1. INTRODUCCIÓN

Más del 70% de la superficie del planeta está cubierta por océanos y se estima que hay una mayor diversidad biológica en los ecosistemas marinos que en los bosques lluviosos tropicales (Ribeiro et al., 2017) convirtiendo estos cuerpos de agua en una extensa fuente de productos naturales marinos (PNM) aprovechables en campos como la medicina, la industria de alimentos, cosmética, entre otros. La búsqueda de nuevos PNM con estructuras únicas y propiedades interesantes, es un desafió que lleva a explorar nuevos ambientes marinos donde el descubrimiento de seres vivos antes desconocidos y de sus mecanismos de adaptación, ha favorecido el aumento del conocimiento sobre la biodiversidad del planeta y la obtención de sustancias con potencial en bioprospección (Coker, 2016).

Los extremófilos son microorganismos que se caracterizan por habitar ambientes donde las condiciones físicas son críticas desde el punto antropogénico, por lo que pueden desarrollarse en ambientes con altas o bajas temperaturas, altas concentraciones de sales, altas presiones y valores extremos de pH (Rubiano-Labrador, 2006; Gómez, 2008). Para su supervivencia, estos microorganismos han desarrollado rutas metabólicas que les permiten soportar las difíciles variables a las que están expuestos, protegiéndolos de condiciones extremas tales como congelamiento, desecación, falta de nutrientes, entre otros (Elleuche et al., 2015), además de favorecer la producción de compuestos estructuralmente complejos (Schiraldi et al., 2002) a los que se les han encontrado diversas actividades biológicas tales como: antitumoral, antimicrobiana, antioxidante, inhibición de la actividad enzimática, entre otros (Giddings & Newman, 2015).

Esta revisión presenta el estado del arte de la bioprospección de microorganismos provenientes de ambientes marino-costeros extremos durante las últimas dos décadas, recopilando la información proporcionada por numerosos estudios, cuyos objetivos principales consistían en el análisis de fuentes de aislamiento y capacidad productora de biomoléculas activas de extremófilos marinos y costeros alrededor del mundo, con el fin de contribuir para aumentar al conocimiento de los organismos que habitan en los ecosistemas marinos y fomentar el entusiasmo por la exploración de estos ambientes para el hallazgo de PNM que puedan ser usados en campos como la industria de alimentos, farmacéutica, la agricultura, entre otros.

2. AMBIENTES EXTREMOS MARINOS Y MICROORGANISMOS EXTREMÓFILOS

En general, los ambientes extremos son aquellos que tienen condiciones físicas y/o químicas especiales como altas o bajas temperaturas, alta o baja acidez, altas presiones y niveles de radiación y anoxia apreciables (Jiasheng et al., 2007). Estos ambientes se encuentran distribuidos a lo largo de todo el mundo y comprenden fuentes termales, lagunas de aguas ácidas, desiertos, salitrales, ríos de aguas negras, alta montaña, entre otros. Los más conocidos y estudiados incluyen los ambientes de baja temperatura de la Antártica, las altas temperaturas que rodean los termales del Parque Nacional de Yellowstone, la aridez y niveles de UV encontrados en el Desierto de Atacama y las grandes profundidades en la Fosa de las Marianas (Maier & Neilson, 2015). Estos sistemas son considerados fuentes potenciales para el estudio de microorganismos capaces de producir metabolitos de interés biotecnológico.

Los organismos que habitan tales ambientes extremos han sido denominados extremófilos. A diferencia de los mesófilos, que viven en condiciones normales de temperatura y presión, los extremófilos han desarrollado mecanismos de protección que les permiten soportar diferentes condiciones hostiles, ya sea a través de la producción de matrices de sustancias poliméricas extracelulares, la formación de esporas, generación de cambios en la expresión genética y en las propiedades físicas de la membrana (Yukimura et al., 2009; Poli et al., 2010). Estas estrategias de adaptación, les confieren un especial interés ya que pueden producir moléculas con estructuras únicas.

Por otro lado, dentro de las tres cuartas partes de la superficie de la tierra que corresponden a la extensión de cuerpos de agua, puede encontrarse una amplia variedad de hábitats desde los extremos fríos de los océanos Ártico y Antártico hasta las cálidas aguas de los trópicos (Kodzius &´ Gojobori, 2015). Específicamente, entre los ambientes extremos de naturaleza marina se destacan los respiraderos hidrotermales, donde predominan grupos de extremófilos como hipertermófilos y psicrófilos, anaerobios, microaerófilos y aerobios, además de microorganismos quimiolitoautótrofos (capaces de extraer energía de compuestos inorgánicos reducidos), debido a la circulación de fluidos calientes a profundidades variables que se presentan en estos sistemas (Pettit, 2011). Otro tipo de ambiente marino extremo lo constituyen las profundidades marinas entre las que se destaca la Fosa de las Marianas, conocida como la parte más profunda de los océanos encontrada en el planeta, con una profundidad máxima de 11 km y una presión de 1100 atm (110 MPa). Los ambientes hipersalinos como las cuencas y lagos anóxicos en alta mar, tales como los encontrados en el Golfo de México, y los mares Rojo y Mediterráneo, son también considerados ambientes marinos extremos (Dalmaso et al., 2015). Por su parte, al estar rodeada por el océano Antártico y registrar tan bajas temperaturas, la Antártida se convierte en un lugar propicio para encontrar biodiversidad microbiana con facultades inigualables, gracias a la capacidad de crecer a temperaturas por debajo de los 0 ◦C (Dickinson et al., 2016).

3. BIOPROSPECCIÓN DE EXTREMÓFILOS MARINOS

Existe una amplia clasificación de organismos extremófilos, entre los que se pueden encontrar acidófilos y alcalófilos (Kenney & Fein, 2011), psicrófilos (Cvetkovska et al., 2017), endólitos (Stivaletta & Barbieri, 2009), halófilos (Yin et al., 2015), metalotolerantes (Zloch et al., 2016), piezófilos (Zhang et al., 2015), radiorresistentes (Singh et al., 2011), termófilos (Mandelli et al., 2017), xerófilos (Pettit, 2011) y los poliextremófilos, que son aquellos organismos que pueden sobrevivir en más de una condición extrema (Dalmaso et al., 2015; Beeler & Singh, 2016). Con base en las principales fuentes de aislamiento, los piezófilos, los halófilos, los termófilos y los psicrófilos están entre los extremófilos marinos más estudiados (Dalmaso et al., 2015).

