Imprimir

Química

Versatilidad marina

Las algas pueden usarse en la limpieza de áreas contaminadas

eduardo cesarCultivo en laboratorio de Dctyota speduardo cesar

Con sus diferentes formas y sus colores diversos, las delicadas algas marinas guardan un riquísimo arsenal químico compuesto de aminoácidos, lípidos, azúcares, carotenoides y pigmentos que las vuelven particularmente interesantes como fuentes de nuevos fármacos y sustancias bioactivas con potencial económico para su uso en la agricultura, o incluso para la producción de biocombustible. Estos versátiles organismos acuáticos también pueden utilizarse para limpiar áreas contaminadas con sustancias orgánicas y metales pesados, en un proceso al que se le da el nombre de biorremediación. “Las algas tienen en su estructura celular una gran área llamada vacuola, un tipo de cavidad limitada por una membrana, en donde logran almacenar grandes cantidades de sustancias”, dice el profesor Pio Colepicolo Neto, del Departamento de Bioquímica del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (USP), quien hace más de 20 años se dedica al estudio de las algas y actualmente coordina un proyecto temático que cuenta con la participación de nueve grupos de investigación y es financiado por la FAPESP. Dicho estudio incluye trabajos de bioprospección de macroalgas marinas. “En un área con metales pesados, pueden funcionar como esponjas biológicas, absorbiendo esos contaminantes. Dentro de las células, mediante mecanismos bioquímicos, se produce una inmovilización de los materiales en las vacuolas”, informa. Al final del proceso, basta con incinerarlas y extraer el metal concentrado en las cenizas.

Para probar en la práctica el conocimiento de años de investigación, Colepicolo envió recientemente un proyecto a Petrobras, que se encuentra actualmente en análisis en la empresa. Dicho proyecto se refiere a la utilización de macroalgas en los tanques de las refinerías para la limpieza de los metales pesados resultantes de los procesos de producción de petróleo.

Una de las propuestas embutidas en el proyecto consiste en estudiar los niveles de concentración de dióxido de carbono (CO2) no solamente en las refinerías, sino también en las centrales de fermentación de etanol, para que ese contaminante atmosférico pueda ser canalizado y bombeado hacia el espacio de cultivo de algas. “Con la absorción del dióxido de carbono será posible ayudar a descontaminar la atmósfera y así ganar créditos de carbono”, dice Colepicolo. Las algas marinas se encuentran en la base de la cadena alimenticia y generan biomoléculas importantes, tales como antioxidantes, aminoácidos esenciales, vitaminas, carotenoides, polisacáridos y ácidos grasos como el omega 3 y el omega 6. “El dióxido de carbono funcionará como alimento para que las algas ganen en biomasa”, dice el investigador.

En estudios realizados en asociación con el Centro de Capacitación e Investigación en Medio Ambiente (Cepema), vinculado a la USP y con sede en localidad de Cubatão, en la zona conocida como Baixada Santista, el grupo de investigación del Instituto de Química ha verificado la degradación de algunos contaminantes orgánicos como el fenol realizada por algas marinas. Además degradar un compuesto sumamente tóxico, las algas usan el carbono del fenol para construir aminoácidos, lípidos y ácidos nucleicos. “Las estructuras químicas de diversos compuestos de las algas marinas son completamente distintas de las estructuras producidas por las plantas terrestres”, dice Colepicolo. Como viven en un ambiente altamente adverso, en donde sufren constantemente el ataque de otros organismos que se alimentan de ellas y también recurren a ellas como refugio, poseen una diversificada gama de sustancias químicas extremadamente sofisticadas para defenderse. Una de esas sustancias son los aminoácidos tipo micosporinas (o MMA’s, del inglés mycosporine-like amino acids), compuestos químicos de bajo peso molecular sintetizados por algas y hongos con alta capacidad de absorción de radiación ultravioleta, que fueron aislados y caracterizados en el laboratorio de la USP. “Aislamos más de 20 micosporinas de distintas macroalgas del género Gracilaria halladas en la costa brasileña. Al comienzo del proyecto nuestro objetivo era desarrollar un abordaje únicamente volcado a la ciencia básica, pero debido a su alta capacidad de absorción de radiación ultravioleta (UV), fue inevitable pensar en la aplicación de esas moléculas en los más diferentes productos que quedan expuestos a la luz solar. Además de emplearse en protectores solares, esas sustancias pueden aplicarse directamente en telas o en pinturas y barnices para residencias y barcos”, dice Colepicolo.

