Bio-functional peptides: bioactivity, production and applications.

Martínez-Medina, G.A.a, Prado-Barragán, A.b, Martínez-Hernández, J.L.a, Ruíz, H.A.a, Rodríguez, R.M.a, Contreras-Esquivel, J.C.a, Aguilar, C.N.a*
a Departamento de Investigación en Alimentos. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Autónoma de Coahuila. Unidad Saltillo. 25280, Coahuila, México.
b Departamento de Biotecnología. División de Ciencias Biológicas y de la Salud. Universidad Autónoma Metropolitana. Unidad Iztapalapa, 09340, Ciudad de México.
*Autor para correspondencia: cristobal.aguilar@uadec.edu.mx

JBCT No. 22, julio – diciembre 2019
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Resumen
Los péptidos bio-funcionales son moléculas que, debido a sus propiedades biológicas, representan una alternativa atractiva, novedosa y original, dentro del área farmacéutica y alimentaria para su empleo como aditivos nutraceúticos de alto valor agregado. En la actualidad, dentro de los retos más importantes que mantiene el desarrollo de los bioprocesos para generación de péptidos son la estandarización e implementación de las metodologías de producción a escala industrial además de la purificación de estos compuestos, por lo que el objetivo de este artículo de revisión es analizar y describir un panorama a detalle de la producción, propiedades biológicas y aplicaciones de los péptidos bio-funcionales.

Palabras clave: Aplicaciones, péptidos bio-funcionales, propiedades biológicas, producción.

Abstract
Bio-functional peptides are molecules with biological properties which represent an attractive, innovative and original alternative in the pharmaceutical and food industries for use as nutraceutical additives with high added value. In the last decade, one of the most important challenges is the standardization and methodologies implementation for peptides industrial scale production and further purification. The purpose of this article revision is to have a close look on the production, biological properties characterization and possible applications described so far on bio-functional peptides.

Keywords: Applications, biological properties, bio-functional peptides, production.

INTRODUCTION

La relación entre alimento y la salud ha sido reconocida desde el año 450 A.C., tiempos de Sócrates, quien indicó “has de tu alimento, tu medicina” (Hasler 2002), derivado de este concepto han surgido términos como “nutracéutico” o “alimento funcional”. De acuerdo con el IFT (Institute of Food Thechnologist) un alimento funcional es un componente que provee además de la nutrición básica, un beneficio en la salud. Estos componentes pueden proporcionar elementos esenciales en cantidades que sobrepasan las necesarias para el mantenimiento, crecimiento y desarrollo normal de un individuo; además de aportar otros componentes biológicamente activos que imparten efectos fisiológicos deseables en la salud (Hasler & Brown 2009). Mientras que un nutracéutico, de acuerdo a la Farmacopea Canadiense es un producto aislado o purificado a partir de un producto alimentario, que generalmente se vende en una formula farmacéutica y que se ha demostrado que proporciona efectos fisiológicos positivos o una función preventiva o protectora en contra de una enfermedad crónica (Cicero et al., 2015).

Las proteínas representan un componente alimentario integral, que provee de aminoácidos esenciales que proporcionan energía para el crecimiento y mantenimiento de un individuo sano; además algunas proteínas poseen actividades biológicas específicas, haciéndolas potenciales ingredientes de alimentos funcionales (de Castro et al., 2014). Estudios recientes en la investigación de alimentos funcionales, tienen especial interés en los compuestos bioactivos incluyendo los péptidos bioactivos (Kadam et al., 2015), este término incluye a las secuencias cortas de aminoácidos que van de 2 a 40 unidades de aminoácidos que son inactivos dentro de la proteína precursora, sin embargo, al ser liberados durante la digestión pueden ejercer una variedad de actividades biológicas (Carrasco-Castilla et al., 2012).
Los péptidos bioactivos pueden ser liberados por hidrólisis o procesos fermentativos, y son generados a partir de diferentes fuentes proteicas, como lo son proteínas de origen animal, entre los que encontramos, sangre de bovino, gelatina, carne, huevo, algunos peces como la sardina y el salmón, o bien de fuentes vegetales como trigo, maíz, soja, arroz, hongos, calabaza y sorgo (Möller et al., 2008). Las secuencias aminoacídicas de los péptidos le confieren distintas propiedades biológicas además algunos péptidos pueden ser multifuncionales (Erdman et al., 2008). Los péptidos biológicamente activos pueden mostrar actividades antioxidantes, antihipertensivas, e inmunomoduladoras, antimicrobianas, antifúngicas y anticoagulantes (Saadi et al., 2015).