En la actualidad, la bioprospección en ambientes marinos extremos ha llevado al descubrimiento de nuevas moléculas con complejas estructuras y diversas propiedades, ejemplo de ello son las enzimas resistentes a la degradación por diversos factores como las altas temperaturas que podrían ser utilizadas en la obtención de biocombustibles y los carotenoides aislados de halófilos, arqueas y algas, que actualmente son usados en la industria cosmética. Por otro lado, se han encontrado moléculas con actividad antimicrobiana, citotóxica y antifúngica (Coker, 2016). El uso potencial de estas sustancias en las diferentes industrias se hace acorde a la creciente demanda de uso racional, eficiente y ambientalmente amigable de los productos naturales.

En la Figura 1 se muestran diferentes zonas del planeta donde se han llevado a cabo estudios de bioprospección con microorganismos extremófilos, recolectados de ambientes marino-costeros; esto es, los ambientes marinos descritos anteriormente o recolectados en el área costera. En la siguiente sección se profundizará sobre los microorganismos extremófilos marinos presentados en el mapa, así como los principales productos de bioprospección encontrados.

3.1. Piezófilos

Los ecosistemas de las profundidades marinas constituyen un reservorio privilegiado de la biodiversidad, caracterizado por poseer un elevado número de organismos, los cuales están influenciados por bajas temperaturas, altas presiones y baja disponibilidad de nutrientes (Fang et al., 2010). Todo lo anterior ha favorecido que se valore este tipo de ecosistemas, como una fuente rica de microorganismos que no han sido descubiertos y que por tanto permitirían la obtención de nuevos PNM (Rateb et al., 2011). En este sentido, es importante señalar que un ambiente marino se considera profundo cuando se extiende por debajo de los 200 m de profundidad del talud continental (Ramírez & Billett, 2006). Los piezófilos se caracterizan por crecer a altas presiones con condiciones óptimas de crecimiento superiores a los 35 MPa (1 m profundidad = 10.5 kPa), aquellos que son piezotolerantes, además de crecer en alta presión, pueden desarrollarse a presión atmosférica; sin embargo, su tasa de crecimiento no es óptima a presiones superiores a una atmósfera (Wilson & Brimble, 2009). Se consideran psicrófilos porque deben tolerar condiciones mínimas de temperatura (1-3 ◦C) y termófilos cuando se encuentran en las cercanías de respiraderos hidrotermales; por lo tanto, estos organismos marinos son capaces de habitar ambientes donde deben estar expuestos a intervalos de temperatura de 1 a 300 ◦C y presiones entre los 0.1 y 110 MPa (Abe & Horikoshi, 2001).

Figura 1
Zonas de muestreo de extremófilos marinos durante el periódo 2000-2017.
LabSIS, Invemar, 2017

Los piezófilos son el grupo de extremófilos marinos de los cuales se reportan un mayor número de aislamientos de nuevos metabolitos secundarios (Abe & Horikoshi, 2001). De estos microorganismos se han obtenido diversos compuestos de interés biológico, entre los cuales se destacan los metabolitos con actividad antibacteriana y citotóxica, producidos en mayor porcentaje por bacterias de los filos más representativos de Proteobacterias, Actinobacterias y Firmicutes; seguido de los hongos del filo Ascomiceto (Figura 2). Entre los compuestos reportados, Li et al. (2007) aislaron dos compuestos bisorbicillinoides del hongo Phialocephala sp. FL30r, a partir de una muestra de sedimento marino del Pacífico Este, recolectado a una profundidad de 5059 m; los metabolitos obtenidos, llamados oxosorbiquinol y dihidrooxosorbiquinol, presentaron efectos citotóxicos significativos en las líneas celulares P388, A-549, HL60, BEL7402 y K562. Este mismo autor reportó cuatro años después tres nuevos metabolitos producidos por la misma cepa fúngica, denominados dihidrotrichodermólido, dihidrodemetilsorbicillina y dihialofurona, con actividad citotóxica (Li et al., 2011). A partir de la cepa Penicillium sp. F23-2, aislada del océano Pacífico a una profundidad de 5080 m, se obtuvieron cuatro nuevos alcaloides, meleagrinas B y C, roquefortinas F y G, junto con seis nuevos diterpenos, conidiogenonas B-G, los cuales presentaron actividad antitumoral (Du et al., 2009). Otros compuestos han sido obtenidos a partir del extracto de la misma cepa fúngica, llamados peniciclonas A-E, presentando actividad antimicrobiana frente a la bacteria Gram-positiva Staphylococcus aureus con valores de concentración mínima inhibitoria (CMÍ) que oscilan de 0.3 a 1.0 g.mL−1. En estudios similares, en donde se aislaron hongos de profundidades marinas, se obtuvieron compuestos tales como breviones Í-K, luteoalbusinas A-B, circumdatinas K-L, 5-clorosclerotiamida 10-epi-sclerotiamida y aspergilliamida B, producidos por hongos pertenecientes al filo Ascomiceto, estos metabolitos poseen importantes actividades citotóxicas, lo cual demuestra el gran arsenal de compuestos que es posible obtener de hongos derivados del mar profundo, siendo estos una fuente prometedora de PNMs estructuralmente diversos y farmacológicamente activos (Li et al., 2012; Wang et al., 2012; Peng et al., 2013).

Figura 2
Filos de bacterias y hongos piezófilos frecuentemente estudiados cuyos metabolitos secundarios presentan actividad biológica.
Elaboración propia.

