Las sustancias poliméricas extracelulares ( EPS ) son polímeros naturales de alto peso molecular secretados por microorganismos en su entorno. [1] Los EPS establecen la integridad funcional y estructural de las biopelículas y se consideran el componente fundamental que determina las propiedades fisicoquímicas de una biopelícula. [2]
Los EPS están compuestos principalmente por polisacáridos (exopolisacáridos) y proteínas, pero incluyen otras macromoléculas como ADN , lípidos y sustancias húmicas . Los EPS son el material de construcción de los asentamientos bacterianos y permanecen adheridos a la superficie exterior de la célula o se secretan en su medio de crecimiento. Estos compuestos son importantes en la formación de biopelículas y la unión de las células a las superficies. Los EPS constituyen del 50% al 90% de la materia orgánica total de una biopelícula. [2] [3] [4]
Los exopolisacáridos (también abreviados a veces como EPS ; en lo sucesivo, azúcares EPS ) son las partes basadas en azúcar de los EPS. Los microorganismos sintetizan un amplio espectro de polisacáridos multifuncionales que incluyen polisacáridos intracelulares, polisacáridos estructurales y polisacáridos o exopolisacáridos extracelulares. Los exopolisacáridos generalmente consisten en monosacáridos y algunos sustituyentes que no son carbohidratos (como acetato , piruvato , succinato y fosfato ). Debido a la amplia diversidad de composición, los exopolisacáridos han encontrado diversas aplicaciones en diversas industrias alimentaria y farmacéutica. Muchos azúcares EPS microbianos proporcionan propiedades que son casi idénticas a las gomas que se utilizan actualmente. Con enfoques innovadores, se están realizando esfuerzos para reemplazar las gomas de plantas y algas utilizadas tradicionalmente por sus contrapartes microbianas. Además, se ha logrado un progreso considerable en el descubrimiento y desarrollo de nuevos azúcares EPS microbianos que poseen nuevas aplicaciones industriales. [5]
Función
Los exopolisacáridos capsulares pueden proteger a las bacterias patógenas contra la desecación y la depredación y contribuir a su patogenicidad. [6] Las bacterias que existen en las biopelículas son menos vulnerables en comparación con las bacterias planctónicas, ya que la matriz de EPS puede actuar como una barrera protectora de difusión. [7] Las características físicas y químicas de las células bacterianas pueden verse afectadas por la composición del EPS, lo que influye en factores como el reconocimiento celular, la agregación y la adhesión en sus entornos naturales. [7] Además, la capa de EPS actúa como una trampa de nutrientes, lo que facilita el crecimiento bacteriano. [7]
Los exopolisacáridos de algunas cepas de bacterias del ácido láctico, por ejemplo, Lactococcus lactis subsp. cremoris, aportan una textura gelatinosa a los productos lácteos fermentados (p. ej., Viili ), y estos polisacáridos también son digeribles. [8] [9] Un ejemplo del uso industrial de exopolisacáridos es la aplicación de dextrano en panettone y otros panes en la industria de la panadería. [10]
Ecología
Los exopolisacáridos pueden facilitar la unión de bacterias fijadoras de nitrógeno a las raíces de las plantas y las partículas del suelo, lo que media una relación simbiótica. [11] Esto es importante para la colonización de raíces y la rizosfera , que es un componente clave de las redes tróficas del suelo y el ciclo de nutrientes en los ecosistemas. También permite la invasión e infección con éxito de la planta huésped. [11]
Las sustancias poliméricas extracelulares bacterianas pueden ayudar en la biorremediación de metales pesados, ya que tienen la capacidad de adsorber cationes metálicos, entre otras sustancias disueltas. [12] Esto puede ser útil en el tratamiento de sistemas de aguas residuales, ya que las biopelículas pueden unirse y eliminar metales como el cobre, el plomo, el níquel y el cadmio. [12] La afinidad de unión y la especificidad del metal de los EPS varía, dependiendo de la composición del polímero, así como de factores como la concentración y el pH. [12]
En un contexto geomicrobiológico , se ha observado que los EPS afectan la precipitación de minerales, particularmente carbonatos . [13] El EPS también puede unirse y atrapar partículas en suspensiones de biopelícula, lo que puede restringir la dispersión y el ciclo de los elementos. [13] El EPS puede aumentar la estabilidad de los sedimentos, ya que influye en la cohesión, la permeabilidad y la erosión del sedimento. [13] Existe evidencia de que la capacidad de adhesión y unión de metales del EPS afecta las tasas de lixiviación de minerales tanto en contextos ambientales como industriales. [13] Estas interacciones entre EPS y el entorno abiótico permiten que EPS tenga un gran impacto en el ciclo biogeoquímico .
