La xantomatina ha intrigado durante mucho tiempo a los científicos
Científicos de la Universidad de California San Diego han dado un paso más hacia el descubrimiento de un superpoder que poseen algunos de los mayores "maestros del disfraz" de la naturaleza.
Los pulpos, calamares, sepias y otros animales de la familia de los cefalópodos son conocidos por su capacidad de camuflaje, cambiando el color de su piel para mimetizarse con el entorno. Esta extraordinaria capacidad de mimetismo es posible gracias a complejos procesos biológicos que involucran la xantomatina, un pigmento natural.
Debido a su capacidad para cambiar de color, la xantomatina ha intrigado durante mucho tiempo a los científicos e incluso a los militares, pero ha resultado difícil de producir e investigar en el laboratorio, hasta ahora.
En un nuevo estudio, un equipo liderado por la Institución Scripps de Oceanografía de la UC San Diego describe un importante avance en la comprensión de la capacidad de la naturaleza para camuflarse, al desarrollar con éxito una nueva forma de producir grandes cantidades de pigmento xantomatina.
Su método, inspirado en la naturaleza, logró por primera vez una sobreproducción masiva del material pigmentado en una bacteria, abriendo nuevas posibilidades para su uso en una amplia gama de materiales y cosméticos, desde dispositivos fotoelectrónicos y recubrimientos térmicos hasta tintes y protectores UV. Este nuevo enfoque produce hasta 1.000 veces más material que los métodos tradicionales.
"Hemos desarrollado por primera vez una nueva técnica que ha acelerado nuestra capacidad para producir un material, en este caso xantomatina, en una bacteria", dijo Bradley Moore, autor principal del estudio y químico marino con nombramientos conjuntos en Scripps Oceanography y la Facultad de Farmacia y Ciencias Farmacéuticas Skaggs de la UC San Diego.
"Este pigmento natural es lo que otorga a un pulpo o a un calamar su capacidad de camuflaje —un superpoder fantástico— y nuestro logro en el avance de la producción de este material es solo la punta del iceberg".
Los autores afirman que su descubrimiento es significativo, no solo para comprender este pigmento único —que arroja luz sobre la biología y la química del reino animal— sino también porque la técnica que utilizaron podría aplicarse a muchos otros productos químicos, lo que potencialmente ayudaría a las industrias a alejarse de los materiales derivados de combustibles fósiles y a adoptar alternativas basadas en la naturaleza.
Un pigmento prometedor
Más allá de los cefalópodos, la xantomatina también se encuentra en insectos del grupo de los artrópodos, contribuyendo a los brillantes tonos naranja y amarillo de las alas de la mariposa monarca y a los rojos intensos que se observan en los cuerpos de las libélulas y los ojos de las moscas.
A pesar de las fantásticas propiedades cromáticas de la xantomatina, su estudio es aún incompleto debido a la persistente dificultad para obtenerla. La extracción de este pigmento de animales no es escalable ni eficiente, y los métodos de laboratorio tradicionales requieren mucha mano de obra y dependen de una síntesis química de bajo rendimiento.
Los investigadores del Laboratorio Moore de Oceanografía Scripps buscaron cambiar eso, trabajando con colegas de la UC San Diego y del Centro de Biosostenibilidad de la Fundación Novo Nordisk en Dinamarca para diseñar una solución, una especie de ciclo de retroalimentación de crecimiento que denominan "biosíntesis acoplada al crecimiento".
La forma en que bioingenierizaron el pigmento del pulpo, una sustancia química, en una bacteria representa una novedosa ruptura con los enfoques biotecnológicos típicos. Su método vinculó íntimamente la producción del pigmento con la supervivencia de la bacteria que lo produjo.
Imagen: Biosíntesis microbiana acoplada al crecimiento del pigmento animal xantomatina
"Necesitábamos un enfoque totalmente nuevo para abordar este problema", afirmó Leah Bushin, autora principal del estudio, actualmente profesora en la Universidad de Stanford y anteriormente investigadora postdoctoral en el Laboratorio Moore de Oceanografía Scripps, donde realizó su trabajo. "Básicamente, encontramos una manera de engañar a las bacterias para que produjeran más del material que necesitábamos".
Por lo general, cuando los investigadores intentan que un microbio produzca un compuesto extraño, esto le genera una importante carga metabólica. Sin una significativa manipulación genética, el microbio se resiste a desviar sus recursos esenciales para producir algo desconocido.
