Microbiología del petróleo y sus derivados

Brenda Valderrama Blanco



Instituto de Biotecnología. Universidad Nacional Autónoma de México

La industria del petróleo es característica de nuestra época. Cada año se extraen cerca de un millón de toneladas de petróleo de yacimientos subterráneos, algunos de ellos en mar abierto. La mayor parte se utiliza como combustible en forma de gasolina, diesel, turbosina, etc., y junto con algunas fracciones volátiles (metano, propano y butano) son nuestra principal fuente de energía, tanto industrial como doméstica. Alrededor de 15 % del petróleo es utilizado como sustrato para la síntesis de otros compuestos, principalmente plásticos, un grupo heterogéneo que incluye polialquenos (como el polietileno, polibutileno, polipropileno), poliestirenos y cloruro de polivinilo (PVC). El resto del petróleo, las fracciones más pesadas y menos valiosas llamados asfaltenos, se utilizan como pavimento.

Químicamente, el petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos, es decir, de compuestos ricos en carbono e hidrógeno, aunque contiene otros elementos minoritarios como azufre, oxígeno y nitrógeno, así como trazas de metales. Es compleja porque dada la capacidad del átomo de carbono de formar cuatro enlaces con otros átomos de carbono, se pueden organizar como cadenas ó como ciclosTabla 1 .

Las cadenas se conocen como compuestos alifáticos, y consisten en sucesiones de átomos de carbono unidos entre sí por enlaces sencillos (alcanos), dobles (alquenos) o triples (alquinos) mientras que el resto de las valencias son ocupadas por hidrógenos. Los alcanos son la familia más numerosa en el petróleo crudo y se conocen como parafinas, pueden ser lineales o ramificados y su longitud varía de 1 a 40 carbonos, aunque se ha logrado detectar cadenas de 60 carbonos. Los ciclos pueden ser saturados, donde varios carbonos se unen entre sí por medio de enlaces sencillos, ó pueden ser aromáticos, donde algunos carbonos del ciclo están unidos por enlaces dobles. Los ciclos saturados se conocen como ciclo-alcanos, ciclo-parafinas o naftenos y son un componente minoritario del petróleo crudo. Los compuestos aromáticos son derivados del benceno, un anillo de seis carbonos unidos por tres enlaces sencillos y tres enlaces dobles alternados. Los anillos pueden encontrarse fusionados entre ellos o sustituidos con cadenas alifáticas. Los hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPAs) ó polinucleo arómaticos comprenden del 10 al 25% del petróleo crudo y son las fracciones más pesadas Tabla1 .

Para la industria petroquímica, la propiedad física del petróleo más importante es la temperatura de ebullición ya que sus componentes suelen ser separados por destilación mediante el incremento de la temperatura en etápas. Como pueden observar (temperatura de ebullición), las moléculas más pequeñas son volátiles a temperatura ambiente y conforme aumenta su masa molecular lo hace también su punto de ebullición Tabla 1

Una vez separadas a temperaturas específicas, cada fracción es sometida a diferentes procesos de purificación, dependiendo el uso al que estén destinadas. El contenido de azufre y de metales pesados afecta el valor del petróleo crudo y de sus fracciones, ya que los procesos de remoción son costosos.

El impacto del petróleo en nuestro entorno es mayor que sólo como fuente de materia prima ó de energía, ya que está provocando cambios en el clima del mundo. Fenómenos como el calentamiento global o el efecto invernadero se deben al aumento desorbitado de bióxido de carbono en nuestra atmósfera. Nuestro planeta contiene alrededor de 1.5 x 1012 millones de toneladas de carbono y alrededor de 15% de éste se encuentra en yacimientos subterráneos. Hemos extraído una pequeña parte (menos del 0.4% de todo el carbono del planeta) para usarlo como combustible, sin embargo cada año estamos incorporando 2,800 millones de toneladas de bióxido de carbono a las 76,000 millones de toneladas existentes en nuestra atmósfera ( elemento sin estilo url_web). La acumulación de bióxido de carbono provoca actualmente una acumulación de 1% adicional al calor generado por las radiaciones solares y sigue aumentando. Sólo existe una vía para incorporar el bióxido de carbono atmosférico a otras formas de menor impacto ambiental y es a través de la fotosíntesis, un proceso exclusivo de las plantas y algunas bacterias. La mayor parte de la fotosíntesis se lleva a cabo en el mar, donde se asimilan 2,500 millones de toneladas de carbono al año, mientras que en la tierra se incorporan 500 millones de toneladas de carbono al año Figura 1.

