Las cianobacterias son microorganismos que, al igual que las plantas o las algas son capaces de llevar a cabo la fotosíntesis, es decir, que gracias a la energía proporcionada por la luz pueden sintetizar sus propios nutrientes a partir de dióxido de carbono y agua, liberando oxígeno en el proceso. Este proceso es posible gracias a que poseen un pigmento llamado clorofila, que les proporciona su característico color verde y les permite capturar la energía de la luz para llevar a cabo la fotosíntesis. No obstante, a diferencia de algas y plantas, las cianobacterias son, como su nombre indica, bacterias, lo que hace que sea mucho más sencillo comprender su funcionamiento y llevar a cabo modificaciones genéticas para explotar al máximo su potencial biotecnológico.

El origen de las cianobacterias se remonta a hace más de 2 500 millones de años, cuando la Tierra era muy diferente a la de hoy en día, pues por aquel entonces no había oxígeno en la atmósfera. Gracias a su capacidad fotosintética, las cianobacterias comenzaron a liberar grandes cantidades de oxígeno y crearon la atmósfera que hoy conocemos, lo que permitió el desarrollo de otras formas de vida en el planeta.

Las cianobacterias presentan una gran diversidad de formas y tamaños, pudiendo aparecer como células individuales o en forma de filamentos de células en los que las células individuales se comunican mediante canales que reciben el nombre de septos. Una de sus características más significativas es que son organismos muy versátiles, que pueden colonizar prácticamente cualquier ecosistema y adaptarse a una amplia gama de condiciones ambientales, incluyendo temperaturas extremas, altas concentraciones de sal y baja disponibilidad de nutrientes. Por ello estos organismos, aunque principalmente habitan ríos, lagos, mares y océanos, se encuentran también en climas polares, desiertos o incluso fuentes hidrotermales.

Su importancia ecológica es enorme, pues junto con las algas unicelulares, se estima que producen entre el 50 y el 85 % del oxígeno de nuestro planeta. Juegan un papel clave en los ciclos biogeoquímicos, pues son responsables de transformar el carbono inorgánico (CO₂) en carbono orgánico, que es utilizado para la síntesis de biomoléculas como los lípidos, las proteínas, los ácidos nucleicos o los glúcidos. Además, algunas especies también son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico (N₂), el cual no puede ser utilizado por los seres vivos, y transformarlo en otras formas de nitrógeno que puedan ser utilizadas por otros organismos.

Además de su importancia ambiental, las cianobacterias destacan por sus numerosas aplicaciones biotecnológicas, que van desde la síntesis de fármacos y compuestos bioactivos hasta la capacidad de colonizar otros planetas, pasando por la obtención de biocombustibles, su uso en biorremediación o su empleo como biofertilizantes.

Síntesis de compuestos de interés

Las cianobacterias poseen una sorprendente capacidad para sintetizar una amplia variedad de compuestos, que van desde pigmentos y antioxidantes hasta fármacos antitumorales o antibióticos.

Una de las cianobacterias más importantes en lo que a producción de compuestos se refiere es la cianobacteria Lyngbya majuscula, que es capaz de producir compuestos con actividad antitumoral como la dolastatina, la curacina A o la debromoaplisiatoxina y compuestos antibacterianos como la jamaicamida. Otros compuestos de interés farmacológico producidos por cianobacterias son la cianovirina, un compuesto con actividad antiviral frente al virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) producido por la cianobacteria Nostoc ellipsosporum, o la noscomina, producida por Nostoc commune, que tiene propiedades antibióticas.

Además de fármacos, las cianobacterias también son capaces de sintetizar otros compuestos de interés. Por ejemplo la cianobacteria Spirulina maxima es capaz de producir grandes cantidades de un pigmento denominado ficocianina, que está presente en unas estructuras empleadas para captar la luz denominadas ficobilisomas. La ficocianina es un antioxidante natural al que se le asocian numerosas propiedades como efectos antiinflamatorios, protección frente a algunos tipos de cáncer o fortalecimiento del sistema inmune.

También es de interés la producción de compuestos como lípidos o polisacáridos. Con respecto a los lípidos, la cianobacteria Spirulina platensis es capaz de producir grandes cantidades de ácido gamma linolénico, un ácido graso esencial que se ha descrito que puede prevenir enfermedades cardiovasculares, cáncer o diabetes. En el caso de los polisacáridos, las cianobacterias destacan por su capacidad para la producción de alginatos, que pueden usarse para la encapsulación de fármacos o en ingeniería biomédica para la reparación de tejidos.

