Las microalgas como fuente de vacunas



Jorge A. Vera-Ramírez, Dulce Libna Ambriz Pérez, David Ulises Santos Ballardo
Ver en el PDF

A lo largo de la historia de la humanidad, el desarrollo de la biotecnología ha jugado un papel importante para alcanzar el estilo de vida que conocemos y el progreso de la sociedad actual (Figura 1).

     En los últimos años, hablando específicamente acerca de biotecnología ambiental, el uso de microalgas como fuente de bioproductos ha generado interés social y científico debido a las ventajas que ofrecen, ya que son organismos unicelulares con tamaños que van de 2 µm a 200 µm aproximadamente, tienen un rápido crecimiento y una gran capacidad para la fijación del dióxido de carbono (CO2) ambiental; además, a diferencia de las plantas, no necesitan tierras fértiles para crecer, se pueden conseguir altos rendimientos de biomasa en pequeñas áreas de trabajo, y presentan una alta capacidad de adaptación a diferentes entornos (como agua marina, dulce e incluso aguas residuales, produciendo a la vez biorremediación).

     Estas características han generado interés en analizar el potencial de algunas especies para su utilización a gran escala bajo un esquema de biorrefinería, lo que a futuro permitiría un aprovechamiento integral y más sustentable de la biomasa.

 

BIORREFINERÍAS: UNA PROMESA SUSTENTABLE

 

El objetivo de las biorrefinerías es obtener la mayor cantidad de productos a partir de una materia prima por medio de procesos y tratamientos que transformen a sus componentes sin afectar sus propiedades en el proceso. El proceso de las biorrefinerías microalgales (Figura 2) usualmente inicia con el desarrollo de cultivos celulares, donde, mediante ciertos nutrientes y agua estéril (dulce, marina o residual), así como condiciones controladas de temperatura e iluminación, se genera biomasa.

     A partir de esta, se utilizan diferentes procesos para obtener algunos bioproductos de alto valor y biocombustibles; estos últimos, aunque presentan un costo económico bajo, se pueden utilizar para disminuir los requerimientos energéticos de la biorrefinería, utilizando esta energía en los diversos pasos en el cultivo de las microalgas. El diseño de una biorrefinería dependerá del tipo de microalga que se desee explotar, los bioproductos que se deseen obtener, así como de la densidad, concentración y compuestos que se encuentren en los cultivos.

     Una vez que se genera suficiente biomasa, se procede a colectar la biomasa microalgal con el objetivo de aglomerar las microalgas y separarlas del medio de cultivo. El siguiente paso es la sedimentación de la biomasa para separar los componentes dependiendo de sus densidades o, alternativamente, la centrifugación para separar directamente la biomasa del medio de cultivo. También se puede utilizar secado por diferentes técnicas, como aplicación de calor, radiación solar y aire e incluso un proceso de liofilización (deshidratación con alta presión y a bajas temperaturas).

     Una vez que se tiene la biomasa de microalgas seca y lista para su uso, los procesos para su transformación dependen de la composición de la biomasa; por ejemplo, si presenta alto contenido de aceite, este se puede extraer ya sea para usarlo como ingrediente alimentario o como materia prima para biodiesel; mientras que, a partir de la biomasa residual (BR), se pueden obtener pigmentos, compuestos con propiedades benéficas para la salud (antioxidantes y otros nutracéuticos) o utilizarse para producción de biogás. Cada biorrefinería requiere un diseño único dependiendo de las condiciones y propiedades de la microalga utilizada, el presupuesto y la calidad del producto que se desea vender (Figura 3).

     Como se ha mencionado, las posibilidades de las biorrefinerías microalgales son amplias, lo que ha ocasionado que muchas empresas y centros de investigación se dediquen a desarrollar esquemas de estas para obtener productos de alto valor económico. Dentro de las diversas opciones, la generación de productos para la salud tiene gran impacto a nivel mundial, destacando la obtención de compuestos con propiedades antioxidantes, antinflamatorias y antienvejecimiento, así como mallas filtradoras para respiradores e, incluso, el desarrollo de vacunas comestibles que representan una gran posibilidad para hacer llegar estos productos de salud a un mayor número de personas. 

