El desarrollo de una industria de algas marinas en México Raúl E. Rincones & Mauricio Ondarza

El mar es quizá la última frontera ¿Qué es la Biotecnología Marina? Definimos a la Biotecnología Marina como la disciplina que integra los conocimientos de las Ciencias de la Vida e Ingeniería para el estudio de los organismos marinos y/o sus partes con miras a la producción de bienes y servicios útiles a la humanidad y el planeta. Actualmente es considerada como la ciencia más promisoria y la de mayor impacto en la vida moderna.

Cuales son los principales enfoques de la Biotecnología Marina? La Biotecnología Marina está dirigida principalmente hacia la obtención de: Alimentos funcionales Productos químicos y alimenticios Metabolitos bioactivos y fármacos a partir de los genomas estructurales y funcionales de los organismos marinos Mejoramiento genético-molecular para el uso racional de los recursos Conservación y restauración de los ambientes marinos y costeros

Recursos marinos de aplicación biotecnológica Microalgas y Cianobacterias Macroalgas Cnidarios (Corales) Poríferos (Esponjas) Holotúridos (pepinos de mar) Moluscos/Crustáceos Peces

Usos y aplicaciones farmacológicas de organismos marinos (Smith 2003)

Microalgas & Cianobacterias Producción de alimentos vivos en acuicultura (hatchery) Obtención de proteínas y pigmentos Metabolitos secundarios empleados en farmacología y biomedicina Ácidos grasos polinsaturados PUFA

Características principales de Microalgas y Cianobacterias empleadas en Biotecnología Crecen en condiciones extremas (salinidad, pH, temp.) Permite la manipulación de condiciones de cultivo para la síntesis y obtención de productos de importancia económica Producción masiva bajos sistemas intensivos en tanques y bioreactores Evita la proliferación de otros organismos competidores y depredadores

Principales especies de cultivo Spirulina: Consumo humano, acuicultura y farmacología Dunaliella salina: fuente natural de  caroteno Hemaetococcus spp: Producción de Astaxantina (carotenoide)

Sistemas de producción de Dunaliella salina para beta caroteno Extensivo (Australia) Intensivo (Israel)

Principales usos y aplicaciones de las macroalgas marinas Consumo Humano Ficocoloides (gomas marinas) Usos en biotecnología y farmacéuticos Usos industriales Bioremediación y medio ambiente

ALGAS COMO FUENTE DIRECTA DE ALIMENTOS La principal producción de algas a nivel mundial es para consumo humano Laminaria japonica, una alga parda que se cultiva en China, Japón y Corea Es una importante fuente de proteína y yodo en China Se consume directamente y es conocida como KOMBU Cerca de 4 millones de TM de producen en granjas anualmente Otras especies son: Porphyra spp. (Nori) y Undaria pinnatifida (Wakame)

Porphyra spp.(Nori) Son algas rojas Especies de Porphyra (nori) son parte del sushi japonés Los principales centros de producción y cultivo están en Japón y Corea del Sur La producción mundial es de 800 mil TM/año Se facturan cerca de US$ 4 millardos anuales

Sistemas de cultivo de Porphyra spp. (Nori)

Undaria pinnatifida (Wakame) Es otra especie de alga parda muy popular en la comida japonesa Se cultiva en Japón, Corea, China y Francia La producción mundial es de unas 300 mil TM/año

Principales propiedades de las algas marinas en la agricultura Aumenta el crecimiento y uniformidad de los cultivos Incrementa los niveles de clorofila de la planta apoyando a una mayor fotosíntesis Mejora la calidad de las cosechas Acortamiento del período vegetativo del cultivo Aumento de la resistencia de la planta a plagas, heladas, enfermedades y estrés Estimula y uniformiza la germinación y el brotamiento de semillas

Uso de Algas Marinas en Agricultura Variable Nutricional Macroelementos & Microelementos Variable Bioestimulante Aminoácidos Betaínas Adherente natural y acondicionador de suelos: (Acido Algínico) Variable Hormonal Protohormonas Giberelinas, Citoquininas, Auxinas

