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Sustancia biogénica

Petróleo crudo , una sustancia biogénica transformada
Goma natural, secreción de Hevea brasiliensis

Una sustancia biogénica es un producto elaborado por o a partir de formas de vida. Si bien el término originalmente era específico para compuestos metabólicos que tenían efectos tóxicos en otros organismos, [1] se ha desarrollado para abarcar todos los constituyentes, secreciones y metabolitos de plantas o animales . [2] En el contexto de la biología molecular , las sustancias biogénicas se denominan biomoléculas . Por lo general, se aíslan y miden mediante el uso de técnicas de cromatografía y espectrometría de masas . [3] [4] Además, la transformación y el intercambio de sustancias biogénicas se pueden modelar en el medio ambiente, en particular su transporte en vías fluviales. [5]

La observación y medición de sustancias biógenas es de especial importancia en los campos de la geología y la bioquímica . Una gran proporción de isoprenoides y ácidos grasos en sedimentos geológicos se derivan de plantas y clorofila , y se pueden encontrar en muestras que se remontan al Precámbrico . [4] Estas sustancias biógenas son capaces de soportar el proceso de diagénesis en sedimentos, pero también pueden transformarse en otros materiales. [4] Esto las hace útiles como biomarcadores para que los geólogos verifiquen la edad, el origen y los procesos de degradación de diferentes rocas. [4]

Las sustancias biogénicas se han estudiado como parte de la bioquímica marina desde la década de 1960, [6] lo que ha implicado investigar su producción, transporte y transformación en el agua, [5] y cómo pueden usarse en aplicaciones industriales. [6] Una gran fracción de los compuestos biogénicos en el ambiente marino son producidos por micro y macroalgas, incluidas las cianobacterias . [6] Debido a sus propiedades antimicrobianas, actualmente son objeto de investigación tanto en proyectos industriales, como para pinturas antiincrustantes , [1] o en medicina. [6]

Historia del descubrimiento y la clasificación

Sedimento biogénico: piedra caliza que contiene fósiles.

Durante una reunión de la Sección de Geología y Mineralogía de la Academia de Ciencias de Nueva York en 1903, el geólogo Amadeus William Grabau propuso un nuevo sistema de clasificación de rocas en su artículo 'Discusión y sugerencias sobre una nueva clasificación de rocas'. [7] Dentro de la subdivisión primaria de "rocas endógenas" (rocas formadas a través de procesos químicos) había una categoría denominada "rocas biogénicas", que se usaba como sinónimo de "rocas orgánicas". Otras categorías secundarias eran las rocas "ígneas" e "hidrogénicas". [7]

En la década de 1930, el químico alemán Alfred E. Treibs detectó por primera vez sustancias biógenas en el petróleo como parte de sus estudios sobre las porfirinas . [4] A partir de esta investigación, en la década de 1970 se produjo un aumento en la investigación de sustancias biógenas en rocas sedimentarias como parte del estudio de la geología. [4] Esto se vio facilitado por el desarrollo de métodos analíticos más avanzados y condujo a una mayor colaboración entre geólogos y químicos orgánicos para investigar los compuestos biógenos en los sedimentos . [4]

Los investigadores también comenzaron a investigar la producción de compuestos por microorganismos en el ambiente marino durante la década de 1960. [6] En 1975, se habían desarrollado diferentes áreas de investigación en el estudio de la bioquímica marina . Estas fueron "toxinas marinas, bioproductos marinos y ecología química marina". [6] Posteriormente, en 1994, Teuscher y Lindequist definieron las sustancias biógenas como "compuestos químicos que son sintetizados por organismos vivos y que, si exceden ciertas concentraciones, causan daño temporal o permanente o incluso la muerte de otros organismos por efectos químicos o fisicoquímicos" en su libro, Biogene Gifte. [1] [8] Este énfasis en la investigación y clasificación sobre la toxicidad de las sustancias biógenas se debió en parte a los ensayos de detección dirigidos por citotoxicidad que se utilizaron para detectar los compuestos biológicamente activos. [6] Desde entonces, la diversidad de productos biógenos se ha ampliado a partir de sustancias citotóxicas mediante el uso de ensayos farmacéuticos e industriales alternativos. [6]

