1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de la civilización humana está estrechamente relacionado con el medio ambiente. Pero con la aparición de una sociedad altamente industrializada, los peligros de la interferencia humana con la naturaleza han aumentado considerablemente. El impacto nocivo sobre el medio ambiente es un problema general que afecta a la biodiversidad y a la salud humana.
El carácter global de la contaminación ambiental en los últimos años exige la adopción de medidas adecuadas para prevenir este proceso y eliminar las fuentes de contaminación existentes. Es necesario desarrollar nuevos enfoques, incluidas biotecnologías fundamentalmente nuevas, basadas sobre todo en el uso de métodos microbiológicos.
Este enfoque consiste en la aplicación de procesos de remediación para devolver las zonas contaminadas a su estado natural. Las tecnologías existentes para la rehabilitación de entornos contaminados se dividen en dos grupos principales: in situ y ex situ. Las tecnologías in situ implican el tratamiento del material contaminado directamente in situ. Las tecnologías ex situ son una opción de remediación en la que el contaminante se retira de su ubicación original y se limpia fuera de la zona contaminada o fuera de ella. Los métodos de remediación aplicados en cada caso concreto de un entorno contaminado vienen determinados por el tipo y el alcance de la contaminación, así como por las características del propio terreno.
Entre los diversos métodos de remediación medioambiental, la biorremediación desempeña un papel destacado. Las prácticas modernas de biorremediación incluyen técnicas para eliminar la contaminación o los contaminantes de los suelos (capa superficial, subsuelo y sedimentos), las aguas (tanto del subsuelo como de la superficie) y el aire.
La biorremediación es un proceso natural y sostenible utilizado para eliminar o reducir la contaminación del suelo y el agua mediante el uso de organismos vivos como bacterias, hongos filamentosos, levaduras, algas y plantas para tratar, degradar o transformar los compuestos tóxicos del agua o el suelo. Este enfoque eficaz y respetuoso con el medio ambiente para remediar las regiones contaminadas es una rama de la biotecnología que pretende superar los factores limitantes que ralentizan el ritmo de biodegradación.
Principales métodos de biorremediación:
- atenuación natural, en la que hay poca o ninguna intervención humana;
- bioestimulación: adición de nutrientes y donantes/aceptores de electrones para promover el crecimiento o el metabolismo de determinados microorganismos;
- bioaumentación: adición deliberada de microorganismos naturales o creados artificialmente.
Principales ventajas de la biorremediación:
- respeto del medio ambiente: el método utiliza procesos naturales, lo que minimiza la necesidad de productos químicos y reduce la contaminación secundaria;
- еficiencia económica: en comparación con los métodos tradicionales, como excavar y retirar el suelo contaminado, la biorremediación suele ser más barata y menos invasiva.
- sostenibilidad: tras aplicar con éxito la biorremediación, las zonas afectadas pueden restaurarse y volver a su uso normal, lo que mejora la calidad de vida y la salud de las personas.
Retos de la biorremediación
- la aplicación de procesos microbiológicos en la biorremediación sigue siendo limitada debido a la falta de conocimientos suficientes sobre el potencial metabólico microbiano para la restauración medioambiental;
- limitando la aplicación de la biorremediación debido a los procesos aún poco conocidos que controlan el desarrollo de los microorganismos en las zonas contaminadas.
2. HALLAZGOS
La ómica ambiental se refiere a la aplicación de tecnologías ómicas para comprender y modelizar factores ambientales y genéticos, mecanismos de toxicidad y vías de respuesta. Estudia las características de las biomoléculas en relación con la exposición a diversos factores ambientales y aplica enfoques sistemáticos para avanzar en la comprensión de los procesos biológicos en el contexto del medio ambiente. Estos estudios de alto rendimiento pueden ayudar a identificar nuevos organismos adecuados para la biorremediación y descubrir mecanismos de degradación eficaces a nivel molecular.
2.1. Técnicas ómicas básicas relacionadas con aplicaciones medioambientales
La ómica ambiental pretende comprender mejor los procesos metabólicos de una amplia gama de organismos y/o comunidades microbianas complejas para mejorar la relación fenotipo-genotipo, proporcionando así nuevos conocimientos sobre las moléculas clave en respuesta a los cambios ambientales e información inestimable sobre las comunidades microbianas.
