MODIFICACIÓ GENÈTICA DE MICROORGANISMES PER A LA BIORREMEDIACIÓ

INTRODUCCIÓ

Degut a l’augment dels productes contaminants procedents de les indústries, aquests últims anys una de les branques de la biotecnologia ha evolucionat substancialment per intentar tractar aquests problemes mitjançant la bioremediació. Aquesta tècnica consisteix en l’ús d’éssers vius (microorganismes i plantes) que són capaços de degradar una gran quantitat de productes contaminants, parcialment o en la seva totalitat.

A més a més, segons com es porti a terme aquest procés, es distingeixen tres mètodes, tal com es mostren a la Esquema 1 [1]:

Esquema 1: Tipus de bioremediació

L’entrada d’aquest blog se centrarà en la remediació microbiana, que comprèn tant tècniques aeròbies, en medi oxidant, o anaeròbies, en medi reductor, i poden ser aplicades in situ (en el lloc on es troba el contaminant) o ex situ (traslladant el contaminant). A més a més es poden veure afectades per diferents factors:

Figura 1: Factors per els quals es veu influenciada la bioremediació

Tal i com s’observa a la Figura 1, la necessitat de nutrients, principalment fòsfor i nitrogen, són claus pel correcte funcionament del metabolisme dels bacteris, així com la regulació de certs paràmetres del medi: un pH entre 6 i 8, una temperatura entre 15 i 45ºC i unes condicions mínimes d’humitat.

Així doncs, considerant tots aquests conceptes, es poden diferenciar quatre tècniques principals de bioremediació [2] com es mostra a la Taula 1:

	In situ/ Ex situ	Aeròbia/ Anaeròbia	Tractament de…	Procediment
Bioventeig o bioaireació	In situ	Aeròbia	Hidrocarburs	Injecció a pressió d’oxigen estimulant l’activitat bacteriana
Atenuació natural	In situ	Aeròbia/ Anaeròbia	Hidrocarburs halogenats o no halogenats	Tots els processos físico-químics i de biodegradació que tenen lloc de forma natural
Bioestimulació	In situ	Aeròbia	Aigües subterrànies	Addicció de microorganismes prèviament modificats
Biopiles	Ex situ	Aeròbia	Contaminants petrolífers	Formació de piles de material biodegradable amb condicions favorables pels microorganismes

Taula 1: Tècniques de biorremediació microbiana

Per dur a terme aquestes tècniques tambè s'ha de tenir en compte la possibilitat de modificar genèticament aquests microorganismes per, axí, millorar la seva capacitat de degradació.

US D’ORGANISMES MODIFICATS GENÈTICAMENT EN  LA BIORREMEDIACIÓ

La manipulació genètica és una tècnica relativament nova que ens permet crear combinacions de gens que per si sols no existeixen a la naturalesa. Aquesta tècnica es pot utilitzar, per exemple, per crear microorganismes capaços de degradar contaminants específics. Per a crear aquest organismes es seleccionen organismes que facin la funció desitjada, i el clonem.

Per crear una molècula de DNA recombinant es necessiten diferents passos [3, 4]:

1.  El DNA a clonar s’aïlla i es tracta amb enzims de restricció per crear fragments que tenen seqüències específiques, ja que aquests enzims tallen el DNA específicament per una seqüència concreta.

2.   Aquests fragments es lliguen a fragments de plasmidis( molècules de DNA extra cromosòmic amb el seu propi origen de replicació i que es repliquen independentment, lo qual facilita la seca manipulació a l’hora de recombinar),  que han sigut tallats pels mateixos enzims de restricció, obtenint així un vector recombinant, ja que al estar partits pels mateixos enzims la seqüència serà la mateixa. Un vector és un segment de DNA amb capacitat d’entrar a una cèl·lula hoste i replicar-se. És per això que els plasmidis es fan servir comunament com a vectors de clonació en l'enginyeria genètica per multiplicar o expressar gens particulars.

3.   Aquests es transfereixen a cèl·lules hostes bacterianes, generalment per transformació, un procés en el qual les molècules de DNA creuen la membrana de l’hoste transferint-se a l’interior.

4.   La cèl·lula hoste es fa créixer en una placa de cultiu, on formarà colònies. Com que cada colònia prové d’una única cèl·lula inicial, totes les cèl·lules, amb el seu plasmidi, són idèntics. Un cop es te això s’examinen les cèl·lules que han adquirit el gen que volíem.

Figura 2: Esquema general de modificació genètica

MICROORGANISMES MODIFICATS PER LA BIORREMEDIOACIÓ

Les modificacions genètiques aplicades en la biorremediació, es solen fer sobre microorganismes que de per sí ja tenen alguna característica que els fa idonis per la finalitat que se’ls vol aplicar (resistència a certs ambients o capacitat de degradar algun producte en concret). A continuació se n’esmentaran alguns:

• El  bacteri Deinococcus radiodurans R1 és l’organisme més resistent a la radioactivitat que es coneix actualment [5]. S’ha treballat amb diferents soques d’aquest bacteri inserint-li un gen clonat (merA) procedent d’una soca particular d’E.coli (cep BL308), el qual els hi permet degradar el mercuri (Hg II) i transformar-lo en mercuri volàtil, menys soluble i tòxic. Aquest gen pertany al conjunt de gens de l’operó mer, el qual conté 6 gens que aporten resistència al mercuri. En la Figura 3 es veu amb més detall:

Figura 3: Construcció i estructura de la inserció directa de l’operó mer sobre el cromosoma hoste.

