Importancia industrial del género Bacillus

Bacillus es uno de los géneros bacterianos con mayor actividad bioquímica referenciada en la

literatura científica mediante el uso de los productos de su metabolismo para diferentes procesos industriales. La especie tipo del género es B. subtilis (Cohn, 1872). El desarrollo de la genética ha permitido la transformación de esta bacteria (Spizizen 1958), favoreciendo su papel como organismo modelo para muchos estudios de laboratorio en el campo de la biotecnología. Por todo ello, la secuenciación completa de su genoma se hizo esencial (Kunst et al. 1997). Es habitual que los microorganismos presenten unas condiciones de cultivo y producción enzimática específica difíciles de reproducir, dificultando de esta manera la obtención del producto deseado. Este obstáculo, hace necesaria la búsqueda de microorganismos hospedadores que produzcan estas sustancias deseadas en condiciones y en cantidades adaptadas a la industria. Escherichia coli, como

organismo Gram-negativo y B. subtilis, como Gram-positivo, son los más utilizados como hospedadores para estos fines biotecnológicos. Mientras que E. coli presenta endototoxinas, que complican los procesos (Mamat et al. 2015; Rueda et al. 2014). B. subtilis salva este problema hasta el punto de ser considerado como un organismo GRAS (Generally Recognized As Safe), siendo muy generalizado su uso en la industria, concretamente en la industria alimentaria (Westbrook et al. 2018). Además, B. subtilis es muy útil en biotecnología debido a su capacidad para secretar y exportar directamente proteínas al medio (Zhang et al. 2017). Este hecho unido a que posee una gran diversidad metabólica, una baja incidencia de patogenicidad y a la capacidad de ciertas especies de tolerar amplios márgenes de temperatura y pH, han permitido su uso para una gran variedad de procesos industriales, convirtiendo a este grupo en una importante fuente de enzimas comerciales (Nawawi et al. 2017; Latorre et al. 2016).

Hoy en día las diferentes especies del género Bacillus son usadas principalmente para la producción de cuatro principales tipos de productos:

1) Producción de enzimas

Al ser considerados organismos GRAS y debido a su capacidad para la producción de enzimas, a la efectividad de la función y la termoestabilidad que presentan, este género constituye una herramienta muy útil en ingeniería genética (Dong and Zhang 2014). La mayoría de las enzimas producidas por estos organismos son proteasas, las cuales se caracterizan porque se secretan durante las fases post-exponencial y estacionaria y se inducen por determinados compuestos. Su producción es dependiente tanto de componentes del medio como de condiciones físico-químicas (Contesini et al. 2018; Biswanath, 2018). Estas proteínas tienen una importante implicación industrial debido a su participación en diferentes procesos metabólicos celulares y a su capacidad para hidrolizar proteínas (Gupta et al. 2002; Warneck and Wisdom 1994)

Aunque se conocen un gran número de carboxiesterasas del género Bacillus, pocas han sido usadas para la síntesis de compuestos puros debido a su tioselectividad. Dentro de este contexto se ha caracterizado una carboxiesterasa de B. subtilis utilizada para la resolución de (R,S)-ibuprofeno metilester y (R,S)-naproxen metilester. También se ha determinado la hidrolisis selectiva de esteres etílicos y metílicos de los compuestos mencionados anteriormente por parte de una esterasa producida por Bacillus thai (Warneck and Wisdom ,1994).

Se ha determinado también la capacidad de ciertas enzimas producidas por el genero Bacillus de desacetilar compuestos β-lactámicos. (Mitsushima et al. 1991; Knauseder et al. 1999).

En la tabla 2 se muestran algunos de los genes de interés industrial que son responsables de la producción de carbohidratos, lípidos y proteínas de degradación en el género Bacillus.

Tabla 2. Genes y enzimas del género Bacillus con interés industrial

Gen Enzima

abfA α-L-Arabinofuranosidasa

abnA Arabinan-endo 1,5-L-arabinasa

bglC Endo-1,4-β-glucanasa

Gen Enzima

bglS Endo-1,3- y -1,4-β-glucanasa

csn Chitosanasa

lacA β-Galactosidasa

sacB Levana sacarasa

sacC Levanasa

pel Pectato liasa

pelB Pectato liasa

yhlE Glucanasa yjeA Endo-1,4-β-xylanasa ykfC α- amilasa ykvQ Chitinasa ynfF Endo-xylanasa yrhO Cyclodextrina

yvdF Glucano 1,4-α-maltohidrolasa

yvfO Arabinogalactano endo-1,4-β-galactosidasa

yvpA Pectato liasa

yxiA Arabinosidasa

nprE Metaloproteasa extracelular neutra

aprE Proteasa extracelular alcalina

epr Proteasa extracelular

pepT Peptidasa T vpr Proteasa extracelular yrrN Proteasa yrrO Proteasa lipA Lipasa lipB Lipasa

Fuente: Schallmey et al. (2004)

En la tabla 2 se muestran algunos de los genes de interés industrial que son responsables de la producción de carbohidratos, lípidos y proteínas de degradación en el género Bacillus.

2) Producción de antimicrobianos y vacunas

Los primeros análisis destinados a la obtención de vacunas se han centrado en el estudio de B.

subtilis, más concretamente en el estudio de sus esporas debido a la presencia de antígenos

heterólogos en su superficie (Isticato et al. 2001). Además, se ha demostrado que muchas especies del género Bacillus producen una amplia variedad de antimicrobianos, aunque aun no se ha determinado concretamente su efecto (Urdaci and Pinchuk, 2004; Caulier et al. 2019).

3) Suplementos alimenticios

Otra aplicación derivada del uso de esporas de Bacillus ha sido la utilización de éstas como probióticos. El uso de estos productos ha tomado recientemente mucha relevancia en la agricultura y la ganadería y como alternativa a los antibióticos. Numerosos productos que contienen esporas de las especies no patógenas de Bacillus son usados con diferentes usos clínicos (Zhu et al. 2016; Elshaghabee et al. 2017; Xu et al. 2018).

4) Productores de biosurfactantes

Los biosurfactantes desarrollan un papel crucial en la industria farmacéutica, textil, cosmética y en procesos de recuperación de residuos (Banat et al. 2000). Algunas especies del género Bacillus como B. subtilis, y B. pumilus producen biosurfactantes con propiedades detergentes, emulsificantes, antiespumantes y dispersantes además de reducir la tensión superficial y la interfacial (Heryani and Putra 2017; Sarwar et al. 2018).

II.

OBJETIVOS

El objetivo general de la presente Tesis Doctoral ha sido la identificación y el aislamiento de enzimas bacterianas para la modificación y mejora de compuestos bioactivos.

Los objetivos concretos de este trabajo han sido los siguientes:

1. Selección de microorganismos lipolíticos capaces de llevar a cabo biotransformaciones sobre diferentes sustratos abriendo nuevas perspectivas biotecnológicas.

2. Identificación, purificación y caracterización de las enzimas extracelulares de Bacillus sp. HR216 responsables de las actividades lipolíticas.

3. Caracterización molecular de los motivos funcionales de la enzima AE6L. Construcción de mutantes de AE6L con actividades catalíticas mejoradas.

4. Modificación enzimática regioselectiva de compuestos fenólicos y carbohidratos con la finalidad de obtener nuevos derivados fenólicos con bioactividades mejoradas.