Extremophilic microorganisms for the biotechnological production of added-value molecules

• Autores: María Zaida Montero Lobato
• Directores de la Tesis: Inés Garbayo Nores (dir. tes.), Carlos Vílchez Lobato (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2020
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 223
• Títulos paralelos:
  • Microorganismos extremófilos para la obtención biotecnológica de moléculas de valor añadido
• Tribunal Calificador de la Tesis: José María Vega Piqueres (presid.), Rosa María Martínez Espinosa (secret.), Alice Costa Kiperstok (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología Industrial y Ambiental por la Universidad de Huelva
• Materias:
  • Química
    • Bioquímica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
• Resumen
  • español

    Los microorganismos extremófilos son especialmente interesantes desde el punto de vista biotecnológico, ya que para poder sobrevivir en determinados ambientes considerados extremos para la vida, estos microorganismos han desarrollado mecanismos que conllevan la producción de sustancias de valor que pueden ser utilizadas por la industria cosmética, farmacéutica o en alimentación humana o animal.

    Los compuestos obtenidos a partir de microrganismo extremófilos tienen un gran valor añadido ya que pueden tener propiedades únicas y la naturaleza de estos compuestos puede ser muy diversa. En esta tesis doctoral, se estudiaron sustancias tales como pigmentos, carotenoides, ficobiliproteinas y carbohidratos (exopolisacáridos). Estos pigmentos son especialmente interesantes ya que en los últimos años ha crecido el interés, por parte de los consumidores, hacia colorantes alimentarios de origen natural (no sintéticos). Los pigmentos carotenoides, y también las ficobiliproteinas, son de gran interés por su uso como aditivos en alimentación, especialmente como potenciadores del color. Estos pigmentos tienen, además, un gran potencial como antioxidantes y, al igual que los exopolisacáridos, presentan actividad anticáncer y antiinflamatoria. Además de las aplicaciones actualmente conocidas, existen microorganismos de ambiente extremo que están aún por descubrir y cuyo potencial no ha sido estudiado.

    Sin embargo, a pesar del potencial biotecnológico de los microorganismos extremófilos, su uso en biotecnología presenta ciertas limitaciones relacionadas con el cultivo, y la rentabilidad de los compuestos de interés producido. Por lo tanto, existe la necesidad de mejorar los procesos de producción de estos microorganismos para obtener así productos competitivos en el mercado.

    En base a esto, esta tesis tuvo como objetivo principal aislar y estudiar el potencial biotecnológico de microrganismos de ambiente extremo, y mejorar las estrategias de producción de los compuestos de interés haciendo especial hincapié en la reducción de los costes de producción. Para ello se estudiaron dos microorganismos extremófilos: una archaea halófila, Haloferax mediterranei y Chroococcidiopsis sp., una cianobacteria de ambiente árido hiperextremo.

    Por un lado, H. mediterranei destaca por su capacidad para producir un carotenoides C50, particularmente bacterioruberina, con alta capacidad antioxidante, cuyo interés principal es su posible aplicación médica o en industrias alimentarias, como nutracéutico, en la obtención de alimentos funcionales. Por otro lado, Chroococcidiopsis destaca por su versatilidad, ya que se encuentra en ambientes extremos muy diversos. Debido a la radiación extrema que afecta a las rocas del desierto de Atacama, esta cianobacteria coloniza el interior de las rocas, por lo que la luz que recibe una parte de las colonias endolíticas puede ser difusa y de baja irradiación. Para poder ser más eficientes en la captación de luz, estas cianobacterias producen ficobiliproteinas, pigmento que puede ser utilizado como colorante en alimentación y también destaca por su capacidad antioxidante. Por otro lado, estas cianobacterias responden a la desecación mediante la producción de una envoltura de exopolisacáridos, el cual, proporciona un ambiente de humedad a la cianobacteria y tiene un potencial uso por sus características antibacteriana y antiinflamatoria.

