Científicos generan un biopolímero a partir del exosqueleto de un camarón endémico de Chile

Se demostró que el exoesqueleto del camarón de vega puede ser una excelente fuente natural para la producción de quitosano con posibles aplicaciones farmacéuticas o para prevenir infecciones asociadas con bacterias patógenas.

Científicos del Centro de Genómica Nutricional Agroacuícola-CGNA estudiaron la síntesis de un biopolímero a partir del exoesqueleto del camarón de vega (Parastacus Pugnax). Se trata de la quitina, uno de los polímeros de origen natural más abundante del planeta, y que se utiliza, principalmente, para producir quitosano mediante un proceso de desacetilación.

En la investigación liderada por el Dr. César Burgos, científico del CGNA, se evaluaron los parámetros óptimos para la síntesis del quitosano. Además, se caracterizó su estructura química, peso molecular, pureza (grado de desacetilación), propiedades fisicoquímicas (solubilidad y viscosidad), espectro de difracción de rayos-X y propiedades biológicas, entre otros parámetros de interés para este tipo de compuestos.

En la Tabla 1 se muestran los resultados de la caracterización química del quitosano, donde se destaca su alto grado de desacetilación o pureza (91,55%) y un peso molecular medio (589,43 kDa). Además, los estudios de actividad antibacteriana del quitosano, evidenciaron una gran eficacia contra bacterias patógenas como Salmonella tiphymurium, Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis y Listeria Monocytogenes.

                               Tabla 1: caracterización fisicoquímica del quitosano

Asimismo, el quitosano presentó un efecto positivo sobre la eliminación de radicales DPPH, tipo de molécula muy inestable y que puede dañar las células. Se determinó que esta actividad antioxidante dependía de la concentración de quitosano y del grado de desacetilación, añadió el Dr. Burgos.

En consecuencia, se demostró que el exoesqueleto del camarón de vega puede ser una excelente fuente natural para la producción de quitosano con posibles aplicaciones farmacéuticas o para prevenir infecciones asociadas con bacterias patógenas.

Fotografía CGNA: La morfología del quitosano fue estudiada por microscopia electrónica de barrido (Figura 1). Se pudo observar que el quitosano presenta una estructura firme y sin porosidad. En algunas partes del quitosano, es posible observar escamas desmenuzadas con una estructura fibrosa. En general, la quitina y el quitosano pueden clasificarse en tres morfologías superficiales: (1) con porosidad y estructura microfibrilar, (2) sin porosidad o estructura microfibrilar, y (3) con solo una estructura microfibrilar.

Entrevista al doctor en Ciencia y Tecnología de los Alimentos del CGNA, César Burgos Díaz :

¿En qué consiste la investigación científica?

R: El estudio “Synthesis of New Chitosan from an Endemic Chilean Crayfish Exoskeleton (Parastacus Pugnax): Physicochemical and Biological Properties” describe la síntesis de quitosano a partir del exoesqueleto de camarón de vega (P. pugnax). El nuevo quitosano fue caracterizado en términos de sus propiedades fisicoquímicas y biológicas (actividad antibacteriana y antioxidante).

¿Qué es el quitosano y cuáles son sus aplicaciones?

R: El quitosano es un biopolímero con una amplia variedad de aplicaciones industriales debido a su biocompatibilidad, por su actividad antibacteriana, ser biodegradable y no toxico. Además, el quitosano se caracteriza por ser el único polímero catiónico de origen natural y se deriva de la desacetilación alcalina de la quitina. Este último está presente de forma natural en los exoesqueletos de una amplia gama de organismos eucariotas como crustáceos, insectos y paredes celulares de hongos, y es uno de los biopolímeros más abundantes del planeta.

Respecto a sus aplicaciones, el quitosano se ha utilizado en diferentes campos industriales como la biomedicina, cosmetología, fabricación de papel, industria alimentaria, tratamiento de aguas residuales, agricultura, industria textil, aplicaciones farmacéuticas, entre otros.

