Nannochloropsis es un género de algas que comprende seis especies conocidas . El género en la clasificación taxonómica actualfue nombrado por primera vez por Hibberd (1981). [2] La especie se conoce principalmente en el medio marino, pero también se encuentra en agua dulce y salobre. [3] Todas las especies son esferas pequeñas, inmóviles, que no expresan ninguna característica morfológica distinta que pueda distinguirse mediante microscopía óptica o. La caracterización se realiza principalmente mediante análisis del gen rbcL y de la secuencia del ARNr 18S . [4]
Las algas del género Nannochloropsis se diferencian de otras microalgas relacionadas en que tienen clorofila a y carecen por completo de clorofila by clorofila c . Además, son capaces de acumular altas concentraciones de una variedad de pigmentos como la astaxantina , la zeaxantina y la cantaxantina . [5] Tienen un diámetro de aproximadamente 2 a 3 micrómetros [6] y una ultraestructura muy simple con elementos estructurales reducidos en comparación con los taxones vecinos.
La Nannochloropsis se considera un alga prometedora para aplicaciones industriales debido a su capacidad para acumular altos niveles de ácidos grasos poliinsaturados . [7] [8] Además, muestra características prometedoras que pueden permitir la manipulación genética dirigida a la mejora genética de las cepas oleaginosas actuales . De hecho, varias especies de Nannochloropsis son transfectables y ha habido pruebas de que algunas cepas pueden realizar recombinación homóloga. [9] Actualmente se utiliza principalmente como fuente de alimento rico en energía para larvas de peces y rotíferos . Sin embargo, también ha despertado un interés creciente por la investigación de la producción de biocombustibles a partir de organismos fotosintéticos . (ver Nannochloropsis y biocombustibles ). La Nannochloropsis se utiliza actualmente como aditivo alimentario para la nutrición humana y también se sirve en el Restaurante "A Poniente" de El Puerto de Santa María ( Cádiz , España ), cerca del entorno natural donde se aisló por primera vez Nannochloropsis gaditana y aún crece. [10] Un estudio de 2020 sugiere que podría usarse como alimento sostenible y de alto rendimiento sin pescado para peces de piscifactoría . [11] [12]
Las especies actualmente reconocidas son:
La comunidad científica ha obtenido la secuencia genómica de diferentes cepas de Nannochloropsis pertenecientes a dos especies : N. gaditana [14] [15] y N. oceanica . [16] [17] Un portal genómico basado en el genoma de N. gaditana B-31 permite acceder a gran parte de la información genómica relativa a este microorganismo ; además, también hay páginas web dedicadas a los genomas de N. gaditana CCMP526 y N. oceánica CCMP1779.
Los genomas de las cepas de Nannochloropsis secuenciadas tenían entre 28,5 y 29 megabases de largo, tenían una alta densidad de genes , un contenido de intrones reducido , regiones intergénicas cortas [14] y una presencia muy limitada de secuencias repetitivas. [16] Los genes de las dos especies comparten una gran similitud.
El análisis de los genomas reveló que estas microalgas tienen un conjunto de genes para la síntesis e incorporación en la pared celular de celulosa y fucanos sulfatados y que son capaces de almacenar carbono en polímeros de β-1,3- y β-1,6. Glucosa ligada a la glucosa llamada crisolaminarina . [14] Un análisis de RMN de células de algas enteras que se cultivaron en crecimiento autótrofo [18] informa evidencia de la presencia de celulosa en la pared celular y de crisolaminarina móvil, probablemente acumulada en solución en vacuolas dentro de la célula.
La comparación entre los genes metabólicos de los lípidos de N. gaditana y de las algas y diatomeas rojas , verdes y marrones proporcionó algunas ideas sobre la producción ejemplar de lípidos de los cultivos de Nannochloropsis . De hecho, las comparaciones resaltaron la presencia de un repertorio ampliado de algunos de los genes implicados en el ensamblaje de TAG en Nannochloropsis . [15] En Nannochloropsis se identificaron numerosas lipasas TAG , que pueden afectar el metabolismo de TAG a través de la degradación de TAG o la remodelación de lípidos , [16] muchas de ellas pertenecientes a una familia de genes que parece ser exclusiva de Nannochloropsis . [19]
El análisis de los datos genómicos sugirió la presencia en ambas especies de Nannochloropsis de ARN regulador y, en particular, de miARN . [14] [16]
Se encontraron varios ortólogos de proteínas sensibles a la luz azul en los genomas de Nannochloropsis , lo que sugiere una posible regulación circadiana . [14] [16]
Una comunidad de investigación del Instituto de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos de Qingdao (QIBEBT [1]), Academia de Ciencias de China , secuenció y comparó seis genomas de Nannochloropsis que incluyen dos cepas de N. oceanica (IMET1 y CCMP531) y una cepa de cada una de otras cuatro reconocidas. especies : N. salina (CCMP537), N. gaditana (CCMP526, que se informó anteriormente [15] ), N. oculata (CCMP525) y N. granulata (CCMP529). [20] Descubrieron que los seis genomas comparten rasgos oleaginosos clave, como la expansión de la dosis genética de genes seleccionados de biosíntesis de lípidos en comparación con las algas verdes Chlamydomonas . El ejemplo más destacado de expansión de dosis genética es la diacilglicerol aciltransferasa (DGAT), que cataliza el último paso de la síntesis de triacilglicerol (TAG). Hay 13 genes DGAT en Nannochloropsis , lo que representa la dosis genética más alta en genomas conocidos.