Protección solar
Uno de los extractos obtenidos mostró un excelente potencial para su uso en formulaciones cosméticas destinadas a la protección solar. El proyecto para la obtención de una sustancia fotoprotectora natural se desarrolló en asociación con la empresa Natura, como parte del Programa Asociación para la Innovación Tecnológica (Pite), financiado por la FAPESP. “La radiación ultravioleta que absorben es altísima y comparable con los compuestos sintéticos empleados en la composición de los actuales protectores comerciales”, dice Colepicolo. “Una gran diferencia de estas micosporinas es que absorben UVB (en la región espectral de 280 a 330 nanómetros), en donde pocas moléculas lo hacen”. Con el aumento gradual de la incidencia solar sobre el planeta, existe la necesidad de protección en la región de UVB. “La adición de sustancias naturales con la misma eficiencia de las sintéticas le agrega valor al producto, con lo cual se vuelve diferenciado y a un valor de mercado competitivo”, dice el investigador. Natura ha realizado las pruebas de estabilidad de la sustancia y de evaluación de citotoxicidad, el ensayo en cultivo de células necesario para verificar la biocompatibilidad de los materiales. “En los ensayos citotóxicos se verificó que la micosporina no mata a las células ni por la absorción de radiación ultravioleta ni bajo efecto de la luz blanca.”

Además de las micosporinas, las algas producen diversos otros compuestos con propiedades antiinflamatorias, bactericidas y fungicidas. “Algunas sustancias extraídas de las algas, al rociárselas sobre la papaya, el higo y la berenjena, aumentan el tiempo de vida útil en las góndolas de estos vegetales”, dice Colepicolo. “En algunos se registró un aumento de 30 días en la vida útil luego de la aplicación”. Pero, para que se lo considere un producto, primero hay que chequear la toxicidad de las sustancias después del consumo y también los efectos que puedan tener sobre las frutas en que se aplicaron, un trabajo que demandará alrededor de dos años. Para llegar a las sustancias de interés, los investigadores analizaron decenas de especies de algas. “Luego de triturarlas, preparamos extractos con diferentes polaridades químicas y los probamos en gran escala”, dice Colepicolo. En Estados Unidos, algunos productores están usando extractos de algas ricas en carotenoides mezclados en el alimento balanceado de las gallinas ponedoras, para darles una coloración más atractiva a los huevos y, por añadidura, dejar a los animales más saludables. Eso sucede porque los carotenoides hallados en estos organismos son precursores de la síntesis de la vitamina A en animales. El principal problema para su uso en gran escala es que estas sustancias todavía son caras. “Una docena de huevos con extractos de algas cuesta entre 4 y 5 dólares”, dice Colepicolo.

Cultivo integrado
Una de las líneas de biorremediación contempladas en el temático tiene como foco el cultivo integrado de camarones y algas. En este caso, las macroalgas se cultivan en viveros similares a tanques en las propiedades rurales productoras de crustáceos de Rio Grande do Norte. Los estudios han demostrado que las aguas residuales de la acuicultura intensiva –ricas en nitrógeno y fósforo– pueden usarse como fuente de nutrientes para el crecimiento de las macroalgas. En tal caso, es importante encontrar una especie de alga tolerante o resistente a un determinado nutriente, de manera tal de mejorar el potencial de producción y biorremediación. Como resultado de esta asociación, el ambiente se vuelve más equilibrado y favorable al crecimiento de los organismos cultivados. Dos propiedades productoras participan en el proyecto, coordinado por la profesora Eliane Marino-Soriano, del Departamento de Oceanografía y Limnología de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN). Una de ellas es Primar, la única empresa orgánica certificada de cultivo de camarones de Brasil, y la otra, Tecnarão, perteneciente a un grupo argentino. Ambas están instaladas a orillas de la laguna Guaraíras, a 70 kilómetros de Natal, capital del estado, donde crecen mangles. En viveros de alrededor de 1,5 metro de profundidad y entre 3 y 4 hectáreas cada uno, los camarones son alimentados con alimento balanceado vitaminado varias veces al día hasta que alcanzan el tamaño comercial.

JEAN-PAUL SORIANODetalle de ramas de Caulerpa racemosaJEAN-PAUL SORIANO

Al cabo de tres meses, cuando están listos para su comercialización, el agua utilizada en el cultivo vuelve al ambiente natural, lo que resulta en un aumento excesivo de la carga de nutrientes. Cuando las algas (Gracilaria domingensis y Gracilaria birdiae) son cultivadas en los tanques de camarones, se alimentan de los detritos expelidos por los crustáceos, lo que al final resulta en un agua más limpia que puede devolverse a los manglares o reutilizarse en los sistemas de cultivo. La biomasa de las macroalgas producida en estos sistemas puede usarse para alimentación humana, para alimento balanceado de animales y para compuestos bioactivos de alto valor económico.

