Optimization of carotenoid production by Rhodotorula mucilaginosa using sugarcane bagasse hydrolysate as carbon source and mutagen ethyl methanesulfonate for biosynthesis of antioxidant

En el mundo de la alimentación y la medicina, la naturaleza proporciona una paleta vibrante de pigmentos que hacen más que solo dar color a nuestro mundo; lo protegen. Entre estos se encuentran los carotenoides, una familia de compuestos antioxidantes que se encuentran en las zanahorias, los tomates y muchas otras plantas. Estas moléculas actan como un escudo para las células vivas, neutralizando sustancias dañinas que pueden dañar los tejidos y contribuir a enfermedades crónicas. Durante décadas, los científicos han buscado formas de producir estos valiosos compuestos sin depender únicamente de la cosecha de cultivos, que puede ser estacional y demandar mucha tierra. En su lugar, se han dirigido al mundo microscópico, utilizando diminutos organismos como levaduras y bacterias como fábricas vivas. Estos microbios pueden ser alimentados con azúcares simples y persuadidos para producir carotenoides en grandes cantidades, ofreciendo una alternativa sostenible que no compite con los suministros de alimentos. El desafío, sin embargo, reside en encontrar una fuente de alimento barata y abundante para estos microbios y luego entrenarlos para trabajar más duro, produciendo más pigmento de lo que sus contrapartes naturales podrían jamás producir.

Un equipo de investigadores en Indonesia ha dado un paso significativo hacia adelante en este esfuerzo al convertir los desechos agrícolas en un producto de alto valor. Se centraron en el bagazo de caña de azúcar, el residuo fibroso que queda después de que se extrae el jugo de la caña. Este material es abundante, con cientos de millones de toneladas producidas globalmente cada año, pero a menudo es subutilizado. Los investigadores sabían que el bagazo es rico en celulosa, un azúcar complejo que puede descomponerse en azúcares simples como la glucosa, que a la levadura le encanta comer. Su objetivo era transformar este desecho en un medio de cultivo para Rhodotorula mucilaginosa, una levadura roja conocida por su capacidad para producir carotenoides. Para hacer el proceso aún más eficiente, no solo dependieron de la levadura natural; utilizaron una herramienta química para crear una "superlevadura" mutante que produce mucho más pigmento que la cepa original.

El viaje comenzó con la preparación del desecho de caña de azúcar. Los investigadores tomaron el bagazo seco y lo trataron con una solución alcalina suave para aflojar su estructura dura, facilitando su descomposición. Luego añadieron una enzima específica, la celulasa, que actúa como un par de tijeras moleculares, cortando las largas cadenas de celulosa en los azúcares simples de glucosa y xilosa que la levadura necesita para sobrevivir. A través de pruebas cuidadosas de diferentes concentraciones químicas, identificaron la receta perfecta: un tratamiento con 0,75 molar de hidróxido de sodio seguido de una hidrólisis con 20 gramos de enzima por litro. Esta combinación produjo un líquido rico en azúcares fermentables, que contenía aproximadamente 27,34 gramos de glucosa y 3,59 gramos de xilosa por litro. Este caldo azucarado se convirtió en el nuevo hogar para la levadura, reemplazando los azúcares refinados y costosos por una alternativa renovable y de bajo costo.

Con la fuente de alimento lista, los investigadores centraron su atención en mejorar la propia levadura. Sabían que la cepa natural de Rhodotorula mucilaginosa era capaz, pero querían llevar sus límites al máximo. Para hacer esto, expusieron las células de levadura al etil metanosulfonato, un mutágeno químico que introduce cambios pequeños y aleatorios en el código genético del organismo. Piense en este proceso como barajar la baraja de cartas en el manual de instrucciones de la levadura; la mayoría de los barajados resultan en un cambio o en una mano rota, pero ocasionalmente, un barajado crea una combinación ganadora. Probaron varias concentraciones del químico, encontrando que una solución al 4 por ciento era el punto ideal. Era lo suficientemente fuerte como para eliminar a la gran mayoría de las células —alrededor del 97,6 por ciento— asegurando que solo los supervivientes más robustos permanecieran, pero lo suficientemente suave como para dejar algunas colonias viables que habían experimentado cambios genéticos beneficiosos.