Las interacciones depredador-presa entre las biopelículas y los bacterívoros, como el nematodo Caenorhabditis elegans, que habita en el suelo, se han estudiado ampliamente. Mediante la producción de matriz pegajosa y la formación de agregados, las biopelículas de Yersinia pestis pueden prevenir la alimentación al obstruir la boca de C. elegans. [14] Además, las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa pueden impedir la movilidad deslizante de C. elegans, denominada "fenotipo de atolladero", lo que provoca la captura de C. elegans dentro de las biopelículas y evita la exploración de nematodos para alimentarse de biopelículas susceptibles. [15] Esto redujo significativamente la capacidad de los depredadores para alimentarse y reproducirse, promoviendo así la supervivencia de las biopelículas.
Nuevo uso industrial
Debido a la creciente necesidad de encontrar una alternativa más eficiente y respetuosa con el medio ambiente a los métodos convencionales de eliminación de residuos, las industrias están prestando más atención a la función de las bacterias y sus azúcares EPS en la biorremediación . [dieciséis]
Los investigadores descubrieron que la adición de azúcares EPS de cianobacterias a las aguas residuales elimina los metales pesados como el cobre, el cadmio y el plomo. [16] Los azúcares EPS por sí solos pueden interactuar físicamente con estos metales pesados y absorberlos a través de la biosorción . [16] La eficiencia de eliminación se puede optimizar tratando los azúcares EPS con diferentes ácidos o bases antes de agregarlos a las aguas residuales. [16] Algunos suelos contaminados contienen altos niveles de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP); EPS de la bacteria Zoogloea sp . y el hongo Aspergillus niger , son eficaces para eliminar estos compuestos tóxicos. [17] Los EPS contienen enzimas como la oxidorreductasa y la hidrolasa , que son capaces de degradar los HAP. [17] La cantidad de degradación de PAH depende de la concentración de EPS añadidos al suelo. Este método demuestra ser de bajo costo y altamente eficiente. [17]
En los últimos años, se ha descubierto que los azúcares EPS de las bacterias marinas aceleran la limpieza de los derrames de petróleo. [18] Durante el derrame de petróleo de Deepwater Horizon en 2010, estas bacterias productoras de EPS pudieron crecer y multiplicarse rápidamente. [18] Más tarde se descubrió que sus azúcares EPS disolvieron el aceite y formaron agregados de aceite en la superficie del océano, lo que aceleró el proceso de limpieza. [18] Estos agregados de aceite también proporcionaron una valiosa fuente de nutrientes para otras comunidades microbianas marinas. Esto permitió a los científicos modificar y optimizar el uso de azúcares EPS para limpiar derrames de petróleo. [18]
Lista de sustancias poliméricas extracelulares
- acetano ( Acetobacter xylinum )
- alginato ( Azotobacter vinelandii )
- celulosa ( Acetobacter xylinum )
- quitosano ( Mucorales spp. )
- curdlan ( Alcaligenes faecalis var. myxogenes )
- cyclosophorans ( Agrobacterium spp., Rhizobium spp. y Xanthomonas spp.)
- dextrano ( Leuconostoc mesenteroides , Leuconostoc dextranicum y Lactobacillus hilgardii )
- emulsan ( Acinetobacter calcoaceticus )
- galactoglucopolisacáridos ( Achromobacter spp., Agrobacterium radiobacter , Pseudomonas marginalis , Rhizobium spp. y Zooglea 'spp.)
