Limonene Biotransformation: Using Biological Systems to Carry Out Chemical Modifications
Villarreal Quintero, P1,2, Iliná, A1,Martínez-Hernández, J.L1., Segura-Ceniceros, E. P. 1, Aguilar, C.N. 2, Chávez-GonzálezM.L1,2*
1Nanobioscience Group, School of Chemistry. Universidad Autónoma de Coahuila, Blvd. V. Carranza esquina con José Cárdenas Valdés s/n Col. República Oriente. ZIP 25280. Saltillo, Coahuila, México.
2Bioprocesses & Bioproducts Group. Food Research Department, School of Chemistry. Universidad Autónoma de Coahuila. Blvd. V. Carranza esquina con José Cárdenas Valdés s/n Col. República Oriente. ZIP 25280. Saltillo, Coahuila, México. *Autor para correspondencia: monicachavez@uadec.edu.mx
JBCT volumen 10, No. 20
Julio-Diciembre 2018
Artículo PDF
Resumen
La demanda actual por obtener compuestos químicos en diversas áreas industriales con el menor impacto ambiental posible ha ocasionado que exista un desplazamiento de las técnicas convencionales de síntesis orgánica. Por lo que la búsqueda de alternativas que coadyuven a mejorar los procesos de producción de diversos compuestos químicos a través de procesos más limpios, seguros y con incrementos en los rendimientos de producción. Una de estas alternativas ecológicas es el uso de catalizadores biológicos (hongos, bacterias y levaduras) para llevar a cabo estas modificaciones químicas, este proceso es denominado biotransformación. El limoneno, el monoterpeno más abundante en la naturaleza es susceptible a ser biotransformado en compuestos con actividades biológicas interesantes y con aplicaciones en diversas áreas industriales.
Palabras clave: bioconversión, biotransformación, limoneno, monoterpenos, terpenos.
Abstract
The current demand for obtaining chemical compounds in various industrial areas with the least possible environmental impact has led to a shift away from conventional organic synthesis techniques. For this reason, various alternatives have been sought to help improve the production processes of various chemical compounds through cleaner processes, safer and with increases in production yields. So, the search for alternatives that help improve the production processes of various chemicals through cleaner processes, safer and with increases in production yields. One of these ecological alternatives is the use of biological catalysts to carry out these chemical modifications, this process is called biotransformation. Limonene, the most abundant monoterpene in nature, is susceptible to being biotransformed into compounds with interesting biological activities and with applications in diverse industrial areas.
Keywords: bioconvertion, biotransformation, limonene, monoterpenes, terpenes.
INTRODUCCIÓN
La biotransformación es considerada una tecnología económica y ecológicamente viable y ha sido utilizada para modificar las estructuras de algunos compuestos biológicamente activos y para comprender mejor el estudio del metabolismo de diversos productos naturales (Chávez-González y col., 2015). Para esta tarea diversos microorganismos han sido usados para convertir productos naturales bioactivos en derivados con actividades y propiedades aumentadas y toxicidades decrecientes (Li y col., 2018). Los microorganismos tienen la habilidad para modificar químicamente compuestos orgánicos por vías específicas, por ejemplo, un compuesto orgánico en particular puede ser modificado por una o varias reacciones que son parte de procesos biológicos. Por ejemplo, algunas vitaminas, antibióticos, aminoácidos y hormonas esteroideas pueden ser obtenidas por procesos de biotransformación (Sultana, N. 2018). La biotransformación puede ser agrupada bajo dos diferentes categorías: el primer tipo son las biotransformaciones xenobióticas en las cuales el substrato es completamente ajeno al microorganismo. El segundo tipo son las denominadas biotransformaciones dirigidas biogenéticamente o biosíntesis análoga en la cual el sustrato es muy análogo estructuralmente de un intermediario biosintético (Sultana, N. 2018; Nighat & Zafar, 2013).
En los últimos años se han dado avances importantes en el desarrollo de métodos para comprender y mejorar la estabilidad y la productividad de los biocatalizadores, aumentado así la cantidad de productos que se pueden obtener por biotransformación. En estos procesos enzimas y microorganismos se han utilizado con éxito en diferentes medios ya sean acuosos y no acuosos (Groeneveld y col., 2016).