De los supervivientes de este desafío químico, los investigadores seleccionaron siete colonias distintas para ver cuál había mejorado más. Cultivaron cada una en un caldo nutritivo estándar y midieron cuánto carotenoide producían. Aunque varias mutantes mostraron potencial, una cepa, designada como M7, destacó por su consistencia y alto rendimiento. Cuando el equipo comparó este mutante con la levadura original, no modificada, la diferencia fue sorprendente. El mutante M7 produjo 33,12 microgramos de carotenoide por cada gramo de biomasa de levadura seca, un aumento de 1,46 veces sobre la cepa nativa, que producía solo 22,64 microgramos por gramo. Esta mejora no fue solo una cuestión de tener más pigmento dentro de las células; el mutante también convirtió el azúcar del caldo de bagazo en carotenoide de manera mucho más eficiente. Por cada gramo de glucosa consumida, el mutante produjo 5,15 microgramos de carotenoide, mientras que la cepa nativa produjo menos de la mitad de esa cantidad.

El rendimiento del mutante se extendió también al volumen total de producción. En la misma cantidad de tiempo, la cepa M7 generó una concentración total de carotenoide de 66,80 microgramos por litro de líquido, casi el doble de los 33,51 microgramos producidos por la cepa nativa. Esto se tradujo en una velocidad de producción dos veces más rápida, con el mutante creando 0,46 microgramos de carotenoide por litro cada hora, en comparación con los 0,23 de la original. Más allá de los números, los investigadores observaron que el mutante estaba mejor adaptado al entorno de la caña de azúcar. Mientras que la levadura nativa tardó seis horas en adaptarse al nuevo caldo antes de comenzar a crecer, el mutante M7 comenzó a multiplicarse inmediatamente, lo que sugiere que los cambios genéticos lo habían hecho más resistente y listo para trabajar.

Finalmente, el equipo probó si este aumento en la producción resultaba realmente en un antioxidante más potente. Utilizaron una prueba estándar que mide qué tan bien una sustancia puede neutralizar los radicales libres, una función clave de los antioxidantes. El extracto del mutante M7 mostró una actividad de eliminación de radicales del 46,94 por ciento, superior al 35,75 por ciento observado en la cepa nativa. Sin embargo, el análisis estadístico reveló que esta diferencia no era lo suficientemente significativa como para considerarse una mejora definitiva sobre la original. Esto sugiere que, si bien el mutante produjo más carotenoide en general, la mezcla específica de pigmentos que creó podría haber cambiado. La levadura produce varios tipos de carotenoides, incluyendo beta-caroteno, toruleno y torularodina, que tienen diferentes fuerzas como antioxidantes. Es posible que el mutante produjera un tipo que es menos potente en esta prueba específica, o que el aumento total de pigmento simplemente no fuera suficiente para mostrar una diferencia estadística clara en este ensayo.

El estudio concluye que combinar desechos agrícolas con mejora genética es un camino viable hacia la producción sostenible de carotenoides. Al utilizar el bagazo de caña de azúcar, los investigadores demostraron que no son necesarios los azúcares caros de grado alimenticio para alimentar estas fábricas microbianas. Al utilizar la mutagénesis química, demostraron que las cepas naturales de levadura pueden mejorarse para trabajar más duro y de manera más eficiente. Si bien el poder antioxidante del producto final requiere un estudio más detallado para comprender exactamente qué pigmentos están presentes, el proceso en sí mismo ofrece un marco prometedor. Convierte un producto de desecho en un recurso valioso y crea un organismo más productivo, apuntando hacia un futuro donde los pigmentos naturales puedan producirse de manera barata y sostenible sin presionar los sistemas alimentarios del planeta.