Después de la administración oral los péptidos pueden actuar de manera local en el sistema gastrointestinal o pueden sobrepasarlo e impactar en tejidos periféricos a través del sistema circulatorio y ejercer sus propiedades fisiológicas directamente en el sistema cardiovascular, digestivo, inmunológico e incluso en el sistema nervioso (Mulero-Cánovas et al., 2011); y por lo tanto puede llegar a ejercer un efecto terapéuticos y actuar como alternativa a otras moléculas farmacológicas en los sistemas del organismo; ofreciendo numerosas ventajas sobre los métodos farmacológicos convencionales debido a sus bioactividad, bioespecificidad, amplio espectro, diversidad estructural y bajos niveles de toxicidad y acumulación en tejidos del cuerpo (Agyei et al., 2011).

BIOFUNCIONALIDAD
Los péptidos funcionales derivados de proteínas de origen alimentario han sido estudiados y presentan actividades biológicas en sistemas fisiológicos como el digestivo, nervioso y el sistema inmune manifestando un efecto positivo en la salud (de Castro et al., 2015). Dentro de las actividades biológicas más reportadas se cuentan la actividad antimicrobiana, antihipertensiva, inmunomoduladoras y antioxidantes.

Actividad antimicrobiana
La preocupación generada por el uso excesivo de antibióticos ha motivado la búsqueda de nuevas moléculas con actividad antimicrobiana que presente efectividad pero que conlleve a menores efectos colaterales. Los péptidos antimicrobianos son caracterizados por ser moléculas cargadas positivamente y por presentar residuos hidrófobos, que pueden actuar en contra de un amplio espectro de microorganismos en los que se incluyen bacterias Gram positivas y bacterias Gram negativas, virus y hongos. Existe una atracción hidrófoba entre los péptidos y la membrana citoplasmática de los microorganismos; la cual está cargada negativamente, como resultado de esta atracción se forman poros. La actividad antimicrobiana de los péptidos también pueden actuar a través de otros mecanismos como puede ser el interrumpir procesos esenciales en la síntesis de ADN, proteínas y pared celular (Aoki et al., 2012).

Actividad antihipertensiva
Las enfermedades cardiovasculares (ECV), son un conjunto de padecimientos en donde el corazón y los vasos sanguíneos se ven afectados; entre las que se encuentran las enfermedades coronarias del corazón, ataques fulminantes o fallas cardiacas y además constituyen la primera causa de muerte a nivel mundial (Salehi et al., 2013). Una enfermedad crónica como la hipertensión es considerada uno de los mayores riesgos para el desarrollo de algunas ECV (Ogedegbe & Pickering 2011).

La enzima convertidora de la angiotensina (ECA) es una enzima clasificada como metal-carboxidipeptidasa (EC3.4.15.1) que juega un papel sustancial dentro de los organismos, ya que a través de su acción se genera un péptido con un potente poder vasoconstrictor (Espejo de Carpio et al., 2013). Para tratar la hipertensión se utilizan una serie de medicamentos sintéticos que inhiben la acción de la ECA y generalmente producen efectos secundarios; una alternativa a estos es el uso de moléculas con capacidad de inhibir la ECA a partir de fuentes de origen alimentario (Chen et al., 2013).

Actividad Inmunomoduladora
Existen péptidos que poseen capacidades inmunomoduladoras como es el caso de algunos péptidos derivados de proteínas como las caseínas y el suero de leche, que tienen la capacidad de mejorar y aumentar las funciones de las células inmunes promoviendo su proliferación así como la producción de anticuerpos y citocinas (Korhonen & Pihlanto 2006). Las actividades inmunomoduladoras promovidas por los péptidos dependen de la estructura, del tipo y la carga de los aminoácidos que lo forman (Agyei & Danquah 2012), a pesar de que la mayoría de los péptidos inmunomoduladores provienen de la hidrólisis de proteínas de la leche, se buscan nuevas alternativas, por ejemplo, algunos autores demostraron la actividad inmunomoduladora de hidrolizados proteicos de huevos de pescado (Chalamaiah et al., 2015).