Uno de los grupos susceptibles a ser biotransformados son los monoterpenos, el compuesto representativo de este importante grupo, el limoneno, posee una estructura química muy similar a una amplia variedad de compuestos que tienen múltiples propiedades y que son utilizados en diversas industrias. Estas aplicaciones hacen deseable que las modificaciones químicas de la estructura del limoneno (ya sean oxidación, epoxidación e hidroxilación, entre otras) se hagan a través del uso de sistemas biológicos utilizando hongos, bacterias y/o levaduras para la biotransformación de este monoterpeno (Sales y col., 2017; Groeneveld y col., 2016; Jongedijk y col., 2016; Molina y col., 2015). El limoneno promete ser una alternativa de la síntesis química orgánica, dado a que estos microorganismos son capaces de crecer en un amplio rango de sustratos orgánicos.
El presente documento versa sobre los procesos de biotransformación, las biotransformaciones de limoneno reportadas, así como los diferentes microorganismos empleados para llevar a cabo estas catálisis así como también las aplicaciones de los productos derivados de estos procesos.
TERPENOS
Los terpenos son compuestos orgánicos derivados del isopreno (2-metilbuta-1,3-dieno), constituidos por unidades básicas de cinco átomos de carbono (DNP, 2015). La oxidación en los esqueletos de carbono, las ciclaciones, la eliminación o los desplazamientos de protones y metilos pueden dar lugar a variaciones en sus estructuras, dando lugar a terpenos modificados (terpenoides), con otros grupos funcionales tales como alcoholes, aldehídos o cetonas (Lima y col., 2016). Los terpenos se clasifican según el número de unidades de isopreno como hemiterpenos (C5), monoterpenos (C10), sesquiterpenos (C15), diterpenos (C20), sesterpenos (C25), triterpenos (C30), tetraterpenos (C40) y politerpenos (más de 40 carbonos). Aunque estos compuestos presentan una biosíntesis y una estructura común, no desempeñan las mismas funciones (Lima y col., 2016). En las plantas, los terpenos se localizan sobre todo en las hojas, flores, frutos y en menor medida en el tallo, tronco y las raíces (Singh & Sharma, 2015).
Monoterpenos
Los monoterpenos son compuestos naturales, cuya composición está conformada por diez átomos de carbono agrupados en dos unidades isoprénicas (Breitmaier, 2006). Este grupo de compuestos se pueden encontrar en la naturaleza en hojas, tallos, cortezas, flores y frutos y se han reportado alrededor de 400 diferentes compuestos naturales (DNP, 2015). Los derivados oxigenados de este importante grupo de terpenos, llamados terpenoides se distinguen de otros compuestos en la naturaleza por poseer agradables olores. Estos terpenoides son reconocidos como compuestos GRAS (Generalmente reconocidos como seguros) lo que implica que pueden ser adicionados a alimentos para incrementar el valor organolépticos de los materiales (Davis y col., 2000).
Limoneno
El limoneno es uno de los monoterpenos más abundantes en la naturaleza, presenta dos formas enantioméricas; estos compuestos son considerados como los monoterpenos más abundantes sobre la tierra (Jongedijk y col., 2016). Ambos entantiómeros pueden ser encontrados en fuentes vegetales, el (S)(-)-limoneno en la menta, mientras que el (R)(+)-limoneno se encuentra como constituyente principal del aceite esencial de cítricos, alcanzando más del 90 % de la composición de estos aceites (Wu y col., 2017).
El limoneno tiene amplias aplicaciones industriales, debido a sus olores es apreciado como aromatizante; y por su peculiar sabor es utilizado también en la industria de alimentaria y de bebidas. Tiene amplio uso en la industria de la perfumería y cosmética para el desarrollo de productos de higiene personal (Chávez, 2015), además se le ha dado aplicaciones como agente de limpieza y como desengrasante natural (Aissou y col., 2017).
