S5. Actividad 2
Análisis y abstracción de información
Marco teórico
1. Generalidades de Aspergillus sp.
1. Generalidades de Aspergillus sp.
Los hongos son organismos eucariontes, aerobios, heterótrofos, que se reproducen sexual y/o asexualmente. Su pared contiene polisacáridos (principalmente α-glucanas, mananas y quitina), además de manoproteínas. Pueden ser microscópicos o macroscópicos; los primeros se presentan bajo una modalidad micelio o levaduriforme. (Méndez, 2008)
Los hongos del genero Aspergillus son ubicuos, encontrándose ampliamente distribuidos en la naturaleza pudiéndose aislar de una gran variedad de sustratos. Debido a la facilidad de suspensión de sus conidios y a su pequeño tamaño, estos pueden permanecer en el ambiente por largo tiempo, por lo que son un vector importante de contaminación de alimentos y de enfermedades al hombre. Se encuentran presentes generalmente en el suelo, aire, agua, plantas y materia orgánica en descomposición. El medio ideal para su desarrollo son ambientes oscuros, húmedos y cerrados. (Cota, 2010)
El género Aspergillus comprende alrededor de 180 especies, son hongos filamentosos y hialinos, se caracteriza por la producción de hifas especializadas, denominadas conidióforos, sobre las que se encuentran las células conidiógenas que originarán las esporas asexuales o conidios. (Abarca, 2000)
El conidióforo característico de Aspergillus es una estructura unicelular con tres partes diferenciadas: vesícula (extremo apical hinchado), estirpe (sección cilíndrica situada debajo de la vesícula) y célula pie (sección final, a veces separada por un septo que se une al conidióforo con el micelio). Sobre la vesícula se disponen las células conidiógenas, llamadas fiálides. En muchas especies entre la vesícula y las fiálides se encuentran otras células denominadas métulas. Las cabezas conidiales que solo presentan fiálides se denominan uniseriadas, y las que presentan fiálides y métulas, biseriadas. (Cota, 2010)
En estos hongos se ha descubierto su fase de reproducción sexual y se ubican dentro de la división Ascomycota, a pesar de la gran utilidad que representa conocer la forma de reproducción sexual para estudios taxonómicos, fisiológicos y de reproducción, las enfermedades causadas por estos hongos se presentan cuando el hongo se reproduce asexualmente. (Méndez, 2012)
Los hongos del genero Aspergillus son ubicuos, encontrándose ampliamente distribuidos en la naturaleza pudiéndose aislar de una gran variedad de sustratos. Debido a la facilidad de suspensión de sus conidios y a su pequeño tamaño, estos pueden permanecer en el ambiente por largo tiempo, por lo que son un vector importante de contaminación de alimentos y de enfermedades al hombre. Se encuentran presentes generalmente en el suelo, aire, agua, plantas y materia orgánica en descomposición. El medio ideal para su desarrollo son ambientes oscuros, húmedos y cerrados. (Cota, 2010)
El género Aspergillus comprende alrededor de 180 especies, son hongos filamentosos y hialinos, se caracteriza por la producción de hifas especializadas, denominadas conidióforos, sobre las que se encuentran las células conidiógenas que originarán las esporas asexuales o conidios. (Abarca, 2000)
El conidióforo característico de Aspergillus es una estructura unicelular con tres partes diferenciadas: vesícula (extremo apical hinchado), estirpe (sección cilíndrica situada debajo de la vesícula) y célula pie (sección final, a veces separada por un septo que se une al conidióforo con el micelio). Sobre la vesícula se disponen las células conidiógenas, llamadas fiálides. En muchas especies entre la vesícula y las fiálides se encuentran otras células denominadas métulas. Las cabezas conidiales que solo presentan fiálides se denominan uniseriadas, y las que presentan fiálides y métulas, biseriadas. (Cota, 2010)
En estos hongos se ha descubierto su fase de reproducción sexual y se ubican dentro de la división Ascomycota, a pesar de la gran utilidad que representa conocer la forma de reproducción sexual para estudios taxonómicos, fisiológicos y de reproducción, las enfermedades causadas por estos hongos se presentan cuando el hongo se reproduce asexualmente. (Méndez, 2012)
Imagen 1. Estructuras de reproducción asexual de Aspergillus sp. Cabeza aspergilar, uniseriada y biseriada, respectivamente, donde se observa el conidióforo, vesículas, fiálides y cadenas de fialoconidias. (Abarca, 2000)
Aspergillus flavus al igual que A. parasiticus son consideradas como hongos de almacenamiento, ya que pueden proliferar y causar una infección durante la conservación de los alimentos, aunque también se aíslan con frecuencia en productos precosecha. Debido a esto han sido objeto de estudio durante varios años, por su importancia tanto en contaminación de alimentos como productores de compuestos tóxicos de importancia en la salud pública. (Cota, 2010)
2. Micotoxinas
Las micotoxinas son metabolitos secundarios tóxicos producidos por ciertos hongos en productos agrícolas expuestos a la infestación fúngica. Su producción es inevitable y depende de diferentes factores ambientales en el campo y/o durante el almacenamiento. Dado su carácter inevitable e imprevisible, la contaminación por micotoxina plantea un problema especial para la inocuidad de los alimentos. (Arrúa, 2009)
Derivan de las palabas griegas Mikes, hongo y toxina, veneno. Su formación tiene lugar al final de la fase de crecimiento, durante la fase estacionaria siendo a menudo asociado con la diferenciación y la esporulación.