La contaminación de los mares y la tala inmoderada de los bosques, especialmente en las zonas tropicales, reduce nuestras reservas de fotosíntesis y agrava el problema.

México es un país exportador de petróleo, tenemos importantes yacimientos en explotación en las zonas del Golfo de México y en el Itsmo de Tehuántepec y otros más en reserva. Desde la expropiación de 1936, el petróleo existente bajo el suelo de nuestro país no puede pertenecer a particulares, sino que es administrado por el gobierno federal a través de la compañía paraestatal Petróleos Mexicanos ( elemento sin estilo url_web). Las divisas obtenidas por la venta de petróleo crudo y sus derivados es la principal fuente de ingresos para nuestro país. La producción y el consumo de petróleo es de vital importancia en la relaciones internacionales y ha sido frecuentemente un factor decisivo en la determinación de políticas exteriores. La posición de un país en el sistema depende en su capacidad de producción relacionada con su consumo. Para cualquier país, la presencia o ausencia de yacimientos de petróleo dentro de sus fronteras ha sido de considerables consecuencias en su economía, siendo uno de los factores determinantes entre ser un país rico ó un país pobre.

Existen numerosos estudios sobre la composición y el procesamiento del petróleo por lo que en este capítulo nos limitaremos a revisar aquellos procesos microbianos que utilizan petróleo o alguno de sus derivados como sustratos. Este tema es especialmente importante para nuestra generación, ya que el uso masivo de derivados del petróleo ha incrementado la concentración de compuestos xenobióticos en la biósfera. Por xenobiótico entendemos aquellos compuestos que no provienen de los ecosistemas y por lo tanto, no existen actividades enzimáticas capaces de utilizarlos eficientemente. En algunos casos, los xenobióticos no son biodegradables, es decir que no son utilizados por micoorganismos, sino que se van acumulando en la superficie del planeta. Ejemplo de esto son las toneladas de pesticidas e insecticidas que se aplican cada año. Si sumamos el petróleo derramado durante la extracción o el transporte, veremos que uno de los mayores retos en los próximos años será la generación de tecnología para su eliminación.

Origen biológico del petróleo

Ahora, ¿de dónde proviene el petróleo?. Los combustibles fósiles, como el petróleo ó el carbón de mina, reciben este nombre por provenir de estratos geológicos formados hace millones de años. El petróleo comenzó a formarse cuando plantas y animales muertos se hundieron al fondo del mar y fueron cubiertos por sedimentos. A través de largos periodos de tiempo (millones de años), estos restos pasaron por dos etápas de degradación, una biológica y otra abiótica. En la primera etapa, los microorganismos anaeróbicos convirtieron los restos orgánicos en una mezcla compleja llamada kerogéno que contiene principalmente material orgánico compacto como algas y otras plantas primitivas, polen, esporas y larvas de insectos. El kerogéno es insoluble en agua y al calentarlo se descompone en dos fases, una gaseosa y otra líquida parecida al petróleo. Durante la fase abiótica posterior, las altas presiones y el calor cambian los sedimentos a rocas sedimentarias y el kerogéno a petróleo. Esta conversión parece estar catalizada por metales y por las mismas arcillas de los estratos. Gracias a la acumulación de gases (metano principalmente) que funcionan como propulsor, las pozas subterráneas de petróleo se movilizan hacia los poros y fracturas de las rocas y eventualmente afloran de manera espontánea a ras de suelo.

