El género Rhodococcus. Una revisión didáctica

Sánchez N¹, Sandoval AH¹, Díaz-Corrales F²*, Serrano JA².

¹ Departamento de Sistemas Biológicos, Universidad Autónoma Metropolitana, Xochimilco, Mëxico.

² Departamento de Fisiología, Facultad de Medicina, Universidad de Los Andes, Mérida, Venezuela.

*Actualmente cursando estudios de doctorado en el Department of Brain Science Graduate School of Medicine and Dentistry, Okayama University 2-5-1 Shikatacho Okayama 700-8558, Japón.

RESUMEN

Los autores presentan una extensa revisión sobre el género Rhodococcus, grupo de microorganismos pertenecientes a la familia de los Actinomicetales. Se revisan aspectos relativos a la microbiología, taxonomía, citoquímica, patología, clínica y terapéutica de las afecciones que, como agentes patógenos, producen estos microorganismos, en especial en su papel de agentes productores de infecciones nosocomiales y oportunistas. Así mismo se revisan aspectos relativos a la importancia de estos microorganismos en el medio ambiente y como agentes útiles en la biorremediación ambiental.

Palabras-clave: Rhodococcus, actimomicetales, infección nosocomial, hongos, infecciones fúngicas.

Genus Rhodococcus. A didactical revision.

ABSTRACT

The authors present an extensive overview on the genus Rhodococcus, a group of microorganisms that belong to the Actinomycetales family. The study reviews aspects related to the microbiology, cytochemistry, pathology, clinic and therapy of the affections caused by these microorganisms as pathogenic agents, particularly, in their role as producers of nosocomial and opportunistic infections. At the same time, aspects concerning to the importance of these microorganisms in the environment and as useful agents to the environmental remediation are also reviewed.

Key-words: Rhodococcus, actinomycetales, nosocomial infection, fungi, fungal infections.

INTRODUCCIÓN

El género Rhodococcus fue reestablecido por Tsukamura (1) para acomodar a seis especies de Rhodococcus: R. aurantiacus, R. bronchialis, R. rhodochrous, R. roseus, R. rubropertinctus y R. terrae. Estos microorganismos se encuentran agrupados dentro de los actinomicetos nocardioformes, en el subgrupo de las bacterias que contienen ácidos micólicos en su pared celular. Dentro de este grupo se encuentran los géneros Gordona, Nocardia, Rhodococcus y Tsukamurella.

El género Rhodococcus fue muy bien definido por los estudios taxonómicos y de sistemática realizados por Goodfellow y Anderson en 1977 (2). Estos autores reconocen nueve especies, indicando a R. rhodochrous [(Zopf, 1891 (3), Tsukamura 1974 (1)] como especie tipo, e incluyen a R. bronchialis, R. coprophilus, R. corallinus, R. equi, R. erythropolis, R. ruber, R. rubropertinctus y R. terrae. Los microorganismos agrupados en este género se encuentran de manera general muy ampliamente distribuidos en el medio ambiente, de manera particular en suelos, reservorios de agua, ríos, lagos y otros ambientes acuáticos. Como agentes patógenos del hombre y los animales, el más importante de ellos es R. equi, anteriormente clasificado  como Corynebacterium equi (4). Algunos microorganismos del género Rhodococcus pueden causar infecciones en humanos, las cuales son raras. El papel de estos microorganismos como patógenos es sobre todo como microorganismos oportunistas (5-8).

El género Rhodococcus fue incluido en la lista de nombres aprobados de bacterias (9), y está reconocido como un género aparte en la edición del Manual Bergey de Bacteriología Sistemática (10).

