BIOPOLIMEROS, POLIHIDROXIALCANOATOS (PHAs)

Autoría

Talentos TecnoParque Nodo Medellín

RESUMEN

La producción de polihidroxialcanoatos, constituye una comprometedora solución a problemas ambientales causados por polímeros provenientes de derivados del petróleo, ya que debido a importantes propiedades como su biodegradabilidad hacen que materiales compuestos por estos, no se acumulen en el ambiente; es así como, se le atribuyen a estos una gran cantidad de aplicaciones que van desde la elaboración de empaques para alimentos hasta una prótesis humana (biocompatibilidad).

ABSTRACT

The Production of polyhydroxyalkanoates, represents a compromising solution to the enviromental issues caused by the oil based polimers, since important properties such as their biodegradibility make that those materials composed of it,  do not accumulate on the enviroment; that is how those are ascribed with a big range of applications going from food wraping to human prosthesis manufacturing (biocompatibility)".

1. INTRODUCCION.

Los polihidroxialcanoatos (PHAs ó polímeros de hidroxialcanoato) son biopoliesteres producidos por muchas especies de bacterias, las cuales los almacenan como fuentes de carbono y energía bajo condiciones limitadas de nutrientes en presencia de un exceso de carbono en el medio [10]; estos se almacenan en forma de gránulos en el citoplasma, el número de gránulos depende de la presencia de ‘phasins’ las cuales son proteínas estructurales amfifílicas que se producen en la superficie del gránulo [22]. Se ha reportado que estos pueden alcanzar niveles de hasta del 90% en peso seco dentro de las células [1], además todos ellos son completamente degradables a dióxido de carbono y agua a través de la mineralización microbiológica natural [10]; su catálisis se da en muchos microorganismos, para estos emplean despolimerasas tanto intra como extra celulares [6].

Los criterios de reserva de los polihidroxialcanoatos por parte de los microorganismos, son los siguientes [14]:

   Se debe acumular en condiciones en las que la energía proveniente del exterior esté en exceso por encima de la necesidad que tiene la célula para crecer y mantenerse.

   El componente debe ser utilizado por la célula cuándo el aporte de la energía del exterior no sea suficiente para mantener los procesos de crecimiento, división o viabilidad celular.

    El compuesto debe degradarse para producir energía asimilable por la célula.

   A partir del compuesto de reserva la célula debe obtener energía que permita sobrevivir en un ambiente desfavorable.

En general, los PHAs están conformados por varias repeticiones de un mismo monómero; se han encontrado cerca de 100 tipos diferentes de monómeros incorporados a los PHAs, los cuales incluyen unidades de hidroxialcanoatos que van de 2-6 hidroxiácidos sustituidos con un amplio rango de grupos entre los cuales se encuentran: Alquil, aril, alquenil, alojen, ciano, epoxi, eter, y grupos ácidos (Ver figura 1). Aún se estipula que el número de monómeros que conforman los PHAs puede incrementarse. [1]

Inicialmente, en 1988 los gránulos de PHAs en las bacterias fueron observados a través del microscopio por Beijerinck [4]; después se dio el descubrimiento de los polihidroxibutiratos (P(3HB)) en el Bacillus megaterium en 1926 por el microbiólogo Francés Maurice Lemoigne, el cuál también realizó su aislamiento y caracterización en 1926 en el instituto paster en Paris [3]; desde entonces se ha encontrado una amplia variedad de PHAs con diferentes propiedades en más de 90 géneros de bacterias [10].

En los años 80, la compañía británica “Imperial Chemical industries (ICI)”, desarrolló un proceso comercial no sólo para producir los poli (3HB), también para producir un copolímero llamado poli-R-3-hidroxibutirato-co-R-3-hidorxivalerato, ó poli (3HB-co-3HV); ambos fueron producidos bajo el nombre de Biopol e inicialmente su función era ser el reemplazo de plásticos derivados del petróleo; posteriormente, fueron ampliándose las perspectivas de uso, siendo una de las principales el empleo de estos como materiales biomédicos [2, 1]

A mediados de los 90s la compañía ICI vendió sus biopolímeros a la compañía “Monsanto”, y finalmente en el año 2001 la compañía americana “Metabolix” adquirió los activos de “Monsanto” y ha desarrollado la manufactura de estos biopolímeros transgénicos a través de campos como la fermentación y la biotecnología agrícola. Los avances más recientes respecto al uso biomédico de los PHAs tienen que ver con el campo de la ingeniería de tejidos.

