Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production

La luz solar es el motor que impulsa la vida en el océano, pero para las diminutas plantas unicelulares conocidas como microalgas, demasiado de algo bueno puede convertirse en un problema. Estos organismos microscópicos dependen de un pigmento verde llamado clorofila para capturar la energía lumínica y convertirla en alimento y crecimiento. Sin embargo, cuando estas células crecen amontonadas en un gran tanque, su alta concentración de pigmento verde crea una barrera. Las células del exterior absorben casi toda la luz, proyectando una sombra profunda que deja sin alimento a las células del medio. Este fenómeno, a menudo llamado el "efecto de sombra", limita cuánto puede producir la biomasa de todo el cultivo, dificultando el crecimiento eficiente de estos organismos a gran escala para combustibles u otros productos.

Los científicos han buscado durante mucho tiempo formas de evitar esta limitación mediante la búsqueda o creación de cepas de microalgas que no necesiten tanta clorofila para sobrevivir. Si una cepa pudiera crecer con menos pigmento verde, permitiría que la luz penetrara más profundamente en el cultivo, permitiendo que más células crezcan simultáneamente y aumentando la cosecha total. Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Creta en Grecia abordó recientemente este desafío trabajando con un tipo específico de microalga con forma de bastón llamada Stichococcus. Su objetivo era crear una versión de este organismo que produjera naturalmente menos clorofila pero que creciera más rápido y produjera sustancias más valiosas, como aceites y azúcares, que sus contrapartes silvestres.

Para lograr esto, los investigadores utilizaron una técnica llamada mutagénesis química. Expusieron un cultivo de la Stichococcus silvestre a una sustancia química conocida como metanosulfonato de etilo, que actúa como un aleatorizador del código genético del organismo. Este proceso introduce cambios pequeños e impredecibles en el ADN de las células. El objetivo no era diseñar un cambio específico, sino generar una amplia variedad de mutaciones aleatorias y luego filtrar a los supervivientes para encontrar aquellos que, por azar, tuvieran menos clorofila. El equipo ajustó cuidadosamente la concentración del producto químico para asegurar que solo alrededor del cinco por ciento de las células sobrevivieran al tratamiento, un nivel de estrés que fomenta la aparición de nuevos rasgos sin aniquilar a toda la población.

Tras el tratamiento químico, los investigadores colocaron las células supervivientes en placas de agar sólido y esperaron a que crecieran en colonias visibles. Buscaron colonias que parecieran de un color más claro que el verde intenso de la cepa silvestre original. De estas, seleccionaron dos cepas específicas, a las que llamaron EMS1 y EMS2, porque eran las que parecían más pálidas. Para confirmar que estos colores más claros eran un cambio genético permanente y no solo una reacción temporal, el equipo cultivó estas cepas durante tres generaciones en agua de mar líquida. Luego compararon el rendimiento de estos nuevos mutantes frente al tipo silvestre original bajo condiciones idénticas, midiendo cuánta biomasa producían, cuánta clorofila contenían y cuánto aceite y carbohidratos almacenaban.

Los resultados mostraron una clara ventaja para las cepas mutadas. El mejor ejecutor, la cepa EMS1, creció significamente más rápido y produjo más biomasa total que el tipo silvestre. Al final del experimento de dos semanas, el cultivo de EMS1 alcanzó una densidad de 2,47 gramos por litro, mientras que el tipo silvestre alcanzó solo 2,20 gramos por litro. Más importante aún, la cepa EMS1 contenía significativamente menos clorofila. Mientras que el tipo silvestre poseía unos 11 miligramos de clorofila por gramo de biomasa seca, el mutante EMS1 poseía solo unos 6,29 miligramos. Esta reducción de pigmento confirmó que la mutación alteró con éxito la capacidad del organismo para recolectar luz, permitiéndole potencialmente crecer de manera más eficiente en cultivos densos donde la penetración de la luz es limitada.

Más allá de crecer más rápido y tener menos pigmento verde, la cepa mutante también mostró potencial para la producción de materiales industriales valiosos. Los investigadores descubrieron que la cepa EMS1 almacenaba más lípidos, que son grasas que pueden convertirse en biocombustibles, y más carbohidratos, que pueden utilizarse para otros productos químicos. El contenido de lípidos en la cepa EMS1 aumentó al 21 por ciento de su peso seco, en comparación con el 15 por ciento del tipo silvestre. Del mismo modo, el contenido de carbohidratos aumentó al 44 por ciento del peso seco, frente al 28 por ciento de la cepa original. La cantidad de proteína en las células se mantuvo aproximadamente igual en todos los grupos, lo que indica que la mutación impulsó específicamente la producción de compuestos de almacenamiento de energía sin sacrificar los componentes estructurales básicos de la célula.

El estudio concluye que este proceso de mutación química es un método viable para mejorar las cepas de microalgas para la producción a gran escala. La cepa EMS1, con su menor contenido de clorofila y su mayor rendimiento de biomasa y sustancias químicas valiosas, representa un paso significativo hacia adelante. Los investigadores planean utilizar esta cepa específica en experimentos futuros que involucren fotobiorreactores de biopelícula, sistemas donde las algas crecen sobre superficies sólidas en lugar de flotar libremente. Al utilizar una cepa que permita que la luz viaje más profundamente en el cultivo, esperan capturar dióxido de carbono de los humos industriales y convertirlo en productos de alto valor de manera más eficiente, transformando un gas residual en un recurso con menores costos de cultivo.