- galactosaminogalactano ( Aspergillus spp. )
- gellan ( Aureomonas elodea y Sphingomonas paucimobilis )
- glucuronano ( Sinorhizobium meliloti )
- N-acetilglucosamina ( Staphylococcus epidermidis )
- N-acetil-heparosano ( Escherichia coli )
- ácido hialurónico ( Streptococcus equi )
- indican ( Beijerinckia indica )
- kefiran ( Lactobacillus hilgardii )
- lentinan ( Lentinus elodes )
- levano ( Alcaligenes viscosus , Zymomonas mobilis , Bacillus subtilis )
- pululano ( Aureobasidium pullulans )
- escleroglucano ( Sclerotium rolfsii , Sclerotium delfinii y Sclerotium glucanicum )
- esquizofilo ( Schizophylum commune )
- stewartan ( Pantoea stewartii subsp. stewartii )
- succinoglicano ( Alcaligenes faecalis var. myxogenes , Sinorhizobium meliloti )
- xantano ( Xanthomonas campestris )
- welan ( Alcaligenes spp.)
Ver también
- Matriz extracelular en organismos multicelulares
- Exopolímero
Referencias
- ^ Staudt C, Horn H, Hempel DC, Neu TR (2004). "Medidas volumétricas de células bacterianas y glicoconjugados de sustancia polimérica extracelular en biopelículas". Biotechnol. Bioeng . 88 (5): 585–92. doi : 10.1002 / bit.20241 . PMID 15470707 .
- ^ a b Flemming, Hans-Curt; Wingender, Jost; Griebe, Thomas; Mayer, Christian (21 de diciembre de 2000), "Propiedades físico-químicas de las biopelículas", en LV Evans (ed.), Biopelículas: avances recientes en su estudio y control , CRC Press, p. 20, ISBN 978-9058230935
- ^ Donlan, Rodney M. (septiembre de 2002). "Biofilms: vida microbiana en superficies" . Enfermedades infecciosas emergentes . 8 (9): 881–890. doi : 10.3201 / eid0809.020063 . PMC 2732559 . PMID 12194761 .
- ^ Donlan RM, Costerton JW (2002). "Biofilms: mecanismos de supervivencia de microorganismos clínicamente relevantes" . Clin. Microbiol. Rev . 15 (2): 167–93. doi : 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002 . PMC 118068 . PMID 11932229 .
- ^ Suresh y Mody (2009). "Exopolisacáridos microbianos: variedad y aplicaciones potenciales". Producción microbiana de biopolímeros y precursores de polímeros . Prensa Académica Caister. ISBN 978-1-904455-36-3.[ página necesaria ]
- ^ Ghosh, Pallab Kumar; Maiti, Tushar Kanti (2016). "Estructura de polisacáridos extracelulares (EPS) producidos por rizobios y sus funciones en la simbiosis entre leguminosas y bacterias: - una revisión" . Logros en Ciencias de la Vida . 10 (2): 136–143. doi : 10.1016 / j.als.2016.11.003 .
- ^ a b c Harimawan, Ardiyan; Ting, Yen-Peng (octubre de 2016). "Investigación de las propiedades de las sustancias poliméricas extracelulares (EPS) de P. aeruginosa y B. subtilis y su papel en la adhesión bacteriana". Coloides y superficies B: Biointerfaces . 146 : 459–467. doi : 10.1016 / j.colsurfb.2016.06.039 . PMID 27395039 .