La compañía americana “Tepha” se dedica actualmente al desarrollo de una amplia gama de productos basados en la ingeniería de tejidos con el fin de desarrollar una gran cantidad de dispositivos médicos; como respuesta a la gran actividad investigativa desarrollada se han aumentado ó expandido el número de materiales empleados, incluyendo tres biopolímeros más los cuales son: , poli-R-3-hidroxioctanoato-co-R-3-hidroxihexanoato (poly(3-HO-co-3HH)), poli-4-hidroxibutirato (poli-(4HB)), y poli-R-3-hidroxibutirato-co-4-hidroxibutirato (poly(3HB-co-4HB)), ampliando así el número de polímeros empleados para la investigación médica a 5 (ver figura 2).La composición y las propiedades físicas de los PHAs producidos, dependen tanto de los microorganismos como de la fuente de carbono empleada [7].

2. Clasificación

De acuerdo con la longitud de la cadena de carbonos, los PHAs se dividen en tres grupos:

2.1 PHAs de cadena corta (SCL): Estos son (R)-hidroxialcanoatos cuyos monómeros están compuestos de 3-5 carbonos, son termoplásticos con un alto grado de cristalización [10]; estos forman cristales tiesos lo que los hace menos flexibles [13]

2.2 PHAs de cadena larga (MCL): Están constituidos por monómeros cuya longitud de cadena de entre 6-14 carbonos y pueden ser alifáticos ó aromáticos. Este tipo de biopoliesters poseen valiosas propiedades mecánicas, son hidrofóbicos, elásticos, poseen un bajo grado de cristalización (elastómeros semicristalinos termoplásticos) y una baja temperatura de fusión, al igual que todos los PHAs son biodegradables y biocompatibles [10].

2.3 SCL-MCL PHAs (Copolímeros): Estos consisten en monómeros cuya longitud de cadena está comprendida entre 4-14 carbonos, poseen un amplio rango de propiedades físicas dependiendo del porcentaje de la composición en moles de los diferentes monómeros incorporados al polímero, así por ejemplo, los copolímeros que poseen un bajo porcentaje de monómeros SCL son más elastoméricos [13].

3. Estructuras y propiedades de PHAs útiles comercialmente

3.1 Homopolímero P (3HB): Como su nombre lo indica, este homopolímero está conformado por unidades repetidas de (R)-3HB, es producido por varias bacterias de manera natural.

El P (3HB), constituye un material quebradizo y propenso a romperse, lo cuál limita sus aplicaciones [4]

3.3 Copolímeros de (R)3HB con HAs: Varios tipos de bacterias son capaces de sintetizar copolímeros de (R)-3HB con otras unidades de HA de 3-12 carbonos, dependiendo de su ruta de biosíntesis y de la fuente de carbono empleada. Las tablas 1 y 2 muestran las estructuras típicas de copolímeros de PHAs que contienen subunidades de (R)3HB [22]. Una de las principales ventajas de estos copolímeros es que su punto de fusión es mucho más bajo, son menos cristalinos, más dúctiles, fáciles de moldear y duros, es por esto que, son posibles candidatos para componer materiales cómodos [4].

4. Producción comercial

Actualmente hay varias empresas a nivel mundial dedicadas a la producción de PHAs como Kaneka en Japon, P&G Chemical, BP y Metabolix en Estados Unidos. Kaneka y P&G Chemical se han unido para producir un producto llamado  Nodax (o también conocido como Nodak™) el cual es un PHA especializado, que hasta el momento ha sido usado para producir fibras de plástico, y recipientes moldeados como plastos y vasos. [5] Adicionalmente diversos investigadores pertenecientes a la multinacional Monsanto desarrollaron plantas transgénicas que produjeron satisfactoriamente copolimeros de PHBV en plastidios de A. thaliana y B. napus. [17]

Los copolímeros de 3-hidroxibutirato-co-hidroxivalerato (PHB/V) y el homopolímero-3-hidroxibutirato (PHB), son por el momento los únicos hidroxialcanoatos de origen bacteriano comercialmente viables y conocidos bajo la marca “Biopol”. Estos polímeros además de su biodegradabilidad poseen propiedades físicas y químicas similar a los termoplásticos convencionales y se pueden procesar usando las técnicas convencionales como extrusión, inyección por moldeo y soplado; originalmente obtenidos por ICI/Zeneca ahora hacen parte del portafolio de productos de Monsanto [14].