TAXONOMÍA Y MORFOLOGÍA

El género Rhodococcus se caracteriza por agrupar bacterias de forma bacilar, las cuales pueden llegar a formar filamento vegetativo ramificado, el cual es septado y se fragmenta en formas bacilares y cocoidales, pudiendo producir formas celulares del tipo “L” (11). Son bacterias Gram-positivas (pueden presentar Gram variabilidad), parcialmente alcohol-ácido-resistentes y aeróbicas. Son no motiles, crecen bien a temperaturas de 30 a 37°C y crecen en la mayoría de los medios comunes de uso en el laboratorio. Presentan colonias de tipo mucoide, lisas o rugosas y pigmentadas de color crema, rojo, o anaranjado, pudiendo observarse formas sin color que generalmente son variantes de células parentales. Son catalasa-positivos y sensibles a la lisozima. Presentan un tipo de metabolismo oxidativo de los carbohidratos. Son arilsulfatasa-negativas y no son capaces de degradar la caseína, la celulosa, la quitina, la elastina, la xantina o el xilán. No contienen micobactinas. Su pared celular contiene ácidos micólicos con 34 a 52 átomos de carbono y hasta 3 dobles enlaces, siendo la mayor parte de la cadena de carbonos de tipo saturada e insaturada y con la presencia de ácidos grasos 10-metil-(tubérculo esteárico)-ramificado. Los ésteres de ácidos grasos liberados por pirólisis y cromatografía de gases de los ésteres micólicos presentan de 12 a 18  átomos de carbono. Las células contienen como fosfolípidos principales al: disfofatidil glicerol, fosfatidil etanolamina y fosfatidilinositol dimanósidos. Como menaquinonas presentan el tipo de las menaquinonas deshidrogenadas, con 8 unidades de isopropeno (MK-8(H₂) como forma predominante de isoprenolol. Presentan una relación de G+C de 67 a 73 mol%.

En la Tabla 1 se presentan las características diferenciales de los microorganismos que componen el género de bacterias que contienen ácidos micólicos, y en la Tabla 2, las características diferenciales de las especies del género Rhodococcus. (1, 2, 4, 8,12-15).

Tabla 1. Características diferenciales de los géneros de actinomicetos que contienen ácidos micólicos en su pared (1).

Símbolos:   (+): Positivo; (-): Negativo, algunas cepas dan resultados positivos; ND: No determinado.

(1) Según Goodfellow, Alderson y Chun (1998).

Tabla 2. Características diferenciales de las especies del género Rhodococcus.

 

Los estudios basados en datos de la secuencia de 16S rARN han podido confirmar la existencia de una relación muy próxima entre los géneros Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardia y Rhodococcus, y han demostrado que este taxón forma un grupo supragenérico dentro del proceso evolutivo radial desarrollado por los Actinomycetes (4). Basándose en estudios de taxonomía polifásica, Goodfellow y col., (4) propusieron una revisión del género Rhodococcus, presentándolo como un taxón conformado por 12 especies, a saber: R. coprophilus, R. equi, R. erythropolis, R. fascians, R. globerulus, R. marinonascens, R. opacus, R. percolatus, R. rhodnii, R. rhodochorous, R. ruber y R. zopfii. En la Tabla 2 pueden observarse las características morfológicas, bioquímicas y citoquímicas. Es interesante señalar que estos géneros, agrupados en el subgrupo de microorganismos con ácidos micólicos en su pared celular, también pueden ser diferenciados por medio de estudios de las proteínas ribosomales AT-L30 separadas por medio de electroforesis en gel de poliacrilamida en dos dimensiones. (16). Boiron y Provost (1990) (17), propusieron el uso de la susceptibilidad in vitro a antibióticos para la caracterización de microorganismos del género Rhodochrous.