Al vincular la supervivencia de la célula a la producción del compuesto objetivo, el equipo logró engañar al microbio para que produjera xantomatina. Para ello, partieron de una célula "enferma" modificada genéticamente, una que solo podía sobrevivir si producía tanto el pigmento deseado como una segunda sustancia química llamada ácido fórmico.
Por cada molécula de pigmento generada, la célula también produce una molécula de ácido fórmico. El ácido fórmico, a su vez, proporciona energía para el crecimiento celular, creando un ciclo autosostenible que impulsa la producción de pigmento.
"Lo diseñamos de tal manera que la actividad a través de esta vía, de la producción del compuesto de interés, es absolutamente esencial para la vida. Si el organismo no produce xantomatina, no crecerá", dijo Bushin.
Para mejorar aún más la capacidad de las células para producir el pigmento, el equipo utilizó robots para evolucionar y optimizar los microbios modificados a través de dos campañas de evolución adaptativa de laboratorio de alto rendimiento, que fueron desarrolladas por el laboratorio del coautor del estudio, Adam Feist, profesor del Departamento de Bioingeniería Shu Chien-Gene Lay de la Escuela de Ingeniería Jacobs de la UC San Diego y científico senior del Centro de Biosostenibilidad de la Fundación Novo Nordisk.
Imagen derecha: Fermentación por lotes alimentados de PUMA-Xanthommatina
El equipo también aplicó herramientas bioinformáticas personalizadas del Laboratorio de Feist para identificar mutaciones genéticas clave que aumentaron la eficiencia y permitieron a las bacterias producir el pigmento directamente a partir de una única fuente de nutrientes.
"Este proyecto ofrece una visión de un futuro en el que la biología permite la producción sostenible de valiosos compuestos y materiales a través de la automatización avanzada, la integración de datos y el diseño computacional", dijo Feist.
"Aquí mostramos cómo podemos acelerar la innovación en la biofabricación reuniendo a ingenieros, biólogos y químicos que utilizan algunas de las técnicas de ingeniería de cepas más avanzadas para desarrollar y optimizar un novedoso producto en un tiempo relativamente corto."
Los métodos tradicionales producen alrededor de cinco miligramos de pigmento por litro "si tienes suerte", dijo Bushin, mientras que el nuevo método produce entre uno y tres gramos por litro.
Pasar de la fase de planificación a la experimentación real en el laboratorio requirió varios años de dedicado trabajo, pero una vez que el plan se puso en marcha, los resultados fueron casi inmediatos.
"Fue uno de mis mejores días en el laboratorio", recordó Bushin sobre el primer experimento exitoso. "Preparé el experimento y lo dejé funcionando toda la noche. Cuando llegué a la mañana siguiente y me di cuenta de que había funcionado y que estaba produciendo mucho pigmento, me emocioné muchísimo. Momentos como ese son la razón por la que me dedico a la ciencia".
Imagen derecha: Leah Bushin y María Alván-Vargas sostienen muestras de xantomatina en solución recién extraída de bacterias. Al añadir un agente reductor a la solución, la xantomatina adquiere un color rojo brillante. Foto: Pablo I. Nikel
Próximos pasos
Moore prevé que esta nueva metodología biotecnológica, totalmente inspirada en la naturaleza y no invasiva, transformará la forma en que se producen los productos bioquímicos.
"Hemos revolucionado la forma en que se concibe la ingeniería celular", afirmó. "Nuestro innovador enfoque tecnológico ha impulsado un enorme salto en la capacidad de producción. Este nuevo método resuelve un problema de suministro y podría hacer que este biomaterial esté mucho más disponible".
Si bien algunas aplicaciones de este material son extravagantes, los autores observaron un interés activo por parte del Departamento de Defensa de Estados Unidos y de empresas de cosméticos.
Según los investigadores, los colaboradores están interesados en explorar las capacidades de camuflaje natural del material, mientras que las empresas de cuidado de la piel están interesadas en usarlo en protectores solares naturales. Otras industrias ven usos potenciales que van desde pinturas domésticas que cambian de color hasta sensores ambientales.
"De cara al futuro, la humanidad querrá replantearse cómo fabricamos los materiales para sustentar nuestro estilo de vida sintético, propio de los 8.000 millones de personas que habitamos la Tierra", afirmó Moore. "... hemos descubierto una nueva y prometedora vía para diseñar materiales inspirados en la naturaleza que sean mejores para las personas y el planeta".
Los hallazgos se han publicado en Nature Biotechnology: Growth-coupled microbial biosynthesis of the animal pigment xanthommatin