¿Para qué sirve este nuevo conocimiento?

R: Primero, para la valorización de subproductos o material de descarte de la industria. La valorización de los subproductos agroalimentarios ha recibido mucha atención, no solo por el cuidado del medio ambiente, sino también, por el potencial económico que significa valorizar estos subproductos. 

Por otra parte, para desarrollar alternativas naturales a los polímeros sintéticos. Entre estos biopolímeros, el quitosano ha atraído la atención debido a sus numerosas aplicaciones y por ser un material amigable con el medio ambiente.

Adicionalmente, se ha observado un gran interés en la extracción de quitosano a partir de nuevas fuentes naturales y/o subproductos. Es así como en este estudio se estudió la síntesis de un nuevo quitosano a partir de una nueva fuente natural exoesqueleto del camarón de río (P. pugnax).

¿Qué impacto tiene y a quién(es) impacta?

Este estudio es un importante aporte para conocimiento científico, el cual es de interés, no solo en el área de investigación sino por sus aplicaciones en diferentes aplicaciones industriales. En consecuencia, el conocimiento generado permite que, en el futuro comunidades que tenían una fuente de ingreso por el camarón de vega, puedan explorar mercados de mayor sofisticación y valor agregado e incorporarse al mercado. Para ello, la participación del sector privado es fundamental.

¿A qué sector va dirigido el ingrediente?

R: El quitosano generado puede ser aplicado en diferentes campos industriales como la biomedicina, cosmetología, industria alimentaria, aplicaciones farmacéuticas, entre otros.

¿Qué propiedades biológicas se evaluaron en la presente investigación?

R: En el presente estudio se evaluó la actividad antibacteriana y antioxidante del quitosano.

La actividad antioxidante del quitosano es una de las funcionalidades más estudiadas del quitosano y muchos estudios han demostrado que el quitosano inhibe las especies reactivas de oxígeno (ROS) y previene la oxidación de lípidos en los sistemas biológicos y alimentarios.

Asimismo, los estudios de actividad antibacteriana realizados en este estudio evidenciaron una gran eficacia contra bacterias patógenas como la Salmonella tiphymurium.

¿Cuál es el mecanismo de acción respecto a su actividad antibacteriana?

R: La actividad antibacteriana del quitosano se puede atribuir principalmente a la naturaleza catiónica (carga positiva) de la molécula. Los sitios R–N(CH₃)³⁺ cargados positivamente en el quitosano pueden interaccionar electrostáticamente con las membranas celulares de las bacterias que están cargadas negativamente produciendo así la lisis celular.

Link de la publicación científica:

Burgos-Díaz, C., Opazo-Navarrete, M., Palacios, J.L., Barahona, T., Mosi-Roa, Y., Anguita-Barrales, F., Bustamante, M. Synthesis of New Chitosan from an Endemic Chilean Crayfish Exoskeleton (Parastacus Pugnax): Physicochemical and Biological Properties. Polymers 2021, 13, 2304. https://doi.org/10.3390/polym13142304

Glosario técnico :

Polímeros: son un tipo de macromoléculas de origen natural que están constituidas por una o varias unidades químicas (monómeros) que se repiten a lo largo de toda una cadena.

Biopolímeros: son macromoléculas (polímeros) de origen natural.

Concentración Mínima Inhibitoria (CMI): es la concentración más baja (en μg/ml) de un compuesto que inhibe el crecimiento de una determinada cepa bacteriana.

Catiónico: Un catión es un ion con carga eléctrica positiva.

Polisacáridos: son carbohidratos complejos formados por un gran número de azúcares simples.

Compuesto biocompatible: Compuesto que es compatible con el organismo humano.

Compuesto biodegradable: Son materiales, naturales o sintéticos, que se descomponen por acción de agentes biológicos comunes.

Radical DPPH: Tipo de molécula muy inestable que se puede sintetizar durante el metabolismo normal de las células. Los radicales libres se pueden acumular en las células y dañar otras moléculas, como el ADN, los lípidos y las proteínas.