Biorreactores increíbles, los micromicetos
Caso estudio: Aspergillus niger

Tema

¿Sabías que uno de los hongos más comunes, esos que echan a perder las tortillas, el pan y otros muchos alimentos que no guardamos adecuadamente es considerado como una fábrica biológica (biorreactor) muy eficiente ya que es capaz de convertir una gran variedad de contaminantes (metales pesados, hidrocarburos y contaminantes orgánicos, entre otros) de su entorno en sustancias de interés comercial y/o ecológico? En este artículo conocerás muchos datos interesantes sobre los mohos, en particular sobre Aspergillus niger.

1. Introducción

Cuando escuchamos o leemos la palabra “hongo” no podemos evitar pensar en un champiñón o una seta, o en los hongos o mohos polvorientos y/o peludos que crecen en nuestros alimentos, o en las paredes y en otras áreas de nuestro entorno con humedad extrema. Pero es necesario comentar que a los “hongos” los podemos clasificar de acuerdo con su estructura (forma) y tamaño.

• Tenemos a los macromicetos que se definen como aquellos hongos que forman esporóforos (estructuras en las que los hongos producen sus esporas) desde 1 mm hasta decenas de centímetros. En este grupo se incluyen los hongos típicos de sombrerito, los costrosos que encontramos desarrollándose en árboles o madera muerta, los que tienen forma de saco que crecen en el suelo o los que tienen forma de piedra y viven enterrados (trufas), entre muchos otros (Fig. 1, 1-3).

• Por otra parte, los micromicetos son hongos que producen esporóforos que miden menos de un milímetro y solamente los podemos ver usando un microscopio o cuando están agregados formando colonias polvorientas, como por ejemplo las manchas verdes que aparecen en las naranjas o jitomates, en el pan, en la madera o en las paredes con humedad (Fig. 1, 4-6).

Figura 1. Ejemplos de macromicetos y micromicetos. Macromicetos 1) Champiñones, 2) Hongos coral 3) Capo agrupado (hongos de bosque); Micromicetos 4) Naranja contaminada, 5 y 6) madera y techo enmohecidos (Canva).

Los hongos obtienen sus nutrientes al absorber compuestos orgánicos del ambiente. Los hongos son heterótrofos, lo que significa que su metabolismo y nutrición depende exclusivamente del carbono obtenido de otros organismos. Los hongos han evolucionado de tal forma que pueden utilizar una gran variedad de sustratos orgánicos para crecer, lo que incluye compuestos tan simples como el nitrato, el amoníaco, el acetato y el etanol. El papel de los hongos en el ambiente se define por su modo de nutrición. A saber, dentro de su heterotrofía, los hongos obtienen nutrientes de tres diferentes formas (Flexbooks, 2021):

• Descomponen materia orgánica muerta. Un saprófito es un organismo que obtiene sus nutrientes de la materia orgánica no viva, usualmente una materia animal o vegetal muerta y en descomposición, al absorber los compuestos orgánicos solubles. Los hongos saprófitos tienen un papel muy importante como recicladores, en el flujo de energía de los ecosistemas y en los ciclos biogeoquímicos. Los hongos saprófitos descomponen el tejido vegetal o animal muerto al liberar enzimas desde las puntas de las hifas (la digestión o degradación de los sustratos es externa) para después absorber los nutrientes; de esta forma, reciclan materiales orgánicos y los devuelven a su entorno. Debido a estas habilidades, los hongos son los principales descomponedores en los bosques (Fig. 2-1).

• Se alimentan de anfitriones vivos. Como parásitos, los hongos viven dentro o sobre otros organismos y obtienen sus nutrientes del anfitrión. Los hongos parásitos utilizan enzimas para descomponer el tejido vivo, lo que puede causar enfermedad al anfitrión; en el parasitismo (tipo de relación simbiótica entre organismos de diferentes especies) el parásito, se beneficia de la asociación mientras que el anfitrión es dañado (Fig. 2-2).

