Producción de ingredientes alimentarios bioactivos mediante la levadura del vino: el concepto de factoría celular

Los “compuestos bioactivos” son componentes extraalimentarios que suelen estar presentes en pequeñas cantidades en alimentos y bebidas alcohólicas. Dada sus propiedades beneficiosas para la salud, se está estudiando intensamente su presencia en diferentes alimentos y su impacto sobre la salud. El impulso que desencadenó esta investigación científica fue el resultado de numerosos estudios epidemiológicos que han demostrado los efectos protectores de las dietas basadas en vegetales sobre enfermedades cardiovasculares (ECV) y cáncer.

Algunas de las moléculas derivadas del metabolismo de los aminoácidos aromáticos (AA) han despertado recientemente una gran atención debido a sus propiedades beneficiosas para la salud. Una de estas sustancias químicas es el hidroxitirosol (HT), un compuesto fenólico procedente de las aceitunas, que está considerado como uno de los antioxidantes más potentes de la naturaleza, y que confiere otros beneficios como propiedades antiinflamatorias, cardio y neuroprotectoras, y anticancerígenas. De hecho, es el único fenol que ha sido reconocido por la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) como protector cardiovascular frente al daño oxidativo.

Del mismo modo, la serotonina (SER) y la melatonina (MEL) son indolaminas derivadas del triptófano que regulan el ciclo circadiano de sueño-vigilia del organismo y también son potentes antioxidantes. Además, diferentes estudios sugieren que la hormona MEL es un eficaz inhibidor del cáncer, que puede ser beneficiosa en el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas y es útil para combatir la depresión y la ansiedad. Respecto a la SER, esta molécula ha sido ampliamente asociada con la sensación de bienestar. Se trata de un neurotransmisor con un papel fundamental en el correcto funcionamiento del sistema nervioso, el sistema inmunitario y el eje intestino-microbiota-cerebro.

En el ser humano, se sintetiza mayoritariamente en el tracto gastrointestinal (95%), en parte como consecuencia del metabolismo de la microbiota intestinal, y, de manera minoritaria, en el cerebro. Está ampliamente demostrado su papel en la regulación de los estados de ánimo, la conducta social, las conductas alimentarias, la conducta sexual, el sueño, la atención o la ansiedad. Además, su estructura química la convierte, como a muchas otras moléculas indólicas, en un potente antioxidante.

Son muchos los alimentos y bebidas fermentados en las que se ha descrito la presencia natural de estas moléculas derivadas de los AA; así como trabajos que demuestran que la ingesta de alimentos ricos en estas moléculas conlleva un aumento de las mismas en los niveles de plasma sanguíneo (Gallardo-Fernández et al., 2022; Johns et al., 2013; Reiter et al., 2005; Visioli et al., 2000). Por tanto, no se debe descartar la ingesta de alimentos como una forma de suplementar estas moléculas a nuestro organismo. De hecho, la EFSA recomienda un aumento de la ingesta de HT a través de la dieta hasta un mínimo consumo de 5 mg al día (Turck et al., 2017).

En la actualidad, la mayoría de estos compuestos bioactivos están disponibles como compuestos nutracéuticos, que pueden adquirirse en diferentes formatos, o bien utilizarse como aditivos alimentarios o en cosmética. La mayoría de estos productos se obtienen mediante síntesis química, como la MEL y la SER, o mediante procesos extractivos de diferentes fuentes vegetales, como el HT. Sin embargo, los procesos de síntesis química requieren disolventes tóxicos y materiales de partida caros, y los procesos extractivos a partir de cualquier fuente vegetal suelen ser procesos largos, costosos y poco sostenibles, que arrojan bajas tasas de recuperación, y que pueden variar estacionalmente de un lote a otro.

Por otro lado, las extracciones con disolventes, que se utilizan habitualmente en muchas industrias diferentes para la purificación de compuestos fenólicos, tienen el doble inconveniente de que se generan residuos contaminantes derivados del proceso extractivo y hay una falta de pureza de la molécula de interés en el producto final. Nuestra tecnología pretende sustituir estos procesos industriales, menos respetuosos con el medioambiente, por la producción biotecnológica de estas moléculas de alto valor añadido, trazando el camino para el desarrollo de estrategias biotecnológicas similares en el futuro.

La biotecnología industrial, basada en recursos renovables, puede ahorrar energía, disminuir los residuos tóxicos y reducir significativamente las emisiones de CO2. Es una industria embrionaria, pero ya ha demostrado su valía en la mitigación del cambio climático. Es una prometedora herramienta para el futuro, ya que evita el uso de materias primas fósiles.

Implica el uso de enzimas y microorganismos para fabricar productos de base biológica en una gran variedad de sectores industriales. Por ello, el principal objetivo de nuestro proyecto es elaborar una estrategia biotecnológica para obtener moléculas de valor añadido a bajo coste y de forma purificada, que puedan sustituir a las tecnologías con mayor impacto ambiental, rentabilizando así su producción La obtención de productos de valor añadido a menudo utiliza cepas microbianas y estos procesos pueden hacerse más sostenibles mediante la optimización de las materias primas y los biorrecursos, la tasa de conversión, el uso de energía, la integración de procesos y otros factores.