MÉTODOS DE AISLAMIENTO Y ESTUDIO

Las muestras de tejidos o de secreciones se examinan luego de su cultivo en medios líquidos o sólidos. Se recomienda el cultivo en medios ricos, tales como infusión cerebro o corazón, incubados a 30 y 37°C. El crecimiento obtenido se examina por coloración de Gram y de Kinyoun. El crecimiento en medios sólidos se examina luego de unas 48 horas de incubación, para observar la morfología y características de las colonias. Estudios más detallados de la morfología, para evidenciar la formación de micelio ramificado de tipo vegetativo, pueden hacerse por cultivo en lámina (18)

MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN

La identificación de los microorganismos pertenecientes al género Rhodococcus no es fácil de lograr, debido a la falta de métodos de identificación basados en pruebas fenotípicas. En la Tabla 2 se pueden ver algunas de las pruebas que se recomiendan para la identificación de estos microorganismos. Queremos alertar que estas pruebas son fundamentalmente para realizar una identificación presuntiva de estos microorganismos y, por lo tanto, no son completamente adecuadas (5, 10). Se han propuesto otras técnicas que se ven promisorias para la identificación de las especies de Rhodococcus, tales como las pruebas enzimáticas rápidas (19).

Las técnicas de biología molecular permiten una buena y más segura identificación, ya que los datos hasta ahora obtenidos, basados en la correlación de los patrones de ribotipaje y el ADN son buenos (20). Así mismo, se puede realizar una identificación rápida por técnicas de PCR y de amplificación y restricción de ADN por análisis de endonucleasas (21, 22), tanto de materiales clínicos, como de muestras de suelo u otros ambientes naturales. (22, 23).

INFECCIONES CAUSADAS POR Rhodococcus 

Los procesos infecciosos causados por diferentes especies del genero Rhodococcus han sido descritos tanto en animales como en humanos y en algunas plantas (24). El principal patógeno reconocido dentro de este genero es Rhodococcus equi, aunque otras especies como Rhodococcus luteus, Rhodococcus erythropolis, Rhodococcus rhodochrous y Rhodococcus globerulus también han sido descritas como agentes causantes de infecciones, sobre todo a nivel cutáneo y de la córnea (24, 25). Las infecciones causadas por R. equi se presentan más frecuentemente en animales de granjas como caballos, cabras, ovejas y vacas, en los cuales produce generalmente cuadros de neumonía, sepsis o infecciones urogenitales (26, 27).

En humanos, R. equi es un agente infeccioso inusual (28). No obstante, desde 1980 las infecciones oportunistas causadas por este microorganismo han incrementado su morbilidad y mortalidad, sobre todo en pacientes inmunocomprometidos (28-30). La razón del incremento en la incidencia de R. equi ha sido atribuida tanto al aumento de pacientes infectados con el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) como al número cada día mayor de pacientes sometidos a trasplantes de órganos y, por consiguiente, a terapias inmunosupresoras (31-33). Por lo tanto, R. equi es considerado hoy en día como un importante patógeno emergente, el cual debe ser diagnosticado y tratado tiempo (31, 34).

La principal presentación clínica de las infecciones causadas por R. equi en humanos es la neumonía focal nodular o cavitada, la cual se puede complicar con empiema, derrame pleural, neumotórax o granulomas endobronquiales (27, 28, 35, 36). R. equi también se ha descrito en procesos infecciosos extrapulmonares, tales como abscesos subcutáneos, linfangitis, endoftalmitis, artritis séptica, osteítis, pericarditis, abscesos renales, sepsis y en procesos infecciosos del sistema nervioso central, tanto meningitis como abscesos cerebrales (27, 28, 32, 33, 37-39).

Las infecciones por R. equi son más frecuentes en hombres que en mujeres, en una relación de 3:1 (28). Aproximadamente 66% de todos los casos clínicos reportados han sido descritos en pacientes portadores de VIH, y alrededor de un 10% en pacientes con trasplantes de órganos, como complicación por el uso de terapias inmunosupresoras (34). El resto de los casos han sido reportados en pacientes inmunocomprometidos por otras causas tales como: diabetes, insuficiencia renal, linfoma, leucemia, cáncer pulmonar y alcoholismo (24, 28). Sólo 19 casos han sido descritos en pacientes inmunocompetentes, de los cuales 6 correspondieron a pacientes pediátricos (27, 28). La  mortalidad por R. equi en pacientes inmunocompetentes es del 20 al 35%, mientras que en pacientes inmunocomprometidos se eleva a más del 50% (37).