• Viven de manera mutualista con otros organismos. Los hongos mutualistas viven con otros organismos vivos sin causar problemas, en este tipo de relación, ambos obtienen beneficios, como en el caso de los líquenes (Fig. 2-3).

Figura 2. Formas de alimentación de los hongos. 1) Hongo saprófito que se alimenta de la materia orgánica del suelo de un bosque; 2) Hongo parásito de hormigas (Cordyceps spp.); 3) Hongo en relación mutualista con un alga (liquen) (1 y 3, Canva; 2, 20minutos, 2022).

Así pues, todos los hongos desempeñan un papel muy importante en la naturaleza, prácticamente de forma imperceptible, por eso tienen inmenso valor para la vida en el planeta (Tabla 1), además de tener un importante valor ecológico y comercial por los usos y aplicaciones biotecnológicas que son posibles a partir de ellos o del uso de los productos de su metabolismo. 

Tabla 1. Principales funciones de los hongos microscópicos en los ecosistemas (modificado de Villalba-Villalba, 2021).

En sus inicios, la biotecnología tradicional estuvo centrada en la producción de alimentos y productos de interés médico. Sin embargo, sin olvidar los usos convencionales, hoy en día se han abierto nuevos campos de aplicación de enorme interés como: el tratamiento de residuos, la degradación de sustancias tóxicas, la descontaminación de restos de petróleo, el tratamiento y descontaminación de aguas, la producción de proteínas para consumo animal y la producción de energía, en las que los micromicetos tienen un papel muy importante (Domínguez, 2024). Entre las especies de micromicetos (levaduras y mohos) más utilizadas en la industria alimentaria se pueden mencionar:

• Saccharomyces cerevisiae, un hongo levaduriforme que fermenta el almidón y azúcares de la harina, transformándolos en alcohol y en dióxido de carbono (gas), proporcionando volumen a la masa.

• Penicillium camemberti, que produce lipasas, que separan las grasas de los alimentos para poder absorberlas, lo que aporta sabor y mejor apariencia durante la elaboración de quesos curados como el Brie o el Camembert.

• S. ellipsoideus, para la producción de vinos, S. cerevisiae, S. uvarum y S. fragilis para la producción de vinos y sidras y para la elaboración de cerveza se usan S. carlsbergensis y S. cerevisiae, que pueden fermentar la cebada.

• Algunas especies de Aspergillus se utilizan en la industria alimentaria para clarificar jugos de frutas, vinos, vinagres, jarabes y gelatinas que contienen sustancias pécticas en suspensión (acción de pectinasas), este tratamiento evita su gelificación en la fase de concentración y la adición de este tipo de enzimas a frutas maceradas como las uvas, ayuda a la extracción del jugo y pueden producirse vinos de fácil clarificación.

• Trichoderma longibrachiatum, que produce celulasas modifica la celulosa y hemicelulosa; la amilasa de Aspergillus niger, se usa en el procesamiento del almidón; la β-galactosidasa de levaduras del género Kluyveromyces degrada la lactosa, por lo que se usa para la elaboración de leche deslactosada.

Los hongos filamentosos son los principales microorganismos usados en los procesos de biotransformación, dada su habilidad natural para modificar compuestos orgánicos complejos (como los presentes en las plantas) durante su proceso de colonización. Entre estos compuestos están los terpenos, cumarinas, estibenos, fenilpropanos, compuestos aromáticos y flavonoides, y en algunas ocasiones para hacer frente a los mecanismos de defensa del huésped como la destoxificación de, por ejemplo, fitoalexinas. Algunas especies pueden metabolizar sustancias xenobióticas, tales como pesticidas y colorantes, entre otros. Las células completas de los hongos filamentosos se usan frecuentemente por su habilidad para mediar en muchas reacciones diferentes como: transformaciones oxidativas (hidroxilación, 8-epoxidación, deshidrogenación), reductivas, hidrolíticas y de isomerización, sobre un amplio rango de sustratos (Parra, 2015).