Las principales técnicas ómicas relacionadas con las aplicaciones medioambientales son (Fig. 1):
- Metagenómica: la ciencia de los genomas en una comunidad microbiana. Esta técnica permite identificar nuevas especies y genes funcionales que no pueden cultivarse en condiciones de laboratorio;
- Metatranscriptómica: secuenciación de todo el (meta)transcriptoma de la comunidad microbiana para revelar los genes expresados activamente y las funciones microbianas en unas condiciones y un intervalo de tiempo determinados;
- Metaproteómica: ciencia ómica emergente que proporciona información sobre todas las proteínas presentes en las comunidades microbianas en un intervalo de tiempo determinado;
- Metabolómica: identificación y cuantificación de todos los metabolitos de una muestra, el indicador más directo del mantenimiento o la alteración de la homeostasis.;
- La flujómica, una nueva disciplina ómica que se ocupa del análisis de los flujos metabólicos y del fluxoma, capta la imagen real y dinámica de los fenotipos en determinadas condiciones.
Aprende: Principios y flujo de trabajo de la metagenómica (video)
Aprende: Análisis metatranscriptómico: un tutorial: (video)
Aprende: Más información sobre los tipos de metaproteómica (video)
Aprende: Más información sobre metabolómica y metabolómica medioambiental (video)
Las técnicas ómicas proporcionan información inestimable sobre las comunidades microbianas y sus interacciones con el medio ambiente, permiten realizar análisis exhaustivos de los sistemas biológicos y ayudan a descubrir nuevos biomarcadores y mecanismos de adaptación. La combinación de distintas técnicas ómicas ha permitido obtener una imagen más completa de los procesos ecosistémicos y elaborar estrategias de protección del medio ambiente y gestión sostenible de los recursos.
Figura 1. Integración de técnicas ómicas relacionadas con aplicaciones medioambientales (Source:Emwas et al., 2022 ).
2.2. Un enfoque multiómico holístico de la investigación medioambiental
Las comunidades microbianas son cruciales para el funcionamiento de diversos ecosistemas y tienen un impacto crítico en el ciclo de los nutrientes, la agricultura y la salud. Se caracterizan por su interconexión, evidente en las relaciones simbióticas, los intercambios metabólicos y las redes de comunicación que establecen los microbios. Comprender estas complejas relaciones es crucial para descifrar la resistencia y adaptabilidad de las comunidades microbianas a los cambios ambientales y preservar el equilibrio y la resistencia de los ecosistemas. A través de la lente de los nuevos enfoques ómicos y la bioinformática, se revelan las funciones de especies microbianas específicas, sus respuestas a los cambios ambientales y su impacto colectivo en los ciclos biogeoquímicos (Fig. 2). El enfoque multiómico permite a los investigadores obtener una comprensión holística de los sistemas microbianos mediante la elucidación de la expresión génica, las actividades de las proteínas y las vías metabólicas dentro de las comunidades microbianas complejas.
Figura 2. Conectividad del microbioma del ecosistema. (Source:Zhu et al., 2023)
3. ALTERNATIVAS
3.1. Aplicaciones biotecnológicas de las ómicas ecológicas
La ómica ecológica, que utiliza las tecnologías ómicas en un contexto ecológico, tiene una amplia gama de aplicaciones biotecnológicas Martínez-Espinosa et al., 2023. Las principales se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1. Principales aplicaciones biotecnológicas de las ómicas ecológicas
| Aplicación | Esencia |
| Biorremediación | Utilización de microorganismos y enzimas para degradar residuos peligrosos, depurar aguas residuales y suelos y mejorar la acuicultura; un método respetuoso con el medio ambiente y de bajo riesgo para la salud humana.
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| Sustainable agriculture | Aplicación de cultivo celular y de tejidos, recombinación de genes y fermentación microbiana para crear nuevas variedades vegetales con mayor productividad y resistencia a factores de estrés.
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| Bioproducción y biotecnología industrial | Utilizar microorganismos o sus componentes biológicos para desarrollar nuevos procesos de producción que requieran menos recursos y energía y generen menos residuos y emisiones contaminantes.
