras que alcanzan entre 200.000 y varios millones. 1 , 4 A través de la selección natural, cada especie se ajustó a sus condiciones de luz específicas y recursos disponibles. Cada especie finalmente desarrolló perfiles de productos naturales únicos y características metabólicas, convirtiendo la luz y el CO2 en materiales orgánicos específicos necesarios para su supervivencia.

Si bien las microalgas se han utilizado en la alimentación y la nutrición en todo el mundo durante siglos 5 No fue hasta mediados del siglo XX que los científicos comenzaron a explorar la aplicación de microalgas en biotecnología. Los investigadores se dieron cuenta de que las microalgas podrían usarse como un chasis de expresión sostenible impulsado por la fotosíntesis.

El primer ejemplo exitoso ocurrió en la década de 1980 cuando los grupos comerciales cultivaron Dunaliella salina para producir β-caroteno, 6 un suplemento nutracéutico que el cuerpo convierte en vitamina A. Ahora sabemos que las especies de microalgas pueden producir una variedad de materiales de alto valor, como pigmentos, sabores, fragancias, factores de crecimiento, ácidos grasos, antioxidantes, oligosacáridos, proteínas, terpenos,aminoácidos, péptidos y muchos más materiales deseados por industrias clave. Hasta hace poco, la gran mayoría de la atención y la financiación de la biotecnología de algas se centraban en la producción de biocombustibles, con un éxito comercial limitado. 7

Más allá de los biocombustibles de algas


Para la década de 2000 y principios de la de 2010, los investigadores de biocombustibles quedaron cautivados por la capacidad de las microalgas para producir biomasa enriquecida con una colección diversa de moléculas de alta energía, como los ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga. 8

Sin embargo, desafíos tecnológicos específicos impidieron el éxito comercial. Los productores de biocombustibles lucharon para aumentar el cultivo de microalgas a escalas comerciales mientras mantenían tasas de crecimiento rápidas, eficiencia fotosintética, perfiles metabólicos ideales y estabilidad de las algas. 9 Si bien la exploración de la diversidad de microalgas sin explotar para encontrar un chasis de expresión más adecuado para su propósito podría resolver algunos de estos desafíos, la extracción de datos, la caracterización, la selección y el desarrollo de nuevas especies a menudo requería demasiado tiempo y trabajo. Como resultado,, los productores de biocombustibles se centraron principalmente en un pequeño subconjunto de especies de microalgas conocidas, lo que redujo la visión colectiva de las aplicaciones de microalgas.

Además, las microalgas cultivadas en sistemas de estanques al aire libre a gran escala eran propensas a la contaminación y la producción inconsistente. Desafortunadamente, los procesos de producción más estrictamente controlados que utilizan fotobiorreactores tampoco eran viables en ese momento, particularmente cuando se trataba de sufuente de luz. 9

Si bien los biocombustibles de microalgas aún tienen potencial, estos desafíos indican que es hora de considerar a las microalgas como un chasis de expresión para una gama más amplia de materiales, particularmente aquellos requeridos a escalas más pequeñas que los biocombustibles. Impulsadas por los hallazgos de la investigación de biocombustibles, las organizaciones ahora se están dando cuentalas ricas oportunidades de usar microalgas para producir productos de alto valor y bajo volumen. 10 Los descubrimientos de relevancia comercial crecerán exponencialmente a medida que se caractericen más especies de microalgas, ya que solo un pequeño número ~ 15 se cultiva a escalas comerciales significativas en la actualidad.

Desbloqueo de especies de microalgas en la nueva era de la biología sintética


Solo en los últimos años, los enfoques avanzados de biología sintética han hecho que el descubrimiento y el mapeo de especies de microalgas y su potencial específico de la industria y la molécula sea mucho más eficiente y con un propósito específico. 11 Además de las técnicas mejoradas de transferencia de genes recombinantes y edición del genoma, 12 el crecimiento exponencial de la inteligencia artificial IA y el aprendizaje automático ha hecho que la administración y el análisis de grandes conjuntos de datos sea mucho más rápido y menos laborioso. 13 A su vez, esto permite un mejor modelado del perfil metabólico, proporcionando predicciones más precisas de la capacidad de cada especie para producir un material específico. Ahora, las personas que buscan alternativas biofabricadas a materiales específicos sintetizados químicamente pueden buscar más fácilmente una especie preparada naturalmente para producirlo.o un precursor relacionado.

Estos avances también han permitido una mejor caracterización de estas especies y sus requisitos de cultivo específicos. Por lo tanto, los investigadores pueden identificar más rápidamente las condiciones óptimas que permiten que microalgas específicas crezcan rápidamente y produzcan sus moléculas objetivo.

