MANIPULACIÓ GENÈTICA DE MICROORGANISMES PER BIOREMEDIACIÓ

Introducció

La bioremediació consisteix en la utilització d’organismes vius, components cel·lulars i enzims lliures per eliminar substàncies contaminants del medi1. La bioremediació mitjançant bacteris ofereix grans possibilitats de netejar i descontaminar sistemes complexos, aportant avantatges econòmics i ambientals. Actualment, s’estan utilitzant soques especialitzades de microorganismes d’alta activitat per tractar agents contaminants en diferents sectors. 

Els avenços en enginyeria genètica han permès el desenvolupament de microorganismes genèticament modificats que poden eliminar aquells materials que són difícils de degradar. D’aquesta manera, es converteixen en millors agents de bioremediació2.

Aspectes generals de la bioremediació 

Com s'ha dit, la bioremediació és l'ús de microorganismes per tractar contaminants i, en el millor dels casos, degradar-los (veure Taula 1). En el cas d'assolir l'eliminació, el procés es defineix com a mineralització (degradació total a CO₂  i H2O). Tot i això, la bioremediació en algun cas té com a objectiu una transformació parcial, la humificació dels residus o una alteració de l'estat redox de metalls1. 

Per eliminar un contaminant cal que aquest sigui biodegradable i assegurar-se que el procés de bioremediació no tingui efectes colaterals adversos sobre l'ecosistema. Es tracta d’un procés lent, perquè es troba sotmès a les limitacions de l'activitat microbiana i les condicions necessàries. A més a més, cada ambient és únic i necessita ser estudiat molt acuradament per poder trobar els microorganismes necessaris. Tot i això, la bioremediació es pot aplicar a espais contaminats amb gran varietat de compostos químics.

Taula 1. Taula que mostra els compostos tractables per microorganismes i, per tant, potencialement aptes per a bioremediació. Font3 

L'activitat microbiana en la bioremediació es veu directament influïda per la concentració i biodisponibilitat de contaminants. Quan les concentracions són massa altes els contaminants poden tenir efectes tòxics sobre els bacteris. En canvi, quan la concentració de contaminants baixa es pot induir la producció d’enzims de degradació.

Les característiques del lloc tenen un impacte significatiu en l'eficàcia de qualsevol estratègia de bioremediació. Les condicions mediambientals importants a considerar són: el pH, la temperatura, el contingut d'aigua, la disponibilitat de nutrients i el potencial redox⁴.

Manipulació genètica per a bioremediació 

Tal com s'ha definit la bioremediació, es pot notar que es tracta d'un procés que es dóna de manera natural en els ambients. Tot i això, el paper de la biotecnologia en aquest camp pot augmentar la velocitat en el tractament dels agents contaminants. El coneixement dels elements reguladors de les vies catabòliques és de gran ajuda a l'hora de dissenyar sistemes específics i controlats en la bioremediació. Es tracta d'un camp molt compromès, pel desconeixement del que pot passar en alliberar al medi nous gens modificats.

Existeixen tècniques que utilitzen la biotecnologia per aconseguir un fort control dels microorgansimes utilitzats des del punt de vista espacial i temporal. N'és un exemple la utilització de soques suïcides modificades genèticament5. 

Durant els últims anys, les tècniques de DNA recombinant han estat estudiades intensament per tal de millorar la degradació de residus perillosos sota condicions de laboratori. Els bactreris recombinants poden ser obtinguts per tècniques d'enginyeria genètica o per intercanvi natural de gens entre bacteris. 

La manipulació genètica per bioremediació consisteix en la introducció de gens que confereixen la capacitat de degradar determinats agents contaminants en els bacteris d’interès. Algunes direccions de treball per la manipulació d'aquests microorganismes són:

• Construcció o adaptació de vies catabòliques.
• Redireccionament del flux de carboni per evitar la formació d'intermediaris perillosos.
• Modificació de l'afinitat i especificitat d'enzims catabòlics.
• Millora de l'estabilitat genètica en activitats catabòlica.
• Augment de la biodisponibilitat de contaminants.
• Millora del control, rendiment i eficiència de processos.