LA INDUSTRIA DE FICOCOLOIDES ALGINATOS CARRAGENINA AGAR

Mercado Mundial de Ficocoloides (2005) Producción anual TM Valor estimado US$ MM Fuente materia prima (principales géneros) Países productores Carragenina 42. 930 240 Kappaphycus, Hypnea, Eucheuma, Chondrus, Gigartina, Mazaella, Chondracanthus USA, Francia, Filipinas, Chile, China, Japón, Indonesia Alginatos 36 .100 213 Macrocystis, Ascophylum, Lessonia, Laminaria, Ecklonia, Durvillea, Sargassum, USA, Noruega, Francia, U.K, China, Japón, Corea Agar 8.000 132 Gelidium, Pterocladia y Gracilaria, Gracilariopsis Chile, España, Portugal, Marruecos, Japón, China, USA, México, Indonesia, Corea, Nueva Zelanda Total 55.000 585

Que son los Ficocoloides? Se conoce como Ficocoloides a las gomas o geles extraídos de las algas marinas Se extraen de algas pardas (alginatos) y rojas (agar y carragenatos) Son componentes de la pared celular y sirven de soporte y protección a las algas Se usan ampliamente en la industria de alimentos, farmacéutica y biotecnológica

Alginatos Se extraen de las algas pardas gigantes conocidas como Kelps abundantes en aguas templadas Principalmente de especies de Macrocystis, Laminaria, Durvillea, Ascophyllum y Sargassum Están compuestos de ácido D-manunorico y L-guloronico Comercialmente existen alginatos de potasio, sodio, amonio y calcio y polipropil glicol alginato de amplio uso en la industria cervecera y dressing de ensaladas

Principales propiedades y usos de los Alginatos Forman geles irreversibles en agua fría en presencia de calcio, lo que los distingue del agar y carragenatos Se emplean como estabilizantes, espesantes, gelificantes, inhibición de sinéresis y agradable sabor (mouth feel) Impresiones dentales a baja temperatura Rellenos de pimientos en aceitunas Surimi Confitería y frutas desecadas

Carrageninas: Fuentes de materia prima Chondrus crispus Kappaphycus/Eucheuma Hypnea spp. Gigartina spp.

Carrageninas Son polímeros sulfatados y consisten en unidades de galactosa y anhidrogalactosa Existen varios tipos de carrageninas comerciales: kappa, iota y lambda Su clasificación depende del contenido y posición de los sulfatos De esto dependen sus usos y aplicaciones en la industria de alimentos, cosméticos y medicinas

Principales usos y aplicaciones Kappa e Iota son carrageninas gelificantes Lambda carragenina no gelifica pero se usa como espesante Reaccionan extraordinariamente con las proteínas, siendo ampliamente empleadas en sistemas lácteos/chocolate y en productos cárnicos Se emplean como estabilizantes, emulsificantes y agentes de suspensión en bebidas y productos enlatados Evita la sinérisis en carnes, embutidos y crema dental

Principales usos y aplicaciones Kappa carragenina forma geles fuertes y rígidos en la presencia de iones de potasio Iota carragenina forma geles claros y elásticos en presencia de calcio Ambos geles son tixotrópicos Kappa-II es un híbrido (kappa/iota) y se emplea en los sistemas lácteos/chocolates Se emplean en la clarificación de vinos y estabilización de la espuma de la cerveza Dan a un sabor agradable en los alimentos

Procesamiento Industrial Es un proceso simple que requiere agua y calor para extraer los geles Se hace una modificación alcalina para remover sulfatos Se extrae en ebullición Se filtra y precipita con alcohol (isopropil) Secado y molienda

Carragenina Semirefinada Conocida como AMC, PNG, PES (Processed Eucheuma seaweed) Reconocida por la FAO, FDA y U.E como carragenina desde 1991 Contiene mas celulosa e impurezas (15%) pero se usa ampliamente en la industria de alimentos Se hace una modificación alcalina al alga y luego se muele para aplicarla directamente en los alimentos Se produce en Indonesia y Filipinas y resulta una alternativa mas económica de producción con costos menores (-40% que la refinada)

Agar Es considerado uno de los agentes gelificantes naturales mas fuertes que se conoce Polisacárido galactano sulfatado de estructura similar a la carragenina Produce geles insolubles en agua fría y solubles en temp >85 ºC Se obtienen geles con durezas >1200 g/cm2 (1,5%) La fuerza de gel aumenta con azúcar o dextrinas

Fuentes de materia prima y calidad del AGAR El Agar es sintetizado por especies de Algas Rodófitas tales como: Gracilariales: entre los principales géneros están Gracilaria, Gracilariopsis e Hydropuntia Gelidiales: Géneros Gelidium, Gelidella y Pterocladia La calidad y del agar se basa principalmente es su fuerza de gel, puntos de fusión y gelificación, el contenido de piruvatos y electroendosmósis (neutralidad iónica) Los agares comerciales deben tener una fuerza de gel > 600 gr.cm-1 (1,5% gel)