Por nuestra parte, estamos convencidos de que nuestra tecnología puede representar una alternativa viable para la producción industrial de estas moléculas, que debe terminar en una alta concentración de las mismas en un medio de crecimiento sencillo y con procesos de recuperación y purificación de la molécula basados en operaciones sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, como la filtración, el uso de columnas de amberlita, la cromatografía líquida semipreparativa industrial y las técnicas de fluidos supercríticos y subcríticos.

Durante siglos, S. cerevisiae se ha utilizado esencialmente para la producción de bebidas alcohólicas (vino, cerveza, etc.), pan y bioetanol. Además, es uno de los caballos de batalla para la síntesis de productos biofarmacéuticos debido al conocimiento de su genética, metabolismo, fisiología, disponibilidad de herramientas de edición genética, estatus GRAS y una tecnología de fermentación a escala industrial bien establecida.

En nuestro grupo, tenemos una larga trayectoria de investigación del metabolismo del nitrógeno por parte de las levaduras durante la fermentación vínica y, de manera más concreta, con el metabolismo de los aminoácidos aromáticos (AA), precursores de algunos de los aromas más importantes del vino. Nuestro conocimiento actual del metabolismo de los AA en las levaduras nos permitió dar un paso más allá y proponernos el uso de la levadura vínica como una autentica factoría celular para la producción de moléculas muy atractivas, mediante una estrategia de ingeniería metabólica y biología sintética.

Para ello, en una primera fase, redirigimos el metabolismo de la levadura a partir de la fuente de carbono más simple, la glucosa, para aumentar de manera muy significativa la síntesis intracelular de los principales precursores de estas moléculas, el triptófano, la tirosina y el tirosol. Este redireccionamiento del flujo metabólico se ha llevado a cabo mediante diferentes estrategias de ingeniería metabólica que aumentaban la actividad transcripcional de determinados genes y disminuían, o, incluso, eliminaban, dicha actividad en aquellas rutas que podían ser competencia de nuestros metabolitos de interés.

Una vez que aumentábamos los precursores de HT, SER y MEL, integrábamos en el genoma de la levadura nueva información para que dispusiese de las actividades enzimáticas necesarias para la producción masiva de estos compuestos. Esta información adicional venía representada por genes de otras especies microbianas, mayoritariamente de origen bacteriano y fúngico, que eran integrados en el genoma de la levadura, y que presentaban una actividad enzimática muy específica y no disponible en la levadura nativa.

Mediante esta estrategia, resumida de manera muy breve, hemos diseñado y patentado, hasta la fecha, una cepa para la producción de HT (n.º de patente P202031186) y otra cepa para la producción de SER (n.º de patente P202330862). Actualmente, estamos trabajando en la optimización del proceso de producción mediante el escalado a mayores volúmenes, definiendo la forma más óptima de fermentación y testando diferentes formas de purificación de las moléculas, en lo que podríamos englobar dentro del concepto de “fermentaciones de precisión” o “biofactorías”.

Se calcula que podrían evitarse un buen número de enfermedades con una ingesta de alimentos óptimos y una nutrición adecuada y saludable, una actividad física regular y una disminución de la obesidad. En este contexto, los alimentos funcionales, que contienen componentes, nutrientes o compuestos bioactivos, que ejercen efectos beneficiosos selectivos sobre una o más funciones del organismo, están ampliamente distribuidos en el mercado alimentario. El HT es el único fenol que ha sido reconocido por la EFSA como protector de los lípidos sanguíneos frente al daño oxidativo (Visioli et al., 2012).

Por tanto, el HT parece ser el candidato perfecto para el mercado de los alimentos funcionales y nutraceúticos. En base a un informe de la prestigiosa consultora Fact.MR (https://www.factmr.com/), el mercado del HT alcanzó un valor de 2.300 millones de dólares en el año 2023 y se prevé un aumento al doble de esta cantidad para el año 2033. En el curso de estos 10 años, se espera que la demanda mundial por esta molécula aumente rápidamente a un CAGR del 7,2%. Inversores en el desarrollo de nuevos suplementos dietéticos predicen un aumento de la demanda por HT puro, aumentando también su uso en cosmética y en productos antienvejecimiento.

En el caso de la serotonina, su disponibilidad a partir de una síntesis microbiana podría ser utilizada en sectores clásicos como el farmacéutico o nutracéutico. Sin embargo, también podría emplearse como un aditivo alimentario, para reforzar determinados alimentos, que ya destacan por la presencia de esta molécula en su composición, o en alimentación animal, donde se le han visto efectos muy positivos en disminuir el estrés y aumentar el bienestar animal.

Además, la serotonina, podría servir como molécula precursora para la síntesis de ingredientes activos que se utilizan como productos farmacéuticos, como la melatonina (regulador del ciclo del sueño), triptanos (migrañas), β-carbolinas (sedantes, anticonvulsivos, antitumorales, antimicrobianos) y eudistominas (antivirales), entre muchos otros.

Agradecimientos

Se agradece la financiación recibida por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades a través de los proyectos TED2021-132386B-I00 y PID2022-142748OB-I00. IATA-CSIC es un centro de Excelencia Severo Ochoa (CEX2021-001189-S) financiado por MICIU/AEI / 10.13039/501100011033.

Bibliografía