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Biotecnolog铆a y biorremediaci贸n Dr. Luis Wong Vega


 La

biorremediación puede ser definida como el uso de organismos vivos, componentes celulares y enzimas libres, con el fin de realizar una mineralización (compuesto orgánico blanco --> CO2 + H2O), una transformación parcial, la humificación de los residuos o de agentes contaminantes y una alteración del estado redox de metales.


ďƒ˜ La

biorremediaciĂłn es llevada a cabo fundamentalmente mediante el uso de microorganismos y, en menor medida, de plantas.


La biorremediación es un fenómeno común en la naturaleza, cuando en un ambiente o ecosistema se produce una alteración del equilibrio como es el caso de una gran tala de árboles, ello origina un aumento considerable de materia orgánica en el suelo.


Los factores que gobiernan la biorremediación son complejos y pueden variar enormemente dependiendo de la aplicación.  En muchos casos puede llegar a ser difícil distinguir entre los factores bióticos y abióticos que contribuyen con la biorremediación.


En este caso los factores físicos y bióticos tratan de reponer el daño, se produce entonces un aumento de organismos saprófitos los cuales ocasionan una gran mineralización de la materia caída, además el resto de esa materia puede ser reciclada o humificada.


En general existen dos estrategias para ayudar a un ecosistema a remediarse: a) la primera es agregar nutrientes de forma de estimular las poblaciones naturales y así aumentando su actividad y b) la segunda es introduciendo microorganismos exógenos dentro del ecosistema como forma de remediación.


 En

este último caso con las nuevas técnicas de la ingeniería genética se pueden emplear microorganismos genéticamente modificados, haciéndolos más eficientes en la biorremediación.


Los ámbitos principales de la biorremediación moderna son: 1. Biorremediación de hidrocarburos provenientes de combustibles fósiles. 2. Biorremediación de Hidrocarburos Aromáticos Polinucleares 3. Biorremediación de compuestos xenobióticos 4. Biorremediación de metales pesados


Biorremediación de combustibles fósiles  La descomposición microbiana de estos hidrocarburos es de considerable importancia económica y ambiental por los perjuicios que ocasionan.  Una de las principales causas de contaminación del ambiente son los derrames de petróleo.


ďƒ˜ Estos

combustibles causan graves problemas de contaminaciĂłn tanto al usarlos como al producirlos y transportarlos.


Biorremediación de Hidrocarburos Aromáticos Polinucleares  Los hidrocarburos aromáticos polinucleares (HAPs) constituyen un grupo de contaminantes considerado de estudio prioritario debido a sus propiedades mutagénicas, tóxicas y cancerígenas. En los últimos años la acumulación de estos ha ido aumentado.


Los compuestos policíclicos aromáticos conforman una familia grande de especies químicas muy peligrosas.


La transferencia de genes episomáticos (contenidos en un plásmido) entre bacterias superficiales y endofíticas, ha permitido crear cepas endofíticas que metabolizan totalmente el tolueno, un compuesto aromático muy tóxico y muy difícil de catabolizar.


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Biorremediación de compuestos xenobióticos Se denomina compuesto xenobióticos (xeno, vocablo que significa extraño) a aquellos compuestos sintetizados artificialmente por síntesis química con fines industriales o agrícolas. Aunque estos compuestos pueden ser semejante a los compuestos naturales muchos son desconocidos en la naturaleza. Así, los organismos capaces de metabolizarlos no podrían existir en la naturaleza.


ďƒ˜ Algunos

de los xenobiĂłticos mĂĄs conocidos son los plaguicidas entre los que se incluyen herbicidas, insecticidas, nematicidas, funguicidas, etc..


La persistencia de xenobióticos, en su forma tóxica activa o derivados igualmente tóxicos, en el suelo es larga.


Biorremediación de metales pesados  Otra importante área de contaminación es la que originan los metales pesados. En este caso, el mecanismo bioquímico microbiano o vegetal, no es la degradación del átomo contaminante, sino que se produce un cambio en el estado de oxidación del metal para su detoxificación.


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Metales pesados tĂłxicos.


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Este cambio en el estado de oxidación permite seguir varias estrategias de biorremediación: a) El metal se vuelve menos soluble y precipita lo que hace que sea menos utilizado por los organismos del ambiente. b) Hace que se vuelva por el contrario más soluble por lo que puede ser removido por permeabilidad. c) Permite que pueda haber una volatilización del átomo. d) Hacerlo en si menos tóxico para los organismos del medio.


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La biorremediaciĂłn de suelos envenenados con metales pesados, usando bacterias modificadas genĂŠticamente, es un campo en fuerte desarrollo.