Usos y aplicaciones del Agar Biotecnología Cultivo de tejidos y meristemas Electroforesis y técnicas de biología molecular Investigaciones sobre el genoma humano Bacteriología como medio de cultivo Industria de alimentos

Seamoss/Creme de la Mer Culturalmente existe una bebida en las Antillas Menores conocida como seamoss, de origen irlandés (St. Lucia, Jamaica, Trinidad, Belice, Barbados, entre otros) Se prepara con algas productoras de agar o carragenina, mezcladas con frutas, licores o postres Se cree que tiene propiedades afrodisíacas y posee un alto valor nutricional (minerales, vitaminas, fibra) Recientemente se consume en Providencia y San Andrés donde se conoce como “seaweed” Actualmente estamos desarrollando un producto similar en la costa caribe en Colombia

Biotecnología & Productos Farmacéuticos AGAROSA CARRAGUARD Cosméticos y productos de belleza FUCOIDANOS

AGAROSA Es una fracción purificada del agar Se extrae de especies de algas Gelidiales y Gracilariales Se usa ampliamente en Biología Molecular para técnicas avanzadas de electroforesis, PCR, SDS PAGE Esto se debe a su baja electroendosmosis y neutralidad iónica Tiene un elevado precio (US 1,500-3000 Kg)

Carraguard Es un gel microbicida hecho de carragenina empleado para combatir el HIV, HSV-2, HPV y Neisseria gonorrhoeae Desarrollado por el Population Council y financiado por Bill Gates Foundation En un gel de aplicación vaginal que permite la fertilización pero evita contraer el virus del SIDA Los estudios clínicos se encuentran en la Fase III (6 mil pacientes en África) y podrá estar disponible en el 2007 http://www.popcouncil.org/biomed/carraguard.html

Cosméticos Se usan extractos de algas para la elaboración de jabones, cremas para la piel, champús y masajes para la celulitis Los compuestos activos son los ormageles en las algas, los cuales actúan con las proteínas del cabello y la piel como humectantes e hidratantes

Bioremediación y medio ambiente Se emplean como bioindicadores de contaminación acuática Acumulan metales pesados e hidrocarburos y pueden ser usados como biofiltros en efluentes Se utilizan en bioensayos para determinar dosis letales y niveles de polución

FUCOIDANOS

El término “Fucoidanos” describe a una diversa familia de moléculas compuestas por polisacaridos sulfatados Son componentes naturales de las algas pardas y algunos equinodermos Han formado parte de la dieta humana en muchos países durante siglos En Japón y Corea son valorados por sus propiedades curativas y nutricionales En Okinawa (Japón), donde existe un amplio consumo, las enfermedades de cáncer son prácticamente inexistentes

Inhibe la síntesis de colesterol y reduce la presión arterial El interés de la industria farmacéutica se basa en sus propiedades terapéuticas Actúan como: Inhibidores de la fijación de HIV y herpes en células humanas y previene su expansión dentro del organismo Promueven la apóptosis (autodestrucción) de células tumorales particularmente en leucemia y cáncer de seno Inhibe la síntesis de colesterol y reduce la presión arterial Actúan como agentes antioxidantes y desintoxicantes 180 cápsulas: US$ 150-160:

Además los fucoidanos… Tienen propiedades antinflamatorias actuando como inhibidores de alfa TNF contra la artritis reumatoidal e inflamación del colon Evitan la adhesión de Helicobacter pylori, previniendo la formación de ulceras estomacales Inhiben la formación de cicatrices en la piel luego de cirugías y quemaduras

Recursos Algales en México para la obtención de Fucoidanos México con sus 2 océanos posee una diversidad de especies productoras de Fucoidanos Principalmente especies de Fucales, en el Caribe se reportan cerca de 10 especies de Sargassum y de varias especies de Kelp (Macrocystis) en el Pacífico

Perspectivas Futuras en México Sin duda alguna que existe un enorme potencial en nuestro país para el desarrollo de una industria de algas marinas con dos océanos y una inmensa costa. La costa del Caribe tiene con una amplia diversidad de recursos algales (mas de 600 especies) Esto se debe realizar a través de programas de cooperación entre la empresa privada, las universidades y los entes gubernamentales No hay que olvidar la activa participación de las comunidades costeras

Muchísimas gracias! Mauricio Ondarza y Raúl E. Rincones