Estructura química del limoneno
El limoneno estructuralmente presenta enlaces dobles entre los carbonos C1-C2 y C8-C9 (Figura 1), esta peculiar estructura es similar a muchas otras estructuras de compuestos con aplicación industrial incluso más relevante que la propia del limoneno. Por esta razón, el limoneno ha sido utilizado como sustrato de reacción de compuestos químicos (Sales y col., 2019; Ravichandran y col., 2018).
Dentro de las posibles reacciones a llevarse a cabo sobre el limoneno destacan la oxidación (hidroxilación) en las posiciones alílicas (C3-C6) y la epoxidación en los dobles enlaces por razones de estabilidad y reactividad química, sin embargo, es posible causar la oxidación de otros carbonos menos reactivos (Vieira y col., 2018). Estas reacciones químicas se ven limitadas debido a la similitud entre los grupos metilos y metilenos alílicos, por lo que se dificulta la síntesis dirigida a alguna de estas posiciones en particular (Ravichandran y col., 2018). El uso de biocatalizadores tales como células completas o bien enzimas hace posible un ataque dirigido y específico para una posición en particular lo que se vería reflejado en altos rendimientos.
Limoneno como sustrato para la producción de derivados
El uso de limoneno como materia prima para la producción de otros derivados con estructura química a limoneno se lleva a cabo en la actualidad, la obtención de estos derivados de limoneno normalmente se hace a través de la síntesis química (Mkodizik y col., 2016; Geoghegan & Evans, 2014). Algunos compuestos derivados del limoneno más comunes, obtenidos por síntesis química orgánica son el alcohol perílico, perilaldehído, ácido perílico, carveol, carvona, a-terpineol y mentol (Figura 2). Una de las desventajas de la síntesis química son los bajos rendimientos de los productos debido a la baja enanteo y estereo-especificidad de las reacciones (Groeneveld y col., 2016; Zebec y col., 2016).
Los derivados más sobresalientes del limoneno por sus aplicaciones son compuestos oxigenados tales como el α-terpineol, carveol, carvona alcohol perílico, y mentol cuyo valor económico se eleva muy por encima del costo del limoneno (Sales y col., 2017; Groeneveld y col., 2016; Paduch y col., 2016). Estos compuestos derivados del limoneno han destacado por sus aplicaciones en diversas áreas industriales tales como actividades quimiopreventiva y/o quimioterapéutica (Tabla 1) contra una amplia variedad de cánceres, agentes que actúan como inhibidores de hongos patógenos para diversos cultivos como Fusarium sulphureum, Phoma exigua y Helminthosporium solana, además ha sido reportado con éxito la aplicación de estos compuestos comoinsecticidas naturales (De Carvalho y Da Fonseca, 2011).
Por tanto, la obtención de derivados oxigenados del limoneno son una tarea importante dadas sus múltiples aplicaciones. Por lo que la búsqueda de metodologías que permitan no solo la obtención de estos sino también el incremento en los rendimientos es una tarea apremiante.
Tabla 1. Actividades biológicas encontradas en compuestos derivados de limoneno.
Bioconversiones del limoneno
La biotransformación microbiana es un proceso en donde un organismo modifica una sustancia química transformándola en una diferente, esto a través de reacciones que son llevadas a cabo por las enzimas propias de los microorganismos bajo condiciones apropiadas de trabajo. La biotransformación puede definirse como el uso de sistemas biológicos para producir cambios químicos sobre compuestos que no suelen ser sus sustratos naturales (Chávez-González, 2015; Bhatti y col., 2014).
Es posible lograr llevar a cabo modificaciones estructurales del limoneno a través del uso de sistemas biológicos (hongos, bacterias, levaduras) (Houjin y col., 2006; Sharma & Tripathi, 2008) y aprovechando la maquinaria metabólica inherente a estos microorganismos (Paduch y col., 2016; Trytek y col., 2016). El limoneno al ser uno de los monoterpenos más abundantes en las especies vegetales es un compuesto natural susceptible a ser transformado biocatalíticamente para generar compuestos oxi-derivados con amplias aplicaciones constituyendo a la biotransformación de terpenos a través de microorganismos como un método alternativo bastante atractivo para la producción de diversos productos (Jucoski y col., 2016).