Actividad Antioxidante
Normalmente los radicales libres son generados en el cuerpo durante la respiración, además también pueden ser producidos por estímulos externos como la contaminación, los componentes del tabaco o la radiación, estos pueden actuar en contra de infecciones, sin embargo un exceso de estas moléculas puede resultar en daños a las moléculas que forman los tejidos como ADN, proteínas y fosfolípidos que pueden resultar en el desarrollo de enfermedades como ateroesclerosis, artritis, diabetes y cáncer (Sarmadi et al., 2010). Por estas razones se buscan moléculas antioxidantes mediante la estabilización de radicales y moléculas pro-oxidantes, como Senphan et al., 2014 y Ahmed et al., 2014 que producen hidrolizados de piel de pescado utilizando proteasas del hepatopáncreas del camarón blanco del Pacífico con actividad antioxidante in vitro y a partir de hidrolizados de proteínas de leche de cabra, respectivamente.

Otras bioactividades
Los péptidos bio-funcionales también, pueden presentar actividades diversas, como actividad opiácea, en donde estas moléculas presentan una afinidad por los receptores opiáceos y actúan como moduladores exógenos de actividades como liberación de hormonas, motilidad intestinal y comportamiento emocional (Alvarado-Carrasco et al., 2010).
Los péptidos antihipercolesterolémicos, particularmente obtenidos de la hidrólisis de la soja, que tienen la capacidad de inhibir la absorción del colesterol, debido a la represión de la solubilidad (Mulero-Cánovas et al., 2011).

PRODUCCIÓN DE PÉPTIDOS BIO-FUNCIONALES
Debido a la gran relevancia terapéutica que se les ha atribuido a moléculas emergentes como los péptidos bioactivos, se han desarrollado una serie de metodologías para su producción, entre los que se pueden mencionar, la síntesis química, fermentaciones microbianas o la hidrólisis enzimática in vivo o in vitro e incluso combinaciones de estas técnicas.
La comprensión de los parámetros críticos para la generación de péptidos con una actividad fisiológica en concreto es de suma importancia; entre estos parámetros podemos encontrar la fuente proteica y sus características, la secuencia y composición de aminoácidos, condiciones de proceso temperatura, pH, especificidad de la enzima, tiempo de reacción, y en el caso de péptidos de origen vegetal, también puede influir el tiempo de cosecha o época del año. El control adecuado de estos puntos puede generar péptidos multifuncionales o con una actividad biológica específica (Samaranyaka 2011, Li-Chan et al., 2015).

Fermentación microbiana
La fermentación es uno de los procesos más utilizados para la generación de péptidos bio-funcionales. Las especies de bacterias ácido-lácticas (BAL) como: Lactobacillus helevticus, Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus, Lactobacillus lactis ssp. diacetylactis, Lactococcus lactis ssp. cremoris o Streptococcus salivarius ssp. thermophylus, constituyen algunos de los cultivos comúnmente utilizados. Los péptidos bioactivos pueden encontrarse en los productos lácteos de manera natural; ya que éstos contienen proteínas precursoras en la formación de péptidos fisiológicamente activos (de Castro et al., 2015). Los péptidos de origen lácteo son derivados de la proteólisis generada por las BAL, las cuales, poseen un sistema proteolítico complejo, que consiste en tres componentes principales: 1) Las proteasas que están unidas a la pared celular y que promueven la proteólisis inicial transformando las proteínas en oligopéptidos, 2) los péptidos que actúan como transportadores específicos que acarrean péptidos al citoplasma y por último, 3) los péptidos con actividad peptidasa intracelular que transforman los oligopéptidos en péptidos de bajo peso molecular y aminoácidos libres (Chaves et al., 2014).

Se ha reportado la producción de péptidos biológicamente activos a través del proceso fermentativo utilizando no sólo BAL, si no también organismos como: Kluyveromyces marxianus (Hamme et al., 2009), Fusarium tricinctum (Tejesvi et al., 2013), Bacillus subtilis y Bacillus brevis (Muhammad & Ahmed 2015). También se ha reportado el desarrollo de genes sintéticos para la generación de péptidos bioactivos utilizando microorganismos como Streptococcus thermophilus (Renye & Somkuti 2007) o Escherichia coli (Kim et al., 2006) para expresarlos (Zambrowwicz et al., 2013).

Aunado a esto se han presentado una serie de reportes en lo que se estudia la generación de péptidos bio-funcionales en alimentos fermentados tradicionales como el Kéfir (Ebner et al, 2015) o el Kapi que es una pasta de camarón fermentada, de la cocina tradicional tailandesa (Kleekayai et al., 2015).