    En base a esto, nos propusimos optimizar el crecimiento y la producción de metabolitos de interés de ambos extremófilos. En el caso de H. mediterreanei, se estudió el efecto de parámetros físico-químicos como la temperatura, la salinidad y el pH sobre el crecimiento y la producción de carotenoides. Además, se estudió el efecto de factores nutricionales como la glucosa y el extracto de levadura lo cual permitió proponer posibles estrategias de producción. En el caso de Chroococcidiopsis sp., tras su aislamiento e identificación, se llevó a cabo el estudio de parámetros relacionados con la mejora en el crecimiento como la fuente y concentración de nitrógeno o la agitación. Además se estudiaron otros parámetros como el efecto de la irradiancia de luz sobre el crecimiento y la acumulación de ficobiliproteinas. Por último, con idea de reducir costes de producción, se utilizaron como medios de cultivo fertilizantes agrícolas lo cual supone varias ventajas en cultivos a gran escala.

    Los resultados obtenidos en esta tesis han contribuido a mejorar la productividad de la biomasa de estos microorganismos y a la mejora en las condiciones ambientales y nutricionales de cultivo para una óptima producción de compuestos de alto valor añadido. Además, nuestros resultados permiten sugerir las mejores condiciones que podrían contribuir a abordar el proceso biotecnológico a gran escala.

  • English

    Extremophilic microorganisms are especially interesting from the biotechnological point of view. These microorganisms have developed mechanisms that lead to the production of valuable substances in order to survive in certain environments considered extreme for life. These substances can be used by the cosmetic, pharmaceutical industry and in human or animal feeding. Compounds obtained from extremophilic microorganisms have a great added-value since they can have unique properties and their nature can be very diverse. In this doctoral Thesis, substances such as carotenoid pigments, phycobiliproteins and carbohydrates (exopolysaccharides) are studied. Pigments are especially interesting since in recent years there has been a growing demand, by consumers, towards natural food dyes. Carotenoid pigments, and also phycobiliproteins, are of great interest for their use as feed additives, especially as color enhancers. These pigments also have great value as antioxidants and, like exopolysaccharides, have been found to display anti-cancer and anti-inflammatory activity. In addition to the currently known applications, there are microorganisms from extreme environment that are yet to be discovered and whose potential has not been studied. However, despite the biotechnological potential of extremophilic microorganisms, their use in biotechnology has certain limitations related to culture conditions, and the profitability of the compounds of interest produced. Therefore, it necessary to improve the production processes of these microorganisms in order to obtain competitive products in the market. Based on this, this Thesis had as a main objective the isolation and the study of the biotechnological potential of microorganisms from extreme environment, and improving the production strategies of target compounds, with special emphasis on reducing production costs. For this, two extremophilic microorganisms were studied: a halophilic archaea, Haloferax mediterranei and a cyanobacterium from extreme arid environment, Chroococcidiopsis sp. On the one hand, H. mediterranei stands out for its ability to produce a C50 carotenoid, particularly bacterioruberin, with high antioxidant capacity. Its possible medical application or in food industries, such as nutraceuticals, or obtaining functional foods makes bacterioruberin interesting. On the other hand, Chroococcidiopsis sp. stands out for its versatility, since it is found in very diverse extreme environments. Due to the extreme radiation that affects the rocks of the Atacama Desert, this cyanobacterium colonizes the inside of the rocks, so that the light received by a part of the endolithic colonies can be meager and diffuse irradiation. In order to be more efficient in capturing light, these cyanobacteria produce phycobiliproteins, a pigment that can be used as a food coloring and also stands out for its antioxidant capacity. Furthermore, these cyanobacteria respond to desiccation by producing a shell of exopolysaccharides, which provides a moisture environment to the cyanobacterium and has a potential use for its antibacterial and anti-inflammatory characteristics. Based on this, we optimized the growth and target metabolites production from both extremophiles. In the case of H. mediterranei, the effect of physicochemical parameters such as temperature, salinity and pH on the growth and carotenoids production was studied. In addition, the effect of nutritional factors such as glucose and yeast extract was analyzed. It allowed us to propose possible production strategies. After the isolation and identification of Chroococcidiopsis sp., the study of parameters such as the source and concentration of nitrogen or agitation was carried out to improve the cyanobacterial growth. Furthermore, the effect of other parameters such as the light irradiance on growth and the phycobiliproteins accumulation were studied. Finally, with the idea of reducing production costs, agricultural fertilizers were used as culture media, which means several advantages in large-scale cultures. The results obtained in this Thesis have contributed to improve the productivity of the biomass of these microorganisms and to the improvement in the environmental and nutritional conditions of cultivation for an optimum production of high-added value compounds. In addition, our results allow us to predict the best conditions that might contribute to address the biotechnological process on a large scale.