Producción de Astaxantina y expresión de genes en Haematococcus pluvialis (Chlorophyceae, Volvocales) bajo condiciones de estrés por deficiencia de nitrógeno y alta irradiancia

Resumen

La astaxantina es un carotenoide y antioxidante utilizado en la industria cosmética, farmacéutica y alimentaria. Se produce naturalmente en la microalga H. pluvialis cuando esta crece bajo efecto de factores de estrés, como la deficiencia de nutrientes y una irradiancia alta, entre otros. Por lo anterior, se propone como objetivo de esta investigación determinar la producción de astaxantina y la expresión de los genes relacionados con su biosíntesis bajo condiciones de estrés por deficiencia de nitrógeno (4,0 y 5,0 %) y una irradiancia alta. Para este trabajo se realizó un cultivo en medio rm con nitrógeno a 4,0 y 5,0 %, utilizando las siguientes condiciones: pH 6,7; ciclo luz/oscuridad 20 h: 4 h; temperatura 25 ºC; agitación continua; CO₂ de 5 %; iluminación con lámparas fluorescentes blancas (Tlt 20w/54rs marca Philips); e irradiancia alta de 140 µE. Adicionalmente, se utilizó como control el crecimiento en el medio con nitrógeno en concentraciones normales bajo las mismas condiciones durante 36 días. El muestreo se realizó cada tercer día para cuantificación de astaxantina y clorofila y determinación de expresión de genes. El anova realizado estableció que no hay diferencias significativas entre los tratamientos (P = 0,053). Sin embargo, la producción de astaxantina fue de 3,52x10^-6 µg cel^-1 x mL^-1 con una concentración de nitrógeno al 4,0 % y una irradiancia alta de 140 µE, incrementándose en 40 % frente a la producción obtenida con nitrógeno al 5,0 % (2,08x10^-6 ug cel^-1 x mL^-1). Los genes psy, pds, lcy, bkt y chy, se expresaron con nitrógeno al 4,0 %, mientras que con nitrógeno al 5,0 % solo se expresaron psy, pds y chy.

Palabras clave:

microalga carotenoide bioproceso irradiancia lote nutrientes

Citas

Abalde, J., Orosa-García, M., Torres, E., & Cid, A. (1999). La microalga Haematococcus como fuente de astaxantina. En Simposio Científico en Biología Celular y Molecular, La Coruña, España.

American Public Health Association [APHA] (1992). AWWA and WEF: Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (18th Ed.). Washington D. C.: American Public Health Association/American Water Works Association and Water Environment Federation.

Armenta, R. E., Guerrero-Legarreta, I., & Huerta, S. (2002). Extracción de caroproteinas a partir de residuos de camarón fermentados. Revista mexicana de ingeniería química, 1(1-2), 49-55.

Baranyi, J., & Roberts, T. A. (1994). A dynamic approach to predicting bacterial growth in food. International journal of food microbiology, 23(3-4), 277-294. https://doi.org/10.1016/0168-1605(94)90157-0

Boussiba, S., & Vonshak, A. (1991). Astaxanthin accumulation in the green alga Haematococcus pluvialis. Plant and cell Physiology, 32(7), 1077-1082. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.pcp.a078171

Brinda, B. R., Sarada, R., Kamath, B. S., & Ravishankar, G. A. (2004). Accumulation of astaxanthin in flagellated cells of Haematococcus pluvialis–cultural and regulatory aspects. Current Science, 1290-1295. https://www.jstor.org/stable/24109449

Candelas-Cadillo, M. G., Alanís-Guzmán, M. G. J., Bautista-Justo, M., Del Río-Olague, F., & García-Díaz, C. (2005). Contenido de licopeno en jugo de tomate secado por aspersión. Revista Mexicana de Ingeniería Química, 4(3), 299-307.

Cerón, M. C. (2013). Producción de microalgas con aplicaciones nutricionales para humanos y animales. Cuadernos de estudios agroalimentarios, 87(5), 83-101.

Chavarro-Mesa, E. (2011). Variabilidad genética y detección molecular de poblaciones del hongo Rhizoctonia solani en regiones colombianas productoras de papa (tesis de maestría). Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.