Hidrólisis enzimática
La hidrólisis enzimática de proteínas es una de las metodologías más utilizadas para la generación de péptidos bio-funcionales (Korhonen et al., 2006), este proceso puede ser optimizado a través del control de ciertos parámetros físico-químicos como el pH o temperatura, proporcionando así las condiciones ideales para que las proteasas actúen (Kim et al., 2010). Una amplia variedad de proteinasas como: quimiotripsina, alcalasa, pepsina, termolisina, e incluso enzimas de fuentes bacterianas y fúngicas; así como combinaciones de las mismas, son empleadas para producir biopéptidos (Mohanty et al., 2015), generalmente a partir de sustratos proteicos de origen vegetales y animal, siendo las proteínas de leche una de las más utilizadas en la producción de moléculas bioactivas (Srinivas et al., 2010); otros sustratos ampliamente utilizados son la sangre de bovino, carne, gelatina, huevo, trigo, soja, arroz, hongos, calabaza, y sorgo (Möller et al., 2008), así mismo, se han obtenido péptidos con actividades biológicas a partir de sustratos de origen marino como lo son algas, pescados, moluscos, crustáceos y productos de desecho de músculos, vísceras o piel (Hung et al., 2012).

Este método de manufactura de péptidos fisiológicamente activos, posee ventajas en la generación de perfiles peptídicos bien definidos; los cuales poseen una alta tasa de productividad y además no se generan moléculas que pueden dañar la salud, como sucede con la hidrólisis química, por lo que los hace viables para su aplicación en la formulación de alimentos funcionales o nutracéuticos (Aluko 2012).

Existen metodologías que han implementado la inmovilización de enzimas durante el proceso de producción en el cual se destacan ventajas como una recuperación de enzimas sencilla y por lo tanto se permite generar productos de alta pureza (Wang et al., 2014; Pedroche et al., 2007).

Han sido reportados péptidos obtenidos a partir de hidrolizados proteicos de caseína o suero de leche de cabra antioxidantes e inhibidores de la ECA (De Gobba et al., 2014, Espejo de Carpio et al., 2013). Huang et al. (2015) reportaron la producción de péptidos con actividad fijadora de hierro a partir de colágeno proveniente de residuos de pescado, incluso, también se ha reportado péptidos antitromobóticos obtenidos a partir de proteínas de amaranto (Sabbione et al., 2015) e incluso proteínas del huevo con actividad antimicrobiana (Abdou et al., 2007).

Tecnologías alternativas
Trabajos recientes en la generación de nuevas secuencias peptídica con biofuncionalidad especifica se enfocan en la búsqueda de fuentes proteicas alternativas y nuevas metodologías para la generación de péptidos.
El establecimiento de técnicas de fragmentación de proteínas como el uso de ultrasonido, el procesamiento con microondas (Kadam et al., 2015), técnicas como hidrólisis con fluidos supercríticos (Rogalinski et al., 2005, Asaduzzaman et al., 2015) y los procesamientos con altas presiones (Toldrá et al., 2011) están siendo estudiados para la generación de productos bioactivos.

El ultrasonido es definido como una onda acústica con una frecuencia mayor a 20 kHz y por lo tanto exceden los límites del oído humano; además de que se necesita un medio externo para propagarse. Estas ondas provienen de un cuerpo en vibración que al propagarse al medio que las rodea, las moléculas comienzan a oscilar y también por oscilación estas partículas transmiten la energía entre sí (Mason & Loiner 2002). La aplicación de tecnologías como el ultrasonido de alta intensidad en matrices biológicas como proteínas, implica la generación de cambios fisicoquímicos en ellas (O’donell et al., 2010 ), debido a los efectos mecánicos, cavitacionales y térmicos que ésta tecnología genera, como la implosión de burbujas cavitacionales, formación de micro jets, micro turbulencia, colisiones de alta velocidad inter partículas y la perturbación de micro poros.

La formación y las colisiones entre las burbujas cavitacionales provocan que en el medio se generan temperaturas y presiones locales altas, que van arriba de 5000 K o 500 atm, así mismo la formación de radicales, lo que resulta en una mejora en la extracción además de la aceleración de las reacciones (Kadam et al., 2015), lo que puede ser aprovechado dentro de la industria de los alimentos y la farmacéutica, por ejemplo con la hidrólisis proteica que representa un paso importante dentro de la identificación, cuantificación, caracterización de proteínas, así como en la generación de péptidos bioactivos.