Recientemente, Kamjam et al. (2017) realizaron una revisión sobre estudios de bioprospección enfocados en la búsqueda de compuestos bioactivos de Actinobacterias aisladas de las profundidades oceánicas, y encontraron que el género predominante fue Streptomyces y que los compuestos producidos poseen en su mayoría actividades antimicrobianas y citotóxicas. Entre los estudios más representativos se encuentra el realizado por Hohmann et al. (2009), quienes obtuvieron un nuevo antibiótico llamado caboxamicina, el cual fue obtenido a partir de la Actinobacteria Streptomyces sp. NTK 937, aislada de sedimentos marinos del océano Atlántico, a una profundidad de 3814 m, y exhibió actividad antimicrobiana contra las bacterias Gram-positivas Bacillus subtilis (ÍC50 = 8 µM), Staphylococcus lentus (ÍC50 = 20 µM) y la levadura Candida glabrata (ÍC50 = 117 µM). Además, mostró efectos citotóxicos frente a líneas celulares de adenocarcinoma gástrico, carcinoma hepatocelular y células de carcinoma de mama. Asimismo, Zhang et al. (2012) reportaron el aislamiento de cuatro compuestos alcaloides, espiroindimicinas A-D, obtenidos a partir de Streptomyces sp. SCSIÓ 03032, aislada del océano indicó, a una profundidad de 3412 m, los cuales exhibieron actividades antitumorales moderadas. Otros compuestos tales como: grincamicinas B-F, sungsanpin, microbacterinas A-B y shewanellinas A-C, producidos por bacterias de los filos Actinobacteria y Proteobacteria de sedimentos de aguas profundas, se han destacado por tener efectos citotóxicos (Huang et al., 2012; Um et al., 2013; Liu et al., 2015). Estas nuevas estructuras podrían representar oportunidades futuras para la obtención de fármacos que puedan contrarrestar diversos tipos de cáncer.

Los microorganismos piezotolerantes también han sido descritos como productores de compuestos antifouling, cuya importancia radica en el impacto ambiental positivo que tienen en comparación con otros productos químicos utilizados para combatir a los organismos formadores de fouling en superficies artificiales sumergidas y mantenidas en el mar (Rittschof et al., 2003). Así lo describen, Xu et al. (2009), quienes obtuvieron un ácido graso de cadena ramificada, el ácido 12-metiltetradecanoico (12-MTA), el cual inhibió el crecimiento de larvas del poliqueto Hydroides elegans. El ácido graso fue obtenido a partir de la Actinobacteria de profundidad, Streptomyces sp. UST040711-290, aislada de sedimentos marinos del océano Pacífico a profundidades de 5027 y 5774 m.

Asimismo, otras especies de Actinobacterias de profundidades marinas, diferentes al género Streptomyces, son fuente promisoria de productos naturales con interesantes aplicaciones médicas, dentro de las cuales se destaca la bacteria Marinactinospora thermotolerans SCSIÓ 00652, aislada por Huang et al. (2011) a partir de sedimento marino a una profundidad de 3865 m, en el mar del Sur de China. Esta cepa es productora de compuestos alcaloides bioactivos, tales como marinacarbolinas A-D, 13-N-desmetil-metilpendolmicina y metilpendolmicina-14-O -α-glucósido, a los cuales se les evalúo el efecto citotóxico contra líneas celulares tumorales, mostrando actividades no significativas; sin embargo, estos mismos alcaloides exhibieron actividad antiplasmodial, contra el parasito Plasmodium falciparum, con valores de ÍC50 que van desde 1.92 a 36.03 µM. En estudios posteriores realizados por Zhou et al. (2012), se identificó un nuevo péptido cíclico obtenido a partir de la bacteria M. thermotolerans SCSIÓ 00652, llamado marthiapeptido A, el cual exhibió actividad antibacteriana contra Micrococcus luteus, S. aureus ATCC 29213, Bacillus subtilis ATCC 6633, Bacillus thuringiensis con valores de concentración mínima inhibitoria (MÍC) de 2.0; 8.0; 4.0 y 2.0 µg.mL−1, respectivamente. Este compuesto también exhibió una potente actividad citotóxica contra el adenocarcinoma de mama humano MCF-7, el carcinoma de pulmón NCÍH460 y células HepG2 de cáncer de hepatocarcinoma.

La Tabla 1 presenta diversos PNMs que han sido obtenidos de profundidades marinas principalmente a partir de hongos y bacterias (Actinobacterias, Proteobacterias, Firmicutes), aislados de zonas extremadamente profundas, por ejemplo a 10898 m en las Fosas de las Marianas, en diferentes puntos y profundidades de los océanos índico, Atlántico, Pacífico y en el mar del Sur de China, los cuales exhiben bioactividades tales como antitumoral, antimicrobiano, antifúngico, antifouling, antiparasitario, antituberculosis, antioxidante, entre otras.

3.2. Halófilos

Los ambientes halófilos se caracterizan por contener altas concentraciones de sal, constituyendo un modelo de adaptación ambiental y albergando una diversidad de microorganismos denominados halófilos (Oren, 2008). Los halófilos se pueden encontrar en lagos salados, salmueras de aguas profundas, estanques de evaporación de salinas, ambientes talasohalinos y atalasohalinos (Ma et al., 2010), los cuales inducen al desarrollo de condiciones metabólicas favorables para la supervivencia (Rajendran, 2015). De acuerdo a su respuesta en presencia de concentraciones de sal pueden clasificarse como halófilos leves (crecimiento a 0.2-0.5 M de sal), moderados (0.5-2.5 M), extremos intermedios (1.5-4.0 M), extremos (2.5-5.2 M), halotolerantes (no halófilo que puede tolerar la sal) y extremadamente halotolerantes (intervalo de crecimiento >2.5 M de sal) (Oren, 2013).

En comparación con otros grupos de microorganismos extremófilos, los halófilos han sido poco explorados en procesos biotecnológicos (Ma et al., 2010), el mayor número de investigaciones en ambientes marino-costeros se han realizado en India y a partir de fuentes microbianas donde cerca del 82% pertenecen a los filos Actinobacteria y Proteobacteria (Figura 3), reportando diversas actividades como antimicrobianas, anticancerígenas, antiviral, citotóxica, enzimática, entre otras, como se resume en la Tabla 2. Dado que las Actinobacterias habitan diversos nichos ecológicos incluyendo ambientes extremos, exhiben una notable capacidad para sintetizar metabolitos secundarios y numerosas enzimas hidrolíticas extracelulares, que las expone como una fuente prolífica de biomoléculas interesantes (Chakraborty et al., 2009). Estudios realizados por Ballav et al. (2015) con Streptomyces sp., indican la presencia de actividad antimicrobiana del extracto obtenido, empleando acetato de etilo, frente a las cepas Salmonella typhimurium, Escherichia coli y Proteus vulgaris; además, el extracto obtenido con cloroformo a partir de la cepa Micromonospora sp. SBSK-356, presentó actividad frente a Vibrio cholera; mientras que, el extracto butanólico de Nocardiopsis sp. SBSK-115 inhibió a Staphylococcus citreus y el extracto de Kocuria sp. SBSK-120, usando hexano, mostró la mayor actividad contra S. aureus.

