The growth characteristics and metabolic profiling of Δ 5,7 -sterols and fatty acids in Schizochytrium sp. S31 under different culture conditions

En lo profundo del mundo microscópico del océano, un grupo de organismos unicelulares conocidos como traustocitridos desempeña un papel silencioso pero vital. Estos diminutos heterótrofos, que no pueden fabricar su propio alimento como las plantas sino que en su lugar consumen materia orgánica, actúan como recicladores esenciales en los ecosهِmas marinos. Descomponen la materia muerta y contribuyen al ciclo del carbono, pero recientemente han captado la atención de los científicos por una razón diferente: su capacidad para fabricar nutrientes de alto valor. Entre estos nutrientes se encuentran los ácidos grasos de cadena larga, como el ácido docosahexaenoico (DHA), que es crucial para la salud del cerebro y del corazón humano, y los esteroles, que son moléculas cerosas que ayudan a construir y estabilizar las membranas celulares. Algunos de estos organismos también producen astaxantina, un potente pigmento antioxidante que otorga a los salmones y flamencos su color rosa. El desafío para los investigadores ha sido comprender cómo coaccionar a estas fábricas microscópicas para que produzcan estos valiosos compuestos de manera eficiente, ya que su producción depende en gran medida del entorno en el que se cultivan.

Un equipo de investigadores se propuso mapear las condiciones ambientales precisas necesarias para maximizar la producción de estos tres distintos compuestos en una cepa específica de traustocitrido llamada Schizochytrium sp. S31. Se centraron en tres variables clave: la cantidad de azúcar (glucosa) disponible como alimento, la salinidad del agua y el nivel de acidez (pH). Al ajustar sistemáticamente cada uno de estos factores en el laboratorio, observaron cómo crecían las células y cómo cambiaba su composición química interna. El objetivo no era solo cultivar más células, sino encontrar el "punto ideal" donde el organismo produciría simultáneamente altas cantidades de esteroles, DHA y astaxantina, en lugar de solo uno a expensas de los otros.

Los investigadores descubrieron que, si bien el azúcar y la acidez importaban, la salinidad del agua era la palanca más poderosa para cambiar el perfil químico de la célula. Cuando el cultivo se cultivaba en condiciones de baja salinidad, específicamente a una concentración de 10 gramos de sal marina por litro, las células alcanzaban sus niveles más altos de ácidos grasos totales y DHA. En este entorno, un tipo específico de esterol llamado ergosterol constituía la mayor parte del contenido de esteroles de la célula, representando el 41 por ciento. Sin embargo, a medida que la concentración de sal aumentaba, las células cambiaban su estrategia. Comenzaban a producir un tipo diferente de esterol, conocido como C28-Δ5,7, que se convirtió en la forma dominante bajo una mayor salinidad. Este cambio sugiere que las células están remodelando activamente su estructura interna para sobrevivir al estrés de un entorno más salino, tal como una persona podría ajustar su ropa cuando cambia el clima.

El estudio también reveló que las células tienen un límite para procesar el azúcar. La cantidad máxima de biomasa, o peso celular total, se alcanzó cuando el cultivo contenía 60 gramos de glucosa por litro. Añadir más azúcar más allá de este punto no ayudó a las células a crecer más; de hecho, las obstaculizó ligeramente, probablemente porque la alta concentración de azúcar creó un estrés físico que dificultó la absorción de nutrientes por parte de las células. Curiosamente, la relación entre los diferentes nutrientes era compleja. Mientras que los niveles bajos de sal potenciaban la producción de ácidos grasos y DHA, en realidad suprimían la producción de astaxantina. Por el contrario, niveles de sal más altos parecían fomentar un ligero aumento de la astaxantina, incluso cuando los niveles de DHA disminuían. Esto indica que las vías que las células utilizan para fabricar estas sustancias están vinculadas pero pueden ser tironeadas en diferentes direcciones según el entorno.

Para comprender la maquinaria detrás de estos cambios, los investigadores examinaron la actividad genética dentro de las células bajo diferentes condiciones de sal. Descubrieron que, cuando el nivel de sal era bajo, las células intensificaban un proceso llamado beta-oxidación, que descompone los ácidos grasos para generar energía y bloques de construcción. Este aumento de actividad proporcionaba un excedente de acetil-CoA, una molécula fundamental que alimenta las líneas de producción tanto de esteroles como de DHA. Sin embargo, las células también reducían la actividad de los genes responsables de los pasos finales de la fabricación de la astaxantina. Este ajuste genético explica por qué las células podían producir tanto DHA y esteroles en baja sal, pero retenían la producción de astaxantina. El estudio identificó genes específicos que podrían ser objetivos para la futura ingeniería, sugiriendo que el organismo tiene el potencial de producir otros esteroles valiosos, como el colesterol y el estigmasterol, si se cumplen las condiciones adecuadas.

El resultado más exitoso del estudio ocurrió cuando los investigadores combinaron los niveles óptimos de los tres factores: 60 gramos de glucosa, 10 gramos de sal marina y un pH de 5.5. Bajo estas condiciones específicas, el cultivo alcanzó una densidad celular máxima de 17.4 gramos por litro. Más importante aún, este entorno permitió la acumulación simultánea de los tres compuestos objetivo. Las células produjeron 50.73 miligramos de Δ5,7-esteroles totales por litro, 1,097 miligramos de DHA por litro y 0.11 miligramos de astaxantina por litro. Estos resultados demuestran que es posible guiar a una sola cepa microbiana para la coproducción de múltiples bioactivos de alto valor, en lugar de forzar una elección entre ellos.

Este trabajo proporciona una hoja de ruta clara sobre cómo cultivar estas fábricas microscópicas. Al comprender que los niveles de sal actúan como un interruptor primario para el tipo de esteroles producidos, y que los niveles de azúcar dictan el límite de crecimiento general, los científicos pueden diseñar mejor los procesos de fermentación. Los hallazgos sugieren que las vías metabólicas para fabricar grasas, esteroles y pigmentos están profundamente interconectadas, respondiendo al estrés ambiental de una manera coordinada. Aunque este estudio se centró en una sola cepa en un entorno controlado, los conocimientos obtenidos ofrecen una base para desarrollar métodos más eficientes para cosechar estos nutrientes, que son cada vez más importantes para la salud humana y las aplicaciones industriales. La investigación confirma que, con las señales ambientales adecuadas, estas diminutas células pueden ser coaccionadas para convertirse en fuentes altamente productivas de nutrientes esenciales.