Desde el punto de vista microbiológico, la identificación de las bacterias participantes en la formación del kerogéno es todo un reto, ya que se trata de organismos microscópicos que existieron hace miles de millones de años y cuyos remanentes se encuentran enterrados a cientos de metros de profundidad. Utilizando herramientas microbiológicas y moleculares se ha logrado identificar algunas especies microbianas vibles asociadas a depósitos de petróleo en explotación, aunque no es posible asegurar que provienen del yacimiento y no de contaminación con especies contemporáneas provencientes de corrientes de aguas subterráneas, por ejemplo. (53,81).Una alternativa novedosa ha sido la búsqueda de microfósiles asociados a yacimientos de kerogéno. Bajo condiciones muy especiales se ha podido identificar algunos de estos microfósiles como miembros de los grupos cianobacterias y protozoarios elemento sin estilo url_web elemento sin estilo url_webA pesar del interés que despierten, estos resultados no son informativos sobre cuales eran estos microorganismos o como vivían.

Recientemente se ha identificado cierto tipo de moléculas orgánicas que sólo pueden provenir de organismos vivos, ya sean procariotes o eucariotes. Estos fósiles moleculares se conocen como "bioindicadores" y son derivados de los lípidos celulares y de membranas. Un estudio de este tipo ha sido aplicado a un yacimiento de kerogéno en Australia y permitió establecer que los tres grandes grupos de seres vivos, eubacterias, arqueobacterias y eucariotes, ya existían hace 3,800 millones de años y son participantes potenciales en la fase biológica de la formación del petróleo elemento sin estilo url_webEste enfoque es muy poderoso y los resultados obtenidos de gran significado para estudios sobre evolución, sin embargo deben ser considerados con reserva ya que siempre existe la posibilidad de contaminación de las muestras con bacterias contemporáneas.

Bioremediación: El enfoque biológico para contender con la contaminación ambiental

Como consecuencia directa del uso masivo del petróleo como fuente de energía y como materia prima, ha surgido en los últimos 50 años el fenómeno de la contaminación ambiental, lo cuál ha ocasionado el deterioro progresivo de la calidad del medio ambiente generando una amenaza a la salud, así como la extinción de gran cantidad de especies vegetales y animales. Esta condición reta a nuestra sociedad de manera global para encontrar medidas efectivas que remedien los efectos negativos del avance tecnológico(12).Una medida que ha tenido un éxito significativo es la aplicación de técnicas de bioremediación. Como un ejemplo bien documentado al respecto, recomendamos la revisión de un caso de contaminación accidental por petróleo crudo en la costa de Japón recientemente publicado que se remedia con una preparación microbiana(37,77,78).La bioremediación utiliza generalmente microorganismos (bacterias, hongos, levaduras y algas), y recientemente han comenzado a utilizarse plantas superiores para algunas aplicaciones. Aunque nuevos enfoques en la bioremediación han surgido basados en la biología molecular y la ingeniería de bioprocesos, la bioremediación clásica continúa siendo el enfoque favorito para procesar desechos biologicos y evitar la propagación de bacterias patógenas(6,15,35,50).La bioremediación también juega un papel cada vez más importante en la concentración de metales y en la recuperación de materiales radioactivos(14,65).

Algunos microorganismos pueden degradar de manera natural compuestos orgánicos y esta capacidad se explota para facilitar la degradación de contaminantes y para operaciones de limpieza de desechos in situ. La aplicación de ensayos de monitoreo sencillos y de alta resolución ha permitido identificar aquellas especies capaces de degradar contaminantes mientras que el uso de sondas génicas específicas permite determinar la abundancia relativa de estos microorganismos. El uso de novedosas técnicas y herramientas para la bioremedicación in situ, en biofiltros y en bioreactores ha contribuido al rápido crecimiento de este campo. La bioremediación ha demostrado ser un complemento costeable y benéfico para ser usado en combinación con métodos químicos y físicos tradicionales como el composteo, la incineración y la extracción con solventes, en el tratamiento de desechos y en la descontaminación del medio ambiente.