Eliane coordina también un proyecto de cultivo de algas en mar abierto en la playa de Rio do Fogo, a 80 kilómetros de Natal, una actividad realizada en asociación entre la UFRN, el Ministerio de Pesca y Agricultura y familias de pescadores de la zona. Este trabajo empezó en 2001 como un proyecto piloto financiado por la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) destinado a ayudar en el desarrollo de las comunidades pobres. “Demostramos que el cultivo de algas en esa región tenía factibilidad económica”, dice Eliane. El proyecto abarca el manejo de bancos de algas, la restauración de esos bancos y la asesoría técnica, además del suministro de datos a los órganos ambientales. Actualmente alrededor de 25 personas trabajan en la recolección de la Gracilaria, una especie autóctona del litoral nordestino. En  Rio do Fogo, el cultivo de Gracilaria empezó en 2005, más o menos a 50 metros de la playa, en sistemas de cultivo denominados balsas flotantes. Esas estructuras están compuestas de tubos de PVC y sogas que quedan en la superficie mediante la ayuda de boyas. En las sogas se insertan los tallos de las algas (plantines), que al cabo de tres meses estarán listas para su cosecha.  Al igual que las plantas terrestres, las macroalgas realizan la fotosíntesis y son capaces de convertir la energía solar en energía química, metabolizando compuestos para lograr sustancias necesarias para su crecimiento. Además de la clorofila, responsable del proceso básico de fotosíntesis, las algas poseen otros pigmentos que les confieren variadas coloraciones, que van del verde claro al bordó. Con base en la pigmentación, las macroalgas se clasifican en los grupos de las algas verdes (Chlorophyta), las pardas (Ochrophyta) o las rojas (Rhodophyta), al que pertenecen las especies de Gracilaria.

Valor sustancial
“Dependiendo de la especie, las algas pueden encontrarse tanto en las áreas más playas como en mayores profundidades”, dice Eliane, quien en 2009 publicó el Manual de identificação das macroalgas marinas do litoral do Rio Grande do Norte, una guía de campo sencilla y práctica. Debido a sus propiedades nutricionales y medicinales, desde hace mucho tiempo los pueblos orientales les dan uso. Pero son algunos polisacáridos, como el agar y el carragenano, utilizados en la industria alimenticia, farmacéutica y cosmética como estabilizadores, suavizantes y espesantes los que les confieren a estos organismos acuáticos sustancial valor económico. “En el mundo se consumen alrededor de 25 mil toneladas de carragenano anuales, lo que corresponde a 200 millones de dólares”, dice Colepicolo. Es un mercado que crece un 5% al año. De agar son 10 mil toneladas anuales, ó 10 millones de dólares, con un crecimiento del 7% al año. “Toda el carragenano utilizado en Brasil se importa, pues no tenemos producción para cubrir la necesidad del mercado nacional”, subraya. En Brasil, hasta hace pocos años, existían varias empresas que procesaban algas. Pero sucede que no eran cultivadas, sino extraídas de la naturaleza, lo que resultó en un déficit de materia prima. Actualmente sólo una empresa de Paraíba trabaja con procesamiento de algas. “Para mantener a las empresas funcionando, es necesario que haya biomasa disponible, y la única manera de hacer eso es con el cultivo, como hacen Chile, Indonesia, Japón y China”, dice Eliane.

Una de las líneas de investigación en el proyecto temático aborda los cultivos y la generación de plantines en laboratorio, una tarea llevada a cabo por las investigadoras Nair Sumie Yokoya y Mutue Toyota Fujii, del Instituto Botánico, vinculado a la Secretaría de Medio Ambiente del Estado de São Paulo. Esta vertiente del proyecto genera plantines de macroalgas que pueden cultivarse a distintas temperaturas y con salinidades diferentes. “La investigación desarrollada en el Instituto Botánico es fundamental para éxito del proyecto, porque en un país en el cual la extensión costera llega a los 8 mil kilómetros, con diferentes condiciones climáticas, es necesario distribuir los plantines de acuerdo con su tolerancia y su capacidad de crecer y producir bioactivos variados”, dice Colepicolo. Nair es también la coordinadora de la Red Nacional de Biotecnología de Macroalgas Marinas, creada en 2005. Participa también del temático el profesor Ernani Pinto, de la Facultad de Ciencias Farmacéuticas de la USP, que lleva adelante la investigación para la producción de bioactivos de algas marinas y coordina los ensayos farmacológicos del proyecto, aparte del análisis de bioprospección, factibilidad y estudios mercadológicos. “Debido a su complejidad y diversidad, las moléculas de macroalgas pueden llenar lagunas importantes en el descubrimiento de nuevos  fármacos”, dice Ernani. El grupo del profesor Norberto Peporine Lopes, de la Facultad de Ciencias Farmacéuticas de Ribeirão Preto de la USP, es responsable por la dilucidación estructural de sustancias químicas aisladas a partir de macroalgas con bioactividad, y un grupo de investigadores de la Universidad Federal de Santa Catarina, encabezado por el profesor Paulo Horta, se encarga de los cultivos y la caracterización de las actividades biológicas de las sustancias extraídas. En la Universidad Federal de Paraíba, el profesor George Miranda coordina un cultivo de algas de especies Gracilaria caudata distintas de las cultivadas en Rio Grande do Norte. En la Universidad Federal de Pelotas la profesora Márcia Mesko es responsable del biomonitoreo y de la biorremediación de metales pesados a cargo de las macroalgas.