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Sus aplicaciones incluyen hasta la descontaminaciĂłn de desechos radioactivos.


Ingeniería Genética Vegetal y Fitorremediación 

La contaminación ambiental por metales y xenobióticos es un problema global y el desarrollo de métodos de biorremediación para la limpieza de suelos contaminados, basada en el uso de plantas transgénicas, es de singular interés e importancia.


Fitorremediación es un término general usado para describir varios mecanismos mediante los cuales las plantas alteran la composición química de la matriz del suelo en el que están plantadas.

La palabra proviene del prefijo griego phyto (que significa planta) y del la raíz latina remidium (que significa corregir o remover lo malo).

Lo malo se refiere al daño antropogénico (hecho por el hombre) al arrojar al medio contaminantes tales como solventes orgánicos, metales pesados, pesticidas o radionúclidos.


Plantas hiperacumuladoras pueden concentrar metales pesados en sus partes una relación de, al menos, 0.1% metal / biomasa seca.

La Fitoacumulación o fitoextracción consiste en la traslocación de los metales pesados o compuestos inorgánicos, desde la rizosfera hasta las propias partes de la planta (brotes, hojas, raíces, etc), los cuales pueden ser separados y eliminados adecuadamente. En el otro caso, algunos compuestos pueden ser neutralizados químicamente y eliminados (algunos pueden ser volatilizados).


La fitorremediación actúa através de diversos mecanismos, tales como la inmobilización del elemento tóxico (fitoestabilización) o mediante su remoción (fitodecontaminación).


La ingeniería genética de plantas ha creado un nuevo campo para la Fitorremediación, pues la posibilidad de emplear genes detoxificadores para incrementar esta capacidad en plantas transgénicas, abre enormes perspectivas para su uso en el tratamiento y recuperación de suelos.


Tecnologías de Ingeniería Genética de Plantas para la Fitorremediación están disponibles solo para un grupo limitado de problemas ambientales, tales como en el caso de la acumulación de arsénico, un elemento altamente tóxico generado por algunas actividades industriales y sobre todo por la minería.


La remoción de arsénico por fitorremediación emplea un hiperacumulador natural de este metal: una variedad de helechos, los cuales lo extraen del suelo y acumulan una gran cantidad de este metal en los tejidos de sus partes aéreas.


 Esquemas

muy sofisticados, basados en la acción combinada de dos genes de detoxificación, han sido diseñados en plantas transgénicas, desarolladas para la remoción de mercurio o arsénico por fitorremediación.


Esquema de detoxificación metabólica de Mercurio (Hg) y Arsénico (As).


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Dhankher et al. examined the effects of coexpressing two bacterial genes, arsenate reductase (arsC) and y-glutamylcysteine synthetase (y-ECS), in Arabidopsis plants. They observed that plants expressing SRS1p/ArsC and ACT2p/ y-ECS together showed substantially greater arsenic tolerance than wild-type plants or plants expressing y-ECS alone. In addition, when grown on arsenic, these plants accumulated 4-17-fold greater fresh shoot weight and accumulated 2- 3-fold more arsenic per gram of tissue than wild-type plants or plants expressing y-ECS or ArsC alone.

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Nature Biotechnology, DOI:10.1038/nbt747, October 7, 2002).


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En plantas que de manera natural hiperacumulan zinc (Zn) en sus hojas, aproximadamente diez genes claves en la homeostasis celular son expresados a la vez, a niveles muy altos. Los mismos se conocen y ya estĂĄn siendo modificados y empleados para estos fines.


La enzima AtCpNifS regula la acumulación y el metabolismo en los plastidios, tanto del azufre (S) como del selenio (Se). AtCpNifS es una enzima de localización cloroplástica, proveniente de Arabidopsis thaliana, que forma azufre elemental y alanina, a partir de cisteína (Cys) o selenio elemental y alanina a partir de selenocisteína (SeCys). Su expresión en plantas que acumula selenio está siendo analizada para limpiar estos metales de suelos altamente contaminados.


 Reacción

de detoxificación del Selenio intermediada por la Cisteína.


Se han diseñado diversas estrategias de ingeniería metabólica, bastante exitosas, para la fitorremediación del Selenio en plantas transgénicas.


Plantas transgénicas de Brassica juncacea que sobreproducen proteínas denominadas “fitoquelatinas” (proteínas que fijan metales) han demostrado una alta capacidad de detoxificar cadmio (Cd).

Different transgenic mustard plants that overproduce phytochelatins were shown to have increased cadmium tolerance and accumulation: Plant Physiology 119:73-79 (1999); Plant Physiology 121:1169-1177 (1999).