A través de un análisis filogenético completo , los investigadores propusieron que entre los 11 DGAT-2, un gen podría originarse a partir del endosimbionte secundario relacionado con las algas rojas , cuatro del endosimbionte relacionado con las algas verdes y los otros seis del genoma del huésped eucariota. Además, Nannochloropsis adquirió una gran proporción (15,3%) de los genes relacionados con la biosíntesis de TAG mediante transferencia horizontal de genes (HGT) de bacterias . Por lo tanto, la combinación de múltiples genomas y el intercambio genético horizontal, junto con la herencia selectiva de genes de síntesis de lípidos y la pérdida de genes específicos de cada especie, han dado lugar al enorme aparato genético de la oleaginosidad y a la amplia divergencia genómica entre las actuales Nannochloropsis spp.
Cuando se cultivan en condiciones de crecimiento normales en medio f/2, un medio de cultivo de algas estándar , suplementado con nitrógeno, las células de Nannochloropsis tienen un contenido de aceite de aproximadamente el 30% de su peso seco. Este aceite se puede utilizar para producir biodiesel . Para producir biodiesel es necesario aumentar el contenido de aceite de los cultivos de Nannochloropsis . Se demostró que la biosíntesis de ácidos grasos en N. oceanica está integrada con la regulación de la vía biosintética del colesterol, lo que sugiere nuevos enfoques de ingeniería genética o biología química para mejorar la producción de aceite en microalgas. [21] Por otro lado, se observó que diversas condiciones de cultivo aumentaban el contenido medio de aceite por célula, lo que apoyaba, sin embargo, sólo tasas de crecimiento lentas de los cultivos (consulte la sección relacionada Nannochloropsis y biocombustibles ) y disminuía la productividad general. Entre estas condiciones, la privación de nitrógeno ha sido una de las más estudiadas. Los estudios han examinado el comportamiento de los cultivos ante el estrés por nitrógeno en diversas configuraciones de cultivo, así como la respuesta fisiológica y molecular de las células a la privación de nitrógeno.
Se demostró que varias cepas de Nannochloropsis acumulan hasta el 60-70% de su biomasa total en forma de lípidos en caso de limitación de nitrógeno. [8] [22] En esta condición no solo cambia la cantidad de lípidos , sino también la composición. Se observó que los triacilgliceroles aumentan en gran medida con el agotamiento de nitrógeno, mientras que otros lípidos , principalmente glicerolípidos polares , ácidos grasos libres y diacilgliceroles , disminuyen ligeramente. El aumento de triacilgliceroles en el agotamiento de nitrógeno es mucho mayor que la disminución de otros glicerolípidos , lo que respalda la hipótesis de que las células sintetizan activamente nuevos triacilgliceroles en lugar de simplemente transformar los lípidos existentes en triacilgliceroles . [23]
Mientras se acumulan los triacilgliceroles y las gotitas de lípidos se agrandan, se producen otros cambios morfológicos importantes. Los cloroplastos se hicieron más pequeños y la cantidad de lípidos característicos de las membranas fotosintéticas disminuyó significativamente. El rendimiento fotosintético disminuye en las células empobrecidas en nitrógeno, pero aún es suficiente para impulsar la supervivencia y el crecimiento celular. Si realmente se inhibe la fotosíntesis , las células de Nannochloropsis dejan de crecer, lo que indica que dependen de la conversión de energía solar fotosintética y no de los carbohidratos o lípidos almacenados como fuente de energía. [23]
La Nannochloropsis cultivada en condiciones de crecimiento normal y privada de una fuente de nitrógeno continúa creciendo durante 4 a 5 días. El análisis de la expresión génica revela que los mecanismos de asimilación y redistribución del nitrógeno se activan en las células ante la escasez de nitrógeno y permiten la supervivencia mediante una reorganización parcial del metabolismo celular . Los genes responsables de la incorporación de amonio libre al glutamato (L-glutamina + 2-oxoglutarato + NADPH + H + ←→ 2 L-glutamato + NADP + ) están regulados positivamente. Su regulación positiva aumenta la capacidad de las células para asimilar una cantidad mínima de amonio eventualmente presente en el medio y, lo que es más importante, les permite asimilar el amonio intracelular que puede liberarse mediante procesos degradativos. Los datos transcriptómicos de cultivos de Nannochloropsis privados de nitrógeno muestran que varias enzimas responsables de los procesos degradativos que liberan amonio están reguladas al alza. Además, aumenta la expresión de genes que codifican proteínas implicadas en la degradación controlada de proteínas, junto con otros implicados en la formación de vesículas secuestradoras citosólicas utilizadas para la degradación y reciclaje de componentes celulares. [14]