De las diferentes fracciones del petróleo, los hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPAs) son los de mayor toxicidad y al mismo tiempo los más recalcitrantes a los métodos convencionales de remediación. Los HPAs son un grupo de compuestos aromáticos conteniendo dos o más anillos bencénicos fusionados en arreglos angulares, lineales o agrupadosTabla 1.

Son contaminantes ubicuos que se forman naturalmente en el curso de algunas reacciones geológicas y la fosilización de plantas o antropogénicamente en relación a las industrias del petróleo, de la producción de gas y de la preservación de madera. Los HPAs de bajo peso molecular son susceptibles de bioremediación, sin embargo, los de alto peso molecular son recalcitrantes a la degradación biológica(16,56,85).Las tasas de degradación de HPAs son variables y no dependen solamente de su estructura, sino también de parámetros fisicoquímicos del sitio, así como del número y variedad de microorganismos presentes(80).Las variables más importantes que limitan la bioremediación de HPAs de alto peso molecular son la transferencia de masa, las heterogeneidades espaciales y las pérdidas abióticas. Dada la baja solubilidad de estos compuestos en agua, una de las estrategias para la bioremediación en suelo es la adición de surfactantes, naturales o sintéticos, que solubilicen a los HPAs y aumenten su biodisponibilidad(4,7,24,62,68,69). Una variación interesante es la identificación de organismos que degraden tanto los compuestos contaminantes como los surfactantes, de manera de no acumular otros compuestos xenobióticos al suelo(29).Es importante considerar que los productos de degradación de los HPAs no son necesariamente menos tóxico que las moléculas parentales, por lo que es imprescindible incorporar procedimientos de monitoreo de toxicidad en las diferentes etapas de la bioremediación.

Bioremediación de otros compuestos recalcitrantes

El desarrollo de químicos sintéticos derivados del petróleo provee muchos materiales extremadamente útiles, tales como plásticos, pesticidas, aislantes, refrigerantes y retardantes de flama. Muchos de estos materiales nunca habían existido en la naturaleza y por lo tanto los microorganismos no poseen enzimas para degradarlos. De aquí que se consideren no biodegradables o recalcitrantes. Los términos no son completamente precisos sin embargo, ya que ahora se sabe que muchos compuestos clasificados como recalcitrantes son degradados lentamente en el suelo o en medios acuosos. Ejemplos de tales compuestos tóxicos que han causado desastres ecológicos incluyen al DDT (diclorofeniltricloroetano), bifenilos policlorados y pentaclorofenol (1,2,44).

Los compuestos recalcitrantes no sirven usualmente como fuentes de carbón ó de energía para el crecimiento microbiano. Si acaso se degradan, es mediante un proceso de cometabolismo, durante el cual otros compuestos son utilizados como fuente de energía (el cometabolito) con la degradación lateral del compuesto blanco. La degradación completa (mineralización) de moléculas orgánicas relativamente complejas a bióxido de carbono o metano requiere el esfuerzo concertado de bacterias de diferentes grupos: las fermentativas hidrolíticas (eubacterias, p. ej. Chlorobium), las acetogénicas (eubacterias, p. ej. Desulfovibrio y Desulfomatuculum) y las metanogénicas (arqueobacterias, p. ej. Methanosaeta y Methanospirillum). Debido a su condición de asociaciones sintróficas (animación sintrofía), el aislamiento de cultivos puros a partir de los consorcios metanogénicos es dificil y ha ocasionado errores en la clasificación de sus elementos.