Otros estudios relacionados con Actinobacterias halófilas fueron realizados por Jenifer et al. (2015) con metabolitos extraídos a partir de Streptomyces spp. AJ8 y se evidenció una alta actividad antagonista sobre las cepas patógenas S. aureus, Aeromonas hydrophila WPD1 y Candida albicans; además, mostró actividad antiviral con una reducción de la carga del virus del síndrome de la mancha blanca en ensayos in vivo empleando el camarón blanco Fenneropenaeus indicus. Así mismo, los ensayos de viabilidad en líneas celulares cancerosas de fibroblastos L929, mostraron que el metabolito suprime en un 35.7% la viabilidad a una concentración de 1000 µg.mL−1. De igual forma, Saurav & Kannabiran (2012) reportaron el aislamiento del compuesto 5-(2,4-dimetilbencil) pirrolidin-2-ona (DMBPO), el cual fue citotóxico para las líneas celulares HEP2 (carcinoma laríngeo) y HEPG2 (carcinoma hepatocelular) y posee propiedades antioxidantes, a partir de un cultivo de Streptomyces spp. VÍTSVK5. Por otra parte, las Actinobacterias raras son un grupo microbiano que han mostrado potencial para producir compuestos con actividad biológica (Dhakal et al., 2017) y las salinas solares han sido una fuente explorada que ha permitido su aislamiento. Se ha reportado que Nonomuraea sp. JAJ18 produce el antibi´otico extracelular J18-04 eficaz contra S. aureus SARM (Polpass et al., 2014), de igual forma Sarafin et al. (2014) obtuvieron biosurfactantes, tipo lipopéptidos, a partir de Kocuria marina BS-15. Otro estudio realizado con una Actinobacteria rara aislada de salinas, Actinopolyspora sp. VITSDK2 permiti´o la obtención de una proteasa de peso molecular de 22 kDa, la cual es una serina proteasa similar a la quimotripsina, que exhibió estabilidad en diferentes rangos de pH (4-12) y temperaturas (25 y 80 oC), lo cual permite su uso en diversas aplicaciones del sector industrial (Suthindhiran, 2014).

Figura 3
Filos de bacterias halófilas frecuentemente estudiadas como productoras de metabolitos secundarios.
Elaboración propia.

Otro ambiente extremo halófilo de gran interés para la obtención de productos naturales son los lagos de salmuera encontrados en el fondo marino. Algunos estudios realizados por Sagar et al. (2013), en salmueras de aguas profundas en el mar Rojo, mostraron que los extractos inducen apoptosis en células cancerosas, revelando que los mecanismos de acción de los extractos obtenidos de Chromohalobacter salexigens (P3-86A y P3-86B(2)) siguieron la secuencia de acontecimientos de la vía apoptótica que implicó la disrupción del potencial de membrana mitocondrial (MMP), actividad de caspasa-3/7, escisión de caspasa-8, escisión de PARP-1 y fosfatidilserina (PS), mientras que otro extracto de C. salexigens (K30) indujo apoptosis mediada por caspasa-9. Estos resultados evidenciaron el potencial anticancerígeno de varias especies bacterianas halófilas que habitan en el mar Rojo, las cuales fueron aisladas entre 1500 a 2500 m de profundidad. Otro ambiente estudiado es la cuenca anóxica hipersalina en el mar Mediterráneo, en el cual aislaron la cepa Halobacteroides lacunaris TB21 que produjo un lipopolisacárido (LPS) denominado como R-LPS, el cual exhibió una actividad inhibidora de los efectos tóxicos de LPS de E. coli en células HEK 293 hTLR4, lo que constituye un aporte al conocimiento de macromoléculas análogas que actúan como inmunomoduladoras de la respuesta inmune (Di Lorenzo et al., 2017).

3.3. Psicrófilos

Los psicrófilos son microorganismos que habitan ambientes fríos, generalmente con una temperatura óptima por debajo de 15 a 20 ◦C (Chakravorty & Patra, 2012), mantienen su metabolismo viable y la capacidad de catalizar reacciones enzimáticas en las que otros organismos como mesófilos o termófilos son generalmente incapaces de mantener (Papaleo et al., 2006). Estos microorganismos se encuentran en los hábitats marino-costeros como el hielo marino, ambientes subglaciales y profundidades marinas (Margesin & Miteva, 2011), y su supervivencia se da gracias a que emplean una serie de cambios estructurales para mantener la fluidez lipídica a bajas temperaturas, un ejemplo de ello es la insaturación de ácidos grasos, que corresponde al cambio más común dentro de los mecanismos que se encuentran en diferentes grupos microbianos (Margesin et al., 2008).

La mayor parte de las zonas de baja temperatura está representada por las profundidades marinas, dado que el 90% del volumen oceánico se encuentra por debajo de 5 ^◦C (Garcia-Descalzo et al., 2012), esto ha permitido el desarrollo de microorganismos psicropiezófilos, que en su mayoría se encuentran clasificados dentro del subgrupo gamma de las Proteobacterias, representados por los géneros Marinomonas, Shewanella, Photobacterium, Colwellia, Moritella y Psychromonas (Nogi, 2008; Margesin & Miteva, 2011). La bioprospección de microorganismos psicrófilos, se ha realizado en su mayoría en ambientes cercanos o sobre el continente Antártico y a partir de las muestras obtenidas se ha logrado el aislamiento de bacterias y hongos, de los cuales los filos Proteobacteria y Ascomiceto han sido los de mayor reporte con actividad biológica (Figura 4). Dentro de los estudios reportados con bacterias (Tabla 3), se destacan los realizados por Olivera et al. (2007) quienes obtuvieron una proteasa extracelular termoestable a partir de los géneros Colwellia sp., Pseudoalteromonas sp., Shewanella sp., Planococcus sp., y una cepa de la familia Flavobacteriaceae. La actividad enzimática a bajas temperaturas generalmente se ha asociado con una baja estabilidad tanto estructural como frente a desnaturalizadores químicos (Huston et al., 2008), sin embargo la capacidad de adaptación de las enzimas de microorganismos psicrófilos, les concede un especial interés biotecnológico dado que catalizan eficientemente las reacciones a bajas temperaturas, por lo que generan beneficios económicos al reducir en mayor proporción los costos de la energía industrial (Collins et al., 2008).

