Celulosa: de los árboles a los dulces Understand article

Traducido por Pilar Bustos-Sanmamed. La misma molécula que mantiene fuertemente erguidos a los árboles también la era producida por las primeras formas de vida multicelular – y puede incluso usarse para hacer dulces.

¿Cuál es la molécula más grande y abundante en la Tierra? ¿Quizás un polímero sintético? En realidad, es más probable que encontremos esta molécula en el mundo natural- caminando a través de un bosque, por ejemplo. Esto es porque la molécula es la celulosa – la sustancia producida por las plantas para darles soporte estructural.

En la Tierra, las plantas producen al menos 100 mil millones (1011) de toneladas de celulosa cada año – ciento de veces más que la cantidad de plástico producido en el mismo tiempo. Además de ser enormemente abundante, la celulosa producida por la plantas es extremadamente útil. Puedes leer este artículo impreso en un folio de papel hecho de celulosa, por ejemplo y, llevamos camisetas y pantalones vaqueros hechos de algodón, otro ejemplo de celulosa. Nuestros muebles en casa, en su mayoría de madera, que en sí es mayoritariamente celulosa; algunos de nosotros incluso vivimos en casas de madera. Mucha gente también usa madera como fuente de energía para calentar sus hogares, quizás por la falta de tiempo para hacer un fuego real. Y como biodiesel, la madera es la clave de las fuentes de energía renovable.

La madera está hecha principalmente de celulosa, la molécula más abundante en el mundo.
Joseph/Flickr

¿Qué es la celulosa?

A pesar de su gran peso molecular, la celulosa es, sorprendentemente, una molécula simple: está formada solamente de moléculas del azúcar glucosa. A veces, varios cientos de moléculas de glucosa hacen una sola macromolécula (una molécula gigante) de celulosa. La glucosa es producida por las plantas a partir de dióxido de carbono y luz solar, a través del proceso de fotosíntesis.

Una macromolécula de celulosa consiste en un paquete de cadenas individuales de glucanos. Cada cadena de glucano está formada por moléculas de celobiosa, que consiste en dos moléculas de glucosa unidas (figura 1). La asociación linear de cadenas de glucanos se realiza a través de enlaces de hidrógeno y, el gran número de estas uniones débiles da a la celulosa unas propiedades especiales. Por ejemplo, ayudan a la celulosa a excluir el agua y, por lo tanto, ayudan a conservar sus propiedades estructurales incluso en condiciones de humedad. Además, hacen la molécula resistente al ataque químico por ácidos y álcalis (Ross et al., 1991).

Figura 1: Estructura química de la celulosa, formada por moléculas de glucosa. 1: molécula de glucosa; 2: celobiosa (dos moléculas de glucosa unidas a través del óxigeno, marcado en rojo); 3: cadena de glucano; 4: parte de una macromolécula de celulosa mostrando los enlaces de hidrógeno (en azul) uniendo las cadenas de glucanos. (Adaptado de Worthington-biochem.com, megazyme.com)

Celulosa: no sólo una cosa de plantas

Estás propiedades tan útiles implican que la celulosa se encuentra en el mundo vivo, no sólo en plantas. Algunos hongos tienen una pared celular hecha de celulosa (aunque en la mayoría de los hongos esta pared está hecha de quitina, otra abundante macromolécula). Algas, algunas amebas e incluso algunos animales invertebrados (mayoritariamente invertebrados marinos conocidos como tunicados) también producen celulosa. En las ascidias, por ejemplo, la celulosa ayuda a las larvas en la metamorfosis a adultos y es también parte de la “túnica”, una especie de exoesqueleto. En las amebas sociales que son formas de vida unicelular pasan a convertirse en multicelulares, las setas, ante la escasez de nutrientes, recubren con celulosa el tallo y las esporas.

Quizás, sorprendentemente, algunas bacterias pueden también producir celulosa (Ross et al., 1991; Zogaj et al., 2001). La secuenciación del genoma ha revelado que esta habilidad está presente en un amplio rango de especies bacterianas, desde las bacterias termófilas evolutivamente más antiguas a aquellas que se han asociado con plantas o colonizado nuestro tracto gastrointestinal (Römling & Galperin, 2015). Este último grupo incluye dos bacterias gastrointestinales bien conocidas, E.coli y salmonella (Escherichia coli, Salmonella typhimurium).

La ascidia Ciona intestinalis, que posee un exoesqueleto que contiene celulosa.
Fotografía de Stefan Siebert
 

Entonces, ¿por qué las bacterias necesitan producir celulosa? Esta molécula, que está tan fuertemente asociada con las propiedades de rigidez estructural en las plantas, ayuda a las bacterias a adaptarse a un sorprendente rango de ambientes especializados. La celulosa ayuda a las bacterias que viven en asociación con plantas para unirse a la superficie vegetal – y, en el caso de las bacterias patógenas, para unirse con firmeza a las células del hospedador y causar enfermedad. Algunas bacterias que viven en ambientes salinos (incluyendo especies termófilas y cianobacterias) producen celulosa que, parece proteger a las células bacterianas de la desecación y de otras amenazas ambientales como la luz ultravioleta e incluso de los desinfectantes.