El estudio de la diversidad microbiana y las dinámicas de sus poblaciones en consorcios biodegradadores está creciendo notablemente en el área de la ecología microbiana (texto adicional ecología microbiana 1). El interés en esta área ha sido catalizado por el rápido avance de métodos de ecología molecular ya que a través de su uso se tiene una mejor perspectiva de la composición de comunidades microbianas no cultivables. De hecho, se está ha vuelto factible definir las causas de los cambios temporales en la salud de un ecosistema alterado basandose en la estructura de su población. En particular, el estudio de comunidades microbianas que toman parte en la biodegradación in situ de hidrocarburos ha sido un reto para los microbiólogos. La razón de esto es que la mayor parte de las especies (~90 a 99%) que componen las comunidades degradadoras no son cultivables. La estimación de biomarcadores lipídicos, específicamente fosfolípidos, junto con técnicas de identificación basadas en la secuencia de la subunidad 16S de los ribosomas son una poderosa combinación de técnicas para la elucidación de la ecología microbiana de comunidades bioremediadoras. El uso de estas técnicas provee una apreciación clara de varias características importantes de las comunidades microbianas, específicamente la biomasa viable, la estructura de la comunidad y el estado nutricional o la presencia de respuestas a estrés en bacterias Gram-negativas(41).

Las comunidades microbianas en ecosistemas contaminados tienden a ser dominadas por aquellos organismos capaces de utilizar y/o de sobrevir los compuestos tóxicos (52). Como resultado, estas comunidades son menos diversas que aquellos sistemas de referencia no contaminados, aunque la diversidad también puede estar influenciada por la complejidad de la mezcla de compuestos presentes y por el tiempo que las poblaciones han estado expuestas (38,84).Sin embargo, cuando las bacterias Gram-negativas dominan el sistema (como es frecuente en el caso de ambientes contaminados con hidrocarburos), el conociminto derivado de los biomarcadores lipídicos se limita al estado nutricional o fisiológico de la comunidad bacteriana más que a su diversidad.

A pesar de la relativamente larga historia de investigación en la bioremediación de derrames de petróleo, ésta continúa siendo una disciplina esencialmente empírica y muchos de los factores biológicos que controlan los procesos no han sido adecuadamento comprendidos. Por ejemplo, la adición de nutrientes es una práctica ampliamente aceptada en la limpieza de derrames aunque es escaso el conocimiento de sus efectos durante el progeso de la bioremediación Existen evidencias experimentales que indican que los niveles de nutrientes, y su concentración relativa con respecto a los contaminantes, influencian la composición de las poblaciones de microorganismos degradadores, lo cual a su vez afecta la tasa de degradación de los contaminantes(59).

Características de los microorganismos biodegradadores

Existe una gran variedad de microorganismos identificados en la degradación de compuestos derivados del petróleoTabla 2.

Interesantemente, casi todos son eubacterias, aunque en algunos casos se encontraron arqueobacterias y eucariotes. Aunque no han sido caracterizados en su totalidad, muchos de estos microorganismos poseen actividades de peroxidasas y oxigenasas, que permiten la oxidación más ó menos específicas de algunas fracciones del petróleo. Esta oxidación cambia las propiedades de los compuestos, haciendolos susceptibles de ataques secundarios y facilitando su conversión a bióxido de carbono y agua. En algunas ocasiones no es necesario llegar a la mineralización, sino que basta una oxidación para disminuir notablemente su toxicidad o aumentar su solubilidad en agua, incrementando su biodisponibilidad(79).

Uno de los géneros bacterianos más explotados en bioprocesos no-convencionales es Rhodococcus, un grupo único consistente en microorganismos que presentan una gran diversidad metabólica, particularmente hacia la utilización de compuestos hidrofóbicos tales como hidrocarburos, fenoles clorados, esteroides, lignina, carbón y petróleo. Algunas cepas de Rhodococcus han sido utilizadas en aplicaciones industriales y ambientales, incluyendo la producción de ácido acrílico y acrilamida, conversiones de esteroides y bioremediación de hidrocarburos clorados y fenoles. Estos microorganismos presentan una notable capacidad de degradar hidrocarburos alifáticos halogenados y numerosos compuestos aromáticos, incluyendo algunos sustituidos por halógenos, así como hidrocarburos policíclicos aromáticos(28, 83).

