Desarrollo de un método integrado para la utilización de macroalgas y residuos de la industria de las macroalgas para crecer biomasa fúngica para obtención de bioproductos

Abstract

Los hongos marinos son un grupo diverso de microorganismos ampliamente distribuidos en el océano, particularmente asociados con sedimentos, agua de mar, habitantes marinos, plantas sumergidas y algas. En especial los hongos asociados con macroalgas, son un grupo ecológicamente importante. Estos hongos pueden degradar y asimilar los carbohidratos complejos de las algas e incluso aumentan su digestibilidad y propiedades funcionales. La ventaja que presenta el uso de macroalgas, como sustrato de crecimiento de hongos, es que tienen una alta productividad y son un recurso renovable. Además, poseen polisacáridos, polifenoles, proteínas y péptidos, que son considerados compuestos bioactivos. En este trabajo se estudió el desarrollo de un método integrado para la utilización de biomasa algal para crecer biomasa fúngica en obtención de bioproductos. Por esto se procedió en un primer paso a la selección de marinos desde el Centro de Recursos Biológicos del Instituto Nacional de Evaluación y Tecnología (NBRC, Japón), con capacidad de degradar alginato, celulosa, biomasa algal (Macrocystes pyrifera y Ulva spp.) y residuos una industria algal que utiliza algas pardas para producir biofertilizantes. En una segunda etapa se caracterizó la micoproteína, producida por el hongo seleccionado, través de un proceso de fermentación sumergido líquido y usando biomasa algal como fuente de carbono. En una tercera etapa se evaluaron las proteínas tensoactivas, hidrofobinas Clase I y Clase II y cerato-plataninas, presentes en el medio de cultivo, resultante de la fermentación de los hongos marinos. El resultado de estas etapas permitió determinar que el hongo ascomiceto y filamentoso Paradendryphiella salina es capaz de asimilar alginato, puro y desde M. pyrifera, Ulva spp. y residuos de la industria algal. Este hongo puede asimilar hasta el 58% de alginato puro, presenta una productividad de 117 mg/g. día, un buen contenido de proteína (~23%), aminoácidos totales (~16%), ausencia de micotoxinas (aflatoxina y ocratoxina) y metales pesados (Hg, As, Pb, Cd). Así, la fermentación con este hongo puede incrementar el valor nutricional de M. pyrifera, Ulva spp. y residuos de la industria algal, aumentando el contenido de proteína total 2,4, 2,3, y 5,3 veces, respectivamente; y los contenidos de aminoácidos totales se incrementaron 1,7, 1,2 y 2,4 veces, respectivamente. Adicionalmente, se incrementó el contenido de fenoles totales y actividad antioxidante del fermentando de M. pyrifera (~2 veces) y residuo algal (2,8 y 1,8 veces, respectivamente). Además, en esta investigación fue la primera vez que se identificaron y caracterizaron hidrofobinas clase II (PsHYD1 y PsHYD 2) y cerato-plataninas (PsCP) de P. salina, e hidrofobinas clase I (TpHYD1 y TpHYD2) de Talaromyces pinophilus (otro hongo marino seleccionado). Igualmente, es la primera vez que se extraen estas proteínas desde un proceso fermentativo que utiliza biomasa algal, como única fuente de carbono. De tal manera, se obtuvieron 2,1 y 18,4 mg/L de PsCP desde un medio con alginato y residuos de algas, respectivamente, y 27,7 y 40,3 mg/L de TpHYD, desde un medio con alginato y Ulva spp., respectivamente. Los resultados de la caracterización de capacidad de auto-ensamblado de estas proteínas, demostraron que la fuente de carbono, como Ulva spp. y residuos algales, promueven el ensamblaje de estas proteínas en fibrillas del tipo amiloide. Finalmente, se identificaron y caracterizaron dos genes de hidrofobinas clase II (PsHYD 1 y PsHYD 2) y un gen de cerato-platanina (PsCP), en el genoma de P. salina. Los resultados de PCR tiempo real (qPCR) mostraron que el nivel de expresión de estos genes está regulado por factores como la fuente de carbono, el tipo de medio y las etapas de desarrollo del hongo. Los resultados generados en este trabajo contribuyen a fortalecer el conocimiento de los hongos marinos, ampliando las perspectivas de producción de plataformas de proteínas de origen fúngico y usando algas como materia prima.