Esta capacidad de sintetizar una amplia variedad de sustancias con muy diversas aplicaciones convierten a las cianobacterias en un objetivo de interés en la investigación biotecnológica. Además, mediante técnicas de ingeniería genética y biología molecular, es posible manipular los genes de las cianobacterias para aumentar todavía más la producción de estos compuestos de interés.

Producción de bioplásticos

La creciente preocupación por los problemas ambientales asociados con los plásticos de origen petroquímico ha impulsado la búsqueda de alternativas más sostenibles. En este contexto, las cianobacterias han surgido como una prometedora fuente de producción de bioplásticos, que son plásticos biodegradables y de origen renovable.

Algunas cianobacterias tienen la capacidad de acumular reservas de carbono en forma de polímeros de almacenamiento como el polihidroxibutirato (PHB), un compuesto que puede ser utilizado como material para la producción de bioplásticos. El polihidroxibutirato es un polímero con propiedades mecánicas similares a las de los plásticos convencionales y además es biodegradable y biocompatible, lo que lo hace una opción atractiva para diversas aplicaciones, como envases, películas y productos médicos.

La producción de bioplásticos a partir de cianobacterias presenta varias ventajas. En primer lugar, las cianobacterias son microorganismos fotosintéticos, lo que significa que pueden utilizar la luz solar como fuente de energía y CO₂ como fuente de carbono para la síntesis de polímeros como el polihidroxibutirato. Esto las convierte en una opción más sostenible en comparación con los plásticos convencionales que dependen del petróleo como materia prima. Además, las cianobacterias gracias a su capacidad fotosintética no requieren el aporte de nutrientes, lo que reduce los costes de producción y, a diferencia de otros bioplásticos como los obtenidos a partir de almidón de maíz, evita la competencia con la producción de alimentos.

Aunque la producción de bioplásticos a partir de cianobacterias todavía se encuentra en etapas tempranas de investigación y desarrollo, el potencial es prometedor. Los avances en ingeniería genética y bioprocesos están permitiendo mejorar la eficiencia y la productividad de las cianobacterias como productoras de bioplásticos. Esta tecnología ofrece una alternativa más sostenible y respetuosa con el medio ambiente en la lucha contra la contaminación plástica.

Uso en estrategias de biorremediación

Las cianobacterias, gracias a su capacidad de adaptación a diversos entornos y su habilidad para crecer en condiciones adversas, se postulan como herramientas prometedoras en el campo de la biorremediación ambiental. La biorremediación se refiere al uso de organismos vivos o elementos biológicos para eliminar, degradar o neutralizar contaminantes en el medio ambiente, y las cianobacterias pueden ofrecer soluciones innovadoras para combatir la contaminación del suelo y el agua.

Una de las aplicaciones más notables es la capacidad de las cianobacterias para absorber y acumular metales pesados como el plomo, el mercurio o el cadmio, lo que reduce los niveles de elementos tóxicos en el entorno, al tiempo que permite la extracción y el reciclaje de metales valiosos. Esta técnica se ha utilizado con éxito en la remediación de sitios mineros abandonados y áreas industriales contaminadas.

Las cianobacterias también son capaces de degradar compuestos orgánicos recalcitrantes presentes en suelos y aguas contaminadas como los hidrocarburos y los pesticidas. Algunas cepas de cianobacterias tienen la maquinaria molecular necesaria para descomponer estos contaminantes, convirtiéndolos en formas menos dañinas o completamente inofensivas. Este enfoque se ha investigado para tratar suelos y aguas contaminadas por derrames de petróleo y productos químicos tóxicos como el lindano, un compuesto altamente contaminante que se empleaba como insecticida.

Por último, las cianobacterias también desempeñan un papel importante evitando del crecimiento excesivo de algas o especies de cianobacterias tóxicas en cuerpos de agua, ya que pueden competir con estos organismos por los nutrientes y prevenir la aparición de floraciones nocivas mediante la producción de sustancias que inhiben su crecimiento.

Producción de biocombustibles

La creciente demanda de energía y la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero han impulsado la búsqueda de fuentes de energía renovable y sostenible. De nuevo, las cianobacterias pueden ser la clave, pues pueden ser utilizadas como biomasa o para producir biocombustibles como el bioetanol, el biodiesel o el biohidrógeno.