Figura 4
Filos de organismos psicrófilos mayoritariamente estudiados.
Elaboración propia.

Por otro lado, los ambientes de bajas temperaturas influyen en el transporte, la disponibilidad del agua y nutrientes, y en las concentraciones de sustancias disueltas a niveles tóxicos, estas condiciones hostiles inducen la producción de componentes extracelulares como exopolisacáridos (EPS), los cuales proporcionan protección a los microorganismos, permitiendo la adaptación al frío (Krembs & Deming, 2008). Estudios realizados por Nichols et al. (2005) de las comunidades microbianas del agua de mar y del hielo marino Antártico, permitieron observar la producción de EPS a partir de Flavobacterium sp., Polaribacter sp., Pseudoaltermonas sp. y Shewanella sp., los cuales en su mayoría contenían residuos de ácido urónico o grupos sulfato, además, observaron la síntesis de EPS a partir de una cepa estimulada a bajas temperaturas. Por otra parte, se encontró que Pseudomonas mandelii 6A1, aislada a partir de sedimentos marinos en la Antártida, presenta una sobreproducción de alginato, un componente importante de los EPS que permite la formación de la estructura de la matriz extracelular de biofilms (Vásquez-Ponce et al., 2017). Las propiedades crioprotectoras o anticongelantes de estas sustancias extracelulares le confieren al microorganismo una capacidad de respuesta frente a la disminución de la temperatura, estimulando los niveles de EPS que son acumulados en los canales de salmuera del hielo marino (Bowman, 2008).

Dentro de los microorganismos psicrófilos, se ha destacado la cepa Pseudoalteromonas haloplanktis TAC125, una gammaproteobacteria aislada del agua del mar Antártico, que crece en una amplia gama de bajas temperaturas y presenta características genómicas y metabólicas de interés biotecnológico (Parrilli et al., 2008). Dentro de las actividades biológicas o productos obtenidos a partir de este microorganismo se pueden encontrar moléculas antibiopelículas capaces de inhibir a Staphylococcus epidermidis (Papa et al., 2013; Parrilli et al., 2016), el compuesto ciclo-(D-pipecolinil-L-isoleucina) (DKP 1), dos péptidos lineales (84-85), de los cuales el péptido 85 mostró actividad antioxidante (Mitova et al., 2005) y la producción de metilamina, un compuesto volátil activo que inhibió el crecimiento de cepas del género Burkholderia (Sannino et al., 2017). Otro estudio realizado con Pseudoalteromonas spp., reporta actividad enzimática que incluye β-glucosidasa, β-galactosidasa, proteasa y lipasa, siendo la primera bastante termolábil al perder un 30% de su actividad después de 30 minutos de incubación a 28 ◦C y 90% de su actividad después de 30 minutos de incubación a 37 ◦C (Borchert et al., 2017).

El alto potencial enzimático de estos microorganismos adaptados a las bajas temperaturas permite su aplicación en ambientes donde se requiera efectuar procesos de biorremediación especialmente de la industria petrolera, la cual realiza actividades de exploración y producción en regiones polares como profundidades marinas, lo que aumenta el riesgo de vertimientos en estos ambientes vulnerables (Brakstad, 2008). En el estudio realizado por Michaud et al. (2004), se reporta la habilidad de Arthrobacter agilis y Rhodococcus luteus para degradar aceite diesel comercial, el cual ha sido liberado al mar por buques pesqueros y de abastecimiento presentes en aguas Antárticas. Posteriormente, Michaud et al. (2007) reportaron la capacidad de los géneros Pseudoalteromonas sp., y Arthrobacter sp., para degradar bifenilos policlorados (PCB), que han sido detectados en aguas marinas y sedimentos Antárticos.

Otras actividades reportadas en estudios realizados a partir de bacterias pertenecientes a los filos Firmicutes y Proteobacteria, presentan a estos microorganismos como una fuente importante de productos con aplicaciones farmacológicas, como Bacillus sp. MÍX- 62, una cepa aislada de lodo marino del polo norte, que produce lipopéptidos cíclicos, mixirinas A-C con actividad citotóxica y antitumoral (Zhang et al., 2004). Por otra parte, Sánchez et al. (2009), reportaron a Serratia proteamaculans y Pseudomonas sp., como fuente de compuestos antimicrobianos, los cuales inhibieron el crecimiento de patógenos transmitidos por alimentos como E. coli, S. typhimurium y Listeria monocytogenes, el análisis del tamaño de los antimicrobianos y la estimación de carga, permitieron la sospecha de compuestos similares a microcinas.

Otro grupo de interés en la bioprospección de microorganismos psicrófilos son los hongos, los diferentes géneros suelen ser psicrotolerantes y se adaptan a ecosistemas de bajas temperaturas encontrándose en el Ártico, Antártico o áreas marinas frías (Frisvad, 2008), ya sea de forma especializáda creciendo en rocas y piedras, en sedimentos marinos y sustratos específicos como trozos de madera, algas, corales y esponjas (Ímhoff, 2016). Dentro de los aislamientos realizados los filos Basidiomicetos y Ascomicetos han sido los más predominantes y con mayores reportes de actividad biológica (Tabla 4). Estudios realizados por Del-Cid et al. (2014), mostraron la actividad xilanolítica de Cladosporium sp. aislado de esponjas marinas, con una alta actividad a bajas temperaturas, pero baja estabilidad térmica. Por otra parte, Batista-García et al. (2017) aislaron 14 cepas de hongos diferentes a partir de la esponja Stelletta normani recolectada a 751 m de profundidad, de las cuales Cadophora sp. TS2, Emericellopsis sp. TS11 y Pseudogymnoascus sp. TS12 fueron cepas lignocelulolíticas-halotolerantes, con actividades enzimáticas como carboximetilcelulasa (CMCasa), xilanasa y peroxidasa/fenol oxidasa. Los hongos marinos son capaces de producir enzimas hidrolíticas y/o oxidativas que pueden ser utilizados en procesos biotecnológicos y tener aplicaciones ambientales como la degradación de contaminantes persistentes (Bonugli-Santos et al., 2015). Esta capacidad fue reportada por Singh et al. (2013) a partir de Cryptococcus sp. (NIÓCC # PY13) aislada a partir de sedimentos de aguas profundas en la cuenca central del océano indicó, esta levadura removió en un 30-90% los metales pesados del sobrenadante del cultivo después de 4 días de crecimiento a 30 ^◦C, lo que evidencia sus capacidades de tolerancia y de biosorción significativa de metal que pueden ser empleadas en procesos de biorremediación.