Gràcies a l’enginyeria genètica es pot manipular o modificar el material genètic d’un ésser viu. Això s’aconsegueix mitjançant la introducció de gens d’altres organismes amb la finalitat d’incorporar noves característiques⁶.

La manera més fàcil és mitjançant plasmidis fisiològics, ja que és on es troba la informació genètica corresponent a un gran nombre de vies metabòliques per a la conseqüent degradació de substàncies contaminants⁷.

El primer que es fa és purificar el plasmidi que conté el gen d’interès i el vector on s’introduirà el gen. Seguidament, s’han de tallar amb els mateixos enzims de restricció, per tal que es formin extrems cohesius compatibles entre si. Aleshores, es realitza la reacció de lligament amb els fragments d’interès per obtenir el plasmidi recombinant (Figura 1).

Finalment, aquest plasmidi recombinant s’ha d’introduir al bacteri que volem que posseeixi la nova característica. La tècnica més senzilla és mitjançant la transformació, que consisteix en inserir en una solució bacteriana els plasmidis recombinants lliures per tal que els bacteris sols, els incorporin.⁸

Figura 1. Manipulació genètica de bacteris. Font9

Exemples de microorganismes modificats genèticament per a la bioremediació

Al llarg dels últims anys, s'ha dut a terme la manipulació de diferents microorganismes amb la finalitat d'aconseguir proporcionar-los un fenotip últil en la bioremediació. Els fenotips microbians aprofitables en aplicacions ambientals són els que es mostren a la Taula 2. Entre els microorgansimes més interessants com a vectors destaca el gènere Pseudomonas i altres gèneres propers, com Alcaligenes, Rhizobium, Rhodobacter, Arthrobacter i Acinetobacter.  Es tracta de microorganismes, generalment aerobis, que presenten una gran capacitat d'adaptació al medi, tant en referència a la utilització d'una gran varietat de compostos químics com a font de carboni, com a la seva supervivència a condicions físiques adverses, a més de presentar una manipulació genètica senzilla.   

Taula 2. Taula que mostra els fenotips microbians aprofitables en aplicacions ambientals i la via mitjançant la qual s'aconsegueix el fenotip. Font10           

Hidrocarburs

Arran d'un desastre amb un petroler anomenat Exxon Valdez l'any 1989 (Figura 2) es va considerar, per primera vegada, la bioremediació com a possible solució a llarg termini. 

Figura 2. Petroler Exxon Valdez. Font11

Alguns microorganismes tenen la capacitat de degradar els hidrocarburs aromàtics i alifàtics del petroli, ja que aquests es troben de manera natural en l’ambient marí des de fa milions d’anys. És el cas dels bacteris del gènere Pseudomonas que presenten uns enzims denominats monooxigenases. Aquests enzims oxiden els hidrocarburs incorporant-los a les vies metabòliques dels àcids grassos, tal com es pot veure a la Figura 3.

Figura 3. Ruta metabòlica que segueix un alcà en ser incorporat, en presència d’oxigen, per un bacteri capaç de degradar hidrocarburs. Font¹²

També hi ha vies que permeten degradar hidrocarburs aromàtics, fins i tot, en ambients anaeròbics. Alguns dels gens que ho permeten es troben a nivell cromosòmic, però altres es poden trobar en plasmidis, com els que es mostren a la Taula 3 i ser utilitzats per modificar genèticament altres organismes. 