 

¿MICROALGAS Y VACUNAS? UNA OPCIÓN PROMETEDORA

 

     Desde el siglo XIX, las vacunas han sido uno de los principales métodos de defensa de la humanidad en la lucha contra bacterias, parásitos, virus y otros agentes patógenos; las vacunas actúan apoyando al sistema inmune con antígenos (compuestos ajenos al organismo que se unen a las inmunoglobulinas para crear una respuesta inmune) para contrarrestar las enfermedades; sin embargo, las vacunas convencionales tienen limitaciones tales como la contaminación de la vacuna con patógenos externos, la necesidad de entrenamiento de personal calificado para administrarla, además de que su almacenamiento y transporte comúnmente requieren de condiciones especiales a bajas temperaturas; y por supuesto, tienen un alto costo de producción. Debido a lo anterior, el suministro de estas vacunas es costoso y complicado, sobre todo en algunos países en vías de desarrollo.

     Para buscar solucionar estos problemas, se ha propuesto el desarrollo de nuevas alternativas, como las vacunas comestibles basadas en plantas genéticamente modificadas. Prácticamente todos los patógenos humanos utilizan las superficies mucosas (a través de los tractos urogenitales, respiratorios y gastrointestinales) como principal ruta de entrada al cuerpo, por lo que la primera línea de defensa es la inmunidad de dichas mucosas. Cabe mencionar que las vacunas orales son capaces de producir inmunidad en las mucosas, ya sea por anticuerpos o incluso por medios celulares, así que el uso de este tipo de vacunas se consideraría una opción eficiente. Por otro lado, las células vegetales que contienen antígenos no son hidrolizadas por las enzimas gástricas, esto debido a que su pared celular es sumamente resistente.

     Las plantas transgénicas que funcionan como vacunas actúan mediante el proceso de bioencapsulación; por ejemplo, los antígenos permanecen dentro la pared celular, la cual es hidrolizada finalmente en los intestinos, lo que los libera y permite que sean absorbidos por las células M, –ubicadas en el revestimiento intestinal– y estas se insertan en los tejidos linfoides asociados al intestino. Dichos compuestos se transmiten más adelante a macrófagos y células B (que quedan activas para neutralizar al antígeno); los macrófagos despliegan piezas del antígeno a los linfocitos CD4+, que estimulan a las células B para reconocer antígenos en sitios distantes.

     Estas vacunas comestibles tienen ventajas con respecto a las convencionales, entre ellas: 1) una vez desarrolladas, los costos de procesamiento son más baratos; 2) la pared celular vegetal provee una excelente protección al antígeno contra el medio ambiente y las condiciones intestinales, por lo que no es necesario un traslado y manejo especiales; 3) la contaminación por virus o bacterias externas es prácticamente imposible, ya que los patógenos que afectan a los seres humanos no son compatibles con las células vegetales; 4) no es necesario personal especializado para administrarla.

     Existen diversas especies vegetales usadas para este propósito, como la papa y el tomate, entre otros; sin embargo, las microalgas (aunque no son plantas) han ganado atención como medios muy adecuados para la creación de este tipo de vacunas, principalmente debido a que al compartir algunas propiedades celulares con las plantas, son candidatas para transformaciones genéticas (con alta estabilidad genética debido a su sencillez celular), que permitan la inserción de antígenos para la salud (Figura 4), además de sus características que permiten una producción a gran escala, en tiempos cortos, espacios reducidos y sin el uso de agua y suelos que pudieran utilizarse para producción de alimentos.

     Por otro lado, desde la perspectiva regulatoria, las microalgas como C. reinhardtii son consideradas productos seguros (GRAS) por la FDA (Administración de Alimentos y Medicamentos). También se ha demostrado que su preservación en condiciones de liofilización puede llegar hasta los 20 meses a temperatura ambiente.

     Hoy en día existen varias vacunas desarrolladas en microalgas que se encuentran en fase de pruebas clínicas; la especie más utilizada para producirlas es Chlamydomonas reinhardtii, ya que presenta rápido crecimiento y una pared celular que le confiere resistencia natural; se han reportado eficiencias de obtención de hasta 60 % de antígeno en la biomasa seca.