Plantas transgénicas que sobre-expresan genes de la enzima ATP-sulfurilasa acumula grandes cantidades de molibdeno (Mo), tungsteno (W) y vanadio (V), en un proceso que involucra captura de azufre y activación de mecanismos de generación de oxianiones.


 La

ingeniería genética de plantas, para su uso en la fitorremediación, necesita de análisis adicionales que lleven al descubrimiento de más genes involucrados en estos procesos.


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Así mismo, necesita de: a) resultados de estudios sobre el desarrollo de poblaciones segregantes y b) datos sobre la bioquimica de la concentración de multielementos y sus perfiles, en diferentes tipos de plantas. Toda esta información es necesaria para tener una visión completa sobre los mecanismos moleculares que dirigen la hiperacumulación de metales en especies vegetales detoxificadoras de suelos.


Preocupaciones en torno a la biorremediación… 

La biorremediación es un campo reciente, en donde se comienza a tener las herramientas necesarias para utilizarla pero, como todo lo que toca a la biotecnología, es un tema controvertido e influenciado por el desconocimiento público. Los temores sobre lo que pueda pasar si se liberan al medio genes nuevos o modificados son reales. ¿Pueden estos microorganismos o plantas modificar las poblaciones naturales? ¿Hasta que punto?


Se piensa que cepas modificadas genéticamente y que sean liberadas en el medio podrían difundirse a otros lugares no contaminados o bien una vez hubieran hecho su faena descontaminadora degradando todo el contaminante, estas persistirían allí, aumentando el riesgo de transferencia genética horizontal (pasándoles los genes a otras especies).


Por un lado, no se ha probado este tipo de transferencia en casos de plantas transgénicas y, por otro, los organismos transgénicos se diseñan  con controles para prevenir esta posibilidad.

Por ejemplo, utilizando una cepa suicida modificada genéticamente. La cepa degradadora contiene un gen letal tal como la colicina E3Rnasa debajo el control de un promotor regulado por un represor dependiente de un corepresor ( que sería el hidrocarburo a degradar). Es decir un control negativo reprimible. De esta manera si el microorganismo se va del lugar de acción o el contaminante es totalmente degradado, al no existir corepresor en el medio, el represor no podría actuar y por lo tanto se expresaría el gen letal matando a la célula. Sin embargo si se mantiene en la zona contaminada y queda contaminante para degradar el represor reprimirá el gen letal.


Otro tipo de control de riesgo serían las cepas biosensoras. Consiste en hacer otra fusión génica entre un promotor regulado por un activador inducido por el contaminante y un gen reportero fácil de detectar, como es el caso del gen lux. Esta cepa biosensora nos permitiría monitorizar in situ como va el proceso de degradación mediante la producción de bioluminiscencia (más luz producida indicará mayor grado de degradación). En estas cepas se busca aumentar la eficiencia metabólica de las vías degradativas espécíficamente.


¿Tiene sentido la investigación en biorremediación en la República Dominicana?

El tercer lugar más contaminado del mundo es Haina (República Dominicana). Los restos de una planta de reciclaje de baterías de vehículos, ya clausurada, afectan todavía a una población de 85.000 habitantes, que viven inmersos en restos de ácidos, plomo, etc.


Plantas como el gandul (Cajanus cajan) o el cajuil (Anacaridum occidentale) tienen un gran potencial como especies tropicales potencialmente 煤tiles para la biorremediaci贸n, pues poseen tolerancia a suelos de diferente naturaleza (alcalinos, con alto contenido en aluminio y otros metales, etc) y crecen con bastante facilidad.


Los niveles de contaminaci贸n del R铆o Ozama son extremadamente altos. Su limpieza puede hacerse empleando medios como microorganismos detoxificantes.


Este proceso comprende procesos de digestión y fermentación básicamente realizada por bacterias, modificadas genéticamente o no. El resultado final es la producción de CO2 y Metano, con lo que se logra una disminución del contenido de sustancia orgánica.


Conclusiones.. 

La biorremediación es una práctica que está tomando importancia a nivel mundial dado que el aumento de la actividad industrial está degradando cada vez más los ecosistemas naturales. El empleo de microorganismos conocidos y de especies vegetales para el tratamiento de desechos potencialmente tóxicos ya es una práctica habitual en países desarrollados. Las herramientas de la Ingeniería genética ha abierto un nuevo campo de posibilidades en cuanto a la biorremediación de condiciones muy complejas. Para los países en desarrollo, la biorremediación no es un lujo sino una necesidad.


!!!Muchas Gracias!!!


Biorremediación