Son moléculas pequeñas, de peso molecular menor a 700 kDa. La mayor parte de ellas se originan en la ruta policetónica, aunque existen otras rutas biosintéticas más complejas y las mismas relacionadas con un menor número de especies fúngicas productoras de la toxina. La presencia de estas micotoxinas puede darse en forma individual o simultánea con otras, lo que puede provocar efectos sinérgicos en el organismo, aumentando su toxicidad. (Soriano, 2007)
Existen cinco grupos de micotoxinas, que se producen con frecuencia en los alimentos: el deoxinivalenol/nivalenol, zearalenona, ocratoxina, fumonisinas y aflatoxinas. (FAO, 1997). Los productos alimenticios más comúnmente contaminados son: cacahuates y granos de cereales. El maíz, en particular, puede ser simultáneamente contaminado por varias toxinas, mientras que el trigo, cebada, avena y arroz se ven afectados con menos frecuencia (Cota, 2010)
2.1. Aflatoxinas
Las aflatoxinas son químicamente difuranocumarinas formadas por anillos heterocíclicos donde se relaciona a los furanos con la toxicidad y a la lactona con la fluorescencia de las partículas, además a la susceptibilidad de los compuestos a la hidrólisis alcalina. (Arrúa, 2009)
La toxicidad de las principales aflatoxinas en orden decreciente es AFB1, aflatoxicol, AFM1, AFG1, AFB2, AFG2 = AFM2. (Bennett & Klich, 2003) La aflatoxina B1, es la forma química más abundante y tóxica (LD50 = 1- 50 mg/kg), es extremadamente mutagénica y es uno de los carcinógenos más potentes probados en ratas. La AFB1 ha sido considerada como la de mayor riesgo por la IARC, quien la ha clasificado dentro del grupo 1, como agente altamente carcinogénico en humanos.
La enfermedad causada por el consumo de aflatoxinas se denomina aflatoxicosis, siendo el blanco principal el hígado. El efecto tóxico de la aflatoxinas en animales superiores es de dos tipos: agudo y crónico. (Trail, et al., 1995)
3. Biosíntesis
3.1. Genes implicados en la biosíntesis
Se han establecido 30 genes o marcos de lectura abierta (ORFs) potencialmente implicados en la biosíntesis de las aflatoxinas. Los genes en A. flavus y A. parasiticus se agrupan dentro de una región de 75 kb del genoma del hongo en el cromosoma III a 80 kb lejos de los telómeros. (Yu, 2012)
En promedio, alrededor de 2,8 kb de DNA cromosómico contienen un gen. Los genes más grandes se encuentran entre unos 5 a 7 kb cada uno, codifican para FASα (5,8 kb) y FASβ (5,1 kb); y PKS (6,6 kb). Excluyendo estos tres grandes genes, el tamaño promedio de los otros genes es de 2 kb. En el extremo 5 'de la secuencia clúster, se encuentra una región de DNA de aproximadamente 2 kb sin ORF, esta secuencia marca el final del grupo en esta orientación. El extremo 3 'de este grupo de genes está delineada por un grupo de genes de utilización de azúcar que consta de cuatro genes.