- ^ Welman AD (2009). "Explotación de exopolisacáridos de bacterias del ácido láctico". Polisacáridos bacterianos: innovaciones actuales y tendencias futuras . Prensa Académica Caister. ISBN 978-1-904455-45-5.[ página necesaria ]
- ^ Ljungh A, Wadstrom T (editores) (2009). Biología molecular de Lactobacillus: de la genómica a los probióticos . Prensa Académica Caister. ISBN 978-1-904455-41-7.CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )[ página necesaria ]
- ^ Ullrich M (editor) (2009). Polisacáridos bacterianos: innovaciones actuales y tendencias futuras . Prensa Académica Caister. ISBN 978-1-904455-45-5.CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )[ página necesaria ]
- ^ a b Ghosh, Pallab Kumar; Maiti, Tushar Kanti (2016). "Estructura de polisacáridos extracelulares (EPS) producidos por rizobios y sus funciones en la simbiosis entre leguminosas y bacterias: - una revisión" . Logros en Ciencias de la Vida . 10 (2): 136–143. doi : 10.1016 / j.als.2016.11.003 .
- ^ a b c Pal, Arundhati; Paul, AK (marzo de 2008). "Sustancias poliméricas extracelulares microbianas: elementos centrales en la biorremediación de metales pesados" . Revista India de Microbiología . 48 (1): 49–64. doi : 10.1007 / s12088-008-0006-5 . PMC 3450203 . PMID 23100700 .
- ^ a b c d Tourney, Janette; Ngwenya, Bryne T. (29 de octubre de 2014). "El papel de las sustancias poliméricas extracelulares bacterianas en geomicrobiología". Geología química . 386 (Suplemento C): 115-132. Código bibliográfico : 2014ChGeo.386..115T . doi : 10.1016 / j.chemgeo.2014.08.011 .
- ^ Atkinson, Steve; Goldstone, Robert J .; Joshua, George WP; Chang, Chien-Yi; Patrick, Hannah L .; Cámara, Miguel; Wren, Brendan W .; Williams, Paul (6 de enero de 2011). "El desarrollo de biopelículas en Caenorhabditis elegans por Yersinia es facilitado por la represión dependiente de la detección de quórum de la secreción de tipo III" . PLOS Patógenos . 7 (1): e1001250. doi : 10.1371 / journal.ppat.1001250 . PMC 3017118 . PMID 21253572 .
- ^ Chan, pastor Yuen; Liu, Sylvia Yang; Seng, Zijing; Chua, Song Lin (21 de septiembre de 2020). "La matriz de la biopelícula altera la motilidad de los nematodos y el comportamiento depredador". El diario ISME . 15 (1): 260–269. doi : 10.1038 / s41396-020-00779-9 . PMC 7852553. PMID 32958848 .
- ^ a b c d Mota, Rita; Rossi, Federico; Andrenelli, Luisa; Pereira, Sara Bernardes; De Philippis, Roberto (septiembre de 2016). "Polisacáridos liberados (RPS) de Cyanothece sp. CCY 0110 como biosorbente para la biorremediación de metales pesados: interacciones entre metales y sitios de unión de RPS". Microbiología y Biotecnología Aplicadas . 100 (17): 7765–7775. doi : 10.1007 / s00253-016-7602-9 . PMID 27188779 . S2CID 15287887 .
- ^ a b c Jia, Chunyun; Li, Peijun; Li, Xiaojun; Tai, Peidong; Liu, Wan; Gong, Zongqiang (1 de agosto de 2011). "Degradación del pireno en suelos por sustancias poliméricas extracelulares (EPS) extraídas de cultivos líquidos". Bioquímica de procesos . 46 (8): 1627-1631. doi : 10.1016 / j.procbio.2011.05.005 .
- ^ a b c d Gutiérrez, Tony; Berry, David; Yang, tintineo; Mishamandani, Sara; McKay, Luke; Teske, Andreas; Aitken, Michael D. (27 de junio de 2013). "Papel de los exopolisacáridos bacterianos (EPS) en el destino del petróleo liberado durante el derrame de petróleo de Deepwater Horizon" . PLOS ONE . 8 (6): e67717. Código bibliográfico : 2013PLoSO ... 867717G . doi : 10.1371 / journal.pone.0067717 . PMC 3694863 . PMID 23826336 .
enlaces externos
- EPS, BioMineWiki