Cifuentes, A. S., Gonzalez, M. A., Vargas, S., Hoeneisen, M., & Gonzalez, N. (2003). Optimization of biomass, total carotenoids and astaxanthin production in Haematococcus pluvialis Flotow strain Steptoe (Nevada, USA) under laboratory conditions. Biological Research, 36(3-4), 343-357. https://doi.org/10.4067/S0716-97602003000300006

Córdoba-Castro, N. M., Acero-Reyes, N. L., Duque-Buitrago, L. F., Jiménez-Aguilar, L. J., Serna-Jiménez, J. A. (2015). Obtención y caracterización de astaxantina de la microalga Haematococcus Pluvialis. UG Ciencia, 21, 73-82. https://doi.org/10.18634/ugcj.21v.1i.426

Domínguez-Bocanegra, A. R., Legarreta, I. G., Jerónimo, F. M., & Campocosio, A. T. (2004). Influence of environmental and nutritional factors in the production of astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Bioresource technology, 92(2), 209-214. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2003.04.001

Fábregas, J., Domínguez, A., Álvarez, D. G., Lamela, T., & Otero, A. (1998). Induction of astaxanthin accumulation
by nitrogen and magnesium deficiencies in Haematococcus pluvialis. Biotechnology Letters, 20(6), 623-626. https://doi.org/10.1023/A:1005322416796

Gong, X., & Chen, F. (1998). Influence of medium components on astaxanthin content and production of Haematococcus pluvialis. Process Biochemistry, 33(4), 385-391. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(98)00003-X

González, M. A., Cifuentes, A. S., & Gómez, P. I. (2009). Crecimiento y contenido total de carotenoidesen cuatro cepas chilenas de Haematococcus pluvialis flotow, bajo condiciones de laboratorio. Gayana. Botánica, 66(1), 58-70. https://doi.org/10.4067/S0717-66432009000100006

Grünewald, K., Eckert, M., Hirschberg, J., & Hagen, C. (2000). Phytoene desaturase is localized exclusively in the chloroplast and up-regulated at the mRNA level during accumulation of secondary carotenoids in Haematococcus pluvialis (Volvocales, Chlorophyceae). Plant Physiology, 122(4), 1261-1268. https://doi.org/10.1104/pp.122.4.1261

Huang, J. C., Chen, F., & Sandmann, G. (2006). Stress-related differential expression of multiple β-carotene ketolase genes in the unicellular green alga Haematococcus pluvialis. Journal of biotechnology, 122(2), 176-185. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2005.09.002

Imamoglu, E., Dalay, M. C., & Sukan, F. V. (2009). Influences of different stress media and high light intensities on accumulation of astaxanthin in the green alga Haematococcus pluvialis. New biotechnology, 26(3-4), 199-204. https://doi.org/10.1016/j.nbt.2009.08.007

Imamoglu, E., Vardar, F., Sukan, M., & Dalay, C. (2007). Effect of Different Culture Media and Light Intensities on Growth of Haematococcus pluvialis. International Journal of Natural and Engineering Sciences, 1(3), 5-9.

Kang, C. D., An, J. Y., Park, T. H., & Sim, S. J. (2006). Astaxanthin biosynthesis from simultaneous N and P uptake by the green alga Haematococcus pluvialis in primary-treated wastewater. Biochemical Engineering Journal, 31(3), 234-238. https://doi.org/10.1016/j.bej.2006.08.002

Kobayashi, M., Kakizono, T., & Nagai, S. (1993). Enhanced carotenoid biosynthesis by oxidative stress in acetate-induced cyst cells of a green unicellular alga, Haematococcus pluvialis. Applied and Environmental Microbiology, 59(3), 867-873. https://doi.org/10.1128/AEM.59.3.867-873.1993

Kurmen, J. E. C., González, G., & Klotz, B. (2013). Producción de Astaxantina en Haematococcus pluvialis bajo diferentes condiciones de estrés. Nova, 11(19), 93-104. https://doi.org/10.22490/24629448.1022

Luna, L. G., Menéndez, J., Álvarez, I., & Flores, I. (2009). Efecto de diferentes protocolos de aplicación de un campo magnético (0.03 T) sobre el crecimiento, viabilidad y composición pigmentaria de Haematococcus pluvialis Flotow en suficiencia y ausencia de nitrógeno. Biotecnología vegetal, 9(2), 105-117.

Martínez-Silva, A. S. (2011). Evaluación del crecimiento celular y de los pigmentos obtenidos de la microalga Haematococcus pluvialis (Chlorophyta: Volvocales) cultivada en diferentes medios (Disertación doctoral). Instituto Técnico Nacional, Ciudad de México, México.