Las cianobacterias, en realidad, podrían haber sido el origen de la capacidad de las plantas para producir celulosa. A través de la evolución, estas bacterias se han incorporado dentro de las células vegetales en forma de cloroplastos, dotando a las plantas de la información genética necesaria para producir celulosa; esos genes se localizan ahora en el genoma de la planta (Nobles et al., 2001). Pero, ¿cómo ocurrió esto? La teoría endosimbiótica sugiere que, hace aproximadamente mil millones de años, cianobacterias fotosintéticas de vida libre fueron capturadas por los ancestros de las algas actuales, proporcionándoles una tremenda ventaja a los nuevos organismos combinados, lo cuales evolucionaron y se diversificaron para formar muchas especies fotosintéticas de plantas y algas. Esta teoría está apoyada por el hecho de que, aunque hoy en día los cloroplastos han perdido la mayoría de sus genes originales, el gen ancestral de la celulosa sintetasa (la encima necesaria para producir celulosa) fue transferido al genoma vegetal y aún conserva una sorprendente similaridad con sus homólogos en las cianobacterias modernas.

El patógeno gastrointestinal Salmonella typhimurium produce películas de celulosa a modo de matriz extracellular.
U Römling

Biocapas: creando conexiones

Una de las principales razones por la que las bacterias fabrican celulosa es para producir “biocapas” – capas de celulosa que forman una matriz por fuera de las células bacterianas y que ayudan a mantener juntas las comunidades multicelulares. Estas comunidades bacterianas fuero las primeras formas de vida multicelular en la Tierra, que ocurrió hace unos 3,1 mil millones de años. Hoy en día, hay algunos microorganismos que muestran una forma de vida multicelular similar, cuyas funciones se asemejan notablemente a la formación de tejidos en los organismos más complejos y se piensa que sirve para hacer más eficiente el uso de nutrientes.

Las películas de celulosa pueden también ayudar a las bacterias a interactuar con organismos más complejos como son los hongos, las plantas y los animales. Cuando las bacterias altamente patógenas infectan a un organismo, las biocapas proporcionan un mecanismo a la bacteria para controlar la virulencia (severidad) de la infección. En las infecciones crónicas, sin embargo, cuando la bacteria desregula la matriz que forma la biocapa, hay un bajo grado de virulencia, permitiendo al hospedador y a la bacteria continuar coexistiendo (Pontes et al., 2015; Ahmad et al., 2016).

Celulosa bacteriana: ¿un supermaterial del futuro?

Té de Kombucha fermentado,
que se está volviendo
popular, está hecho con un
agregado de celulosa
bacteriana.

Römling & Galperin (2015)

La celulosa bacteriana tiene algunas propiedades especiales que la hacen diferente de la celulosa vegetal y, esto es solo el principio para ser estudiada en más profundidad. Aquí hay algunas de ellas: es especialmente pura; tiene una alta área superficial y capacidad de retención de agua; y es un nanomaterial natural. La celulosa bacteriana tiene un potencial considerable en términos de valor económico y, algunos productos ya están siendo producidos comercialmente con celulosa bacteriana. Por ejemplo:

  • “Nata de coco” es un popular y bajo en calorías dulce de Filipinas. Está hecho casi completamente de celulosa bacteriana producida a través de la fermentación de la leche de coco.
  • El té de Kombucha, una bebida asiática de té fermentado, está hecha usando un agregado de celulosa bacteriana de una variedad de bacteria y unas cepas de levaduras incrustadas en ellas. Anunciada como una bebida saludable, se está haciendo popular en todo el mundo.
  • En medicina, la celulosa bacteriana es usada como vendaje para heridas, particularmente para heridas crónicas, ya que es resistente mecánicamente y puede retener agua. Así mismo, como es biodegradable y biocompatible, la celulosa bacteriana tiene otros usos potenciales en medicina: en la administración de medicamentos, por ejemplo, o en la reconstrucción de tejidos dañados, en donde puede proveer un soporte biodegradable no-inmunogénico para la adhesión de las células vivas.

Este ancestral y natural material podría estar encaminado a convertirse en un supermaterial en el futuro – revelando otro modo por el que las bacterias pueden ayudar, en lugar de dañarnos.

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Author(s)

Dr Ute Römling es professor de Fisiología Médica Microbiana en el Instituto de Karolinska en Estocolmo, Suecia. Estudió bioquímica en la Universidad Técnica de Hannover, Alemania, pero se considera a sí misma como una microbióloga autodidacta. Ha participado en la enseñanza de ciencias a lo largo de su carrera profesional.


Review

Este artículo es una excelente lectura detallada y, podría utilizarse en una clase de estructura y función de biomoléculas. El hecho de que la celulosa se produce no sólo en la pared celular de las plantas sino también por algunas bacterias podría generar un debate y/o una investigación sobre biocapas y, así mismo sobre la naturaleza de la virulencia bacteriana. A los estudiantes se les puede pedir que indaguen sobre los usos de la celulosa bacteriana, ej. para uso médico y en alimentación y, presentar la información al resto de la clase, o como un pequeño proyecto para desarrollar como deberes. Además, se pueden realizar algunas preguntas de comprensión como:

  • ¿Para qué es importante la celulosa en los tunicados?
  • ¿Cuál es el papel de la celulosa en bacterias que viven en entornos salinos?
  • Describe y explica el papel de una biopelícula.
  • ¿A qué hace referencia el término “virulencia”?

Dr Shelley Goodman, profesor de ciencias aplicadas, Reino Unido.




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