El ICI en su planta en Zeneca tiene una capacidad de producción de 660000 Lb/año de PHBV, aislado a través de métodos enzimáticos; el producto es potencialmente accesible es suspensión concentrada de gránulos (latex,), spray de polvo seco, o reformulado en pellets. [14]

La Chemie-Linz de Austria es otra planta que produce PHB por Alcaligenes latus, esta usa en sus procesos de extracción solventes para separar el polímero, además proponen el uso de agentes nucleótidos biológicamente seguros y plastificantes biocompatibles en mezcla con el PHB para realzar el rango de propiedades, haciéndolo comparable con el PHBV [14].

5. Consideraciones económicas

El costo es el principal factor que inhibe el uso del PHBV por ejemplo, a pesar de su número de aplicaciones; se estima que a niveles de producción del orden de 660000 libras/ año el precio es de U.S.$8-10/lb el cuál es difícil para competir contra precios del polipropileno del orden de U.S $0.30-0.45/lb [14].

El costo de producción del PHBV depende básicamente de: La fuente de carbono, el proceso de fermentación y del aislamiento y la purificación del polímero; actualmente, se han realizado avances en los procesos de fermentación, la tecnología de extracción de polímeros así como en el estudio de sustratos alternativos de bajo costo como el metanol, las melazas, lo que ha permitido hacer mucho más competitiva la producción de PHAs. Los costos de sustratos por tonelada métrica de PHB producidos han sido estimados[14].

Debido a que los costos de producción de los polihidroxialcanoatos en bacterias son muy elevados comparados con los de los plásticos derivados del petróleo (excepto en el caso de que la producción se haga para aplicaciones medicas), se han buscado varias alternativas, una de ellas es el uso de sistemas eucarioticos tales como levaduras, semillas y las plantas transgénicas; estas últimas poseen una ventaja comparable frente a los demás sistemas ya que, requieren de más bajos costos considerando que sistemas como las bacterias y levaduras necesitan altas condiciones de esterilización y procesos de fermentación bastante costosos al igual que una fuente de energía externa como la electricidad por ejemplo. La producción en plantas es menos costosa debido a que este sistema sólo requiere de agua, nutrientes del suelo, CO₂ atmosférico y la luz del sol, además de ser un proceso amistoso con el ambiente.

6. IMPORTANCIA (Propiedades, ventajas y desventajas)

Su importancia radica en que estos biopolímeros poseen una amplia gama de aplicaciones, en campos como la biomédica, la cosmetología y aplicaciones industriales; entre sus principales propiedades se encuentra la biodegradabilidad, además de una gran cantidad de ventajas [2]:

ü  Bioreabsorbible

ü  Biocompatible (sin esta propiedad, sería imposible hablar de aplicaciones médicas)

ü  Endógenos

ü  Fotoresistentes

ü  Resistentes al calor.

ü  Termo-moldeables

ü  Barreras de oxígeno

ü  Hidrofóbicos

ü  Nanomerizable

ü  No tóxicos

ü  Resistentes a químicos

ü  En los procesos de separación y purificación no son necesarios solventes peligrosos

ü  El proceso de producción es continuo y escalable

ü  El proceso completo es amigable con el medio ambiente

ü  Bajas probabilidades de contaminación cruzada debido a organismos vivos   modificados.

Quizás la biocompatibilidad es una de las propiedades de los PHAs más estudiadas actualmente, ya que gracias a esta se han logrado una gran cantidad de desarrollos en el campo de la biomedica [1]; de este modo el PHBV por ejemplo es un polímero atóxico y compatible con los tejidos vivos, siendo su único producto de degradación el ácido R-β-hidroxibutírico el cuál es un metabolito encontrado normalmente en los mamíferos en concentraciones de 3-10 mg/100ml de sangre en humanos saludables; además, el PHB de bajo peso molecular aunque ha sido detectado primordialmente en la albúmina también se encuentra en lipoproteínas de baja densidad presentes en la sangre humana [14].

Algunos de los monómeros incorporados en los PHAs se encuentran presentes in vivo, y tanto su metabolismo como su excreción son factores conocidos; así por ejemplo, el componente monomérico del poli (3HB) el acido R-3-hidroxibutanoico, es un metabolito normal encontrado en la sangre humana a concentraciones entre 3-10 mg por 100 ml en la sangre de adultos, además ha sido empleado como solución de irrigación en cirugías oculares para mantener los tejidos [1]

Otro componente monomérico importante es el ácido 4-hidroxibutanoico, el cuál es un componente del poli (4HB), este se encuentra naturalmente en el cuerpo de los mamíferos en partes como el cerebro, riñón, corazón, hígado, pulmón y músculo; ha sido empleado durante aproximadamente 35 años como un agente intravenoso para la inducción de la anestesia y para largos periodos de sedación, este es uno de los tratamientos más prometedores para la narcolepsia. Además de haber detectado la presencia de algunos monómeros de PHAs en humanos, bajas formas de bajo peso molecular de poli (3HB) han sido detectadas en algunos tejidos [1].