Las bacterias del género Rhododoccus poseen una gran variedad de vías metabólicas para la degradación y modificación de compuestos aromáticos, incluyendo las actividades de di-oxigenasa y mono-oxigenasa sobre anillos así como la actividad de ruptura de catecol. Algunos aislados presentan también la vía del 3-oxoadipato. La tolerancia de éstas bacterias a la falta de nutrientes, su carencia de un sistema de represión catabólica y su persistencia ambiental las hace excelentes candidatas para los tratamientos de bioremediación. Algunas cepas producen poli-3-hidroxialcanoatos, otras acumulan metales pesados y otras son fuente de enzimas útiles como la fenilalanina deshidrogenasa y endoglucosidasas. Otras aplicaciones potenciales de los Rhodococos incluyen la biodesulfuración de combustibles, la deshalogenación de emisiones gaseosas y la construcción de biosensores(26,28,32,83).

En este punto quizá estés preguntandote cómo adquirieron los microorganismos la capacidad de degradar compuestos que a los que nunca habian estado expuestos. Para entenderlo hay que tener en consideración que para cualquier organismo (inclusive para los humanos) lo más importante es reproducirse y perpetuar sus genes, por lo que cualquier condición ambiental o nutricional que reduzca su probabilidad de reproducirse despertará una reacción inmediata a nivel metabólico y en segunda instancia a nivel genético.

Algunas de las estrategias que se han observado en respuestas de este tipo de retos son: 1.-Reclutamiento. Cuando un organismo se encuentra ante una condición ambiental completamente desconocida de manera abrupta sólo puede utilizar lo que ya tiene. Es decir, que puede explotar alguna actividad enzimática existente para degradar un compuesto nuevo y sobrevivir al reto. Ejemplo de esto es la utilización de enzimas dedicadas a la degradación de lignína (un componente de la corteza de los arboles) para degradar HPAs por algunos hongos(8,9). 2.-Transferencia horizontal. Sabemos que es común entre bacterias la incorporación de material genético de organismos similares por medio de mecanismos celulares de transferencia (conjugación), pero también pueden incorporarlo de organismos distantes e inclusive completamente diferentes por medio de virus (transducción) o directamente del medio (transformación)(21).(animación transferencia horizontal) El material genético incorporado puede integrarse al de la bacteria, enriqueciendo su repertorio metabólico con nuevas funciones, incluyendo aquellas que le permitan degradar compuestos xenobióticos. Un ejemplo de esto es la transferencia de los genes para degradar fenol entre diferentes especies de Pseudomonas en suelo(58).

Estrategias recombinantes para la generación de nuevos microorganismos biodegradadores

Muchos contaminantes ambientales son degradados eficientemente por microorganismos, sin embargo otros persisten y constituyen un riesgo severo a la salud pública. En algunas instancias, la persistencia es una consecuencia del inadecuado potencial catabólico de los microorganismos disponibles. La tecnología del ADN recombinante (ADNr), aunado a un sólido conocimiento de vías catabólicas y de fisiología microbiana, capacita el desarrollo experimental de actividades catabólicas nuevas o mejoradas sobre esos contaminantes(19,20,43,45,76).

Aunque una gran variedad de microorganismos capaces de degradar xenobióticos tóxicos altamente estables han sido identificados, todavía muchos contaminantes persisten en el ambiente. Avances recientes en el campo de la tecnología del ADNr han proporcionado soluciones a estos problemas. Clasicamente, uno de los factores limitantes en la bioremediación de sitos contaminados ha sido la baja tasa de degradación. Mediante el uso de ADNr es posible extender el rango de los sustratos que un organismo puede utilizar y la tasa de consumo, inclusive se puede habilitar a un organismo con la capacidad de degradar un rango predeterminado de xenobióticos. Dado que los procesos biotecnológicos están basados en actividades naturales de microorganismos y sólo constituyen variaciones en el tratamiento convencional de deshechos, son aceptados publicamente. Esta es un área donde la ingeniería genética puede hacer imporantes aportaciones al manipular los genes catabólicos.