Con el fin de la producción de estos componentes bio-funcionales, se implementa el uso del ultrasonido como un pre tratamiento (Jia et al., 2010; Zou et al., 2016) o su aplicación simultánea durante la hidrólisis enzimática (Yang et al., 2011), esto debido al hecho de que esta tecnología, tiene la capacidad de modificar la estructura y conformación proteica, afectando los puentes de hidrógeno o interacciones hidrofílicas y por lo tanto la estructura terciaria y cuaternaria de la misma, aunado a esto, los efectos físicos y mecánicos, provocados por el ultrasonido pueden exponer en mayor medida los sitios de hidrólisis, lo que resulta en una aumento en la susceptibilidad a la acción de las proteinasas, provocando un aumento en el grado de hidrólisis. Sin embargo, entre los efectos adversos que pueden presentarse se encuentran los daños en la conformación de la propia enzima y por lo tanto en su actividad hidrolítica (Ozuna et al., 2015).

Por otra parte, tecnologías como el microondas, permiten que las moléculas que intervienen en las reacciones, oscilen bajo el campo electromagnético y ésta energía electromagnética es transformada en calor y por lo tanto hace posible que se lleven a cabo reacciones químicas (Reddy et al., 2013; Budarin et al., 2015), que se ven aceleradas, con rendimientos mayores y con productos altamente puros (de la Hoz et al., 2005), se han reportado estudios en donde se aplica la hidrólisis enzimática e hidrólisis con álcalis asistida por este tipo de tecnologías emergentes en la generación de hidrolizados proteicos (Izquierdo et al., 2007; Lee et al., 2016), así como para la obtención péptidos con una potencial actividad biológica (Ruan et al., 2014), e incluso ha sido utilizado como pre tratamiento de sustratos proteicos, previo a la hidrólisis enzimática para la generación de péptidos con bioactividad in vitro (Uluko et al., 2015).

PROCESOS DE RECUPERACIÓN
Los procesos de separación y purificación dentro de la producción de péptidos bioactivos que permitan una recuperación exitosa de los productos representan un paso relevante dentro del proceso. La selección del método de purificación, dependen en gran medida de las metodologías que se utilizan para generarlos, así como la aplicación al que se destina y las propiedades bio-funcionales de los mismos; donde generalmente, se utilizan metodologías que son extensamente aplicadas en la purificación de proteínas como: la precipitación selectiva con solventes, las técnicas de ultrafiltración y los métodos cromatográficos (Agyei et al., 2016). Propiedades como: las cargas, la variación de pesos moleculares y la afinidad de estas moléculas durante las metodologías de purificación son las barreras más grandes que se generan, es por esto que los científicos proponen metodologías que emplean instrumentación compleja para solucionar esta serie de desafíos (Saadi et al., 2015), también se han aplicado combinaciones de este tipo de metodologías por ejemplo, Lafarga et al. (2016) y Jin et al. (2016) emplearon metodologías consecutivas de ultrafiltración y técnicas cromatográficas, para la purificación de péptidos antihipertensivos y antioxidantes respectivamente; mientras que otros autores separan péptidos con aparentes propiedades anticancerígenas a través de tecnologías denominada electrodiálisis con membrana de ultrafiltración (Doyen et al., 2011), la implementación de estas metodologías, tienen generalmente éxito a nivel laboratorio pero al ser escaladas, repercuten en un aumento enorme de los costos en los bio procesos para la generación de péptidos bioactivos, siendo ésta etapa donde se demanda el desarrollo de nuevos procedimientos y tecnologías que faciliten y disminuyan los costos de los mismos.

Conclusiones
El bioproceso implicado en la generación de péptidos bioactivos, engloba una serie de complicados pasos, en donde la investigación científica hace un esfuerzo por optimizar los procesos y generar nuevas técnicas de producción, así como que las bioactividades expresadas por estos compuestos in vitro, se mantengan después de su consumo, aunados a esfuerzos para disminuir su sabor amargo; pero sobre todo, el reto más relevante que se presenta, como en la mayoría de los bioprocesos, es el enorme gasto implicado dentro las técnicas de purificación de péptidos bio-funcionales destinados a consumo humano, cuya finalidad es ejercer un efecto positivo en la salud.

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