También se ha reportado que los hongos psicrófilos son productores de metabolitos con interés farmacológico. You et al. (2010) identificaron un compuesto denominado trichoderona, el cual mostró alta citotoxicidad frente a las seis líneas celulares de cáancer A549, NCI-H460 (cáncer de pulmón), MCF-7, MDA-MB-435s (cáncer de mama), HeLa-229 (cáncer de cuello uterino) y DU-145 (cáncer de próstata), y bioactividad frente a las enzimas proteasa VIH y la polimerasa Taq.

3.4. Termófilos

Los microorganismos estrictamente termófilos son aquellos capaces de crecer a temperaturas entre los 60 y 90 ^◦C. Sin embargo, pueden clasificarse en diferentes grupos dependiendo de su temperatura óptima de crecimiento, encontrando: termófilos facultativos, que son capaces de sobrevivir por debajo de los 45 ^◦C; los termotolerantes que crecen a temperaturas entre los 45 y 60 ◦C y los termófilos extremos, también llamados hipertermófilos, cuyo óptimo crecimiento se da a temperaturas superiores a los 90 ◦C (Homaei et al., 2016).

Estos microorganismos se encuentran en los manantiales termales, sedimentos geotermales y las solfataras marinas, al igual que en ambientes industriales como las tuberías de extracción de petróleo (Liang et al., 2014). En el caso de los extremófilos marinos, se encuentran en uno de los ambientes más desafiantes para la vida de un organismo, esto es las fuentes hidrotermales de aguas profundas, localizadas en regiones tectónicamente activas en todo el mundo; caracterizados por ser ecosistemas independientes de luz, presión elevada, con producción de sulfuro anóxico y aguas cargadas de minerales emitidos por las fumarolas negras, que pueden alcanzar temperaturas de hasta 350 ◦C (Singh, 2013). Son ambientes oligotróficos en donde la producción primaria está impulsada principalmente por microorganismos quimioautótrofos, capaces de fijar carbono inorgánico utilizando energía química obtenida a través de la oxidación de compuestos reducidos (Nakagawa & Takai, 2008). Existen además fuentes hidrotermales someras, caracterizadas principalmente por la presencia de luz solar, lo cual difiere de sus contrapartes de aguas profundas, debido a esto, la biología de estos ambientes puede variar, permitiendo encontrar comunidades de organismos fotosintéticos (Wilson & Brimble, 2009). Es importante mencionar que no todos los microorganismos encontrados en un sitio de elevada temperatura son termófilos; en ocasiones algunos de ellos son capaces de resistir dichas temperaturas, pero su crecimiento óptimo se da en un ambiente mesófilo. La existencia de gradientes de temperatura, al igual que el amplio rango de temperaturas del suelo, podrían explicar la variedad de microorganismos que se pueden encontrar en estos sitios (Flores et al., 2013).

Los organismos termófilos son en su mayoría de naturaleza procariótica, principalmente las arqueas, que sobresalen como hipertermófilas y se logran adaptar a un gran número de ambientes donde predominan las altas temperaturas; no obstante, muy pocos eucariotas logran crecer en medios por encima de los 50 ◦C, aunque algunos hongos logran crecer en rangos entre los 50-55 ◦C (Tiquia-Arashiro & Rodrigues, 2016). Específicamente, el grupo de termófilos marinos incluye bacterias fototróficas (cianobacterias, y bacterias verde y púrpura), dominios bacterianos (Bacillus sp., Clostridium sp., Desulfotomaculum sp., Thermus sp., Thiobacillus sp., bacterias fermentadoras, espiroquetas, entre otros géneros) y las arqueas (Pyrococcus sp., Sulfolobus sp., Thermococcus sp., Thermoplasma sp.) (Dalmaso et al., 2015).

Con referencia a la capacidad de los termófilos de sobrevivir a altas temperaturas, algunos autores la asocian a la estabilidad de sus proteínas y enzimas, y a la producción de solutos compatibles como fosfato de D-mio-inositol, fosfato de diglicerol, manosil-glicerato y derivados de estos tres compuestos (Lamosa et al., 2006; Berezovsky et al., 2007; Gonc¸alves et al., 2012). Esta propiedad se ha demostrado con estudios de estabilidad de enzimas extráídas de microorganismos termófilos, los cuales son más estables que otras protéínas y conservan esta propiedad al clonarlas y expresarlas en bacterias mesófilas (Singh, 2013). Otros factores como el alto contenido de guaninas y citosinas de su genoma, la proporción de aminoácidos cargados/no cargados, el aumento de interacciones iónicas y enlaces de hidrógeno, la naturaleza neutral de sus protéínas y la producción de EPS, se han usado tambíen en las explicaciones sobre la tolerancia de estos organismos a elevadas temperaturas (Trivedi et al., 2006).