A diferencia de las bacterias utilizadas en el trabajo de laboratorio, los organismos genéticamente modificados destinados a ser liberados al medio ambiente como agentes bioremediadores deben ser capaces de expresar su fenotipo bajo el control de señales externas presentes en el medio al cual van a incorporarse. Esta es una diferencia significativa con respecto a otros procesos biotecnológicos (por ejemplo un bioreactor) en el cual las condiciones de trabajo pueden establecerse a voluntad del operador. En el campo, las condiciones de operación se determinan por el ambiente externo. El principal problema es, por lo tanto, como programar fisiológica y genéticamente a las bacterias para expresar el fenotipo deseado al nivel y en el momento preciso, bajo circunstancias fisicoquímicas sobre las cuales no se tiene control. Este reto ha motivado el desarrollo de una nueva generación de sistemas de expresión de amplio rango específicamente diseñados para bacterias, particularmente Pseudomonas, pero también para otros organismos Gram-negativos(22).

Impacto ecológico de la liberación al medio ambiente de microorganismos genéticamente modificados

La transferencia horizontal de genes entre bacterias ha sido ampliamente demostrada bajo condiciones naturalesAnimación 1.

En estos casos, el material genético es transferido entre bacterias mediante los procesos de transformación, transducción o conjugación(21).En muchas ocasiones los genes que codifican para enzimas involucradas en la degradación de contaminantes se localizan en moléculas extracromosomales llamadas plásmidos. El entendimiento de las dinámicas de transferencia horizontal es imprescindible para comprender la evolución y la ecología de plásmidos, asi como para la evaluación de riesgos, o sea, del impacto ecológico de la liberación intencional de bacterias naturales o recombinantes para usos agronómicos o de bioremediación. Este impacto ecológico depende de cómo el nuevo material genético sea expresado en el organismo receptor y en cómo operen los procesos de selección natural en los receptores. Aunque existe la posibilidad de transferencia genética entre todos los miembros de una comunidad bacteriana, se ha encontrado que existe un clara delimitación entre las especies que efectivamente reciben y expresan una nueva capacidad metabólica siempre en función de sus propias características(54).

El uso extensivo de plásmidos con determinantes de resistencia a antibióticos podría tener consecuencias en la transferencia horizontal de esta resistencia acoplado a presiones selectivas impuestas por el uso (y el mal uso) de antibióticos en medicina y en ganadería. Por ejemplo, uno de los microorganismos mas usados en bioremediación es Pseudomonas aeruginosa, bacteria que presenta una serie muy interesante de actividades naturales sobre xenobióticos(58).Lamentablemente, también es conocida por ser un patógeno oportunista en humanos y causante de complicaciones graves en personas inmuno-suprimidas, con quemaduras severas o con fibrosis quística. Por estas razones existe mucho interés en el estudio de las relaciones filogenéticas entre aislados clínicos y ambientales. Recientemente se demostró que la única diferencia aparente entre estos dos grupos es la presencia de un plásmido que correlaciona con la capacidad de degradar gasolina y aunque no se demostró que las cepas ambientales fueran infecciosas, es una llamada de atención sobre las posibles consecuencias de liberar sin control bacterias recombinantes en el medio ambiente(30).

Burkholderia es otro género bacteriano utilizado para bioremediación de herbicidas y pesticidas recalcitrantes y también es usado para proteger cultivos contra hongos. Igual que Pseudomonas, ha sido identificado como patógeno oportunista en humanos, particularmente en pacientes con fibrosis quística. Debido a su genoma extremadamente flexible, Burkholderia cepacia tiene una gran capacidad de mutación y adaptación. Es inherentemente resistente a múltiples antibióticos y ésta capacidad es altamente transmisible entre especies. Por todas estas razones, la selección de cepas "seguras" para su uso ambiental no es posible por el momento y su uso en la agricultura también debe ser cauteloso(36).

