Las microalgas recombinantes como una poderosa herramienta contra enfermedades en especies de interés acuícola

Tema: 

Las microalgas son organismos muy variables que tienen una gran importancia en la industria acuícola, ya que son alimento en diversas etapas tanto de moluscos, peces, crustáceos. Las microalgas son organismos de fácil cultivo y manipulación y es por esto por lo que son blanco de diferentes estudios, siendo uno de los temas principales el mejoramiento genético. Entre los estudios más relevantes para la industria acuícola, se tienen los relacionados con las investigaciones de microalgas recombinantes que puedan expresar o entregar distintos genes que puedan combatir infecciones que afectan a los diferentes organismos cultivados. Esto representa dentro de la acuicultura un gran avance, todo para poder disminuir el uso de medicamentos y vacunas, los cuales pueden llegar a producir efectos negativos tanto en el humano como en el medio ambiente, ya que está comprobado que las microalgas recombinantes pueden llegar a producir un efecto benéfico en los organismos cultivados.

Introducción

La mayoría de las personas sabe que las plantas son organismos que llevan a cabo la importante labor de transformar el dióxido de carbono a oxígeno, pero lo que muchos no saben es que existen pequeños microorganismos que realizan la misma función y aportan hasta la mitad de oxígeno en el planeta. Estos organismos son conocidos como microalgas, las cuales son un grupo muy grande y heterogéneo de microrganismos acuáticos, que tienen la característica de realizar el proceso de fotosíntesis. Las podemos encontrar en cuerpos de agua, ya sea dulce, salada o salobre, y en cualquier ecosistema acuático del planeta. Son tan variadas en cuanto a morfología, que se puede decir que el término microalga, no tiene un sentido taxonómico, ya que en este grupo se pueden incluir a tanto organismos de tipo procariota como eucariota. Las microalgas comúnmente crecen en el agua, actúan como productores primarios y forman diferentes colonias unicelulares o pluricelulares, mientras que otras pueden permanecer adheridos a rocas, plantas, corales u otros animales (Lee, 2008). 

Las microalgas y sus usos en la industria

Las microalgas son una parte esencial del medio ambiente ya que son vitales para la supervivencia de otros organismos. Algunos estudios demuestran los diversos compuestos biológicamente activos que contienen las microalgas, que van desde las proteínas, pigmentos como carotenos, ácidos grasos de gran importancia como los PUFA (ácidos grasos poliinsaturados), además de vitaminas y minerales.  Es por esto, que durante los últimos años se ha incrementado el interés del uso de las tecnologías en microalgas para producción de alimentos, medicamentos, productos químicos y combustibles, así como para otras aplicaciones como el tratamiento de aguas residuales (Rahman, 2020) (Figura 1). 

Figura 1 Representación de producción de diferentes compuestos en microalgas  (imagen modificada de Zainal-Abidin et al., 2020)

La producción de microalgas que incluye a Spirulina (Arthrospira) y algas verdes cuya producción alcanzó las 93, 756 toneladas (t) en el 2010, disminuyendo drásticamente a 56, 456 t en el 2019. Adicionalmente, Asia es el continente con la mayor producción de algas y microalgas a nivel mundial, aportando el 97% de la producción total (FAO, 2021). Entre las especies de microalgas que se consumen desde la antigüedad, algunas de ellas están clasificadas como fuentes alimenticias GRAS (generalmente reconocidas como seguras). Tal es el caso de Spirulina, Chlorella, Haematococcues, Schizochytrium, Porphyridium cruentum y Crypthecodinium cohnii. Entre las microalgas mayormente utilizadas como suplementos nutricionales debido a su alto contenido proteico y producción de vitaminas se encuentran, Spirulina spp, Chlorella spp y Dunaliella salina (Ying-Tang et al., 2020). 

En el caso de la acuicultura, las especies que más se utilizan como alimento  pertenecen a los géneros Chaetoceros, Chlorella, Isochrysis, Nannochloropsis, Pavlova, Phaeodactylum, Skeletonema, Tetraselmis, Dunaliella, Thalassiosira (Lavens y Sorgeloos, 1996). Adicionalmente, las especies de microalgas como Chlorella spp. y Arthrospira spp. han sido utilizadas como suplemento alimenticio en animales de granja y en la acuariofilia. Otros compuestos de gran importancia que se han obtenido a partir de las microalgas son los pigmentos conocidos como carotenoides, los cuales son extraídos principalmente de la especie Dunaliella salina, presentando un gran impacto en los sectores alimentario y cosmético. Asimismo, la especie Haematococcus pluvialis, así como diversas especies del género Arthrospira son explotadas comercialmente por su alto contenido de astaxantinas y de ficobiliproteínas, respectivamente, los cuales se extraen para ser utilizados en la industria cosmética y farmacéutica (Cano-Europa et al., 2012). 