3.2. aflR
El gen aflR, de 47 kDA, es un regulador positivo encargado de la activación transcripcional de la mayoría de los genes estructurales implicados en la biosíntesis. El gen aflR codifica una proteína que contiene un motivo dedo de zinc (Zn (II) 2Cys6) de unión al DNA. Al igual que otras proteínas reguladoras Gal4 se une la secuencias palindromicas, aflR se une como un dímero. (Yu, 2012)
Imagen 2. Elementos upstream que influyen en la expresión del cluster de genes AF/ST. La regulación de la biosíntesis de AF/ST implica la integración desde los distintos reguladores de aflR hasta proteínas heterotriméricas de señalización G. También se ve afectado por varias señales ambientales como la luz percibida en parte el complejo Velvet. La proteína aflR sirve como el eje regulador que acomoda varias entradas para crear una única salida, por ejemplo, la expresión de AF / ST agrupación de genes biosintéticos. (Alkhayyat & Yu, 2014)
3.3. veA
veA tiene un papel fundamental en la activación del desarrollo sexual y la inhibición del asexual en Aspergillus. VeA se requiere para la producción de cleistotecios en A. nidulans y la producción de esclerocios en A. parasiticus y A. flavus. (Amaike & Keller, 2009).
Estudios revelaron que la supresión de veA resultó en un incremento en el desarrollo asexual en Aspergillus flavus. En contraste, la formación de conidios se reduce cuando veA se suprime en Aspergillus parasiticus. Es posible que veA regula la formación de conidios en A. parasiticus bajo otro mecanismo. Una observación relevante que es común en las mutantes de veA en A. parasiticus y A. flavus fue el efecto sobre la producción de esclerocios. La supresión de veA se traduce en un bloqueo completo de la producción de esclerocios en ambos hongos.
En A. parasiticus y A. flavus VeA es necesaria para la expresión de aflR y aflJ. En consecuencia, la activación del cluster y la biosíntesis de AF son completamente bloqueadas en estudios de silenciamiento de veA. (Calvo, 2008)
4. Control de aflatoxinas con métodos tradicionales
El método ideal para el control de aflatoxinas debe ser fácil de usar, económico, no formar compuestos más tóxicos que la micotoxina original y no alterar las propiedades nutricionales ni organolépticas de los alimentos. (Miranda & Vargas, 2013)
Desde que las aflatoxinas han sido reconocidas como un problema significativo en todo el mundo, las investigaciones han propuesto algunas formas de desintoxicación. La desintoxicación de aflatoxinas se refiere a los tratamientos postcosecha dirigidos a eliminar o disminuir los efectos tóxicos. (Lizárraga, 2013)
· Álcalisis y nixtamalización
· Ozonización
· Compuestos naturales
· Compuestos sintéticos
· Amonificación
5. Control de aflatoxinas con métodos innovadores
Aunque hay una gran cantidad de métodos que se han practicado en contra de los hongos aflatoxigénicos y sus toxinas, estos han sido criticados por su baja efectividad o por su carácter contaminante. Es por ello que en los últimos años los investigadores han elegido nuevas formas de lidiar con esta amenaza que implica métodos microbiológicos y biotecnológicos que son prometedoras debido a los buenos resultados que se han obtenido con ellos.
5.1. Método biológica
5.2. Ingeniería genética
El genoma de las plantas tiene una influencia significativa en la contaminación por hongos y la subsiguiente biosíntesis de las micotoxinas, por lo tanto, la importancia de desarrollar nuevas variedades a través de la ingeniería genética, capaces de resistir el ataque de hongos o inhibir la producción de toxinas. Usando una combinación de enfoques genéticos, genómica y proteómica para dilucidar los mecanismos de defensa de los cultivos y su regulación genética mejorará significativamente la eficiencia de mejoramiento genético para obtener mejores variedades de cultivo.
