Gracias al equipo iGEM UAM 2022 por
ayudarnos a traducir este artículo al español.
Es un hecho ampliamente conocido que el agua se congela a 0°C. Por supuesto, hay algunas excepciones a esta regla y mediante la manipulación de diversos factores físicos, químicos e incluso biológicos, el punto de congelación del agua puede cambiar. Este fenómeno se produce, por ejemplo, en los océanos del sur. La presencia de sal en el agua permite que se mantenga líquida, incluso a 1,9°C bajo cero [1]. Sólo unos pocos organismos pueden sobrevivir en estas condiciones extremas.
Los animales endotérmicos son capaces de generar su propio calor corporal y han desarrollado diversas formas de minimizar la pérdida de calor. Los osos polares, por ejemplo, tienen la piel negra para absorber el calor del sol y una gruesa capa de grasa que los mantiene calientes en el agua fría cuando nadan. Los peces son animales ectotérmicos o de sangre fría, lo que significa que regulan su temperatura corporal con la ayuda del entorno exterior. Por eso se pueden ver lagartos, que también son animales ectotérmicos, tomando el sol en las rocas cuando hace más calor. Su temperatura corporal cambia con la temperatura del entorno. Esto puede convertirse en todo un reto para los peces que viven en estas aguas marinas heladas. No hay muchos tipos de peces antárticos, pero los que existen están bien adaptados a las bajas temperaturas. Algunos evitan la congelación viviendo en aguas más profundas en estado de sobreenfriamiento para evitar cualquier contacto con los cristales de hielo. Si no ingieren cristales de hielo, no puede crecer ninguno en sus cuerpos y los peces pueden evitar así la congelación. Otros viven en aguas menos profundas y, por tanto, tienen diferentes adaptaciones para evitar que sus cuerpos se congelen [2]. Uno de los mecanismos que han desarrollado es la producción de proteínas biológicas anticongelantes. Estas proteínas pueden unirse e inhibir el crecimiento de cristales de hielo en la sangre para evitar que el pez se congele [3].
CREDIT: PAUL A. CZIKO, UNIVERSITY OF OREGON (HTTPS://WWW.NSF.GOV/NEWS/NEWS_SUMM.JSP?ORG=NSF&CNTN_ID=132798&PREVIEW=FALSE)
Las primeras proteínas anticongelantes (AFP) de los peces polares fueron descubiertas por el profesor Arthur DeVries, de la Universidad de Illinois, a finales de la década de 1960. Mientras trabajaba en la estación McMurdo, “disfrutaba de la combinación de un riguroso trabajo de campo (capturar los peces) y de laboratorio en este remoto lugar” de la Antártida [2].
Desde entonces, se han descubierto muchas más AFP en organismos que sobreviven al frío en varios reinos biológicos. Existen en peces, insectos, plantas e incluso bacterias, donde inhiben el crecimiento y la recristalización de los cristales de hielo al adsorberse o unirse a la superficie del hielo. Esto evita las lesiones y la muerte de las células causadas por los cristales de hielo en el interior del organismo.
Los tejidos vegetales también pueden resultar dañados por la formación de cristales de hielo a temperaturas bajo cero. Las proteínas de unión al hielo (IBP) de las plantas les permiten ser tolerantes a la congelación, pero funcionan de forma ligeramente diferente a las AFP que se encuentran en los peces antárticos, por ejemplo. En lugar de reducir la temperatura de congelación, las IBP de las plantas centran su actividad más en inhibir la recristalización del hielo ya formado. Impiden “el crecimiento de grandes cristales de hielo a expensas de los pequeños” [4] a temperaturas cercanas a la de fusión.
Existen muchos otros materiales anticongelantes, como el etilenglicol, que se utiliza como crioprotector para conservar tejidos y órganos biológicos, pero también como anticongelante en los motores de los coches [5]. Sin embargo, este último se vuelve tóxico cuando se descompone en el cuerpo. Dado que las proteínas anticongelantes se obtienen de organismos naturales, su toxicidad es nula o muy baja y pueden aplicarse ampliamente.
Como se ha mencionado anteriormente, los crioprotectores se suelen utilizar en los métodos de criopreservación de células, tejidos y órganos. Se necesitan altas concentraciones de estos compuestos para minimizar la formación de cristales de hielo, pero esto puede provocar citotoxicidad. Por ello, las AFP son una gran alternativa, ya que inhiben el crecimiento del hielo a concentraciones relativamente bajas y se consideran menos tóxicas [6].
Las proteínas anticongelantes también se utilizan en la industria alimentaria. Pueden aplicarse, por ejemplo, para controlar el crecimiento de los cristales de hielo en los helados, lo que da lugar a una textura mucho más suave [7]. Por último, también es posible crear plantas transgénicas introduciendo en su genoma genes que codifican las AFP. Esto mejora la tolerancia a la congelación en organismos que, de otro modo, serían sensibles al frío [6].
Esta última propiedad parecía especialmente interesante para el equipo iGEM UNILausanne 2021. A principios de este año, nos dimos cuenta de que muchos artículos hablaban de cómo las heladas tardías de la primavera en Suiza han afectado a las cosechas. Por ejemplo, ha provocado la pérdida de más de dos tercios de la producción de albaricoques de este año [8]. Desde entonces, nuestro equipo ha dedicado muchas horas a la lluvia de ideas y a hablar con expertos en la materia para encontrar una forma de resolver este problema. Cuando oímos hablar de las proteínas anticongelantes, enseguida pensamos en varias formas de aplicarlas a este proyecto.
En Suiza, una moratoria sobre el uso de organismos modificados genéticamente en la
agricultura hace ilegal el cultivo de plantas transgénicas. Así que en lugar de crear plantas transgénicas que sobreexpresen las AFP por sí mismas, pensamos en producir estas proteínas utilizando bacterias, y rociar el producto purificado sobre los cultivos para protegerlos de los cristales de hielo que se forman durante las heladas de finales de la primavera.
Nuestro equipo también ha pensado en otras formas de proteger las plantas de todo el mundo de las heladas de finales de primavera. Si esto le parece interesante, puede consultar el post publicado anteriormente sobre las tailocinas, por ejemplo.
Referencias
- https://www.polartrec.com/resources/lesson/frozen-fish-unique-adaptations-of-antarctic-fish
- https://www.scientia.global/professor-arthur-devries-cold-ice-antifreeze-proteins-polar-fishes/
- https://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=132798
- https://www.intechopen.com/chapters/42487
- https://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_glycol
- https://link.springer.com/article/10.1007/s13205-019-1861-y
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16357267/
- https://www.rts.ch/info/regions/valais/12138006-plus-des-deux-tiers-des-abricots-valaisans-sont-perdus-en-raison-du-gel.html
