FACTORES LIMITANTES EN BIODEGRADACIÓN

        Cuando hablamos de biorremediación a parte de tener en cuenta las vías degradativas y la regulación de los microorganismos que van a llevar a cabo la detoxificación también hay que tener en cuenta otros factores que puedan influir en el rendimiento de biorremediación. Es decir no sirve de nada tener una cepa maravillosa con una alta eficiencia degradadora y que conozcamos muy bien su regulación  si hay factores que limiten su verdadera potencialidad degradadora. Por lo tanto a parte de la eficiencia de las rutas catabólicas y los procesos microbianos de re-mineralización hay que tener en cuenta que la etapa limitante de la biodegradación o detoxificación de la mayoría de compuestos en el medio ambiente se relacionan con la biodisponibilidad. Es evidente que si el sustrato no es disponible para la célula esta no lo podrá utilizar como sustrato y desgraciadamente esto es lo que sucede con los hidrocarburos que son altamente insolubles en agua o pueden hacer uniones hidrofóbicas con substratos ( rocas) haciendo difícil su eliminación. Por eso actualmente en el campo de investigación en biorremediación se está haciendo grandes esfuerzos para buscar nuevas habilidades o características de los microorganismos que puedan aumentar esta biodisponibilidad. Por eso en este capítulo vamos a tratar dos características microbianas que pueden aumentar esta biodisponibilidad y podrían ser utilizadas en tecnicas de biorremediación. 

Estas características son:

        1-Producción de biosurfactantes.

        2-Papel de la quimiotaxis en bioremediación.

                   1.BIOSURFACTANTES

          Como hemos dicho los hidrocarburos son moléculas muy hidrofóbicas  que forman micelas entre ellas altamente insolubles en agua. Esto hace que la superficie de actuación que tienen los microorganismos diminuya mucho, por lo tanto disminuye la biodisponibilidad del sustrato. Y es que un paso esencial en la degradación de hidrocarburos es que estos entren en contacto directo con la membrana para que sea interiorizado y puedan actuar las oxigenasas.
Por eso dentro de la versatilidad microbiana no es sorprendente que algunos microorganismos puedan producir una gran variedad de moléculas emulsionantes ( biosurfactantes) que como se ha demostrado estimula el crecimiento de estas bacterias degradadoras acelerando por tanto la biorremediación.

    Los biosurfactantes se pueden clasificar en dos tipos:

            -bajo peso molecular: suelen ser glicolípidos. El mas estudiado es el rhamnolipido producido por diversas especies de Pseudomonas. La función principal de estos biosurfactantes es reducir las tensiones entre-fases ( agua-roca por ejemplo).

            -alto peso molecular: Son producidos por diferentes especies y suelen ser polisacáridos, proteínas, lipoproteínas, lipopolisacáridos o mezclas de estos polímeros. Estos biosurfactantes no son tan eficaces reduciendo tensiones entre-fases, pero si son buenos emulsionantes. Además se ha demostrado que son eficaces a bajas concentraciones y tienen una considerable afinidad por el sustrato.
Ejemplo: Alasan producido por Acinetobacter radioresistens.

    Las funciones que harían estos biosurfactantes a la hora de aumentar la biodisponibilidad serían:

            -dispersar el petróleo aumentando la superficie de contacto.
Existe un debate científico consistente en que ventaja evolutiva podría dar la producción de estos biosurfactantes en organismos productores. Por que la acción de dispersión de petróleo también favorecería a las poblaciones competidoras no productoras. Una teoría que se ha propuesto para explicar esto sería que la actuación de estos biosurfactantes sería a nivel local entre petróleo y membrana y no a nivel macroscópico. 

            -aumentan la biodisponibilidad de compuestos hidrofóbicos. Por ejemplo muchos compuestos pueden quedar unidos a sustratos y no ser biodisponibles. Los biosurfactantes que intervendrían solubilizando estos compuestos serían sobretodo los de bajo peso molecular.

