En los posts de la serie “La comunidad del anillo y los ejércitos encapsulantes”, yo, el gran Sauron, he ido encapsulando a cada uno de los miembros de la Tierra Media (hobbits, elfos, enanos, hombres, árboles y demás piltrafas) empleando como ejército mis todopoderosas ciclodextrinas. En esas entradas he divulgado, a mi manera, los artículos científicos que el grupo de investigación “Bioquímica y Biotecnología enzimática” de la Universidad de Murcia ha ido publicando en diversas revistas internacionales y en los que se describe el uso que los investigadores hacemos de las ciclodextrinas en diversas áreas científicas.
Ciclodextrinas naturales
Sin embargo, hay algo que jamás les he contado. Estos agentes encapsulantes existen en la naturaleza gracias a la acción de algunos microorganismos que las sintetizan pero a los que les importa un pimiento el uso que los hombres hagamos de las ciclodextrinas. Pues bien, ha llegado el momento de conocer no solo cual es la causa por la que diferentes microorganismos sintetizan ciclodextrinas sino también cómo lo hacen…y para ello el Señor Oscuro de Mordor les va a narrar hoy a través de la microbiología, la bioquímica y la biotecnología, la verdadera historia que se esconde detrás de las ciclodextrinas, el gran ejército de tropas encapsulantes que sustituyó a mis orcos tras su derrota ante la compañía del anillo. Atentos.
Tras mucho tiempo esperando llegó mi momento de gloria… el esperado encuentro cara a cara con Gandalf el Gris. La gran cita tuvo lugar en Dol Guldur, la fortaleza en la que viví alrededor del año 1100 de la Tercera Edad del Sol en el extremo sur del Bosque Negro, y en la que un día se adentró Gandalf disfrazado. Al encontrarnos, el mago intentó hacerme frente con su triste bastón y su mugrienta capa. Si quieren ver lo que ocurrió, solamente deben ver el siguiente video. Pasen y disfruten de una humillación histórica.
A pesar de lo que escribió J.J. Tolkien y de lo que rodó Peter Jackson, la verdadera historia de mi gran triunfo sobre Gandalf no ha sido contada. Ahí va. Aquella noche, tanto Gandalf como yo estábamos hambrientos. Exhaustos, los dos luchábamos por buscar comida para reponer fuerzas. En mi fortaleza de Dol Guldur solamente había un gran plato de patatas y los dos queríamos apropiarnos de él para que nos sirviera como fuente de carbono gracias al almidón que contienen.
La gran batalla que libramos Gandalf y yo es exactamente la misma que libran algunos microorganismos que compiten entre ellos para obtener los nutrientes existentes en un mismo medio de cultivo. En el capítulo de hoy Gandalf el Gris, que luego pasó a ser Blanco, encarna a Lactococcus lactis; un cultivo primario de muchos fermentos empleado para hacer derivados lácteos tan blancos como Gandalf. Por otra parte Sauron encarna a Thermococcus sp. Strain B1001, una clase de arqueobacterias hipertermofílicas que viven en ambientes extremadamente calientes… y es que no olvidemos que a Sauron también se le conoce como “El Ojo de Fuego”. Todo cuadra.
Para conseguir el almidón, Gandalf (Lactococcus lactis) empleó la estrategia comúnmente empleada por muchos microorganismos para obtener carbono a partir de almidón y que ustedes pueden ver en la parte izquierda de la siguiente figura. Por el contrario yo, el Señor Oscuro de Mordor (Thermococcus sp. Strain B1001), utilicé la estrategia seguida por otros microorganismos para conseguir el mismo objetivo. Dicha estrategia se aprecia en el margen derecho de la figura.
Cual triste Lactococcus lactis, el gran Mago Gris excretó al medio de reacción extracelular en el que se encontraba el plato de patatas un sistema catalítico formado por las enzimas beta-amilasa, alfa-amilasa, pululanasa e isoamilasa. Su idea era que dichas enzimas degradaran el almidón para convertirlo en maltodextrinas y en maltosa. A continuación, y gracias a una proteína presente en la pared celular, las maltodextrinas y la maltosa lograrían entrar en el interior de la célula donde servirían como fuente de carbono. … y así Gandalf, de igual forma que hace el Lactococcus lactis, finalizaría el proceso de degradación del almidón para obtener la energía que le sirviera para seguir batallando contra mí. Pobre infeliz.
Debo reconocer que la estrategia no era mala. A la largo de la historia le ha servido a muchos microorganismos para obtener energía a partir de almidón. Sin embargo, en la vida hay que innovar… y nadie como yo, el gran Sauron, para diseñar una estrategia que no solo anulase la estratagema de Gandalf sino que me permitiera capturar ese almidón y transformarlo en energía para aniquilar la compañía del anillo. Para ello lo único que tuve que hacer fue emplear un método diferente de degradación del almidón que fuese más efectivo que el de Gandalf… fue fácil.
Al igual que hace Thermococcus sp. Strain B1001, decidí no emplear el sistema de amilasas/pulanasas de Lactococcus lactis y en su lugar excreté al medio extracelular la enzima ciclodextrin-glicosil-transferasa (CGT-asa). Dicha enzima emplea el mismo sustrato que las amilasas, el almidón, pero el producto de la reacción no son ni maltodextrinas ni maltosas… sino las moléculas prodigiosa: las ciclodextrinas.
Estructura tridimensional de la enzima Ciclodextrin-glicosil-transferasa compjejada por su propio producto, beta-ciclodextrina.
En ese momento Gandalf (Lactococcus lactis) puso la cara de asombro que ustedes han visto en el vídeo. ¿Por qué? Porque la presencia de ciclodextrinas en el medio inactivaba toda su estrategia para conseguir el almidón. Se trataba de un plan maquiavélico basado en la doble acción que tienen las ciclodextrinas tanto para inutilizar la estrategia de Lactococcus y Gandalf como para aprovecharse del almidón en beneficio propio.