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| Desarrollo de la bioeconomía | Integrar enfoques biotecnológicos para crear nuevas cadenas de valor que apoyen el crecimiento económico y el empleo, protegiendo al mismo tiempo el medio ambiente.
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4. SOLUCIONES – TÉCNICAS Y ENFOQUES ÓMICOS PARA APLICACIONES BIOTECNOLÓGICAS
Los enfoques ómicos con potencial aplicación biotecnológica en la investigación medioambiental apoyan la comprensión y optimización de las rutas metabólicas, lo que es esencial para la bioproducción industrial (Fig. 11.3).
Figura 11.3. Enfoques ómicos con potencial aplicación en la investigación ambiental. (Sharma et al., 2022)
4.1. Biodegradación de contaminantes peligrosos
La prevalencia del tetracloruro de carbono y el tricloroeteno como contaminantes de las aguas subterráneas se debe en gran medida a su uso habitual como disolventes de limpieza en seco y desengrasantes de metales y a su eliminación inadecuada. La biotecnología ofrece nuevas oportunidades para la biodegradación del tricloroeteno, el tricloroeteno y el metabolito tóxico cis-dicloroeteno (cDCE). Un ejemplo es la cepa JS666 de Polaromonas sp., que es el único aislado bacteriano capaz de utilizar el cis-dicloroeteno (cDCE).
Posibles aplicaciones de Polaromonas sp. en biorremediación y biocatálisis: https://doi.org/10.1128/AEM.00031-09
4.2. Potencial de las tecnologías ómicas para la biorremediación de metales pesados
Las tecnologías ómicas desempeñan un papel clave en la optimización de las técnicas de biorremediación para eliminar o neutralizar los metales pesados del medio ambiente:
- Descubrimiento de organismos resistentes: identificación de los genes responsables de la resistencia y acumulación de metales pesados.
- Descubrimiento de mecanismos de detoxificación: elucidación de las vías bioquímicas por las que los organismos transforman o secuestran los metales pesados.
- Modificación genética: creación de organismos modificados genéticamente con una mayor capacidad para absorber y neutralizar metales pesados.
- Comprender mejor y mejorar los procesos de biorremediación: integración de tecnologías ómicas para el desarrollo de estrategias eficaces de limpieza de entornos contaminados.
La tabla 2 muestra varios ejemplos de aplicaciones de la especie haloarquea Haloferax mediterranei.
Tabla 2. Algunas aplicaciones importantes de las tecnologías ómicas con microorganismos para la biorremediación de metales pesados
| Haloferax mediterranei | Aplicación |
| – Biorremediación para la eliminación de cobre en aguas residuales con altas concentraciones de nitratos, nitritos y (per)cloratos. | Llorca & Martínez-Espinosa, 2022
|
| – Tratamiento de aguas residuales con altas concentraciones de sales | Torregrosa-Crespo et al., 2020
|
| – Modelo de producción de polihidroxialcanoatos (PHA) | Wang and Zhang, 2021 |
| – Fuente de enzimas hidrolíticas como las lipasas. | Akmoussi-Toumi et al., 2018 |
| – Fábrica celular para la producción de carotenoides como la bacterioruberina. | Giani et al., 2021 |
4.3. Desarrollo de biosensores innovadores
Los lantánidos (Ln) están atrayendo la atención de los investigadores por su potencial uso en el desarrollo de nuevas tecnologías energéticas verdes. Sin embargo, la preocupación por su impacto en el medio ambiente y la salud humana exige el diseño de biosensores fiables para monitorizar su acumulación e identificar los mecanismos celulares y moleculares de su toxicidad.
La aplicación de enfoques ómicos (fenotipado genómico, análisis proteómico y análisis de fisiología molecular) a un organismo modelo Saccharomyces cerevisiae expuesto a lantánidos revela los genes y vías metabólicas que influyen en la resistencia y toxicidad de los Ln. Mediante la combinación de estos enfoques ómicos, se descubre que los componentes de la pared celular no sólo intervienen en la adsorción de Ln, sino que también son efectores activos de señalización, lo que permite a las células distinguir entre Ln ligero y pesado. Estos estudios allanan el camino para una mejor comprensión de la toxicidad del Ln en eucariotas superiores.