Biotecnología aplicada en microalgas

Hoy en día, la aplicación de las técnicas basadas en la tecnología del ADN recombinante en organismos como las microalgas, es un rubro de gran interés y debido a la viabilidad de las microalgas para ser modificadas genéticamente y poder expresar genes ajenos a ellas, lo cual abre muchas posibilidades de mejorar la productividad de los compuestos de algas tradicionales, así como de los nuevos productos bioactivos y biomoléculas. Lo anterior podrá tener importantes aplicaciones en la industria farmacéutica, a través de la ingeniería genética y técnicas de biología molecular. 

Por otra parte, en el proceso de manipulación genética de las microalgas se utilizan vectores de expresión, los cuales provienen de plásmidos bacterianos o a partir de virus, que tienen ligados los genes de interés, permitiendo la expresión en las células vegetales y produciendo metabolitos benéficos para diversos organismos. Los vectores de expresión presentan en su mapa genético los elementos reguladores y genes de selección, los cuales tienen el propósito de distinguir y permitir el crecimiento de las células transformadas sobre de las no transformadas. El proceso de transformación puede realizarse por diversas técnicas como biobalística, transformación con perlas de vidrio, electroporación, transformación química, fibras de carbono de silicio, entre otras, con la finalidad de permitir el paso del ADN exógeno a las células. Una vez transformadas las células, se realiza un cultivo celular con el objetivo de incrementar el número de células y finalmente, se evalúa la funcionalidad de la transferencia génica en laboratorio mediante técnicas moleculares como PCR en tiempo real y western blot. Todo este proceso anteriormente descrito, permitirá que al final se tenga una gran cantidad de proteína de interés (León-Bañares 2004).

Microalgas como vacunas 

El desarrollo de vacunas de microalgas recombinantes ha estado en la mira de los científicos, ya que estas presentan diversas ventajas como: bajos costos de producción, una rápida obtención de biomasa, así como la capacidad de ser transformadas genéticamente. Debido a lo anterior, a nivel experimental se han producido vacunas a partir de microalgas contra patógenos que afectan al ser humano como las que son dirigidas contra la malaria, el virus de la fiebre aftosa, hepatitis B, influenza, cólera. También se han expresado genes en células de microalgas, contra Plasmodium falciparum, Staphylococcus aureus, virus del papiloma humano (VPH), virus de la hepatitis B y VIH. Cabe señalar, que hasta ahora los investigadores han utilizado a las microalgas como hospedero para expresar antígenos relevantes de algunas enfermedades que afectan al ser humano en ensayos preclínicos (León-Bañares, 2004). 

Por otra parte, Siripornadulsil et al., (2007) reportaron la producción de anticuerpos en juveniles de trucha arcoíris Oncorhynchus mykiss utilizando la microalga Chlamydomonas reinhardtii modificada para expresar proteínas de la bacteria Rennibacterium salmoninarum. También es importante mencionar que, en la actualidad, ya existen patentes de vacunas orales de microalgas aplicadas en peces, dos ejemplos son la empresa israelí Transalgae Ltd. (Rehovot, Israel) y la empresa irlandesa MicroSynbiotiX Ltd. (Cork City, Irlanda).

En años recientes, se han diseñado y desarrollado vacunas a partir de microalgas para ser administradas de manera oral para combatir patógenos que afectan a crustáceos. En este sentido, se han llevado a cabo algunos estudios en cangrejo del río y camarón nipón donde se han utilizado D. salina y la cianobacteria Anabaena sp., las cuales expresan proteínas contra el virus del síndrome de la mancha blanca (WSSV), mientras que otro estudio reportó que Synechococcus sp. mostraba una mayor eficacia en comparación con las especies anteriormente señaladas. Cabe señalar que, otros tipos de vacunas utilizan la interferencia de genes, o en palabras sencillas, moléculas de ARN de interferencia que se encargan de apagar genes específicos (ARNi), tal es el caso del trabajo realizado por Somchai et al., (2016), donde produjeron microalgas recombinantes con ARNi dirigido al virus de la cabeza amarilla (YHV). Mientras que Charoonnart et al. (2019) reportaron una supervivencia del 50% a los 8 días después de la infección de YHV al utilizar ARNs de doble cadena. En el caso del virus de la mancha blanca, se han producido C. reinhardtii recombinante para expresar la proteína VP28, observándose una supervivencia de hasta el 70% en Litopenaeus vannamei vacunados en comparación con el grupo de control, donde se reportó una mortalidad del 100% (Thi-Lanh et al., 2021).