 Taula 3. Taula que mostra els diferents plasmidis  que contenen gens implicats en la degradació, en condicions aeròbiques, d’alguns tipus d’hidrocarburs presents en el petroli. Font¹³ 

D'aquesta manera, s'ha dut a terme la manipulació genètica de bacteris de l'espècie Deinococcus radiodurans, als quals se'ls han introduït gens propis de Pseudomonas, per tal d'aconseguir un microorgasnime de major resistència a les radiacions i capaç de degradar hidrocarburs com el toluè.5           

Metalls pesats 

Es tracta d'espècies químiques no biodegradables. Hi ha diversos mecanismes d'actuació davant els metalls pesats (Figura 4):  

• MOBILITZACIÓ: Es passa d’una fase sòlida (estat inicial insoluble) a una fase líquida (estat final soluble).
• Biolixiviació: mobilització dels metalls a través de l’excreció d’àcids orgànics o amb reaccions de metilació.

• IMMOBILITZACIÓ: Es passa d’una fase aquosa a una fase sòlida.
• Bioadsorció: adsorció dels metalls a la superfície cel·lular per mecanismes físics i químics.
• Acumulació intracel·lular (bioacumulació): mitjançant un sistema de transport de membrana.
• Biomineralització: immobilització dels metalls mitjançant la formació de sulfurs insolubles o carbonats.
• Transformació catalitzada per enzims (biotransformació): reaccions redox.

Figura 4. Esquema dels diferents mecanismes d'actuació d'un microorganisme davant un metall pesat. Font14.          

L'exemple més destacat és el del mercuri. En aquest cas, el gen propi d'Escherichia coli reductor de mercuri s'ha clonat en D. radiodurans per tal de bioremediar ions de mercuri de rebuig nuclear, altament radioactius15.

Xenobiòtics 

Es tracta de compostos produïts en síntesi química, amb finalitats industrials o agrícoles16. Els més coneguts són plaguicides. Algunes d'aquestes substàncies es poden utiltzar com a fonts d'electrons o de carboni per certs microorganismes. De fet, poden ser considerat hidrocarburs amb diversos grups substituïts. Diverses espècies de Pseudomonas contenen plasmidis on hi ha codificats enzims capaços de degradar compostos organoclorats o organofosfatats. Sol tractar-se d'enzims induïbles17. 

Un exemple és Phanerochaete chrysosporium, un dels microorganismes més utilitzats per la degradació de pentaclorofenol (PCF) (Figura 5). Ho realitza per mitjà de l’activitat peroxidasa,  portada a terme majoritàriament amb els enzims manganès peroxidasa i lignina peroxidasa.

Gràcies al coneixement de la participació de les peroxidases al procés de degradació de compostos fenolítics, com el PCF, s’han realitzat treballs en els quals s’han expressat els plasmidis que contenen els gens que codifiquen pels enzims manganès peroxidasa i la lignina peroxidasa de Phanerochaete chrysosporium en altres microorganismes: pVEM i pCGM (pel primer) i pVEL i pCGL (pel darrer). 

Un exemple d’aquets treballs és el realitzat per Stewart et al. al 1996, en que va transmetre l’expressió heteròloga del gen que codifica per l’enzim manganès peroxidasa (mnp1) de P. chrysosporium a Aspergillus orizae18.

Figura 5. Via de degradació del pentaclorofenol(PCF) realitzada per Phanerochaete chrysosporium. Font18

Conclusions

La bioremediació pot ser una bona alternativa per reduir l’impacte ambiental que generen tots els residus produïts per l’home. Aconseguir que els microorganismes redueixin al màxim les substàncies contaminants presents al medi millora la diversitat dels ecosistemes. 

L’ús de la manipulació genètica per a la bioremediació comporta una sèrie de beneficis. Aquest tipus de microorganismes són capaços de degradar determinats components del petroli o certs metalls pesants que no són degradables pels altres organismes no modificats. Per tant, pot ser una solució més completa i, al mateix temps, més barata que altres tecnologies^19,20. A més, segons estudis recents, la seva possible influència sobre el medi ambient és mínima. És a dir, la probabilitat que es produeixi transferència horitzontal de gens entre bacteris modificats genèticament és similar a la probabilitat entre els no modificats.²¹