4.4. Aplicación de la ómica ecológica a la agrobiotecnología
La aplicación de enfoques ecoómicos puede ser clave para aumentar el rendimiento de los cultivos sin impactos ambientales negativos, mediante el desarrollo de biofertilizantes o la producción de bioestimulantes.
Las rizobacterias que promueven el crecimiento de las plantas pueden utilizarse como biofertilizantes. Estos microorganismos desempeñan un papel importante en la creación de un entorno ecológico favorable en la rizosfera, reduciendo el uso de fertilizantes químicos y pesticidas, inhibiendo la aparición de plagas y enfermedades, y garantizando el desarrollo sostenible de la agricultura moderna, al tiempo que se alcanza el objetivo de aumentar la producción. La aplicación de técnicas ómicas en los últimos años ha revelado los principales mecanismos por los que las rizobacterias del sistema radicular de las plantas estimulan su crecimiento. En la Tabla 3 se enumeran ejemplos del uso de técnicas ómicas para obtener características de las plantas importantes desde el punto de vista agrícola.
Tabla 3. Aplicaciones de las técnicas proteómicas, transcriptómicas y metabolómicas para el estudio de las rizobacterias y el aumento de su eficiencia.
| Cepas microbianas | Aplicación |
| Bacillus pumilus | Liu et al., 2020 – descubrir el mecanismo de estimulación del crecimiento de las raíces del arroz. |
| Herbaspirillum seropedicae | Irineu et al., 2022 – elucidar los mecanismos moleculares de estimulación de la fase temprana de desarrollo del maíz y de aumento del rendimiento cuando se inocula con la especie microbiana. |
4.5. Solución biotecnológica multiómica para reducir la contaminación por petróleo
La contaminación marina por petróleo, causada principalmente por actividades antropogénicas, es un grave problema medioambiental debido a su impacto negativo en la salud humana y los ecosistemas. Por ejemplo, el incidente causado por la explosión de la plataforma petrolífera Deepwater Horizon situada en el Golfo de México en 2010 provocó una catástrofe ecológica con graves daños para el ecosistema marino. Fueron los métodos de biorremediación los que ayudaron a eliminar por completo el contaminante petrolífero.
Aprende: Cómo se produjo el vertido de petróleo de BP: el desastre de deepwater horizon (video)
Descubrir el trasfondo genómico de los microorganismos que degradan hidrocarburos reviste gran importancia ecológica, ya que contribuye al desarrollo de métodos eficaces para reducir la contaminación por petróleo y mitigar los daños ambientales. La secuenciación de alto rendimiento aporta nuevos conocimientos sobre los mecanismos básicos de los microorganismos que llevan a cabo la degradación del petróleo. Hasta la fecha, se han analizado en profundidad los genomas de varias bacterias degradadoras de hidrocarburos. Estos genomas muestran varias diferencias características (Tabla 4).
Tabla 4. Caracterización de los genomas de diferentes especies bacterianas con capacidad de degradación del petróleo y aplicaciones potenciales en biorremediación.