2. Aspergillus

Dentro de los micromicetos, las especies del género Aspergillus son muy importantes en las actividades humanas. Existen aproximadamente 200 especies del género, pero de ellas solamente alrededor de 40 podrían enfermar a humanos y/o animales. En humanos, A. fumigatus es la causa más frecuente de infección por Aspergillus (CDC, 2019).

Las especies comunes son A. flavus, A. terreus y A. niger y con menor frecuencia A. nidulans y A. versicolor. Las diferentes especies se diferencian en tamaño, velocidad de crecimiento, textura (aterciopelada, granular, algodonosa), color de la colonia, por ejemplo: verde-amarillento (A. flavus), blanco amarillento que cambia a negro (A. niger), marrón (A. terreus) (Fig. 3 4-6). La coloración aparece en todas las estructuras aéreas, tanto en el micelio como en las cabezas conidiales (Fig. 3 1-3; INSST, 2021).

Figura 3. Características micro- y macroscópicas del género Aspergillus. 1-3, Conidios, 1) esquema y 2-3) microfotografías. Ejemplos de los diferentes colores de las colonias: 4) verde-amarillento -A. flavus-, 5) blanco amarillento que cambia a negro -A. niger-, y 6) marrón -A. terreus- (Tomado de Parra, 2015).

Los aspergilos son los micromicetos más omnívoros que existen ya que se alimentan prácticamente de todo. Son capaces de asimilar como alimento una enorme variedad de sustancias, debido a que pueden producir un gran número de enzimas que las degradan. Para que un aspergilo se desarrolle se deben cumplir dos requisitos principales: 1) la presencia de materia orgánica y 2) un poco de humedad. Si ambos factores están presentes, los aspergilos pueden crecer en casi cualquier cosa; esta característica de gran adaptabilidad a cualquier sustrato y condición ambiental se puede aprovechar para procesos de biorremediación o biotransformación, que son muy beneficiosos para el hombre y el medio ambiente (Parra, 2015).

3. Aspergillus niger

  A. niger es un hongo micelial formado por hifas (filamentos) hialinas (transparentes) tabicadas (Figura 4), su distribución es mundial y se alimenta de materia orgánica en descomposición (es un saprófito), lo que quiere decir que su ciclo de vida se desarrolla en la naturaleza, sin involucrar al ser humano. A. niger, es lo que comúnmente llamamos el moho negro en frutas y verduras como uvas, chabacanos, cebollas, cacahuate, espinacas; este hongo que es uno de los microorganismos más importantes utilizados en biotecnología, es un viejo conocido de la industria alimentaria y es muy común encontrarlo en salsas, vinos y vinagres, ya que no representa ningún peligro para la salud.

Figura 4. Aspergillus niger. A) Vista con 20 aumentos de una colonia de A. niger en una placa de agar-agar. 2) Esquema de un conidio típico de A. niger -barra 10 micras; 3) Vista microscópica de un conidio de A. niger -barra 200 micras; 4) Esporas de A. niger -barra 20 micras (Tomado de Plantas y Hongos, 2024).

3.1 Bioseguridad 

Desde hace muchas décadas A. niger se usa para producir enzimas extracelulares (alimentarias) y ácido cítrico. De hecho, la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA, por sus siglas en inglés) considera que el ácido cítrico y muchas enzimas de A. niger son “generalmente reconocidos como seguros” (GRAS, por sus siglas en inglés) (Lifeder, 2022; FARAD, 2023). Además, A. niger se utiliza para la biotransformación y/o tratamiento de residuos de contaminantes, suelos y aguas contaminados, principalmente de la industria peletera (altas concentraciones de cromo, zinc y plomo) y de la industria de los hidrocarburos (derivados del petróleo como disel, gasolina, chapopote, etc.) (Figura 5). Hay otros hongos del género Aspergillus, tales como A. flavus y A. brasilensis que son tóxicos y nocivos para la salud humana, particularmente en personas inmunodeprimidas, pero este no es el caso de A. niger (Resco de Dios, 2022) (Figura 6). Hay muy pocos casos médicos reportando infecciones pulmonares por A. niger, estos coindicen en presentarse siempre en pacientes inmunocomprometidos. En las zonas tropicales, algunas infecciones de oído (otomicosis) ocurren debido a la invasión del canal auditivo externo por A. niger, pero la infección generalmente es causada por un daño mecánico previo, que rompe la barrera cutánea.