També existeixen desavantatges i crítiques davant aquesta manipulació genètica. La manipulació és específica per a cada lloc contaminat i es necessita molta informació sobre les peculiaritats del lloc i de l’abocament. També hi ha dues dificultats afegides: els microorganismes han de tenir una elevada taxa de supervivència i han de ser metabòlicament actius. Degut a aquest conjunt de fets encara no s’ha determinat l’eficàcia de molts microorganismes modificats. Finalment, també es tracta d’una tècnica moderna amb moltes restriccions legals.²² A més, en utilitzar la manipulació genètica per aconseguir-ho s’entra en un conflicte. L’objectiu de l’enginyeria genètica en bioremediació és millorar l’ambient natural però mitjançant un procés completament artificial. El fet d’incorporar microorganismes no autòctons pot implicar una distorsió de l’ecosistema, així doncs, alterant les poblacions futures.

Qüestions per reflexionar-hi…

· Com ha evolucionat el desastre del Prestige des del novembre de 2002? S’ha utilitzat la bioremediació?
· Un sistema de compostatge casolà es pot considerar una tècnica de bioremediació?
· Per bioremediar, només s’utilitza el metabolisme de microorganismes? 
· Creieu que la utilització d’aquesta tècnica és ètica?

Mercè Molas Soler

Cristina Prat Ferrer

Irene Puig Parnau

Marc Rabionet Diaz

Xènia Torrent Ferrer

BIBLIOGRAFIA

¹⁰III. Modificación genética de organismos y sus aplicaciones biotecnológicas, Tema 10: aplicaciones medioambientales de los microorganismos modificados genéticamente. Recuperat el 17 d’abril de 2013, des de http://docentes.cs.urjc.es/~odeluis/Docencia/Genet/Bloq3.pdf

^2,16Aguado Alonso, José. (2010). La biorremediación puede ser útil para la degradación de algunos contaminantes. Recuperat 17 d’abril, des de http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/2010/03/22/131435

²⁰Aplicaciones medioambientales de los microorganismos modificados genéticamente. Recuperat el 2 de març 2013, des de http://docentes.cs.urjc.es/~odeluis/Docencia/Genet/Bloq3.pdf

²¹Aquina Perpetuo, E.; Barbieri Souza, C. i Augusto Oller, C. “Engineering bacteria for bioremediation”. CEPEMA-University of São Paulo. Recuperat el 6 de març 2013, des de http://cdn.intechopen.com/pdfs/17260/InTech-Engineering_bacteria_for_bioremediation.pdf

³Atlas, Ronald M. i Bartha Richard. Ecología microbiana y microbiologia ambiental. 4ta ed. Madrid: Pearson, Addison Wesley, 2008.

Atlas, Ronald M., i Hazen, Terry C. (2011). Oil Biodegradation and Bioremediation: A Tale of the Two Worst Spills in U.S. History. Environmental Science & Technology, 45(16), 6709–6715. Recuperat el 10 de març 2013, des de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3155281/

⁸Betancor, Laura; Gadea, Pilar i Flores, Karina. GENETICA BACTERIANA. Recuperat el 9 de març 2013, des de http://www.educa2.madrid.org/web/educamadrid/principal/files/6046b373-a0b6-4737-8f6b-4553dfefcd53/11.-%20Genetica%20bacteriana.pdf

¹⁹Biorremediación,  cuaderno 36. ArbenBio, 2007. Recuperat el 2 de març 2013, des de http://www2.ceride.gov.ar/wwwisis/publica/biorremediacion.htm

¹³Castillo, Francisco, et al. Biotecnología ambiental. Madrid: Tébar, 2005.