La producción de biocombustibles a partir de cianobacterias presenta varias ventajas en comparación con los biocombustibles tradicionales. En primer lugar, las cianobacterias pueden crecer rápidamente y en grandes cantidades, lo que permite una mayor productividad. Además, utilizan dióxido de carbono durante la fotosíntesis, lo que contribuye a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Por último, el uso de cianobacterias como fuente de biocombustibles no compite con la producción de alimentos, ya que pueden crecer en sustratos no agrícolas.

La capacidad de las cianobacterias de tolerar condiciones ambientales adversas y de crecer rápidamente utilizando la energía solar, ha hecho que se conviertan en buenas candidatas para la obtención de biomasa, que mediante su combustión puede usarse para obtener calor o energía eléctrica. Para ello es necesario cultivar grandes cantidades de cianobacterias, lo que puede ser llevado a cabo en sistemas cerrados denominados fotobiorreactores o en sistemas abiertos, como piscinas o estanques al aire libre.

También se pueden cultivar cianobacterias y luego fermentar sus carbohidratos, como la glucosa o el almidón, para obtener bioetanol, un biocombustible que puede emplearse como sustituto de la gasolina. Las cianobacterias también permiten la producción de biodiesel, pues algunas cepas acumulan lípidos en sus células, que pueden extraerse y convertirse en biodiesel mediante un proceso llamado transesterificación.

Mención aparte merece el biohidrógeno. El hidrógeno es un gas un gas altamente energético cuya su combustión no genera gases de efecto invernadero y que puede ser producido por cianobacterias. En concreto, durante la fijación de nitrógeno se genera hidrógeno como producto secundario, lo que puede explotarse para la obtención de biohidrógeno a partir de cultivos de cianobacterias. Sin embargo, la producción eficiente y económica de biohidrógeno a partir de cianobacterias es un desafío en desarrollo que requiere avances tecnológicos.

Uso como biofertilizantes

Las cianobacterias también juegan un papel importante en la biofertilización, que es un proceso que consiste en utilizar microorganismos para mejorar la fertilidad del suelo y promover el crecimiento vegetal en sustitución de los fertilizantes químicos. Las cianobacterias tienen un gran interés para ser utilizadas como biofertilizantes porque algunas especies son capaces de fijar nitrógeno atmosférico, es decir, de convertir el nitrógeno inorgánico presente en el aire en otras formas de nitrógeno utilizables por las plantas, lo que evita el uso de abonos nitrogenados industriales.

En cianobacterias, la fijación de nitrógeno es llevada a cabo por una maquinaria celular que recibe el nombre de nitrogenasa y que tiene una particularidad, es extremadamente sensible al oxígeno. Dado que durante la fotosíntesis se produce oxígeno, las cianobacterias han desarrollado estrategias para compatibilizar ambos procesos. Una de ellas consiste en llevar a cabo la fotosíntesis durante el día y la fijación de nitrógeno por la noche. La otra consiste en que algunas células del filamento sufran una transformación y se conviertan en heterocistos, que son células especializadas en la fijación de nitrógeno. Los heterocistos tienen una pared celular gruesa y carecen de la maquinaria fotosintética para evitar la presencia de oxígeno y contienen en su interior la maquinaria molecular necesaria para fijar nitrógeno.

La biofertilización con cianobacterias ofrece varias ventajas en comparación con los fertilizantes químicos convencionales. En primer lugar, reduce la dependencia de fertilizantes nitrogenados sintéticos, que son costosos y pueden tener impactos negativos en el medio ambiente como la contaminación de las aguas. Además, las cianobacterias son capaces de crecer en condiciones adversas y son las primeras colonizadoras de suelos pobres o degradados, lo que las convierte en unas excelentes candidatas para la recuperación de tierras no aptas para el cultivo.

Además, la utilización de cianobacterias en la biofertilización no solo proporciona nitrógeno a las plantas, sino que también puede tener otros efectos positivos como mejorar la estructura y fertilidad del suelo y aumentar la disponibilidad de otros nutrientes. Además algunas especies de cianobacterias producen compuestos que ayudan a mejorar la retención de agua en el suelo, estimulan el crecimiento vegetal o liberan nutrientes inmovilizados.