La conversión biocatalítica de D-limoneno fue considerado hasta los 1960s (Dhavalikar y Battacharyya, 1966) y diversas transformaciones microbianas de D-limoneno han sido descritas desde entonces (Paduch y col., 2016).
Una estrategia común para obtener enzimas por la oxidación regio y/o enantioespecífica de carbonos es la evaluación de las vías biodegradativas en aislados bacterianos obtenidos por enriquecimiento selectivo. La aplicación de esta estrategia para D-limoneno ha tenido un éxito limitado hasta ahora. En muchos estudios sobre elucidación de las vías de degradación de D-limoneno, sugieren rutas basadas primeramente sobre la estructura de los compuestos acumulados y sobre una inducción simultánea.
El primer estudio de biodegradación fue realizado en el Laboratorio Químico Nacional de la India en Poona en 1960s (Dhavalikar y Bhattacharyya, 1966). Los autores aislaron una cepa de Pseudomonas capaz de crecer con D-limoneno como única fuente de carbono y energía. Los compuestos acumulados durante el crecimiento sobre D-limoneno fueron extraídos del medio de cultivo y fueron fraccionados usando diferentes solventes y valores de pH. El trabajo analítico (principalmente en TLC y RMN) mostró la acumulación de dihidrocarvona, carvona, carveol, limoneno 1,2-cis-diol, 1-hidroxi-oxo-limoneno, limoneno-1,2-trans-diol, limoneno-6,9-diol, ácido perílico, ácido β-isopropenilpimélico, ácido 2-hidroxi-8-p-menten-7-oico y ácido 6,9-dihidroxiperílico en cantidades incuantificables.
De estos resultados y de experimentos simultáneos de inducción, los autores concluyeron que los ataques del microorganismo a la molécula de limoneno son en varias posiciones y que la principal vía en esta cepa probablemente inicia con la hidroxilación a la posición 7 produciendo alcohol perílico. La subsecuente oxidación a ácido perílico, hidratación del doble enlace C=C, seguido por una vía análoga para regular la β-oxidación, resultando en una completa oxidación.
El sistema modelo para estudiados de biotransformación de limoneno ha sido llevado a cabo en cepas de Pseudomonas. Por ejemplo, ha sido reportado el uso de P. incognita (originalmente aislada con linalol como única fuente de carbono) convirtió el D-limoneno a ácido perílico y ácido β-isopropenilpimélico (Rama y Bhattacharyya, 1997). Cadwallader, y col., (1989) reportaron el uso de una cepa de Pseudomonas gladioli la cual era degradante de D-limoneno y daba como producto de degradación al ácido perílico y la posterior generación de α-terpineol. Speelmans y col., (1998) también aislaron una cepa (P. putida GS1) con D-limoneno como única fuente de carbono en donde fue demostrada la producción de ácido perílico. En un estudio reportado por Chatterjee & Bhattacharyya (2001) se evaluó una cepa de Pseudomonas con capacidades degradantes de D-limoneno (P. putida MTCC 1072), los resultados demostraron que la bacteria fue capaz de acumular alcohol perílico y limoneno 6,8 diol en una proporción 4:5 durante el crecimiento sobre D-limoneno. Un trabajo más fue el reportado por Mirata y col., (2009) en donde evaluaron el poder biotransformante de P. putida en donde el principal producto fue alcohol perílico a partir de limoneno.
Groeneveld y col., (2016) identificaron un clúster de genes que codifican para cuatro componentes de oxigenasas que son las responsables para oxidar la estructura de D-limoneno, además encontraron que la expresión heteróloga de éste sistema en Pseudomonas putida da origen al compuesto (+)-trans-carveol mediante biotransformación. Schewe y col.,. en 2011 reportaron biotranformaciones de monoterpenos, específicamente biooxidaciones, por enzimas bacterianas (monooxigenasas). Las biostranformaciones se llevaron a cabo por Pseudomonas sp., Novosphingobium aromaticivorans, Bacillus megaterium, Bacillus licheniformis, Citrobacter braakii, Bacillus cereus, Xanthobacter sp, Bacillus stearothermophilus, Mycobacterium sp., Rhodococcus sp. De los productos obtenidos de la biotransformación fueron Limoneno-8,9-epóxido, alcohol perílico, carvona, a-terpineol, ácido perilico, oxido pineno.