Fabricación a escala: iluminando el camino con herramientas integrales de algas

Iluminación de cultivos de microalgas a pequeña escala. Crédito: Provectus Algae

Aprovechar las capacidades de bioproducción de las especies de microalgas también requiere una nueva tecnología de fabricación avanzada para resolver los desafíos históricos de escalado de las microalgas.

Lo más importante es que la última década de investigación sobre algas ha cimentado que las condiciones de luz impactan masivamente el crecimiento de las algas, la expresión genética y la producción de biomateriales en una base específica de especie. La luz es el medio principal por el cual las microalgas interactúan con su entorno. Por lo tanto, paraaprovechar la diversidad natural de las microalgas, debemos hablar de las algas usando la luz como nuestro idioma.

Todas las microalgas mantienen intrincados sistemas de detección de luz, compuestos por una red de fotorreceptores y vías de señalización asociadas. 14 Estos fotorreceptores controlan diferentes funciones biológicas y regulan la expresión genética específica para ayudar a las algas a responder a las condiciones ambientales cambiantes. Habiendo evolucionado en ecosistemas muy diferentes, estos fotosistemas varían significativamente entre especies, al igual que sus fotorreceptores y el in vivo funciones que controlan. 15 Por lo tanto, los biofabricantes deben comprender cómo funciona esta compleja red de fotorreceptores para cada especie. Con la capacidad de ajustar cuidadosamente la fotosíntesis, los biofabricantes pueden controlar el crecimiento, el desarrollo y la expresión de biomateriales de microalgas para satisfacer sus necesidades. Es importante destacar que la IA y la biología sintética también se enfocanayudar a los investigadores a determinar y aumentar tanto las condiciones ideales de luz como las condiciones que afectan la producción de materiales orgánicos valiosos y la expresión de genes recombinantes en todas las especies.

Para aprovechar la relación especial de las algas con la luz, los biofabricantes necesitaban fotobiorreactores capaces de proporcionar luz de alta intensidad en una variedad de longitudes de onda específicas y períodos de iluminación. Hasta hace unos años, esto era prácticamente imposible a escala comercial. Sin embargo,, los avances recientes en la tecnología LED ahora permiten enfoques de fotobiorreactores más avanzados, 16 resolviendo sus desafíos pasados. Si bien alguna vez se restringieron a longitudes de onda específicas, los LED ahora pueden producir luz en un espectro mucho más amplio. 17 Además, los LED ahora también son mucho más eficientes, más pequeños y más baratos 18 que aumenta drásticamente su viabilidad comercial en biorreactores. Juntos, estos avances LED hacen posible construir condiciones de luz ideales para especies de algas específicas sin limitaciones en cuanto al diseño del fotobiorreactor y los gastos de operación.

Si bien la mejora de la iluminación es el avance tecnológico más importante, la protección suficiente de las frágiles estructuras de las microalgas siguió siendo otro desafío persistente de ampliación. 19 Los nuevos enfoques de biorreactores y estrategias de cultivo también han ayudado a aumentar la estabilidad de las microalgas durante la biofabricación. Además, el avance de la dinámica de fluidos computacional ha aumentado nuestra capacidad para predecir y comprender la penetración de la luz en el agua, la eficiencia de transferencia de gas y el flujo de fluidos para proteger mejor a los frágilesespecies de algas que históricamente han sido difíciles de cultivar. 20 En combinación con los avances del LED, esto significa que los fotobiorreactores comercialmente viables ahora son posibles y están disponibles, lo que abre mayores oportunidades de escala.

Un futuro "brillante"


La enorme diversidad sin explotar de especies de microalgas representa una oportunidad excepcional para producir materiales importantes basándose en la experiencia evolutiva. Aunque relativamente pocas especies de microalgas han sido completamente exploradas y caracterizadas, se están realizando varios esfuerzos para traer más especies en línea. Tener una mayor comprensión deestas especies ya están dando dividendos, especialmente cuando se combinan con enfoques de biofabricación de extremo a extremo.

La comunidad de biotecnología de microalgas ha aprendido de los desafíos del pasado y ahora está lista para hacer que la bioproducción de microalgas sea algo común en muchas industrias, incluida la farmacéutica, biofarmacéutica, salud animal, agricultura, alimentos y bebidas, energía y más.miserables 200.000 años en nuestro haber, la experiencia humana también tiene sus méritos. Con este conocimiento acumulado, el futuro de las microalgas es al menos brillante por LED.