Marine fungi are a diverse group of microorganisms widely distributed in the ocean and associated with sediments, seawater, marine inhabitants, submerged plants, and algae. Especially the fungi associated with macroalgae are an ecologically important group. These fungi can break down and assimilate the complex carbohydrates from macroalgae and even increase their digestibility and functional properties. The advantage of macroalgae, as a substrate for fungal growth, is that they have high productivity and are a renewable resource. Furthermore, they have polysaccharides, polyphenols, proteins, and peptides that are considered bioactive compounds. In this work, the development of an integrated method for the use of algal biomass to grow fungal biomass to obtain bioproducts was studied. For this reason, the first step was to screen marine fungi from the Biological Resources Center of the National Institute of Evaluation and Technology (NBRC, Japan), with the ability to degrade alginate, cellulose, algal biomass (Macrocystis pyrifera and Ulva spp.), and residues from an algal industry that uses brown algae to produce biofertilizers. In a second stage, the mycoprotein, produced by the screened fungus through a liquid fermentation submerged and algal biomass as a carbon source, was characterized. In a third stage, the surfactant proteins, Class I and Class II hydrophobins and cerato-platanins, present in the culture medium, resulting from the fermentation of marine fungi, were evaluated. The result of these stages allowed determining that the ascomycete and filamentous fungus Paradendryphiella salina is capable of assimilating alginate pure, and from M. pyrifera, Ulva spp, and residues of the algal industry. This fungus can assimilate up to 58% of pure alginate; it has a productivity of 117 mg/g. d, good content of protein (~ 23%), total amino acids (~ 16%), absence of mycotoxins (aflatoxin and ochratoxin), and absence of heavy metals (Hg, As, Pb, Cd). Thus, fermentation with this fungus can increase the nutritional value of M. pyrifera, Ulva spp. and residues from the algal industry, increasing the total protein content up to 2.4, 2.3, and 5.3-fold, respectively; and the total amino acid contents increased up to 1.7, 1.2 and 2.4-fold, respectively. Additionally, the content of total phenols and antioxidant activity of fermented M. pyrifera (~ 2 times) and fermented algal residue (~ 2.8 and 1.8 times, respectively) increased. Furthermore, this research was the first time that class II hydrophobins (PsHYD1 and PsHYD 2) and cerato-platanins (PsCP) from P. salina, and class I hydrophobins (TpHYD1 and TpHYD2) from Talaromyces pinophilus (another screened marine fungus) were identified and characterized. Moreover, it is the first time that these proteins have been extracted from a fermentative process that uses algal biomass as the sole carbon source. Thus, 2.1 and 18.4 mg/L of PsCP were obtained from a medium with alginate and algae residues, respectively, and 27.7 and 40.3 mg /L of TpHYD, from a medium with alginate and Ulva spp., Respectively. The results of the characterization of the self-assembly capacity of these proteins showed that the carbon source, as Ulva spp. and algae residues, promote the assembly of these proteins in fibrils of the amyloid type. Finally, two class II hydrophobin genes (PsHYD1, PsHYD2) and a cerato-platanin gene (PsCP) were identified and characterized in the genome of P. salina. The results of real-time PCR (qPCR) showed that the level of expression of these genes is regulated by factors such as the carbon source, the type of medium, and the stages of development of the fungus. The results generated in this work contribute to strengthening the knowledge of marine fungi, broadening the production prospects of protein platforms of fungal origin, and using macroalgae as raw material.