Desarrollo de la aplicación de extractos proteicos de microalgas como ingrediente de medios de cultivo de microorganismos para la obtención de bioproductos y bioenergía

Resumen

A pesar de las grandes expectativas que han suscitado las microalgas en las últimas décadas, se ha producido un bajo desarrollo de sus posibles aplicaciones, que se han limitado a productos de alto valor debido principalmente a los elevados costes de su producción y procesado. La disrupción celular para la extracción de los biocompuestos de valor constituye una fase que genera un alto coste a causa de la particular resistencia que presentan muchas especies de interés, provistas de paredes celulares rígidas. Entre los compuestos de las microalgas que han generado una especial atención se encuentran sus proteínas, por su capacidad de acumularlas y sus múltiples aplicaciones potenciales (aditivos alimentarios, péptidos bioactivos, biofertilizantes, etc.). Una de estas aplicaciones que podría ser de gran interés, apenas investigada, es su uso como sustituto nitrogenado de medios de cultivo de microorganismos. El objetivo principal de esta tesis ha sido desarrollar esta aplicación particular, empleando E. coli como microorganismo modelo. Para lograr este objetivo, en primer lugar se desarrolló un método para extraer el material proteico a partir de biomasa fresca de microalgas recalcitrantes, diseñado específicamente para esta aplicación. Se optó por un método consistente en la aplicación secuencial de dos técnicas: una alcalina seguida de una enzimática asistida por una proteasa. Se evaluaron las principales variables que podían afectar al método (pH de la reacción alcalina, tiempo, concentración de biomasa y dosis de enzima) y se exploraron diferentes alternativas de procesado (en dos etapas y una sola etapa, sin y con control de pH). El método se evaluó sobre un consorcio de microalgas procedente de un lixiviado de residuos urbanos, compuesto de Chlorella sp., y se testó sobre otras especies recalcitrantes como Chlorella vulgaris, Nannochloropsis gaditana and Scenedesmus obliquus. La evaluación realizada permitió desarrollar un método versátil compuesto de varias alternativas que permite obtener varios tipos de extractos ricos en proteínas y/o péptidos hidrolizados de distinto perfil de aminoácidos, con un alto rendimiento de extracción y concentración de material proteico en el extracto obtenido, de hasta el 81,0% del total de proteínas y 29,7 mg mL1, respectivamente (método en dos etapas), resultados notablemente superiores a otras técnicas. Además, el método demostró ser efectivo en las otras especies de microalgas probadas. La alternativa seleccionada para la aplicación objetivo de esta tesis (en una sola etapa) alcanzó un rendimiento de extracción del 62,9%, y un extracto a una concentración de 23,7 mg mLEste extracto obtuvo los valores más altos de contenido en nitrógeno, material proteico y amino nitrógeno libre, con un 8,4%, 38,5% y 2,01% del total de su composición, respectivamente. A continuación, se evaluó la efectividad de este extracto como componente de medios de cultivo de E. coli. Se evaluó el efecto de su concentración en el medio con la cepa salvaje de E. coli, así como su combinación en una condición limitante junto con glicerol como fuente de carbono suplementaria. Se demostró su viabilidad como nutriente principal, incluso como sustituto completo del medio LuriaBertani (LB), a una dilución de extracto de 1:3. Su aplicación en una proporción limitante en carbono (1:7), con la suplementación de glicerol en la fase estacionaria temprana, mejoró notablemente la eficiencia en el uso de nutrientes y controló la producción indeseable de acetato. Finalmente, se realizó una prueba de concepto de la producción de un bioproducto de interés industrial, el ácido succínico, a través de la cepa mutante quíntuple M4-iclR de E. coli. Se empleó la estrategia surgida antes, esto es, un medio con extracto proteico (1:7) y añadiendo glicerol en una fase avanzada del cultivo (t=8 h), con la que se obtuvo una producción de succínico un 67,3% superior respecto a la referencia realizada con el medio mínimo M9.