Referencias:

1. Singh J, Saxena RC. Capítulo 2: Introducción a las microalgas: diversidad y significado. En: Manual de microalgas marinas. Elsevier; 2015: 11-24. Doi: 10.1016 / B978-0-12-800776-1.00002-9
2. Oren A, Ionescu D, Hindiyeh M, Malkawid H. Microalgas y cianobacterias del Mar Muerto y sus manantiales circundantes. Revista de Ciencias Vegetales de Israel . 2008; 56 1-2: 1–13. Doi: 10.1560 / IJPS.56.1-2.1
3. Guiry MD. ¿Cuántas especies de algas hay? Revista de Phycology . 2012; 48 5: 1057–1063. Doi: 10.1111 / j.1529-8817.2012.01222.x
4. Norton TA, Melkonian M, Andersen RA. Biodiversidad de algas. Phycologia . 1996; 35 4: 308-326. Doi: 10.2216 / i0031-8884-35-4-308.1
5.García JL, de Vicente M, Galán B. Microalgas, antigua alimentación sostenible y nutracéuticos de moda. Microb Biotechnol . 2017; 10 5: 1017-1024. Doi: 10.1111 / 1751-7915.12800
6. Borowitzka MA. Biotecnología de algas. En: Sahoo D, Seckbach J, eds. El mundo de las algas. Origen celular, vida en hábitats extremos y astrobiología . Vol 26. Springer Países Bajos; 2015: 319-338. Doi: 10.1007 / 978-94-017-7321-8_11
7. ¿Rapier R. Biocombustibles de algas muertos? “No tan rápido”, dice el investigador de biocombustibles de algas. Forbes. http://www.forbes.com/sites/rrapier/2018/11/02/algal-biofuels-dead-not-so-fast-says-algal-biofuel-researcher/?sh=3ea8050a56c4 . Publicado el 2 de noviembre de 2018. Consultado el 8 de junio de 2021.
8. Georgianna RD, Mayfield SP. Explotación de la diversidad y la biología sintética para la producción de biocombustibles de algas. Naturaleza . 2012; 488 7411: 329-335. Doi: 10.1038 / nature11479
9. Randhawa KS, Relph LE, Armstrong MC, Rahman PKSM. Producción de biocombustible: aprovechamiento de las microalgas a pesar de los desafíos. biocombustibles . 2017; 8 2: 261-271. Doi: 10.1080 / 17597269.2016.1224290
10. Dolganyuk V, Belova D, Babich O, et al. Microalgas: una fuente prometedora de bioproductos valiosos. biomoléculas . 2020; 10 8: 1153. Doi: 10.3390 / biom10081153
11. Fabris M, Abbriano RM, Pernice M, et al. Tecnologías emergentes en biotecnología de algas: hacia el establecimiento de una bioeconomía sostenible basada en algas. Ciencia de la planta frontal . 2020; 11: 279. Doi: 10.3389 / fpls.2020.00279
12. Doron L, Segal N, Shapira M. Expresión transgénica en microalgas: desde herramientas hasta aplicaciones. Ciencia de la planta frontal . 2016; 7. doi: 10.3389 / fpls.2016.00505
13. Carbonell P, Radivojevic T, Martin HG. Oportunidades en la intersección de la biología sintética, el aprendizaje automático y la automatización. ACS Synth Biol . 2019; 8 7: 1474-1477. Doi: 10.1021 / acssynbio.8b00540
14. Kianianmomeni A, Hallmann A. Fotorreceptores de algas: funciones in vivo y aplicaciones potenciales. Planta . 2014; 239 1: 1-26. Doi: 10.1007 / s00425-013-1962-5
15. Jaubert M, Bouly JP, d'Alcala RA, Falciatore A. Sensores de luz y respuestas en microalgas marinas. Biol Curr Op Plant . 2017; 37: 70-77. Doi: 10.1016 / j.pbi.2017.03.005
16. Darko E, Heydarizadeh P, Schoefs B, Sabzalian MR. Fotosíntesis bajo luz artificial: el cambio en el metabolismo primario y secundario. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci . 2014; 369 1640: 20130243. Doi: 10.1098 / rstb.2013.0243
17. LEDs: estado de la unión. Flecha. http://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/leds-state-of-the-union . Publicado el 31 de mayo de 2020. Consultado el 8 de junio de 2021
18. Ryan KJ. Los 10 mayores inventos de la última década. Inc. http://www.inc.com/kevin-j-ryan/greatest-inventions-decade-2010-2019.html . Publicado el 16 de diciembre de 2019. Consultado el 8 de junio de 2021.
19. Gudin C, Chaumont D. Fragilidad celular: el problema clave de la producción masiva de microalgas en fotobiorreactores cerrados. Bioresource Technology. 1991; 38 2-3: 145-151. Doi: 10.1016 / 0960-8524 91 90146-B
20. Kusmayadi A, Suyono EA, Nagarajan D, Chang JS, Yen HW. Aplicación de dinámica de fluidos computacional CFD en el diseño de canales para el cultivo de microalgas: una revisión. Revista de Microbiología Industrial y Biotecnología. 2020; 474-5: 373–382. Doi : 10.1007 / s10295-020-02273-9

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