Por un lado las ciclodextrinas sintetizadas por Thermococcus sp. Strain B1001 inactivan el centro activo de las enzimas empleadas por Lactococcus lactis para degradar el almidón, lo que impide la transformación de este último en maltosa o maltodextrinas. Por otro lado el sistema de amilasas/pulanasas no es capaz de degradar la ciclodextrina generada por CGT-asa. Estas dos razones provocaron que Lactococcus lactis se quedara sin fuente de carbono.
Sin embargo, ahora viene lo mejor. La segunda parte del plan maquiavélico por el que yo, el Ojo de Fuego (Thermococcus sp. Strain B1001), lograba introducir todo el almidón dentro de mis células.
Arriba: Gandalf y Sauron. Abajo: Lactococcus, Amilosa y Thermococcus
Una vez sinterizada extracelularmente la ciclodextrina por CGT-asa, Thermococcus sp. Strain B1001 debía introducirla en el interior de la célula para poder usarla como fuente de carbono. Para ello este microorganismo empleó un sistema de transporte de la ciclodextrina basado en la presencia de una proteína llamada CPB (cyclomaltodextrin binding protein) que permite su paso al interior celular. Una vez que el anillo único está dentro de la célula, Thermococcus sp. Strain B1001 emplea otra enzima que no posee Lactococcus lactis, denominada ciclomaltodextrinasa (CD-asa) y, que transforma las ciclodextrinas en maltosas y maltodextrinas listas para ser digeridas.
El triunfo de Thermococcus sp. Strain B1001 y de Sauron fue épico. Gandalf y Lactococcus lactis fueron ridiculizados, humillados y defenestrados. Todo el almidón había ido a parar a mis células proporcionándome la energía suficiente para destrozar al Mago Gris.
Sin embargo, una desagradable sorpresa me esperaba a la vuelta de la esquina. El representante de los hombres en la comunidad del Anillo, Aragorn, hijo de Arathorn heredero de Isildur, Rey de Arnor y Gondor, Capitán de los Dunedain del Norte, Elessar Piedra de Elfo, Trancos el Montaraz, me fastidió la victoria. Les cuento.
Hasta este momento les he explicado la razón por la que las ciclodextrinas existen en la naturaleza. Estos anillos de glucosa son sintetizados a partir del almidón por algunos microorganismos para emplearlas como fuente de carbono… y a la vez impiden que otros microorganismos con los que compiten puedan emplear dicho almidón.
Sin embargo, a los hombres solamente les interesa que Thermococcus sp. Strain B1001 produzca el anillo…pero no les gusta que luego este microorganismo resistente al fuego de Mordor lo use para su beneficio transformándolo en azúcares simples, sino que prefieren aprovecharse de sus múltiples aplicaciones en sectores tan dispares como la alimentación, la medicina, la cosmética, la farmacia o la industria textil.
Por ello los hombres, con Aragorn a la cabeza, centran sus esfuerzos solamente en obtener la mayor cantidad de ciclodextrinas posible… pero luego no dejan que Thermococcus sp. Strain B1001 u otros microorganismos similares empleen dichas moléculas encapsulantes como fuente de carbono, por lo que los hombres no emplean ni la proteína CPB ni la enzima CDasa que favorecen la degradación del anillo.
Para incrementar la cantidad de ciclodextrinas, Aragorn y el resto de hombres suelen emplear dos estrategias, una basada en procesos microbiológicos y bioquímicos y otra fundamentada en procesos biotecnológicos. La primera de ellas consiste en aislar aquellos microorganismos que contengan la enzima responsable de formar la ciclodextrina (CGT-asa), purificar dicha enzima y finalmente emplearla para degradar almidón de forma que se sintetice al anillo único. La segunda estrategia posible se basa en el diseño, mediante ingeniería genética, de la enzima CGT-asa sin necesidad de emplear los microorganismos como fuente de la enzima.
Una vez obtenida la enzima, bien sea por un procedimiento o por otro, solamente hace falta ponerla en contacto con el almidón para obtener ciclodextrinas como producto de la reacción y poder aplicarlas en cualquiera de los sectores industriales anteriormente descritos.
Queridos amigos, hoy hemos visto “la utilidad natural” de una molécula prodigiosa, la ciclodextrina, lo que nos ha servido para recordar una máxima que he citado muchas veces en el blog: “independientemente del uso que los científicos le demos a las moléculas, su presencia en la naturaleza tiene siempre una razón”.
Sin embargo, estoy triste. La compañía del anillo ha vuelvo a darme un disgusto. Al robarme Aragorn la ciclodextrina con fines industriales ya no puedo introducirla en el interior de mi célula para que me sirva como fuente de energía. Sin embargo, fieles lectores, pueden estar tranquilos. Como se puede observar varias veces en la obra de J.J. Tolkien, Aragorn tiene serias tentaciones de quedarse con el anillo de forma definitiva para convertirse en el verdadero Señor de los Anillos… y esa ambición será su perdición. Volveré.
Sauron
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Fuente: Journal of Bacteriology. 2001, 5050-5057.
* Este post jamás hubiese sido posible sin la inestimable colaboración de otro friki científico: Adrián Matencio (@AdriMatencio)…mi alumno interno.
* Esta entrada participa en el III Festival de la Cristalografía que organiza ::ZTFNews, en la XXXII Carnaval de Química: Edición Germanio que organiza “Dimetil Sulfuro” y en la XXVIII Edición del Carnaval de Biología cuyo blog anfitrión es Vida y Estrellas (Divulgación Científica).
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