La levadura vinícola, un microorganismo fundamental en la producción de vino, se enfrenta a diversas condiciones de estrés a lo largo de su ciclo de vida industrial y durante la fermentación. Estas condiciones, que se desvían de lo óptimo para su crecimiento, pueden afectar significativamente el proceso de vinificación. Uno de los estreses más relevantes es el estrés oxidativo, provocado por agentes que alteran el equilibrio redox celular y que, en casos severos, puede inducir la muerte celular programada.
Se ha estudiado el efecto del cobre (Cu) sobre el estrés oxidativo al que son sometidas las levaduras durante la vinificación. Para ello, se cultivó una levadura vínica en un medio sintético al que se añadió sulfato de cobre (CuSO4) en diversas concentraciones, así como un tratamiento con peróxido de hidrógeno (H2O2) para comparar el estrés oxidativo. Los resultados indicaron que el aumento de la concentración de cobre incrementaba la producción del anión superóxido y el contenido de H2O2, además de la peroxidación lipídica intracelular y los contenidos de malondialdehído, glutatión y glicerol. Paralelamente, las actividades de las enzimas antioxidantes superóxido dismutasa y catalasa también se vieron incrementadas en presencia de cobre. Estos hallazgos sugieren que el estrés inducido por el cobre estimula la producción de especies reactivas de oxígeno, generando un estrés oxidativo similar al provocado por el H2O2. Las enzimas antioxidantes y no antioxidantes actúan de manera sinérgica para mitigar el daño celular causado por las elevadas concentraciones de cobre.
Durante el proceso de vinificación, las levaduras se encuentran sometidas a una sucesión de condiciones de estrés. Se ha investigado la respuesta al estrés por agotamiento de fuentes nitrogenadas, una situación que frecuentemente conduce a paradas en la fermentación. La actividad de la enzima arginasa ha demostrado ser un buen indicador de la disponibilidad intracelular de nitrógeno durante este proceso biotecnológico, ofreciendo un método de determinación de notable sencillez en comparación con los métodos actuales para la detección temprana de deficiencias de nitrógeno.
El papel del gen UTH4 en la resistencia al estrés también ha sido abordado, observándose que sus niveles de expresión se correlacionan con la resistencia al estrés y con los niveles de expresión de los genes HSP12, SSA3 y HSP82. Asimismo, se ha trabajado en la mejora de la resistencia a estrés en levaduras vinícolas.
La levadura Saccharomyces cerevisiae, un organismo ampliamente utilizado en procesos fermentativos como la producción de vino, cerveza y pan, ha sido objeto de estudio para la producción biotecnológica de moléculas de alto valor añadido. Un avance significativo es el desarrollo de un nuevo método, patentado por el Grupo de Biología de Sistemas en Levaduras de Interés Biotecnológico del Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos (IATA) del CSIC, para producir serotonina. Este método se basa en la modificación genética de una cepa de levadura vínica, resultando ser más eficiente y sostenible que los métodos tradicionales de síntesis química o extracción de plantas.
La serotonina, conocida como la "hormona de la felicidad", es un neurotransmisor esencial para el correcto funcionamiento del sistema nervioso, el sistema inmunitario y el eje intestino-microbiota-cerebro. En humanos, se sintetiza mayoritariamente en el tracto gastrointestinal y, en menor medida, en el cerebro, desempeñando un papel crucial en la regulación del estado de ánimo, la conducta social, alimentaria, el sueño, la atención y la ansiedad. Las alteraciones en su sistema se asocian con diversos trastornos conductuales y neurológicos.
Los métodos convencionales para la producción de serotonina y sus precursores, como el triptófano o el hidroxitriptófano, implican síntesis química o extracción de semillas de plantas como la Griffonia simplicifolia. Estos procesos a menudo requieren disolventes tóxicos, son costosos, largos, poco sostenibles y presentan tasas de recuperación variables. La nueva tecnología del IATA-CSIC propone la producción biotecnológica de estas moléculas a partir de fuentes como la glucosa y el amonio, presentes en subproductos de la industria agroalimentaria, como el mosto de uva concentrado o melazas. Esto permite crear sinergias de aprovechamiento y revalorización de residuos, reduciendo el costo y el impacto ambiental del procedimiento.
Levadura e ingeniería genética. El tiempo, otra dimensión.
La investigación abre la puerta al desarrollo de estrategias biotecnológicas similares para la producción de otras moléculas de interés, como la melatonina, con aplicaciones en el sector farmacéutico, nutracéutico y cosmético. En el sector alimentario, podría utilizarse como aditivo para reforzar alimentos, y en alimentación animal, se han observado efectos positivos en la reducción del estrés y el aumento del bienestar.
La adaptación de la levadura a los procesos fermentativos, como la elaboración de vino, deja marcas claras en su genoma, conocidas como firmas de domesticación. La Saccharomyces cerevisiae ha sido especialmente exitosa en este proceso, adaptándose y evolucionando para captar azúcares y transformarlos en etanol. Esta capacidad llevó a considerar a la Saccharomyces cerevisiae como el primer organismo domesticado por los humanos.
La diversidad natural de levaduras vínicas ha sido explotada y puede ser ampliada mediante técnicas de mejora genética. Estas técnicas incluyen la mutagénesis, la hibridación y la ingeniería evolutiva o evolución adaptativa de laboratorio. La evolución adaptativa permite optimizar la eficacia de las levaduras bajo presiones selectivas específicas, identificando los cambios genómicos responsables de las nuevas características fenotípicas. Si bien esta técnica puede requerir tiempo, ofrece la ventaja de no necesitar un conocimiento exhaustivo del genoma y permite mejorar características complejas.
Además, la edición genética mediante herramientas como CRISPR proporciona la capacidad de modificar el genoma de forma precisa. Investigaciones recientes han explorado el metabolismo del nitrógeno en levaduras, identificando la lisina como un aminoácido crucial en la respuesta al estrés oxidativo durante la fermentación alcohólica. La evolución adaptativa en presencia de análogos de la lisina ha permitido desarrollar cepas capaces de acumular mayores cantidades de este aminoácido, lo que podría tener implicaciones en la resistencia al estrés oxidativo y en la producción de otros compuestos beneficiosos.
Se ha investigado la capacidad de las levaduras para resistir al estrés oxidativo, incluyendo el causado por la radiación ultravioleta. Estudios han demostrado que la presencia de melatonina puede conferir protección a las células de levadura frente a este tipo de estrés. La evolución adaptativa en presencia de luz ha llevado al desarrollo de cepas con características mejoradas, incluyendo la capacidad de producir ciertos metabolitos derivados del triptófano.
Tabla 1: Comparación de la acumulación de lisina en cepas de levadura evolucionadas
| Cepa | Acumulación de Lisina (unidades relativas) |
|---|---|
| Parental (71B) | 1.0 |
| Evolucionada 7 | Alto (al inicio del crecimiento) |
| Cepa evolucionada (con AEC) | Doble que la cepa parental |
La investigación continua en el campo de la biotecnología de levaduras promete nuevos descubrimientos y aplicaciones en diversas industrias, desde la alimentaria y farmacéutica hasta la cosmética y la producción de biocombustibles. La capacidad de las levaduras para adaptarse y ser modificadas genéticamente las convierte en herramientas valiosas para el desarrollo de procesos más sostenibles y eficientes.
tags: #levadura #vinica #fermentacion #por #estres