Altres soques modificades d’aquest bacteri permeten la transformació tant de l’urani com del toluè, gràcies a la incorporació  dels gens phoN de la Salmonella enterica serovar Typhi i els gens tod del Pseudomonas putida, respectivament, fet que permet ampliar el seu ús en la bioremediació.

• També s’ha aconseguit modificar cèl·lules d’E. coli per tal que siguin capaces de degradar la atrazina [6] (Figura 4), un herbicida molt soluble en aigua i nociu per moltes espècies. A aquestes soques modificades se’ls hi ha incorporat el gen AtzA, que codifica per la atrazina clorohidrolasa, que permet declorar la atrazina, originant així un producte no tòxic. L’avantatge d’incorporar aquest gen a E. coli, és que s’ha vist que és capaç de produir molta més quantitat de l’enzim.

Figura 4: Procés de degradació de la antrazina

• El bacteri Pseudomonas putida mencionat anteriorment, és un dels organismes més interessants per a la bioremediació[4], ja que de forma innata posseeix la capacitat de degradar l’estirè, un contaminant que és abocat en grans quantitats al medi ambient per part de nombroses indústries. Aquest microorganisme, pot convertir l’estirè en PHA, un plàstic biodegradable i que també té aplicacions mèdiques.

• Pseudomonas putida PaW85, mitjançant la inserció del plasmidi pWW0 adquireix la capacitat de degradar el petroli. A més a més, s’’ha observat que ho fa d’una manera més eficient que Pseudomonas putida mt-2, del qual s’han extret els gens del plasmidi.

CONCLUSIÓ

Com es pot observar, la bioremediació és un procés complexa, de múltiples etapes i amb certs límits, com per exemple que els organismes han d’estar en un medi favorable. La eficiència de la bioremediació no només depèn del medi, també del poder catalític dels microorganismes. És per això que s’aplica l’enginyeria genètica en els microorganismes, ens permet potenciar certes habilitats ja presents en microorganismes de la mateixa espècie o per concedir noves capacitats de bioremediació que abans no presentaven.

L’Enginyeria genètica també ha permès a certs organisme treballar sota condicions que abans no podien, fent possible la bioremediació de certs productes en aquest ambient. A més de que si fem servir tècniques senzilles de modificació genètica, amb poc capital és poden obtenir grans resultats.

BIBLIOGRAFIA

1. Consejo Argentino para la Información y el Desarrollo de La Biotecnología (2007). Biorremediación: organismos que limpian el medio ambiente. Recuperat de http://www.porquebiotecnologia.com.ar/index.php?action=cuaderno&opt=5&tipo=&note=36

2. National Center for Environmental Pubications and Information (2008). Bioremediation. Recuperat de http://staff.icar.cnr.it/spezzano/colombo/bioris/bioris.htm

3. Madigan, M., Martinko, J., Dunlap, P. i Clark, P. (2009) Brock: Biología de los microorganismes (12a ed.). Madrid: Pearson educación, S.A.

4. Wasilkowski, D., Swędzioł, Ż. i Mrozik, A. (2012) The applicability of genetically modified microorganisms in bioremediation of contaminated environaments. Science, 66, 817-826

5. Brim. Hassan, C. McFarlan, Sara, K. Fredrickson, James, W. Minton, Kenneth, Zhai, Min, P. Wackett, Lawrence, i  J. Daly Michael. (2000). Engineering Deinococcus radiodurans for metal remediation in radioactive mixed waste environments. Nature biotecnology, 18, 85 - 90. doi: 10.1038/71986

6. C. Strong, L., McTavish, H., J.Sadowsky, M., P. Wackett, L. (2000). Field-scale remediation of atrazine-contaminated soil using recombinant Escherichia coli expressing atrazine chlorohydrolase. Environmental Microbiology, 2 (1), 91-98. doi: 10.1046/j.1462-2920.2000.00079.x

• Figuras:

1. María Nunez Lucas. (2012). Biorremediación de suelos. Contaminación HAPs. Recuperat de https://quimica-biologia-12-13.wikispaces.com/Biorremediaci%C3%B3n+de+suelos.+Contaminaci%C3%B3n+HAPs.

2. Wasilkowski, D., Swędzioł, Ż. i Mrozik, A. (2012) The applicability of genetically modified microorganisms in bioremediation of contaminated environaments. Science, 66, 817-826

3. Brim. Hassan, C. McFarlan, Sara, K. Fredrickson, James, W. Minton, Kenneth, Zhai, Min, P. Wackett, Lawrence, i  J. Daly Michael. (2000). Engineering Deinococcus radiodurans for metal remediation in radioactive mixed waste environments. Nature biotecnology, 18, 85 - 90. doi: 10.1038/71986

4. C. Strong, L., McTavish, H., J.Sadowsky, M., P. Wackett, L. (2000). Field-scale remediation of atrazine-contaminated soil using recombinant Escherichia coli expressing atrazine chlorohydrolase. Environmental Microbiology, 2 (1), 91-98. doi: 10.1046/j.1462-2920.2000.00079.x