Aplicaciones típicas del PHBV en hospitales podrían ser algodones quirúrgicos, gasas y vendajes para heridas, polvos lubricantes en guantes quirúrgicos, injertos vasculares, vasos sanguíneos, implantes quirúrgicos de PHB y PHBV [14].

Otra propiedad que representa un gran interés en la actualidad es la biodegradabilidad, ya que pueden crease materiales cuya biodegradación sea la característica funcional del producto: también cabe resaltar que la quiralidad del polímero permite su uso en otras aplicaciones como en el caso de bloques quirales para la síntesis orgánica [14].

Una de las aplicaciones más comunes del PHBV se da en la elaboración de recipientes para empacar poliolefinas, aceite de motor y para elaborar aquellos artículos difíciles de separar y reciclar como películas de cocina, pañales y servilletas sanitarias; al ser un material que no deja pasar los gases, ofrece ventajas para ser usado en la industria de empaques para alimentos, cubiertas en papel y películas o reemplazar al poli (etileno-tereftalato) para las botellas plásticas de las bebidas. Algunas de las aplicaciones del PHBV son más especializadas como es el caso de la liberación de una sustancia sobre un medio a medida que su empaque va pasando por un procesos de biodegradación (insecticidas, drogas microcapsulas, píldoras) [14].

7. MICROORGANISMOS

Muchos factores necesitan ser considerados en la selección de los microorganismos adecuados para la producción industrial de PHAs como: la habilidad de la célula para crecer en fuentes de carbón no muy costosas, la velocidad o rata de crecimiento, la velocidad de síntesis del polímero y la máxima cantidad posible de polímero acumulada por la célula según el sustrato disponible, diversos trabajos hasta el momento han derivado ecuaciones que predicen los rendimientos de PHA según la fuente de carbono usada, lo cual puede ser bastante útil para realizar cálculos previos de dichos rendimientos.[15]

El aislamiento de cada uno de los microorganismos usados para la producción de PHAs está directamente relacionada si este es nativo o recombinante, en el primer caso su identificación y selección debe realizarse mediante técnicas microbiológicas (pruebas bioquímicas, caracterización morfológica, etc), en el segundo caso debido a que dichos microorganismos han sido modificados genéticamente usualmente mediante la inserción de plásmidos, su identificación y selección se realiza mediante técnicas especificas según las propiedades de dichos plásmidos (antibiogramas, degradación o no especifica de sustratos, etc). También se han mostrado estudios que permiten identificar productores de PHAs mediante el uso de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). [10]

Entre los microorganismos más trabajados podemos mencionar la Ralstonia eutrophus, Aeromonas caviae. [5],  Alcaligenes latus, Pseudomonas putida CA-3,  Metilobacterias, bacterias fotosintéticas no sulfurantes, productores naturales de PHA recombinantes,  y la producción de PHAs en células eucariotas (Organismos superiores)

8. SUSTRATOS

En la producción de PHA se debe tener muy en cuenta el costo del sustrato que permita reducir el costo final del biopolímero, por lo tanto el uso de productos agrícolas y sus coproductos cumplen con tal propósito.

En la actualidad la producción de PHAs ya sea por cepas nativas o recombinantes es llevado a cabo en cultivos fed-batch de dos etapas, una fase para el crecimiento celular y otra fase para la producción. En la fase de crecimiento celular el medio enriquecido nutricionalmente es usado para obtener la mayor cantidad de células posibles (biomasa), mientras que en la fase de producción el crecimiento es detenido mediante la disminución de algunos nutrientes como nitrógeno, fosforo, oxigeno o magnesio, que están asociados al crecimiento celular, esta disminución actúa como un potencializador que dispara la ruta metabólica de la síntesis de PHAs. [20] Azucares tales como glucosa y sacarosa son las fuentes de carbono más ampliamente usadas puesto que presentan un costo relativamente bajo, pero que el costo de los plásticos producidos a partir de estas fuentes de carbono sigue siendo más alto en comparación con los plásticos producidos por otras rutas (derivados del petróleo) [5]. Gracias a que ya se ha optimizado  la producción de PHAs en muchos microorganismos a partir de glucosa y sacarosa, se da entonces la oportunidad de buscar fuentes alternativas de carbono un poco más económicas y rentables como aceites de plantas, ácidos grasos, residuos industriales y agrícolas y hasta CO₂. [20]

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