            -también tiene funciones evolutivas para los propios microorganismos. Por ejemplo estas sustancias pueden ayudar a los microorganismos productores a desprenderse de las gotas de petróleo una vez se ha agotado la fuente de hidrocarburo que utilizaba. Hay que tener en cuenta que un microorganismo por ejemplo solo pueda utilizar un tipo de hidrocarburo entre la mezcla que existe. Por eso les sería útil poderse desprenderse de estas interacciones hidrofóbicas que mantiene la membrana con la gota de petróleo, para así ir en busca de nuevas fuentes de carbono. Además deja una microcápsula alrededor de la gota para marcarla como usada, favoreciendo así a toda la población.

    Otro aspecto de los biosurfactantes es que sea demostrado que su producción se da en poblaciones que han llegado a un estado estacionario de crecimiento. Es decir como la mayoría de metabolitos secundarios. A parte esta producción es inducida por mecanismos de quorum sensing y se ha visto que como mas densidad poblacional exista, mas producción de biosurfactante habrá.

   Además tiene muchas ventajas frente emulsionantes químicos ,como pueden ser diferentes detergentes, que se puedan utilizar para aumentar esta biodisponibilidad:

            -son selectivos.
            -tienen mayor eficiencia para aumentar la biodisponibilidad de compuestos hidrofóbicos.
            -menos estables, por lo tanto mas ecológicos.
            -además se ha visto que surfactantes no biológicos pueden tener un efecto positivo o negativo en la degradación según el sustrato y el tipo de microorganismo.

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  2-QUIMIOTAXIS

    La quimiotaxis es la habilidad que tienen algunos microorganismos flagelados para detectar y responder a compuestos ambientales. Este fenómeno  puede intervenir o tener importancia a muchos niveles diferentes en un microorganismo, como puede ser a nivel fisiológico , supervivencia o incluso intervenir a nivel poblacional. 
Por ejemplo la quimiotaxis interviene en la formación de nódulos en las raíces de legumbres por  especies de Rhizobium, Agrobacteruim etc...Estas plantas producen exudantes que contienen moléculas que pueden actuar como señales quimioatraientes y que son capaces de inducir la expresión en estas bacterias de genes relacionados con la formación de estas asociaciones.

Otro ejemplo donde la quimiotaxis puede intervenir y tener un valor importantísimo en la supervivencia sería la capacidad de detectar compuestos tóxicos y así alejarse de ellos. Y a nivel fisiológico este sistema quimitáctico puede dar ventajas evolutivas a un microorganismo en el sentido que puede dar la capacidad de rastrear diferentes sustratos que puede utilizar como fuente de carbono y así dirigirse a ellos. Como se puede intuir esta habilidad de algunos microorganismos para detectar y ser atraídos por diferentes compuestos como podrían ser hidrocarburos , podría tener un papel muy importante a la hora de diseñar sistemas mas eficientes de bioremediación aumentando la biodisponibilidad.

    La quimiotaxis a nivel de su funcionamiento ha sido bien estudiada en Salmonella y E.coli y actualmente sirven de modelos de como funcionan las rutas de transducción. Se ha visto que esta transducción se da gracias a un sistema de dos componentes . Por una banda existen unos receptores específicos de membrana llamados MCP ( metil accepting chemotaxis proteins ) que cuando reconocen un quimioatraiente especificamente , se produce un cambio conformacional que se transforma en una señal al motor flagelar mediante proteínas específicas del sistema quimiotáctico y fenómenos de fosforilación. Decir que estos sistemas quimiotácticos aunque en general tienen este funcionamiento, estos pueden ser mas o menos complejos según la especie. 

    Aunque se tiene evidencias de este mecanismo ya hace varios años aún hay mucho desconocimiento sobre los receptores y genes implicados en la quimiotaxis como se puede ver en la tabla siguiente. Y este conocimiento es esencial  si quisiéramos aplicar la quimiotaxis con gran eficiéncia en biorremediación. 