Figura 5. Ejemplos de ambientes contaminados que pueden recuperarse y/o biorremediarse a través del aprovechamiento de las propiedades fisiológicas de A. niger. 1 y 2) contaminantes y efluentes contaminados producidos por la industria peletera (tomado de (ATUCA, 2024); 3) suelos fosfatados y 4) contaminación del agua y suelo con derivados del petróleo (Canva). 

Las cepas de A. niger producen una gran variedad de metabolitos secundarios, pero sólo la ocratoxina A (OTA, por su acrónimo en inglés) puede considerarse una micotoxina. En un estudio llevado a cabo por Schuster et al. (2002), encontró que sólo entre el 3% y el 10% de las cepas estudiadas (nuevos aislamientos) produjeron OTA bajo condiciones favorables. En su artículo, recomienda que, precisamente, en el caso de aislamientos nuevos y desconocidos se debe comprobar la producción de OTA antes de iniciar su estudio y/o uso como organismos productores. Sin embargo, aun considerando estas restricciones, A. niger es un organismo de producción seguro.

Figura 6. Vista macroscópica de algunas especies del genero Aspergillus. 1) A. flavus (patógena), 2) A. niger (tomado de Mokobi, 2021), 3) A. fumigatus (patógena), y 4) A. brasiliensis (patógena) (1, 3,y 4, Canva).

3.2 Usos

Como se muestra en la Tabla 2, los usos de A. niger se basan en tres funciones generales: a) la producción de enzimas, b) la producción de metabolitos y, c) y la biorremediación a través de su particular fisiología y adaptabilidad.

Tabla 2. Usos reales y potenciales de A. niger y sus derivados (elaborado a partir de Reyes y Franco, 2006; Schuster et al., 2002 ).

3.2.1 Producción de enzimas. Además del ácido cítrico, A. niger es una rica fuente de enzimas pectinasa, proteasa y amiloglucosidasa o glucoamilasa, celulasa y hemicelulasa. Varias enzimas de A. niger, incluidas pectina esterasas, endo- y exo-poligalacturonidasas y pectina-liasas, glucosa oxidasa y catalasa, se utilizan para la determinación de glucosa principalmente en kits enzimáticos de diagnóstico, para la eliminación de glucosa u oxígeno de alimentos y bebidas y para la producción de ácido glucónico a partir de la glucosa.

Se sabe que diferentes aspergilos producen muchos tipos diferentes de enzimas (Tabla 3), lo que las hace muy útiles para la industria alimentaria, si se cultivan y adaptan correctamente. A. niger puede adaptarse para producir grandes cantidades de fructooligosacáridos (fibras solubles, formadas por moléculas de glucosa y fructosa, que se usan como sustitutos de azúcar), debido a la gran actividad transfructosilante de las enzimas en su superficie (Mahadi, 2018).

3.2.2 Producción de biocombustibles. Una vez cultivado, el grupo Aspergillus puede utilizarse para sintetizar compuestos industriales útiles como las “glicósidohidrolasas”. Estas enzimas se utilizan en el proceso de conversión de biomasa en biocombustibles, descomponiendo la celulosa y la hemicelulosa de las paredes celulares de las plantas en una sustancia que luego se convierte en etanol de segunda generación. A. nigris también se puede utilizar para producir metabolitos bioactivos, así como otros productos farmacéuticos; en esta especie también se ha reportado la producción de metanol a partir de pectina a través de la acción de la pectin esterasa de A. niger (Schuster et al., 2002).