Mendoza, N. M., Jaramillo, C. A., Guhl, F., Padilla, J. C., & Rentería, M. C. (2001). Diagnóstico de malaria por el método de la PCR anidada. Biomédica, 21(4), 320-327. https://doi.org/10.7705/biomedica.v21i4.1124

Niño-Castillo, C. M., Rodríguez-Rivera, F. C., Díaz, L. E., & Lancheros-Díaz, A. G. (2017). Evaluation of Cell Growth Conditions for the Astaxanthin Production as of Haematococcus pluvialis Microalgae. Nova, 15(28), 19-31. https://doi.org/10.22490/24629448.2073

Nunes, M., Vieira, A. A. H., Pinto, E., Carneiro, R. L., & Monteiro, A. C. (2013). Carotenogenesis in Haematococcus pluvialis cells induced by light and nutrient stresses. Pesquisa Agropecuária Brasileira, 48(8), 825-832. https://doi.org/10.1590/S0100-204X2013000800003

Orosa, M., Franqueira, D., Cid, A., & Abalde, J. (2005). Analysis and enhancement of astaxanthin accumulation in Haematococcus pluvialis. Bioresource Technology, 96(3), 373-378. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2004.04.006

Ponce-Palafox, J. T., Arredondo-Figueroa, J. L., & Vernon-Carter, E. J. (2006). Carotenoids from plants used in diets for the culture of the pacific white shrimp (Litopenaeus vannamei). Revista Mexicana de Ingeniería Química, 5(2), 157-165.

Qiagen (2011). RT2 Easy First Strand Handbook, For cDNA synthesis. Qiagen

Ramírez-Landínez, D. M. (2013). Evaluación del crecimiento y producción de astaxantina por Haematococcus pluvialis en un fotobiorreactor tipo airlift (tesis de maestría). Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.

Richmond, A. (Ed.). (2008). Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. John Wiley & Sons.

Sarada, R., Tripathi, U., & Ravishankar, G. A. (2002). Influence of stress on astaxanthin production in Haematococcus pluvialis grown under different culture conditions. Process Biochemistry, 37(6), 623-627. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(01)00246-1

Scibilia, L., Girolomoni, L., Berteotti, S., Alboresi, A., & Ballottari, M. (2015). Photosynthetic response to nitrogen starvation and high light in Haematococcus pluvialis. Algal Research, 12, 170-181. https://doi.org/10.1016/j.algal.2015.08.024

Steinbrenner, J., & Linden, H. (2001). Regulation of two carotenoid biosynthesis genes coding for phytoene synthase and carotenoid hydroxylase during stress-induced astaxanthin formation in the green alga Haematococcus pluvialis. Plant physiology, 125(2), 810-817. https://doi.org/10.1104/pp.125.2.810

Steinbrenner, J., & Sandmann, G. (2006). Transformation of the green alga Haematococcus pluvialis with a phytoene desaturase for accelerated astaxanthin biosynthesis. Applied and environmental microbiology, 72(12), 7477-7484. https://doi.org/10.1128/AEM.01461-06

Torzillo, G., Göksan, T., Isik, O., & Gökpinar, Ş. (2005). Photon irradiance required to support optimal growth and interrelations between irradiance and pigment composition in the green alga Haematococcus pluvialis. European Journal of Phycology, 40(2), 233-240. https://doi.org/10.1080/09670260500123609

Vidhyavathi, R., Venkatachalam, L., Sarada, R., & Ravishankar, G. A. (2008). Regulation of carotenoid biosynthetic genes expression and carotenoid accumulation in the green alga Haematococcus pluvialis under nutrient stress conditions. Journal of Experimental Botany, 59(6), 1409-1418. https://academic.oup.com/jxb/article-abstract/59/6/1409/485379 https://doi.org/10.1093/jxb/ern048

Vidhyavathi, R., Sarada, R., & Ravishankar, G. A. (2009). Expression of carotenogenic genes and carotenoid production in Haematococcus pluvialis under the influence of carotenoid and fatty acid synthesis inhibitors. Enzyme and Microbial Technology, 45(2), 88-93. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2009.05.005

Wan, M., Zhang, J., Hou, D., Fan, J., Li, Y., Huang, J., & Wang, J. (2014). The effect of temperature on cell growth and astaxanthin accumulation of Haematococcus pluvialis during a light-dark cyclic cultivation. Bioresource technology, 167, 276-283. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.06.030

Wang, J., Sommerfeld, M. R., Lu, C., & Hu, Q. (2013). Combined effect of initial biomass density and nitrogen concentration on growth and astaxanthin production of Haematococcus pluvialis (Chlorophyta) in outdoor cultivation. Algae, 28(2), 193-202. https://doi.org/10.4490/algae.2013.28.2.193

Citado por