De hecho aún no se han publicado muchos trabajos que realmente demuestren la posible utilidad de la quimiotaxis en la bioremediación. Pero si recientemente de los pocos genes conocidos que están implicados en la quimiotaxis se ha demostrado que la mayoría están relacionados con los genes implicados en vías catabólicas de hidrocarburos. De hecho se han mapeado en los mismos clusters degradativos sugiriendo que las vías degradativas y los genes implicados en quimiotaxis para esos sustratos tendrían una regulación común, cosa que sería bastante lógica.  
Para ilustrar este hecho recientes trabajos han demostrado que el 2,4-Dichlorophenoxyacetato (2,4-D) es un buen quimioatraiente para Ralstonia eutropha JMP134(pJP4) y que en este plásmido pJP4 se encuentra el cluster de genes que intervienen en su degradación pero también se encuentra el receptor/permeasa (MCP) para el (2,4-D) llamado  tdfK.  Para observar con que otras proteínas guarda relación se ha hecho un BLAST a nivel proteico. 

Como se puede observar guarda bastante relación con proteínas transportadoras o receptoras y es de destacar la relación que guarda ( 26%identidad) con el transportador/quimioreceptor para el 4-hidroxybezoato de Pseudomonas putida conocido como pcaK.( También guarda similitud con proteínas transportadoras de Salmonella y E.coli que como hemos dicho servían de modelo) A partir de este BLAST se ha buscado la sequencia proteica del pcaK para hacer un alineamiento múltiple entre ellos y observar mejor la similitud, auque se pueda ver ya aproximadamente en el BLAST. 
En el clustalW  mostrado se puede ver que aunque solo haya el 26% de identidad hay gran similitud a nivel estructural de los aminoácidos. A parte podemos decir que esta similitud se distribuye uniformemente por toda la proteína auque la zona central es la mas conservada y la inicial quizá la menos.
Estas dos proteínas como se ha ido indicando tienen un papel dual. Por una parte como receptor quimiotáctico pero por otra también son responsables del transporte del sustrato, por lo que implica un gran interés de estas proteínas en la biorremediación porque intervendrán por una banda en el rastreo del sustrato por el microorganismo pero también en su interiorización. 
    Para conocer mas información sobre estas dos proteínas y su función en la quimiotaxis se recomienda la lectura de los siguientes articulos:

    -Charged amino acids conserved in the aromatic acid/H symporter family of permeases are required for 4-hidroxybenzoato transport by PcaK form P.putida.

    -Conserved cytoplamatic loops are important for both the transporter and chemotaxis functions of PcaK, a protein from P.putida with 12 membrane-spannig regions.

    -Chemotaxis of Ralstonia eutropha JMP134(pJP4) to the herbicide 2,4-Dichlorophenoxyacetate.

        Una vez visto que es lo que se conoce de la quimiotaxis y suponiendo que realmente puede afectar a la eficiéncia de bioremediación  hay que decir que una posible traba en su aplicación sería que la quimiotaxis no se ha observado en condiciones anaerobias. Entonces tendríamos una limitación a igual que pasaba con la degradación de hidrocarburos en condiciones anaerobias porque precisamente la mayoría de zonas contaminadas donde se podría aplicar están en condiciones anaerobias. Aún así como se vio también se creía que no se daba degradación en condiciones anaerobias y no era así por lo que no sería de extrañar que la quimiotaxis también se diera.

        Para finalizar comentar en que aspectos podría la quimiotaxis acelerar el proceso de biorremediación. 

    -la razón mas obvia es que estas cepas serán capaces de entrar en contacto con el compuesto a degradar reduciendo problemas de biodisponibilidad.

    -otra ventaja aunque a nivel evolutivo seria que las células móviles que carezcan de estas vías degradativas pero se sientan atraídas por estos lugares contaminados, aumentará la posibilidad que contacten con especies que si tengan estas vías facilitando la transmisión genética horizontal, sobretodo si estas vías están codificadas en plásmidos. Esto evidentemente podría ser un handicap a la hora de utilizar cepas modificadas genéticamente.

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