Interés en la industria alimentaria

Las cianobacterias también han despertado interés en la industria alimentaria debido a su gran potencial como suplementos alimenticios nutritivos y beneficiosos para la salud. Algunas especies de cianobacterias como Spirulina son ricas en proteínas, ácidos grasos esenciales, minerales y vitaminas, en especial de vitamina B12. Además, contienen compuestos bioactivos con propiedades antioxidantes, antiinflamatorias y moduladoras del sistema inmunológico como la ficocianina.

Debido a su alto contenido nutricional y propiedades beneficiosas para la salud, estas cianobacterias son utilizadas en la elaboración de suplementos nutricionales para deportistas o personas con problemas de salud. Además, gracias a su alto contenido en proteínas y vitaminas del grupo B, los suplementos alimenticios basados en cianobacterias son también de interés para complementar la dieta de personas veganas o vegetarianas.

El uso de cianobacterias en la industria alimentaria presenta además la ventaja de ser una fuente sostenible de nutrientes, ya que gracias a su capacidad para llevar a cabo la fotosíntesis y en algunos casos la fijación de nitrógeno hace que requieran muy pocos recursos para su crecimiento. Adicionalmente, durante la fotosíntesis, contribuyen a reducir los niveles de dióxido de carbono de la atmósfera, uno de los principales gases de efecto invernadero, lo que las convierte en una alternativa mucho más respetuosa con el medio ambiente que otros alimentos como la carne o el pescado, cuya producción supone la emisión de altas cantidades de CO₂.

Potencial colonización de otros planetas

Por último, las cianobacterias también han despertado un gran interés en el campo de la astrobiología y la exploración espacial gracias a su capacidad de sobrevivir y crecer en condiciones adversas como las altas temperaturas, la radiación o la baja disponibilidad de nutrientes. Esto, unido a su capacidad de producir oxígeno y nutrientes mediante la fotosíntesis y a todas sus aplicaciones biotecnológicas comentadas con anterioridad las convierte en excelentes candidatas para sustentar vida en otros planetas.

Estudios llevados a cabo con la cianobacteria Anabaena sp. PCC 7938 han mostrado que esta especie es capaz de crecer en condiciones similares a las del planeta Marte, tanto en cuanto a la composición de la atmósfera como en cuanto a la composición de nutrientes. Esto es de gran interés, ya que las cianobacterias podrían servir para proporcionar el oxígeno y los nutrientes que permitan el sustento de la vida humana en otros planetas y, además, podrían emplearse como biofertilizantes para el establecimiento de cultivos, en la producción de suplementos alimenticios o como fuente de biocombustibles, bioplásticos u otros compuestos de interés.

Conclusiones

En conclusión, las cianobacterias son unos microorganismos un gran potencial biotecnológico. Se trata de organismos capaces de producir compuestos como fármacos o pigmentos y que pueden ser utilizadas como suplementos alimenticios. Su capacidad de llevar a cabo la fotosíntesis les permite crecer empleando la energía solar, de modo que pueden ser utilizadas como biomasa para la obtención de energía o en la producción de biocombustibles como el biodiesel o el bioetanol. Además, al ser capaces de fijar el dióxido de carbono tienen un gran interés para la síntesis de bioplásticos y pueden utilizarse también en estrategias de biorremediacion de metales pesados o pesticidas. Las cianobacterias también puede ser empleadas como biofertilizantes o en la producción de biohidrógeno, pues algunas especies son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico. Finalmente, su capacidad para adaptarse a condiciones extremas las convierte en posibles candidatas para colonizar otros planetas.

En resumen, las cianobacterias representan un tesoro biotecnológico que es de gran utilidad en diversos campos. Por tanto, las investigaciones centradas en el estudio de estos organismos permitirán alcanzar nuevos avances científicos y tecnológicos, abriendo nuevas posibilidades para la mejora de la salud humana, la protección del medio ambiente e incluso la exploración del universo.

 

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Este artículo ha sido redactado por el equipo de Microbacterium.es  de forma exclusiva para Naukas.com. Artículo redactado por Jorge Guío y editado por el equipo de Microbacterium.es, que forma parte de Sharescience.es

Referencias científicas y más información:

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Żymańczyk-Duda, E., Samson, S.O., Brzezińska-Rodak, M., and Klimek-Ochab, M. (2022) Versatile Applications of Cyanobacteria in Biotechnology. Microorganisms 10: 2318.