En conclusión, la administración oral de microalgas recombinantes conduce a una inmunidad protectora significativa y a un incremento de la tasa de supervivencia de los organismos vacunados vía oral. Sin embargo, en la actualidad, todavía existen algunos problemas con el sistema de expresión de las microalgas, como la baja eficiencia de expresión y en algunos casos, se puede presentar poca estabilidad o un bajo contenido de proteínas recombinantes. Por lo anterior, resulta importante continuar con las investigaciones sobre la aplicación de vacunas de microalgas recombinantes, con el objetivo principal de prevenir y disminuir las enfermedades que afectan a los organismos acuáticos cultivados, y a su vez, que sean una opción amigable con el medio ambiente. 

Referencias

Cano-Europa, E., Blas, V., Rodríguez, R., Torres, P., Franco, M., Hernández, A., & Ortiz, R. (2012). Uso terapéutico de algunos microorganismos, microalgas, algas y hongos. Revista Mexicana de Ciencias Farmacéuticas. 43, 22-30.

Charoonnart, P., Worakajit, N., Zedler, J. A. Z., Meetam, M., Robinson, C., & Saksmerprome, V. (2019). Generation of microalga Chlamydomonas reinhardtii expressing shrimp antiviral dsRNA without supplementation of antibiotics. Scientific Reports, 9(1). https://doi.org/10.1038/s41598-019-39539-x

FAO. (2021). Global seaweeds and microalgae production, 1950–2019. https://www.fao.org/3/cb4579en/cb4579en.pdf

Lavens, P., & Sorgeloos, P. (1996). Manual on the Production and Use of Live Food for Aquaculture (Vol. 361). FAO. 8-9. ISBN 92-5-103934-8

Lee, R. E. (2008). Phycology (4th ed.). Cambridge, University Press. 7,33. ISBN 978-0-511-38669-5

León-Bañares, R. (2004). Transgenic microalgae as green cell-factories. Trends in Biotechnology, 22(1), 45-52. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2003.11.003

Patra, K. P., Li, F., Carter, D., Gregory, J. A., Baga, S., Reed, S. G., Mayfield, S. P., & Vinetz, J. M. (2015). Alga-Produced Malaria Transmission-Blocking Vaccine Candidate Pfs25 Formulated with a Human Use-Compatible Potent Adjuvant Induces High-Affinity Antibodies That Block Plasmodium falciparum Infection of Mosquitoes. Infection and Immunity, 83(5), 1799-1808. https://doi.org/10.1128/IAI.02980-14

Rahman, K. M. (2020). Food and High Value Products from Microalgae: Market Opportunities and Challenges. En Microalgae Biotechnology for Food, Health and High Value Products. Springer. 3-5. ISBN 978-981-15-0168-5

Siripornadulsil, S., Dabrowski, K., & Sayre, R. (2007). Microalgal Vaccines. 616, 122-128. https://doi.org/10.1007/978-0-387-75532-8_11

Somchai, P., Jitrakorn, S., Thitamadee, S., Meetam, M., & Saksmerprome, V. (2016). Use of microalgae Chlamydomonas reinhardtii for production of double-stranded RNA against shrimp virus. Aquaculture Reports, 3, 178-183. https://doi.org/10.1016/j.aqrep.2016.03.003

Thi-Lanh, P., Minh-Nguyen, H., Thuy-Duong, B. T., Thi-Hoa, N., Thi-Thom, L., Thi-Tam, L., Van-Nha, V., Diem-Hong, D., Mouradov, A., Krishna-Koyande, A., Show, P., & Van-Quyen, D. (2021). Generation of microalga Chlamydomonas reinhardtii expressing VP28 protein as oral vaccine candidate for shrimps against White Spot Syndrome Virus (WSSV) infection. Aquaculture. 540, 736737. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2021.736737

Ying-Tang, D., Shiong-Khoo, K., Wayne-Chew, K., Tao, Y., Ho, S.-H., & Loke-Show, P. (2020). Potential utilization of bioproducts from microalgae for the quality enhancement of natural products. 304. Bioresource Technology. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122997

Zainal-Abidin, A., A., Suntarajh, M., & Balia-Yusof, Z., N. (2020). Microalgae as a Vaccine Delivery System to Aquatic Organisms. En Home Microalgae Biotechnology for Food, Health and High Value Products  Chapter Microalgae as a Vaccine Delivery System to Aquatic Organisms (p. 355). Spinger.