En el medio ambiente

Hidroecología

Modelo de movimiento de compuestos marinos

Al estudiar el transporte de sustancias biogénicas en el estrecho de Tatar , en el mar de Japón, un equipo ruso observó que las sustancias biogénicas pueden entrar en el medio marino debido a la entrada de fuentes externas, el transporte dentro de las masas de agua o el desarrollo por procesos metabólicos dentro del agua. [5] Asimismo, pueden ser expulsadas debido a procesos de biotransformación o formación de biomasa por microorganismos. En este estudio, las concentraciones de sustancias biogénicas, la frecuencia de transformación y el recambio fueron más altos en la capa superior del agua. Además, en diferentes regiones del estrecho, las sustancias biogénicas con la transferencia anual más alta fueron constantes. Estas fueron O2 , DOC y DISi, que normalmente se encuentran en grandes concentraciones en el agua natural. [5] Las sustancias biogénicas que tienden a tener un menor ingreso a través de los límites externos del estrecho y, por lo tanto, una menor transferencia fueron los componentes minerales y detríticos de N y P. Estas mismas sustancias participan activamente en los procesos de biotransformación en el medio marino y también tienen una menor producción anual. [5]

Sitios geológicos

Caliza oncolítica: los oncolitos esferoidales se forman mediante la deposición de carbonato de calcio por cianobacterias [9] [10]

Los geoquímicos orgánicos también tienen interés en estudiar la diagénesis de sustancias biogénicas en el petróleo y cómo se transforman en sedimentos y fósiles. [4] Mientras que el 90% de este material orgánico es insoluble en solventes orgánicos comunes, llamados kerógeno , el 10% está en una forma que es soluble y puede extraerse, de donde luego se pueden aislar compuestos biogénicos. [4] Los ácidos grasos lineales saturados y los pigmentos tienen las estructuras químicas más estables y, por lo tanto, son adecuados para resistir la degradación del proceso de diagénesis y ser detectados en sus formas originales. [4] Sin embargo, también se han encontrado macromoléculas en regiones geológicas protegidas. [4] Las condiciones típicas de sedimentación involucran procesos enzimáticos, microbianos y fisicoquímicos, así como un aumento de la temperatura y la presión, que conducen a transformaciones de sustancias biogénicas. [4] Por ejemplo, los pigmentos que surgen de la deshidrogenación de clorofila o hemina se pueden encontrar en muchos sedimentos como complejos de níquel o vanadilo. [4] Una gran proporción de los isoprenoides en los sedimentos también se derivan de la clorofila. De manera similar, los ácidos grasos saturados lineales descubiertos en la pizarra bituminosa de Messel , en Alemania, surgen del material orgánico de las plantas vasculares . [4]

Además, se encuentran alcanos e isoprenoides en extractos solubles de rocas precámbricas, lo que indica la probable existencia de material biológico hace más de tres mil millones de años. [4] Sin embargo, existe la posibilidad de que estos compuestos orgánicos sean de naturaleza abiogénica, especialmente en sedimentos precámbricos. Si bien las simulaciones de Studier et al. (1968) de la síntesis de isoprenoides en condiciones abiogénicas no produjeron los isoprenoides de cadena larga utilizados como biomarcadores en fósiles y sedimentos, se detectaron trazas de isoprenoides C 9 -C 14 . [11] También es posible que las cadenas de poliisoprenoides se sinteticen estereoselectivamente utilizando catalizadores como Al(C 2 H 5 ) 3 – VCl 3 . [12] Sin embargo, la probabilidad de que estos compuestos estén disponibles en el entorno natural es poco probable. [4]