La maquinaria de expresión genética del cloroplasto y la mitocondria está regulada negativamente en Nannochloropsis en respuesta al agotamiento de nitrógeno. [14] [15]
Corteggiani Carpinelli y compañeros de trabajo (2013) [14] informan un análisis completo de la expresión génica de cultivos de Nannochloropsis cultivados en condiciones normales y privación de nitrógeno durante 3 días y 6 días. Radakovits et al. también recopilaron datos sobre condiciones similares. (2012) [15] y Vieler et al. (2012). [16] Todos estos datos muestran que los genes implicados en la biosíntesis de ácidos grasos y triacilgliceroles siempre son abundantes en las células y su expresión no está correlacionada con la cantidad de aceite acumulado. Además, la expresión de los genes implicados en la degradación de los triacilgliceroles no se regula significativamente a medida que se acumulan los triacilgliceroles . La conclusión general sugerida por los datos experimentales es que Nannochloropsis produce constitutivamente triacilgliceroles y que la reorganización metabólica que sigue a la privación de nitrógeno aumenta el flujo de sustratos a través de esta vía, que a su vez es capaz de sostener el aumento del flujo metabólico. Corteggiani Carpinelli y colaboradores (2013) [14] avanzan la hipótesis de que, en sus condiciones experimentales, la fotosíntesis es la principal fuente de energía y la regulación negativa de la actividad metabólica de la mitocondria es determinante en el aumento de la cantidad de sustratos que ingresan al tejido graso. vía biosintética ácida . Si hay más precursores disponibles, se sintetizan más ácidos grasos y, como consecuencia, se producen y acumulan más triacilgliceroles en las células en forma de gotas de aceite.
Dong et al. (2013) [24] informan una cuantificación de la abundancia de diversas proteínas en cultivos de Nannochloropsis cultivados con un suplemento de CO 2 y privados de nitrógeno. A pesar de las diferentes condiciones experimentales, también el estudio proteómico parece apoyar la hipótesis de que la acumulación de triacilgliceroles se debe a un aumento del flujo metabólico a través de la vía biosintética de los ácidos grasos . Los autores avanzan la hipótesis de que, en sus condiciones experimentales, la degradación de los azúcares almacenados y la regulación positiva de la glucólisis son responsables del aumento de sustratos a través de la vía .
Más recientemente, Li y sus compañeros de trabajo (2014) [25] recopilaron numerosos datos experimentales de cultivos de Nannochloropsis oculata IMET1 cultivados en medios con suficiente nitrógeno y con poco nitrógeno. Según su análisis, se trata del catabolismo de carbohidratos y proteínas junto con la regulación positiva de genes asignados a diversas vías (la vía de la glucólisis citosólica , que produce piruvato ; la derivación de PDHC, que produce acetil-CoA adicional ; y el acoplamiento de TCA). reacciones con β-oxidación mitocondrial ) que deben reivindicarse para aumentar el suministro de precursores de carbono a la ruta biosintética de los ácidos grasos . Sin embargo, los autores sugieren que no es el aumento de la síntesis de ácidos grasos lo que conduce a la acumulación de aceite dentro de las células, sino más bien la regulación positiva de los genes implicados en el ensamblaje de triacilgliceroles lo que determina la concentración final de aceite. En otras palabras, bajo el agotamiento de nitrógeno, es la regulación positiva del nivel de transcripción de los genes clave en el ensamblaje de triacilgliceroles , en lugar de aquellos en la biosíntesis de ácidos grasos , lo que conduce a una producción acelerada de triacilgliceroles .
En 2017, un estudio financiado conjuntamente por ExxonMobil y Synthetic Genomics logró un gran avance en los porcentajes de lípidos en Nannochloropsis gaditana mediante aplicaciones del sistema de genética inversa CRISPR-Cas9 y la privación de nitrógeno, mejorando la división del carbono total en lípidos del 20 % (tipo salvaje). al 40-45% (tipo mutante). [26]
Disponible bajo CC BY 4.0.