3.2.3 Degradación de hidrocarburos. La biorremediación, como técnica natural, es de bajo costo y generalmente carece de efectos secundarios adversos. Esta técnica se ha usado desde hace décadas para descontaminar los vertederos de petróleo y sus derivados, particularmente en ambientes sin sales. Se ha observado que la eficiencia del proceso disminuye considerablemente en ambientes salinos, como los de la costa, debido a que los organismos que degradan los derivados del petróleo se deshidratan por la sal. En investigaciones realizadas para optimizar los tratamientos de biorremediación mediante la búsqueda de nuevas cepas de mohos, mas resistentes a una diversidad de ambientes, se obtuvieron una serie de nuevos aislamientos a partir de contenedores en los que se almacenaba aceite usado. Estos aislamientos mostraron grandes cualidades de degradación de hidrocarburos complejos bajo condiciones salinas. Al analizar los aislados, encontraron dos líneas Aspergillus, uno de ellos resultó ser A. niger y el otro una nueva especie, aún no descrita. Al realizar una serie de experimentos, en el que combinó variables como el tipo de hidrocarburo, la salinidad (la concentración de ambos), el tipo de hongo, la temperatura, etc. Resco de Dios, encontró que la degradación de hidrocarburos es más efectiva cuando combinaba ambas líneas de Aspergillus. El observó que A. niger usa los hidrocarburos como fuente de carbono al segregar al medio lipasas y lacasas, que catalizan la degradación, y que, al agregar hematita, un mineral compuesto de óxido férrico, la degradación se aceleró al aportar electrones para la oxidación del diésel. Otro resultado interesante fue que la aplicación de los aspergilos altera la comunidad microbiana, es decir, actúa como una especie pionera, ya que se comprobó un aumento en la presencia de otros hongos que también degradan hidrocarburos que aceleraban la degradación del diésel (Sajid et al., 2023).

Desde hace décadas se sabe que A. niger absorbe metales pesados, eliminándolos del suelo contaminado, sin embargo, en la vida real los contaminantes se encuentran frecuentemente combinados con otros contaminantes, muchos de ellos orgánicos, como por ejemplo el repelente de insectos naftaleno. Recientemente, en la Universidad China del Petróleo (Beijing) se estudió la eficiencia de A. niger para biorremediar ambientes contaminados con metales tóxicos (cobalto II) y compuestos orgánicos (naranja ácido II, un colorante). Los investigadores descubrieron que la presencia de ambos contaminantes mejoraba la absorción de metales y la degradación del compuesto orgánico. Ellos concluyeron que la exposición a los metales aumenta los niveles de especies reactivas de oxígeno en el hongo, lo que contribuye a la degradación del colorante; estos resultados sugieren que A. niger u hongos similares podrían ser útiles para remediar el suelo y el agua contaminados por mezclas complejas de contaminantes (Li, 2024). La bioacumulación es el principal mecanismo de adsorción, aunque hay que ajustar las condiciones según el metal y las características del sitio contaminado.

3.2.4 Receptor de genes para expresión de moléculas de interés médica o industrial. En las últimas tres décadas A. niger se ha desarrollado como un importante huésped de transformación para sobreexpresar enzimas alimentarias (Schuster et al., 2002). Si bien se han secuenciado los genomas completos de varios organismos, incluidos los de una variedad de hongos, el primer genoma de A. niger apenas se liberó en el 2007, lo que representó la publicación del primer genoma industrial de Aspergillus, el más importante en ser secuenciado. De esta forma se pudieron identificar algunas explicaciones de la idoneidad de A. niger para aplicaciones industriales (a partir de un estimado de 14.165 genes codificantes; Cairns et al., 2018). Como se observa en la tabla 3 (*) a la fecha existen proteínas de origen diferente a hongos que se producen el A. niger, aprovechando su gran adaptabilidad y alto rendimiento. También, utilizando la tecnología de edición de genes CRISPR-Cas9, en estudios recientes se ha demostrado que A. niger se puede editar y que las cepas recién editadas se pueden usarse para la selección iterativa de genes (Mahadi, 2018). 

