Microalgae valorization biomass through classical and molecular approaches

Abstract

La presente tesis doctoral ha sido desarrollada en el grupo de investigación de Microbiología del Instituto de Vitivinícolas y Agroalimentarias (IVAGRO) de la Universidad de Cádiz. Este trabajo, enmarcado dentro del proyecto nacional Producción de biocompuestos saludables de microalgas, A4HW (RTC-2016-4860-2), tiene como objetivo principal la revalorización de la biomasa de microalgas, mediante el desarrollo de nuevas aplicaciones en el campo de la biomedicina y la agroalimentación.

El interés por el cultivo y las aplicaciones de las microalgas se ha incrementado de forma exponencial en estos últimos años. Este incremento se debe a sus potenciales aplicaciones industriales, y su capacidad para resolver problemas cruciales ocasionados por las actividades humanas, como por ejemplo las emisiones de efecto invernadero, la contaminación del agua, el agotamiento de los combustibles fósiles y la necesidad de nuevas terapias médicas. Este interés ha colocado a las microalgas como un elemento transversal de los esfuerzos para desarrollar nuevas herramientas biotecnológicas impulsadas por la iniciativa "Blue Growth" de la UE, teniendo como objetivo apoyar el crecimiento sostenible en los sectores marítimos marinos y costeros. Esta iniciativa viene a sumarse a las directrices de la economía circular.

Esta tesis se centrará en determinar nuevos compuestos procedentes de la biomasa de microalgas mediante aproximaciones clásicas y moleculares, con aplicaciones en Agroalimentación y Biomedicina, así como el desarrollo de aproximaciones de “Proteómica Aplicada” que permitan determinar nuevas aplicaciones biotecnológicas a partir del proteoma de las microalgas. Una de las estrategias elegidas en la presente tesis para revalorizar la biomasa de microalgas, fue la extracción de carbohidratos de diferentes especies de microalgas (Arthrospira platensis (spirullina) (Endesa Generación, S. A.), Pyrocistis lúnula (CCAP 1131/1) y Nannochloropsis gaditana (Lubian CMP 572)., desarrollando un método para la extracción de azucares simples y polialcoholes, este método ha sido diseñado para facilitar su escalado industrial. Los datos obtenidos posicionan a las microalgas como una fuente alternativa de carbohidratos y polialcoholes, habiendo alcanzado niveles extractivos en torno al 50% de los obtenidos a partir de biomasa vegetal. Este desarrollo supondría la primera extracción de edulcorantes procedentes de organismos marinos (microalgas), orientados a la alta gastronomía. Durante el desarrollo de esta Tesis Doctoral se ha determinado por primera vez el proteoma de Nannochlropsis gaditana en condiciones industriales, comparando sus principales formas comerciales, alga fresca y atomizada. Este análisis nos permitió identificar 655 proteínas presentes en todas las réplicas que fueron categorizadas mediante ontología génica según su actividad biológica y su función molecular. Este análisis del proteoma se realizó con tres objetivos, obtener la primera aproximación proteómica de N. gaditana, analizando además la comparación entre sus formatos comerciales y por último, detectar proteínas con un potencial uso para desarrollar futuras aplicaciones biotecnológicas.

Para demostrar la validez de las aproximaciones mediante proteómica aplicada y a partir del proteoma de N. gaditana, Se seleccionó una de las proteínas más prometedoras por su potencial aplicación industrial en el campo de la biomedicina. Se sintetizo y expreso la proteína UCA01 recombinante. Esta Proteína ha demostrado capacidad antitumoral, en dos líneas tumorales, adenocarcinoma de hígado (HepG2) y adenocarcinoma de colón (Caco-2). Así como su inocuidad en líneas celulares no tumorales. Este descubrimiento ha sido remitido a la oficina española de patentes y marcas siendo admitida a trámite con la referencia P201930775. Estos datos avalan la aplicación directa de la proteómica (“proteómica aplicada”), como herramienta de detección de proteínas con un potencial uso biotecnológico, así como su utilidad para la revalorización de la biomasa de microalgas. En resumen, esta tesis doctoral, proporciona el primer edulcorante alimenticio extraído del mar, además del primer estudio del proteoma de N. gaditana en condiciones industriales. El estudio de estos proteomas se ha convertido en una información de alto valor industrial, mediante la aplicación de un enfoque de proteómica aplicada, revelando multitud de posibles aplicaciones industriales potenciales, principalmente en el campo de la agroalimentación y de la biomedicina. Para demostrar la viabilidad del enfoque se ha demostrado la capacidad antiproliferativa de la proteína UCA01, obtenida a partir de N. gaditana en dos líneas tumorales, HepG2 (carcinoma del hígado), Caco-2 (adenocarcinoma de colón). Estos datos abren nuevas vías de mercado para lograr una valorización relevante de la biomasa microalgal.