     También es importante destacar que, aunque las vacunas microalgales se utilizan principalmente para acuicultura, empresas como TransAlgae® y algunas instituciones internacionales están generando inversiones e investigaciones para el desarrollo de este tipo de vacunas para distintas enfermedades en humanos. Por ejemplo, destaca un estudio del año 2013, desarrollado en Francia, en el cual se utilizó como medio a Chlamydomonas reinhardtii para el tratamiento de la malaria. A raíz de este trabajo se demostró que este tipo de vacunas tiene altas probabilidades de ser funcional, ya que

 

[...] su producción proporciona un sistema ideal para la creación de antígenos y tiene una versatilidad de volumen que va desde mililitros hasta 500,000 litros.

 

     En este estudio, se usaron dos diferentes métodos para introducir el genoma necesario para crear la vacuna, enfocándose para ello en el uso de los cloroplastos; los investigadores comentaron que

 

[...] en el caso de Chlamydomonas reinhardtii, el cloroplasto representa el compartimento celular más grande y, dado que está hecho de varias copias de un cromosoma, conduce a la producción de niveles más altos del antígeno en este organelo.

 

     Por otro lado, en Suiza se han realizado estudios con el objetivo de desarrollar una vacuna oral a base de microalgas contra Staphylococcus aureus, patógeno que afecta a una gran cantidad de personas en el mundo. Recientemente se desarrolló una vacuna microalgal comestible en contra de la enfermedad del SARS-COV 2, que es pionera en este campo.

     Si bien la producción de vacunas a gran escala de microalgas está empezando, tiene un gran potencial, ya que no solo permite su producción de manera sustentable (mediante el uso de las biorrefinerías), sino que, además, da un paso en el progreso de la humanidad para que todas las personas puedan conseguir una mejor calidad de vida por medio de las vacunas. Cabe mencionar que esta tecnología es un trabajo en progreso cuyas principales dificultades son bajos niveles de expresión del genoma, ausencia de algunos procesos celulares después de la expresión genética en cloroplastos, así como la contaminación de los cultivos en los reactores.

     Finalmente, la pandemia del SARS-COV 2 nos mostró que es necesario generar más planes de defensa para la prevención, por lo que, en un futuro, el desarrollo de vacunas comestibles basadas en microalgas es una opción prometedora para contribuir a resolver este tipo de enfermedades pandémicas.

 

BIBLIOGRAFÍA

 

Specht EA and Mayfield SP (2014). Algae-based oral recomninant vaccines. Frontiers in Microbiology 1-7.

Bajpai R, Prokop A and Zappi M (2014). Algal biorefineries. Londres: Springer.

Benedetti M, Vecchi V, Barera S and Dall´Osto L (2018). Biomass from microalgae: the potential of domestication towards sustainable biofactories. BMC1-18.

Gunasekaran B, & Gothandam K. (2020). A review on edible vaccines

and their prospects. Brazilian Journal of Medical and Biological Research 1-10.

Jimenez EM and Castillo CA (2021). Microalgal biomass with high potential for the biofuels production. Scienta Agropecuaria 265-282.

Mishra N, Gupta NP, Khatri K, Goyal KA and Vyas PS (2008). Edible vaccines: A new approach to oral immunization. Indian Journal of Biotechnology 283-294.

Pérez BS, Mendoza MA, Castañeda CM and Aguilera VL (2019). Bioenergía a partir de microalgas en México. Revista de Energías Renovables 23-34.

Vanthoor KM, H Wijffels RJ Barbosa M and Eppink MHM (2013). Biorefinery of microalgae for food and fuel (p. 142-149). Elsevier.

Zhu L, Hou S and Qin L (2014). Microalgae-Based biodiesel refinery: Sustainabilitý concerns and challenges. International Journal of Green Energy 1-30.

 

Jorge A. Vera-Ramirez
Ingeniería en Biotecnología
Universidad Veracruzana
 
Dulce L. Ambriz-Pérez
David U. Santos-Ballardo
Ingeniería en Energía
Maestría en Ciencias Aplicadas
Universidad Politécnica de Sinaloa

Número actual

Elementos {{num_act.numero}}
{{num_act.trimestre}} / {{num_act.fecha}}
ISSN: {{num_act.issn}}