JEAN-PAUL SORIANOBancos naturales de GracilariaJEAN-PAUL SORIANO

Capacidad antiviral
Investigaciones relacionadas con la actividad antifúngica, antibacteriana, antiviral, anticoagulante y antioxidante de las algas han sido desarrolladas por diversos grupos de investigación. En Brasil, las profesoras Valéria Teixeira y Izabel Paixão, de la Universidad Federal Fluminense, están llevando adelante estudios en la fase preclínica de compuestos aislados a partir de macroalgas con capacidad antiviral, mientras que el grupo del profesor Paulo Mourão y de Yocie Valentin, de la Universidad Federal de Río de Janeiro, aisló polisacáridos con capacidad anticoagulante, como fue planteado en el workshop sobre biodiversidad marina organizado por la FAPESP en septiembre de este año.

Además de la investigación de nuevos  fármacos y bioactivos de interés comercial, el grupo de Colepicolo lleva a cabo estudios para aprovechamiento de la biomasa de algas para la producción de biodiesel y etanol. Son dos vertientes para la obtención de biocombustibles, una a partir de lípidos (grasas) y otra de polisacáridos (azúcar), extraídos de las algas. Las investigaciones abarcan tanto macroalgas como microalgas que no pueden verse a simple vista. Ângela Tonon, posdoctoranda del laboratorio de la USP, está transformando molecularmente algunas vías de síntesis de azúcar en la de lípidos de microalgas. Es una forma de contar con extracción constante, ya que la cosecha de microalgas se hace cada dos o tres días, mientras que la de macroalgas tarda alrededor de tres meses. El investigador Richard Sayre, director del Instituto Erac para Combustibles Renovables, un centro de investigación solventado por la iniciativa privada con sede en Saint Louis, Estados Unidos, mantiene una estrecha colaboración con la investigación desarrollada en la USP en la parte de modificación molecular de microalgas para la producción de lípidos.

La otra vía para la obtención de biocombustible es mediante la degradación de los polisacáridos de las algas en monosacáridos. La ventaja de las algas en relación con la biomasa de la caña consiste en que no es necesario romper la lignina y las otras fibras para hacer la degradación enzimática. Actualmente los investigadores están seleccionando levaduras y enzimas eficientes que degradan a los polisacáridos de las macroalgas para la producción de etanol. La búsqueda y el barrido de nuevos microorganismos incluyen el aislamiento de hongos de macroalgas de distintos lugares. “La región antártica, en donde algas de hasta cinco metros de longitud viven en condiciones extremas, también será contemplada”, dice Colepicolo, que es el coordinador de un proyecto recientemente aprobado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología y por la Marina de Brasil, en el marco del Programa Antártico Brasileño. “Un grupo de 12 investigadores del proyecto irá a la Antártida en diciembre a hacer recolección de algas”. La propuesta no es hacer bioprospección, incluso porque no existe la posibilidad de cultivar en gran escala esas algas fuera del ambiente antártico. “Además de la caracterización de los linajes que existen allá, estudiaremos las levaduras y los hongos que viven en simbiosis con esas algas”, informa. Se espera que esos microorganismos puedan usarse en los procesos de fermentación del bioetanol.

Los proyectos
1. Estudios de bioprospección de macroalgas marinas, uso de biomasa de algas como fuente de nuevos  fármacos y bioactivos económicamente factibles y aplicación en la remediación de áreas impactadas (biodiversidad marina) (nº 2010/50193-1); Modalidad Proyecto Temático – Biota; Coordinador Pio Colepicolo Neto – USP; Inversión R$ 776.576,35 y US$ 320.746,40 (FAPESP)
2. Algas marinas de la costa brasileña: aislamiento y caracterización de sustancias bioactivas con potencial uso para formulaciones cosméticas (nº 2003/08735-8); Modalidad Programa de Asociación para la Innovación Tecnológica (Pite); Coordinador Pio Colepicolo Neto – USP; Inversión R$ 190.614,03 (FAPESP) y R$ 170.000,00 (Natura)

Artículo científico
CARDOZO, K.H.M. et al. Metabolites from algae with economical impactComparative Biochemistry and Physiology. v. 146,
p. 60-78. 2007.