Medición

Separación cromatográfica de la clorofila

Las diferentes biomoléculas que componen las sustancias biogénicas de una planta, en particular las que se encuentran en los exudados de las semillas , se pueden identificar mediante el uso de diferentes variedades de cromatografía en un entorno de laboratorio. [3] Para la elaboración de perfiles de metabolitos, se utiliza la cromatografía de gases-espectrometría de masas para encontrar flavonoides como la quercetina . [3] Los compuestos se pueden diferenciar aún más mediante cromatografía líquida de alto rendimiento en fase inversa-espectrometría de masas . [3]

Cuando se trata de medir sustancias biogénicas en un entorno natural como un cuerpo de agua, se puede utilizar un modelo hidroecológico [13] CNPSi para calcular el transporte espacial de sustancias biogénicas, tanto en la dimensión horizontal como en la vertical. [5] Este modelo tiene en cuenta el intercambio de agua y la tasa de flujo, y produce los valores de las tasas de sustancias biogénicas para cualquier área o capa de agua para cualquier mes. Hay dos métodos principales de evaluación involucrados: medición por unidad de volumen de agua (mg/m3 año ) y medición de sustancias por volumen de agua completo de la capa (t de elemento/año). [5] El primero se utiliza principalmente para observar la dinámica de las sustancias biogénicas y las vías individuales de flujo y transformaciones, y es útil cuando se comparan regiones individuales del estrecho o la vía fluvial. El segundo método se utiliza para flujos de sustancias mensuales y debe tener en cuenta que existen variaciones mensuales en el volumen de agua en las capas. [5]

En el estudio de la geoquímica , las sustancias biogénicas se pueden aislar de fósiles y sedimentos a través de un proceso de raspado y triturado de la muestra de roca objetivo, luego lavando con ácido fluorhídrico al 40% , agua y benceno/metanol en una proporción de 3:1. [4] Después de esto, los trozos de roca se muelen y se centrifugan para producir un residuo. Luego, los compuestos químicos se derivan a través de varias separaciones por cromatografía y espectrometría de masas. [4] Sin embargo, la extracción debe ir acompañada de precauciones rigurosas para garantizar que no haya contaminantes de aminoácidos de huellas dactilares, [14] o contaminantes de silicona de otros métodos de tratamiento analítico. [4]

Aplicaciones

Extractos de cianobacterias que inhiben el crecimiento de Micrococcus luteus

Pinturas antiincrustantes

Se ha descubierto que los metabolitos producidos por las algas marinas tienen muchas propiedades antimicrobianas . [1] Esto se debe a que son producidos por los organismos marinos como disuasivos químicos y, como tales, contienen compuestos bioactivos . Las principales clases de algas marinas que producen estos tipos de metabolitos secundarios son Cyanophyceae , Chlorophyceae y Rhodophyceae . [1] Los productos biogénicos observados incluyen policétidos , amidas , alcaloides , ácidos grasos , indoles y lipopéptidos . [1] Por ejemplo, más del 10% de los compuestos aislados de Lyngbya majuscula , que es una de las cianobacterias más abundantes, tienen propiedades antimicóticas y antimicrobianas. [1] [6] Además, un estudio de Ren et al. (2002) probó furanonas halogenadas producidas por Delisea pulchra de la clase Rhodophyceae contra el crecimiento de Bacillus subtilis . [15] [1] Cuando se aplicó a una concentración de 40 μg/mL, la furanona inhibió la formación de una biopelícula por las bacterias y redujo el espesor de la biopelícula en un 25% y el número de células vivas en un 63%. [15]

Estas características tienen el potencial de ser utilizadas en materiales sintéticos, como por ejemplo para fabricar pinturas antiincrustantes sin productos químicos que dañan el medio ambiente. [1] Se necesitan alternativas ambientalmente seguras al TBT (agente antiincrustante a base de estaño) que libera compuestos tóxicos al agua y al medio ambiente y ha sido prohibido en varios países. [1] Una clase de compuestos biogénicos que ha tenido un efecto considerable contra las bacterias y microalgas que causan incrustaciones son los ésteres sesquiterpenoides de acetileno producidos por Caulerpa prolifera (de la clase Chlorophyceae), que Smyrniotopoulos et al. (2003) observaron que inhiben el crecimiento bacteriano con hasta un 83% de la eficacia del óxido de TBT. [16]