Entre los metabolitos de interés producidos por organismos termófilos se encuentran precisamente sus enzimas termoestables (Atomi, 2005). Estas termozimas, como han sido denominadas (Schroder¨ et al., 2014), pueden degradar polisacáridos tales como las amilasas, hemicelulasas, pectinasas y quitinasas, al igual que lípidos y proteínas; por lo que han sido consideradas para su uso a nivel industrial en la producción de medicamentos, insumos textiles, papel, alimentos y en biorrefinerías (Turner et al., 2007; Elleuche et al., 2015). De igual forma, entre los compuestos que participan en la adaptación termofílica, están los EPS, que son de especial interés debido a su amplia funcionalidad y la diversidad de roles que cumplen en la célula (Kambourova et al., 2016). Los EPS son polímeros microbianos de alto peso molecular secretados al medio en respuesta al estrés biótico (competencia por espacio), a factores abióticos (temperatura, luz, pH y salinidad) y/o para adaptarse a un entorno extremo, siendo su papel biológico principal el de ayudar a proteger la célula contra las presiones ambientales (Donot et al., 2012). El valor biotecnológico de los EPS está dado por sus diversas aplicaciones como biofloculantes, bioabsorbentes, agentes de liberación de fármacos (Finore et al., 2014), gelificantes, emulsionantes y estabilizantes (Sutherland, 2001; Poli et al., 2010; Nwodo et al., 2012); asimismo, poseen efectos inmunomoduladores, antivirales y con capacidad de regeneración y cicatrización ósea (Zanchetta et al., 2003; Poli et al., 2010).

En la Tabla 5, se listan algunos metabolitos aislados de microorganismos termófilos marinos y las propiedades que los hacen biológicamente importantes. Dentro de este grupo, el filo Firmicutes es el más predominante, seguido de los filos Acúificas y Euriarqueota (Figura 5).

Figura 5
Filos de bacterias termófilas mayoritariamente estudiados.
Elaboración propia.

Poli et al. (2010), realizaron una amplia revisión sobre los EPS producidos por microorganismos aislados de ambientes extremos, incluyendo aquellos producidos por termófilos. Entre los estudios más representativos se destacan los realizados con microorganismos aislados a partir de muestras obtenidas de respiraderos hidrotermales marinos superficiales, ubicados alrededor de las islas volcánicas de Eolia, cerca de las costas de Sicilia (Italia). Por ejemplo, Nicolaus et al. (2000) aislaron una cepa termófila de Bacillus sp. a partir de agua de mar de respiraderos hidrotermales ubicados en Isla Vulcano (Islas Eolias, Italia), de la que obtuvieron dos polisacáridos exocelulares (EPS1 y EPS2). Posteriormente, Nicolaus et al. (2002) reportaron el aislamiento de 14 microorganismos (4001-4014) termófilos de hidrotermales superficiales alrededor de la Isla Íschia (región de Flegrean, Italia), fueron seleccionadas las colonias microbianas por su apariencia mucoide para la obtención y caracterización de EPS, con el fin de inducir su producción y se ensayaron diferentes fuentes de carbono en el medio de cultivo, y encontraron que para la cepa 4009 se alcanzó una producción de 60 mg.L−1 cuando se usó trehalosa, aumentando de esta manera el rendimiento del polisacárido. Por otra parte, Maugeri et al. (2002) también centraron sus estudios en una fuente termal marina poco profunda en Isla Vulcano, en donde aislaron la bacteria halófila termotolerante llamada Bacillus licheniformis (B3-15), a partir de la cual se obtuvo un nuevo polisacárido extracelular. La cepa (B3-15), fue resistente a metales pesados y exhibió una alta tasa de crecimiento cuando se mantuvo en medio de cultivo que contenía keroseno como única fuente de carbono. Asimismo, el polisacárido obtenido (EPS-1) presentó efectos antivirales e inmunorreguladores, inhibiendo la replicación del virus del herpes simple tipo 2, lo cual es posible gracias a la producción de una red de citoquinas producidas por las células que regulan la respuesta inmune (Arena et al., 2006; Spano & Arena, 2016). Estos mismos efectos han sido encontrados en exopolisacáridos obtenidos de la bacteria Geobacillus thermodenitrificans aislada de fuentes hidrotermales en la Isla Vulcanos, Italia (Arena et al., 2009). Los resultados obtenidos por estos autores corroboran las propiedades de los EPS de bacterias termófilas, que pueden contribuir a mejorar la respuesta inmune de algunas células y podrían representar la base terapéutica para tratar infecciones virales.

Otros estudios, que han explorado la producción de metabolitos secundarios de termófilos marinos han sido los realizados por Andrianasolo et al. (2009), quienes aislaron el microorganismo Thermovibrio ammonificans, una bacteria anaerobia y quimiolitoautotrófica, perteneciente al filo Acuífica, capaz de crecer a una temperatura óptima de 75 ^◦C, aislada a partir de una chimenea hidrotermal activa en las profundidades del mar, en la Dorsal del Pacífico Este. A partir de dicha bacteria se obtuvieron dos compuestos denominados ammonificinas A y B, se evalúo su actividad antimicrobiana, anticancerígena y la inducción de apoptosis, pero no se obtuvieron resultados concluyentes, debido a la presencia de impurezas inseparables de los compuestos, aunque el extracto original sí había exhibido actividades prometedoras. Por tanto, se continuaron los ensayos a partir de los resultados obtenidos, de forma que los autores Andrianasolo et al. (2012), lograron aislar otros dos compuestos llamados ammonificinas C y D, los cuales indujeron apoptosis en concentraciones de 2 y 3 µM, respectivamente, y demostraron que las impurezas presentes en los compuestos A y B correspondían en realidad a estas nuevas ammonificinas, C y D. Estos reportes son los primeros en informar sobre la obtención de metabolitos bioactivos provenientes de la bacteria termófila marina T. ammonificans. En estudios más recientes se han ideado estrategias que permiten la obtención de nuevos metabolitos con actividades biológicas obtenidos de microorganismos termófilos marinos, por ejemplo, la utilización de bacteriófagos para inducir la producción de metabolitos en bacterias, mecanismo poco abordado, y que podría ser una alternativa interesante para la búsqueda de nuevos fármacos con propiedades antitumorales. Así lo describen Xu et al. (2017), quienes aislaron la bacteria termófila Geobacillus sp. E263 a partir de un respiradero hidrotermal de aguas profundas en el Pacífico Este, luego fue infectada por su bacteriófago GVE2 con el fin de estimular la producción de metabolitos, posteriormente, se realizó la extracción de los compuestos producidos por la bacteria infectada seguido de la evaluación de actividad antitumoral y la inducción de apoptosis. Los autores lograron determinar que el compuesto obtenido era la 2-amino-6-hidroxi-(1,4)-benzoquinona, el cual desencadena la apoptosis de las células de cáncer de mama, gástrico y melanoma.