¹Dr. Luis Wong Vega. Biotecnología  y bioremediación. Recuperat el 17 d’abril de 2013 des de http://www.seescyt.gov.do/CyT/documentos%20de%20congresos/IIIcongreso2007/BiotecnologiaYBiorremediacion.pdf

⁴EPA United States Environmental Protection Agency. (2013). Biremediation. Recuperat el 13 de març 2013, des de http://www.cluin.org/techfocus/default.focus/sec/Bioremediation/cat/Overview/

⁷Granados Guzmán, Rosario. Manipulación genética. Recuperat el 8 de març 2013, des de http://manipulaciongeneticargranados.blogspot.com.es/

⁶Laura, Carla, Maria i Diana. Enginyeria Genètica. Recuperat el 8 de març 2013, des de http://enginyeriageneticaa.blogspot.com.es/

¹⁴María López Martín. (2011). Biorremediación de metales pesados con aislados microbianos procedentes de procesos de compostaje. Recuperat 17 d’abril 2013 des de http://repositorio.ual.es/jspui/bitstream/10835/474/1/BIORREMEDIACI%C3%93N%20DE%20METALES%20PESADOS%20CON%20AISLADOS%20MICROBIANOS%20PROCEDENTES%20DE%20PROCESOS%20DE%20COMPOSTAJE-L%C3%93PEZ%20MART%C3%8DN,%20MARIA.pdf

¹⁸Montiel González, Alba Mónica. (2005). Identificación de la enzima responsable de la degradación de pentaclorofenol (PCF) en Amylomyces rouxii y optimización del mecanismo de degradación mediante la expresión heteròloga de peroxidases. Recuperat el 17 d’abril 2013, des de http://148.206.53.231/UAMI11934.pdf

¹¹Reed, Christina. (2011). Exxon Valdez 22 Years Later. Recuperat el 6 de març 2013, des de http://news.discovery.com/earth/exxon-valdez-110324.htm

Rodríguez Gallego, José Luis. La biorremediación frente al vertido del Exxon Valdez. [en línia]. Oviedo: Universidad de Oviedo. Recuperat el 10 de març 2013, des de http://ingenierosdeminas.org/docu/documentos/biorremediacion_exxon_valdes.pdf

¹⁷Rodríguez Martínez, Jesús i altres. Biodegradación de les xenobióticos: fenol, benceno y tolueno mediante Pseudomonas,Sp. Recuperat el 17 d’abril des de http://www.smbb.com.mx/congresos%20smbb/merida05/TRABAJOS/AREA_VII/CVII-14.pdf

⁹Sentandreu, Rafael i Herrero, Enric. Manipulació genètica de bacteris i llevats. Recuperat el 9 de març 2013, des de http://taller.iec.cat/cmibllc/fons/13/13.02.012.pdf

¹⁵Universitat Autònoma de Barcelona. Bioremediation and Deinococcus radiodurans. Recuperat el 17 d’abril 2013, des de http://bioinformatica.uab.es/biocomputacio/treballs00-01/Soler_Nuria/Bioremediation%20and%20Deinococcus%20radiodurans.htm

⁵Universitat Autònoma de Barcelona. Papel de la inginiería genética. Recuperat el 17 d’abril 2013, des de http://bioinformatica.uab.es/biocomputacio/treballs02-03/rburgos/dades/papel_de_la_ingenier%C3%ADa_gen%C3%A9tica.htm

¹²Universitat de Barcelona. (2002). Degradación de hidrocarburos. Recuperat el 10 de març 2013,des de http://bioinformatica.uab.es/biocomputacio/treballs02-03/rburgos/dades/degradaci%C3%B3n_de_hidrocarburos.htm#arriba

²²Viebahn, M.; Smit, E.; Glandorf, D.; Wernars, K. i Bakker, P. “Effect of genetically modified bacteria on ecosystems and their potential benefits for bioremediation and biocontrol of plant diseases”. Sustainable Agriculture Reviews. Consultat el 8 de març 2013, des de http://testweb.science.uu.nl/pmi/publications/PDF/2009/Sustainable%20Agriculture%20Reviews%202%20-%20Climate%20Change,%20Intercropping,%20Pest%20Control%20and%20Beneficial%20Microorganisms%20-%20Bakker%20-%202009.pdf