Los genes de la ruta de AF se encuentran agrupados en el genoma de A. flavus y A. parasiticus. Estos genes se expresan simultáneamente a excepción de los reguladores del cluster de biosíntesis, entre los que se encuentran, aflR, aflJ, así como, laeA y veA. Una técnica prometedora es el RNAi en la que el dsRNA desencadena la degradación de un mRNA homólogo, disminuyendo así o eliminando la expresión génica del RNA blanco. El RNAi ha demostrado ser eficaz en la mayoría de los eucariotas, incluyendo vertebrados, plantas, gusanos, protistas, y hongos. (Lizárraga, 2013)
5.2.1. Mecanismo del RNAi
El silenciamiento por RNA es un mecanismo altamente conservado en la naturaleza en el que moléculas de RNA de doble cadena (dsRNA) regulan la expresión de genes. (Dang et al., 2011)
3.3. veA
veA tiene un papel fundamental en la activación del desarrollo sexual y la inhibición del asexual en Aspergillus. VeA se requiere para la producción de cleistotecios en A. nidulans y la producción de esclerocios en A. parasiticus y A. flavus. (Amaike & Keller, 2009).
Estudios revelaron que la supresión de veA resultó en un incremento en el desarrollo asexual en Aspergillus flavus. En contraste, la formación de conidios se reduce cuando veA se suprime en Aspergillus parasiticus. Es posible que veA regula la formación de conidios en A. parasiticus bajo otro mecanismo. Una observación relevante que es común en las mutantes de veA en A. parasiticus y A. flavus fue el efecto sobre la producción de esclerocios. La supresión de veA se traduce en un bloqueo completo de la producción de esclerocios en ambos hongos.
En A. parasiticus y A. flavus VeA es necesaria para la expresión de aflR y aflJ. En consecuencia, la activación del cluster y la biosíntesis de AF son completamente bloqueadas en estudios de silenciamiento de veA. (Calvo, 2008)
4. Control de aflatoxinas con métodos tradicionales
El método ideal para el control de aflatoxinas debe ser fácil de usar, económico, no formar compuestos más tóxicos que la micotoxina original y no alterar las propiedades nutricionales ni organolépticas de los alimentos. (Miranda & Vargas, 2013)
Desde que las aflatoxinas han sido reconocidas como un problema significativo en todo el mundo, las investigaciones han propuesto algunas formas de desintoxicación. La desintoxicación de aflatoxinas se refiere a los tratamientos postcosecha dirigidos a eliminar o disminuir los efectos tóxicos. (Lizárraga, 2013)
· Álcalisis y nixtamalización
· Ozonización
· Compuestos naturales
· Compuestos sintéticos
· Amonificación
5. Control de aflatoxinas con métodos innovadores
Aunque hay una gran cantidad de métodos que se han practicado en contra de los hongos aflatoxigénicos y sus toxinas, estos han sido criticados por su baja efectividad o por su carácter contaminante. Es por ello que en los últimos años los investigadores han elegido nuevas formas de lidiar con esta amenaza que implica métodos microbiológicos y biotecnológicos que son prometedoras debido a los buenos resultados que se han obtenido con ellos.
5.1. Método biológica
5.2. Ingeniería genética
El genoma de las plantas tiene una influencia significativa en la contaminación por hongos y la subsiguiente biosíntesis de las micotoxinas, por lo tanto, la importancia de desarrollar nuevas variedades a través de la ingeniería genética, capaces de resistir el ataque de hongos o inhibir la producción de toxinas. Usando una combinación de enfoques genéticos, genómica y proteómica para dilucidar los mecanismos de defensa de los cultivos y su regulación genética mejorará significativamente la eficiencia de mejoramiento genético para obtener mejores variedades de cultivo.
Los genes de la ruta de AF se encuentran agrupados en el genoma de A. flavus y A. parasiticus. Estos genes se expresan simultáneamente a excepción de los reguladores del cluster de biosíntesis, entre los que se encuentran, aflR, aflJ, así como, laeA y veA. Una técnica prometedora es el RNAi en la que el dsRNA desencadena la degradación de un mRNA homólogo, disminuyendo así o eliminando la expresión génica del RNA blanco. El RNAi ha demostrado ser eficaz en la mayoría de los eucariotas, incluyendo vertebrados, plantas, gusanos, protistas, y hongos. (Lizárraga, 2013)
5.2.1. Mecanismo del RNAi
El silenciamiento por RNA es un mecanismo altamente conservado en la naturaleza en el que moléculas de RNA de doble cadena (dsRNA) regulan la expresión de genes. (Dang et al., 2011)
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