Una respuesta muy ingeniosa a este conflicto es la construcción de plásmidos "suicidas", que sólo puedan propagarse en la cepa receptora original y que no puedan ser transferidos. Usando sofisticados sistemas genéticos se han implementado estas funciones "suicidas" en los plásmidos de tal manera que no sean susceptibles de inactivación por proceso celulares naturales, como recombinación, deleción o inactivación por inserción(48).

Enfoques genómicos para la biotecnología ambiental

Mucho de la historia de la microbiología se ha basado en técnicas de cultivo axénico. Aunque esta estrategia ha llevado a descubrimientos notables, ahora sabemos que la historia está incompleta debido a la enorme cantidad de evidencia indicando la existencia de numerosos organismos no cultivables. Se han desarrollado novedosos métodos que permiten el análisis de muestras de material genético aislado directamente de suelo y el uso de técnicas de amplificación-clonación ha permitido identificar una gran cantidad de nuevos microorganismos dandonos una nueva perspectiva de la biodiversidad real de diferentes ecosistemas(72,82).

Con la finalidad de explotar el repertorio de actividades catalíticas de organismos no utilizados tradicionalmente, se ha desarrollado una nueva estrategia conocida como bioprospección. Esta estrategia no se limita a microorganismos, sino que cualquier miembro de un ecosistema puede ser analizado con modernas herramientas moleculares para detectar nuevas capacidades metabólicas. Con respecto a microorganismos, no solo se han explorado ecosistemas convencionales como suelo y agua, sino que los más espectaculares descubrimientos han surgido del estudio de ecosistemas extremos, como el subsuelo en los polos, cráteres de volcanes, manantiales sulfurosos, etc.

Colectivamente, los genomas de la microbiota total contenida en la naturaleza, denominado metagenoma, representan mucho mas información genética de la contenida en el subgrupo cultivable. Dada la profunda utilidad e importancia de los microorganismos para todos los sistemas biológicos, se requieren nuevos métodos para acceder a la riqueza de información contenida en el metagenoma. Una estrategia exitosa propuesta por el grupo dirigido por Jo Handelsman a este respecto, ha sido la clonación de fragmentos grandes de ADN aislado directamente de los microbios de muestras ambientales(67).La aplicación de esta estrategia permitirá no solo una evaluación más realista de la biodiversidad microbiana en diferentes ambientes, sino la recuperación de un sinfín de nuevas actividades, o de actividades ya conocidas con nuevas propiedades.

Adicionalmente al enfoque de búsqueda de diversidad, se esta llevando a cabo un esfuerzo muy interesante para el análisis computacional de algunos genomas secuenciados completamente que permitan la predicción de reacciones aisladas o de vías bioquímicas completas involucradas en la degradación de xenobióticos. Hasta el momento, el grupo dirigido por Lynda Ellis tiene identificadas más de 100 vías metabólicas, 650 reacciones, 600 compuestos y 400 enzimas participantes en la degradación de contaminantes. Toda esta información está disponible en la base de datos sobre Biocatálisis y Biodegradación de la Universidad de Minnesota elemento sin estilo url_webfundada en 1995(27).

Conclusiones

Aunque existían indicios de la complejidad microbiana, no es sino hasta recientemente que estamos adquiriendo conciencia de la enorme cantidad de recursos bioquímicos que están esperando ser descubiertos. Las principales firmas biotecnológicas están invirtiendo grandes cantidades a la búsqueda de nuevas actividades enzimáticas que puedan ser aplicadas a productos existentes o que inspiren nuevas formulaciones. Existe la consideración general de que muchos de los procesos industriales que se implementarán en los próximos 50 años tendrán su fundamento en recursos biotecnológicos: deberán ser eficientes, limpios y autosustentables. Los métodos tradicionales de bioremediación también se enriquecerán con la generación de nuevas tecnologías. Somos testigos del renacimiento de la microbiología, con alcances sólo comparables a los de la época de oro de la segunda mitad del siglo XIX.











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