4. Conclusiones

Dados los grandes avances en el conocimiento de la biología de A. niger durante el último siglo y el desarrollo de la bioinformática, el cultivo y las herramientas moleculares que ahora están a disposición de la comunidad, A. niger tiene el potencial de seguir siendo uno de los microrganismos más versátiles de la plataforma fúngica industrial. Se puede pensarse en A. niger como un chasis más fácil de manejar para producir productos que no se pueden producir en sistemas bacterianos, además, este sistema no solo es capaz de producir proteínas y enzimas en altas concentraciones, sino también productos farmacéuticos de beneficio para humanos y animales. De hecho, A. niger podría ser uno de los organismos clave involucrados en la próxima revolución industrial: el cambio de una economía basada en fósiles a una bioeconomía.

5. Referencias

1. 20minutos. 2022. Un hongo que crea 'insectos zombis' podría servir para desarrollar fármacos antivirales y anticancerígenos. Salud. Consultado 22/05/2024.

2. ATUCA. 2024. Cuestion de agua y piel. Consultado 16/05/2024.

3. Cairns T.C., Nai C., Meyer V. 2018. How a fungus shapes biotechnology: 100 years of Aspergillus niger research. Fungal Biol Biotechnol 5, 13. https://doi.org/10.1186/s40694-018-0054-5

4. Centers for Disease Control and Prevention (CDC). 2019. Guideline for isolation precautions: preventing transmission of infectious agents in healthcare settings. CDC: Infection control. Consultado 23/05/2024.

5. Domínguez Ramos L. 2024. Hongos microscópicos: su uso biotecnológico. Saber más Revista de Divulgación. Consultado 21/05/2024.

6. FARAD. 2023. Banco de datos para evitar residuos en animales de consumo: sustancias generalmente reconocidas como seguras. Consultado 16/05/2024.

7. Flexbooks. 2021. Cómo se alimentan los hongos? CK-12, Conceptos de Biología. Consultado 22/05/2024.

8. Instituto Nacional de Salud y Seguridad en el Trabajo (INSST). 2021. Aspergillus spp. Consultado 23/05/2024.

9. Li et al. 2024. Fungal biomineralization of toxic metals accelerates organic pollutant removal. Current Biology 34, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.04.005. 

10. Lifeder. 2022. Aspergillus niger. Recuperado de: https://www.lifeder.com/aspergillus-niger/. Consultado 16/05/2024.

11. Mahadi M. 2018. What is Aspergillus niger? News Medical. Consultado 23/05/2024.

12. Mokobi F. 2021. Aspergillus niger-An overview. Microbe Notes. Consultado 23/05/2024.

13. Parra Lizarazu D.C. 2015. Usos Biológicos y Biomédicos de Aspergillus spp. Tesis de Maestria. Universidad Mayor de San Andres, Facultad de Ciencias Farmaceúticas y Bioquímicas. pp 1-136.

14. Plantas y Hongos. 2024. Aspergillus niger. Consultado 23/05/2024.

15. Resco de Dios V. 2022. Los hongos que comen chapapote. The Conversation. Consultado 15/09/2024.

16. Reyes-González G., Franco-Correa M. 2006. Producción biotecnológica de sabores, pigmentos y aromas a partir de hongos miceliales y levaduras, Universitas Scientiarum, 11(2):23-30

17. Sajid S. et al. 2023. Newly isolated halotolerant Aspergillus sp. showed high diesel degradation efficiency under high salinity environment aided with hematite. Journal of Hazardous Materials, 443-B:130324. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130324.

18. Schuster E., Dunn-Coleman N., Frisvad J. et al. 2002. On the safety of Aspergillus niger – a review. Appl Microbiol Biotechnol 59, 426–435.

19. Villalba-Villalba A.G. 2021. Conociendo a los hongos microscópicos. Nuestra tierra, 3-5. Consultado 22/05/2024.