Fotobiorreactor utilizado para producir metabolitos de microalgas

Las investigaciones actuales también tienen como objetivo producir estas sustancias biogénicas a nivel comercial utilizando técnicas de ingeniería metabólica . [1] Al combinar estas técnicas con el diseño de ingeniería bioquímica , las algas y sus sustancias biogénicas se pueden producir a gran escala utilizando fotobiorreactores . [1] Se pueden utilizar diferentes tipos de sistemas para producir diferentes productos biogénicos. [1]

Paleoquimiotaxonomía

En el campo de la paleoquimiotaxonomía, la presencia de sustancias biogénicas en sedimentos geológicos es útil para comparar muestras biológicas y especies antiguas y modernas. [4] Estos marcadores biológicos pueden utilizarse para verificar el origen biológico de los fósiles y servir como marcadores paleoecológicos. Por ejemplo, la presencia de pristano indica que el petróleo o sedimento es de origen marino, mientras que el material biogénico de origen no marino tiende a estar en forma de compuestos policíclicos o fitano . [21] Los marcadores biológicos también proporcionan información valiosa sobre las reacciones de degradación del material biológico en entornos geológicos. [4] La comparación del material orgánico entre rocas geológicamente antiguas y recientes muestra la conservación de diferentes procesos bioquímicos. [4]

Producción de nanopartículas metálicas

Imagen de nanopartículas de plata obtenida mediante microscopio electrónico de barrido

Otra aplicación de las sustancias biogénicas es la síntesis de nanopartículas metálicas . [3] Los métodos actuales de producción química y física de las nanopartículas utilizadas son costosos y producen residuos tóxicos y contaminantes en el medio ambiente. [22] Además, las nanopartículas que se producen pueden ser inestables y no aptas para su uso en el cuerpo. [23] El uso de sustancias biogénicas derivadas de plantas tiene como objetivo crear un método de producción rentable y respetuoso con el medio ambiente. [3] Los fitoquímicos biogénicos utilizados para estas reacciones de reducción pueden derivarse de las plantas de numerosas formas, incluido un caldo de hojas hervidas, [24] polvo de biomasa, [25] inmersión de toda la planta en solución, [23] o extractos de jugo de frutas y verduras. [26] Se ha demostrado que los jugos de C. annuum producen nanopartículas de Ag a temperatura ambiente cuando se tratan con iones de plata y, además, aportan vitaminas y aminoácidos esenciales cuando se consumen, lo que los convierte en un posible agente de nanomateriales. [3] Otro procedimiento es mediante el uso de una sustancia biogénica diferente: el exudado de semillas en germinación. Cuando las semillas se remojan, liberan pasivamente fitoquímicos en el agua circundante, que después de alcanzar el equilibrio se pueden mezclar con iones metálicos para sintetizar nanopartículas metálicas. [27] [3] El exudado de M. sativa en particular ha tenido éxito en la producción efectiva de partículas metálicas de Ag, mientras que L. culinaris es un reactivo eficaz para la fabricación de nanopartículas de Au. [3] Este proceso también se puede ajustar aún más manipulando factores como el pH, la temperatura, la dilución del exudado y el origen de la planta para producir diferentes formas de nanopartículas, incluidos triángulos, esferas, varillas y espirales. [3] Estas nanopartículas metálicas biogénicas tienen aplicaciones como catalizadores, revestimientos de ventanas de vidrio para aislar el calor, en biomedicina y en dispositivos biosensores. [3]

Ejemplos

Estructura química del lupeol , un triterpenoide derivado de plantas [28]

Tabla de compuestos biogénicos aislados

Abiogénico (opuesto)

Una sustancia o proceso abiogénico no resulta de la actividad presente o pasada de organismos vivos . Los productos abiogénicos pueden ser, por ejemplo, minerales , otros compuestos inorgánicos , así como compuestos orgánicos simples (por ejemplo, metano extraterrestre , véase también abiogénesis ).

Véase también

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