El género Geobacillus, perteneciente al filo Firmicutes, está comprendido por bacterias termófilas, las cuales son generalmente aerobias y anaerobias facultativas capaces de crecer en un rango de temperatura de 45-75 ^◦C, poseen la facultad para producir compuestos antitumorales y enzimas útiles comercialmente como hemicelulasas, celulasas y lipasas, lo cual está siendo ampliamente explorado (Hussein et al., 2015). Zhu et al. (2015) aislaron la cepa termófila Geobacillus sp. EPT9, en sedimentos de un campo hidrotermal de agua profundas, en el este del océano Pacífico. A partir de esta bacteria se identificó un gen que codifica para la enzima lipasa, el cual fue clonado y expresado en la bacteria mesófila E. coli, posteriormente la enzima recombinante se purificó y se determinó que era óptimamente activa a 55 ^oC en pH 8.5 y termoestable a 80 ^◦C, además mantuvo su estabilidad frente a los disolventes orgánicos probados. De igual forma Zhu et al. (2014), identificaron el gen que codifica para la enzima superóxido dismutasa (SOD) a partir de la cepa EPT3 de Geobacillus sp., y determinaron que la enzima recombinante es termoestable y tolerante a algunos inhibidores, detergentes y desnaturalizantes, tales como: β-mercaptoetanol, ditiotreitol, fluoruro de fenilmetilsulfonilo, chaps, triton X-100, urea y clorhidrato de guanidina. Estos estudios confirman que mediante la clonación es posible expresar las proteínas termófilas recombinantes en hospederos mesófilos, ampliando así el campo de aplicación comercial.

La búsqueda de nuevos productos naturales a partir de fuentes microbianas que se desarrollan en ambientes marino-costeros con condiciones extremas, ha constituido una estrategia para aprovechar la biodiversidad microbiana y conocer su potencial biotecnológico, dadas las características particulares de adaptación de los microorganismos extremófilos, las cuales conducen a la producción de metabolitos con propiedades únicas y permiten su aplicación en diferentes sectores como salud, industria, ambiente, entre otros. Dentro de los productos obtenidos pueden encontrarse alcaloides, esteroles, ácidos grasos, péptidos, exopolímeros y enzimas; siendo estas últimas las más estudiadas, ya que conservan su funcionalidad y estabilidad aún en presencia de altas o bajas temperaturas, pH y salinidades. Entre los ambientes marinos extremos, el más estudiado ha sido el de las profundidades marinas, donde usualmente se han recolectado sedimentos entre los 325 y los 10898 m de profundidad. La mayor parte de los productos naturales han sido obtenidos a partir de bacterias (78%) y hongos (22%), de los cuales los filos Actinobacteria y Ascomiceto, respectivamente, registran el mayor número de actividades biológicas reportadas. Otro tipo de ambiente extremófilo marino que ha sido estudiado son las salinas solares y lagos salinos de profundidad de los cuales se ha logrado el aislamiento de microorganismos halófilos. Los productos obtenidos de este grupo microbiano han sido a partir de cultivos de bacterias, de las cuales los filos Proteobacteria, Actinobacteria (41%), y Firmicutes (18%) presentaron los mayores reportes de actividad biológica. Por otra parte, entre las fuentes de aislamiento de microorganismos psicrófilos que han sido estudiadas en bioprospección se encuentran el agua y el sedimento marino de zonas cercanas o sobre el continente Antártico e invertebrados marinos como las esponjas. La mayor fuente de los productos naturales ha sido a partir de bacterias (78%) y hongos (22%), de los cuales los filos Proteobacteria y Ascomiceto, registraron el mayor número de reportes de metabolitos bioactivos. Por último, el estudio de microorganismos termófilos se ha realizado en ambientes como respiraderos de hidrotermales de profundidad marina, encontrando que en mayor proporción las bacterias del filo Firmicutes han sido la principal fuente de productos naturales. El hecho de que diversos grupos microbianos sean capaces de albergarse en ambientes con condiciones adversas ofrece una oportunidad para conocer los mecanismos de adaptación microbiana y aprovechar todos aquellos compuestos que pueden ser útiles para usos biotecnológicos y en sectores tales como el de la industria farmacéutica, cosmética y alimentaria. Los estudios posteriores deben enfocarse en la búsqueda de nuevos microorganismos extremófilos marinos, así como en la exploración de ambientes inhóspitos relacionados con la biosfera marina. Para conocer la biodiversidad de estos ambientes es necesario respaldarse en estudios metagenómicos y en mejoras de las condiciones de cultivo en laboratorio ya que estas siguen siendo la mayor dificultad relacionada con el aislamiento de microorganismos cultivables. Es importante enfocarse en secuenciar los genomas completos de los diferentes grupos de extremófilos, mediante esta herramienta se logra entender las relaciones filogenéticas, similitudes y diferencias, además se pueden encontrar genes que codifiquen para nuevos PNMs. En el área de ingeniería de proteínas se pueden mejorar los métodos para la identificación de estructuras de enzimas, determinar las condiciones óptimas necesarias para la actividad enzimática y su estabilidad. Además, las metodologías que incluyen la clonación y expresión de genes en hospederos microbianos mesófilos para obtener enzimas recombinantes permitirán ampliar el campo de aplicación de enzimas termófilas y psicrófilos en diferentes industrias. Asimismo, para la obtención de nuevos metabolitos se hace necesario mejorar las condiciones de cultivo, así como usar metodologías que permitan inducir la producción de nuevos compuestos, como por ejemplo utilizar bacteriófagos con el fin de inducir la producción de metabolitos que sean útiles para el tratamiento del cáncer. Por otro lado, para aprovechar las actividades biológicas de los EPS se hace necesario establecer mejor las condiciones de producción y purificación.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo financiero al Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras “José Benito Vives de Andréis” -INVEMAR (Contribución # 1188) del Programa Valoración y Aprovechamiento de los Recursos Marinos y Costeros (VAR), Línea Bioprospección Marina.

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