| Cepas bacterianas | Enfoque ómico | Características obtenidas |
| Alcanivorax borkumensis SK2 | Transcriptómica de novo basada en ARN-seq y análisis metagenómico
|
– Genoma simplificado con pocos genes relacionados con la producción de energía y elementos genéticos móviles, pero con abundancia de genes relacionados con la degradación del petróleo. (Schneiker et al., 2006). |
| Achromobacter sp. HZ01 | de novo transcriptómica basada en ARN-seq y análisis metagenómico
|
– genoma de 5,5 Mbp, un total de 5081 genes anotados;
– la vía metabólica más abundante: el metabolismo de los aminoácidos; – puede utilizar hidrocarburos como fuentes de carbono – abundancia de proteínas directamente relacionadas con la descomposición de los hidrocarburos del petróleo); – un sistema enzimático completo para la degradación oxidativa de n-alcanos, iniciado por el citocromo P450; – degradación de compuestos aromáticos por la vía del catecol – no oxida metano ni cicloalcanos – Se han identificado 150 genes relacionados con la biodegradación y el metabolismo de xenobióticos. – abundancia de genes relacionados con el metabolismo de metabolitos secundarios, incluso para la biosíntesis de biosurfactantes Hong et al., 2017 |
5. RECOMENDACIONES
En los últimos años, la contaminación ambiental ya ha llevado a la Tierra más allá de su estado de homeostasis, lo que demuestra la necesidad de una rápida recuperación y el desarrollo de estrategias para alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU para 2030. Sin embargo, la aplicación de nuevos enfoques no está exenta de desafíos. El uso de tecnologías ómicas en la investigación genera una enorme cantidad de datos científicos, lo que amplía significativamente la información disponible. Sin embargo, en la búsqueda de nuevos conocimientos hay que superar algunos retos de interpretación. Debido a la enorme cantidad y complejidad de los datos, su análisis requiere técnicas especiales basadas en el aprendizaje automático y en grandes matrices. En el caso de los enfoques uniómicos, el procesamiento de datos debe abordar cuestiones de filtrado y limpieza de datos, curación, transformación, normalización y escalado. El análisis multiómico también debe superar retos adicionales relacionados con la integración, fusión, agrupación, visualización y caracterización funcional de los datos.
A pesar de estas posibles dificultades, los enfoques ómicos han permitido observar y medir los sistemas biológicos con una precisión sin precedentes y a un coste cada vez menor, y es sólo cuestión de tiempo que estos enfoques se integren plenamente en las ciencias ambientales.
6. REFERENCES
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Emwas, A.H., Szczepski, K., Al-Younis, I., Lachowicz, J.I., Jaremko, M. (2022) Fluxomics – New Metabolomics Approaches to Monitor Metabolic Pathways. Front Pharmacol. 13, 805782. https://doi.org/10.3389/fphar.2022.805782
Giani, M., Montero-Lobato, Z., Garbayo, I., Vílchez, C., Vega, J. M., Martínez-Espinosa, R.M. (2021) Haloferax mediterranei cells as C50 carotenoid factories. Mar. Drugs 19, 100. https://doi.org/10.3390/md19020100
Hong, Y.H., Ye, C.C., Zhou, Q.Z., Wu, X.Y., Yuan, J.P., Peng, J., Deng, H., Wang, J.H. (2017) Genome Sequencing Reveals the Potential of Achromobacter sp. HZ01 for Bioremediation. Front Microbiol. 8,1507. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.01507
Irineu, L.E.S.d.S., Soares, C.d.P., Soares, T.S., Almeida, F.A.d., Almeida-Silva, F., Gazara, R.K., Meneses, C.H.S.G., Canellas, L.P., Silveira, V., Venancio, T.M., et al. (2023) Multiomic Approaches Reveal Hormonal Modulation and Nitrogen Uptake and Assimilation in the Initial Growth of Maize Inoculated with Herbaspirillum seropedicae. Plants 12, 48. https://doi.org/10.3390/plants12010048
Jennings, L.K., Chartrand, M.M., Lacrampe-Couloume, G., Lollar, B.S., Spain, J.C., Gossett, J,M. (2009) Proteomic and transcriptomic analyses reveal genes upregulated by cis-dichloroethene in Polaromonas sp. strain JS666. Appl Environ Microbiol. 75(11), 3733-44. https://doi.org/10.1128/AEM.00031-09
Liu, S.R., Peng, X.X., Li, H. (2019) Metabolic Mechanism of Ceftazidime Resistance in Vibrio Alginolyticus. Infect. Drug Resist. 12, 417–429. https://doi.org/10.2147/IDR.S179639
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Martínez-Espinosa, R.M., Armengaud, J., Matallana-Surget, S., Olaya-Abril, A. (2023) Editorial: Environmental omics and their biotechnological applications. Front Microbiol. 14, 1165558. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1165558
Schneiker, S., Martins dos Santos, V.A., Bartels, D., Bekel, T., Brecht, M., Buhrmester, J., et al. (2006) Genome sequence of the ubiquitous hydrocarbon-degrading marine bacterium Alcanivorax borkumensis. Nat. Biotechnol. 24, 997–1004. https://doi.org/10.1038/nbt1232
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