Cepas degradantes de alcanos principalmente del género Rhodococcus y Mycobacterium también han sido reportadas por que fueron encontradas con capacidades para hidroxilar al D-limoneno y al L-limoneno exclusivamente en la posición 7, produciendo alcohol perílico (Kim y col., 2018; Duetz y col., 2001). Carvalho & da Fonseca (2003) evaluaron la cepa de Rhodococcus opacus PW4 para producir los isómeros de carveol (cis y trans) y carvona a través de la bioconversión catalítica de limoneno empleando sistemas bifásicos para mejor los procesos de extracción de los compuestos. En algunas cepas el alcohol perílico fue parcialmente o completamente oxidado al correspondiente aldehído y ácido, probablemente por la acción de deshidrogenasas no específicas.
Además especies del género Bacillus han sido reportadas por poseer capacidad biotransformante, dentro de los productos recuperados destacan el carveol, la carvona, pinocarvona y pinocarveol (Vespermann y col., 2017)
Sí bien, existen trabajos ya reportados en los cuales se aborda la biotransformación de terpenos mediante el uso de microorganismos la mayoría de estos versan sobre bacterias y levaduras (Bier y col., 2017; Willrodt y col., 2017), dándole poco uso a los sistemas que emplean hongos filamentosos; por lo que realizar estudios en donde se evalúe el poder biotransformante de hongos es necesario. Sobre todo cuando en algunos otros sistemas de biotransformación, los hongos filamentosos han mostrado tener capacidades superiores a las de bacterias y levaduras para crecer en medios de cultivo específicos. Algunos de los reportes más relevantes empleando sistemas fúngicos se describen a continuación:
Hongos como Fusarium oxysporum han sido utilizado como célula catalítica para la conversión de limoneno en α-terpineol, esta catálisis fue llevada a cabo bajo condiciones anaeróbicas empleando sistemas bifásicos que permitieran una mejora en el proceso de extracción del derivado oxigenado (Molina y col., 2015). Los microorganismos se han usado ampliamente para la hidroxilación de terpenoides y esteroides para producir derivados de importancia sintética y comercial. Aspergillus niger es uno de los microorganismos que ha sido reportado por llevar a cabo una variedad de reacciones en compuestos terpenoidales, incluyendo oxidaciones, reducciones y lactonizaciones. (Mohammad y col., 2018).
Además de la búsqueda de microorganismos con capacidad biotransformante, la búsqueda por el diseño de medios de cultivo que favorezcan los procesos de biotransformación también ha sido una tarea apremiante. En este sentido algunos trabajos se han enfocado al empleo de residuos agroindustriales, Bier & Medeiros (2017) reportaron el empleo de un medio de cultivos sintéticos y naturales haciendo uso de cáscara de naranja. Ellos demostraron la capacidad biotransformante de Phomopsis sp. para actuar sobre el limoneno y producir compuestos tales como terpinen-4-ol, limonene-1,2-diol, carveol, mentol. Los géneros Aspergillus y Penicillium han sido reportados que pueden transformar monoterpenos en interesantes productos empleando diversos medios de cultivo minerales y orgánicos (Chávez-González, 2015).
Otra ventaja de la biotransformación es que los microorganismos en especial los hongos tienen la habilidad de crecer a temperaturas ambientales, reduciendo el gasto de energía (Sales y col., 2017).
CONCLUSIONES
El uso de sistemas biológicos para llevar a cabo modificaciones químicas sobre el monoterpeno limoneno constituye una alternativa eficiente para la obtención de compuestos químicos de interés. Han sido reportados un amplio número de microorganismos con la capacidad de llevar a cabo estas modificaciones estructurales, teniendo como productos un gran número de compuestos con múltiples actividades biológicas que son apreciables en diversas áreas industriales. No obstante es necesario llevar a cabo estudios que mejoren los procesos de biotransformación para así mejorar los rendimientos de los productos de interés y las condiciones de procesamiento, así mismo también es de vital importancia la búsqueda y evaluación de nuevos sistemas biológicos con características biotransformantes.
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