El principal mecanismo de adquisición de la infección es por medio de la inhalación de R. equi presente en el suelo (34). También se han descrito otras puertas de entrada, como la inoculación directa del microorganismo en heridas en la piel o mucosas y por medio de la ingestión de alimentos contaminados (27, 40). En varios casos el contacto con animales de granjas y animales domésticos, como perros, han sido descritos como la posible fuente de infección, a través de la inhalación de heces contaminadas o contacto directo con lesiones en la piel de estos animales (26, 33, 38). Pocos casos han sido descritos como infecciones nosocomiales, y tan sólo un caso por adquisición ocupacional, en un trabajador de laboratorio (32, 34).

Los síntomas de las infecciones causadas por R. equi dependen del sitio de la infección (28). Los síntomas se inician en forma insidiosa, después del contacto inicial con el microorganismo. La evolución tiende a ser crónica y en muchos casos puede haber recurrencia de los síntomas (27). Aproximadamente el 80% de todos los casos reportados tienen compromiso pulmonar (34). La neumonía focal nodular o cavitada, principal presentación clínica de las infecciones causadas por R. equi, se puede iniciar después de varios meses de realizado el trasplante de órganos sólidos (28, 41) y por lo general, cursa con fiebre, tos productiva o no, dolor pleurítico, hemoptisis y disnea (28, 31, 33, 35, 42).

El diagnóstico de R. equi se puede hacer por el aislamiento del microorganismo de muestras de esputo, lavado broncoalveolar, fluido pleural o biopsia de los tejidos afectados (30, 33, 42). Los cultivos de sangre generalmente son positivos en pacientes con VIH (28, 33). Por sus características morfológicas similares a organismos difteroides, R. equi puede ser fácilmente confundido como especie contaminante de Corynebacterium (31, 34). Además, R. equi, por ser ácido-alcohol-resistente, también puede ser confundido con especies de Mycobacterium (34). Por ser un microorganismo de crecimiento lento, los cultivos deberían ser observados cuidadosamente hasta por 3 semanas, descartando flora contaminante que pudiera crecer más rápidamente que las colonias de R. equi (37).

La identificación definitiva de R. equi se puede hacer en base a pruebas fisiológicas, citoquímicas y utilizando la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) (31, 34).  En los preparados histológicos se observan extensas áreas necróticas con infiltrados histiocíticos con citoplasma granular y eosinófilo. Ocasionalmente se puede observar una estructura histopatológica denominada malakoplakia, la cual se describe en otros procesos infecciosos y se caracteriza por la presencia de histiocitos con inclusiones citoplasmáticas basófilas conocidas como cuerpos de Michaelis-Gutmann  (42)

La patogenicidad de R. equi se basa en la capacidad que tiene este microorganismo de permanecer dentro de los macrófagos, aparentemente inhibiendo la unión fagosoma-lisosoma (24, 28, 42). Por esta razón, los antibióticos utilizados para el tratamiento de las infecciones causadas por este microorganismo deberían ser aquéllos que logren altas concentraciones dentro de los macrófagos, tales como: eritromicina, azitromicina, tobramicina, gentamicina, ciprofloxacina, clindamicina, cloranfenicol, rifampicina o trimetoprim/sulfametoxazol (37, 42).

Cepas de R. equi aisladas de muestras clínicas han reportado alta susceptibilidad a vancomicina e imipenem (31, 42). Aunque no existe un esquema terapéutico establecido para el tratamiento de infecciones causadas por R. equi, la mayoría de los autores coinciden en que se deben utilizar combinaciones de 2 a 3 antibióticos con buena penetración intracelular por períodos prolongados de tiempo, de unas 6 semanas o más, seguido de tratamiento oral por otras 2 semanas o incluso varios meses (36, 37, 39, 42).  Finalmente, el tratamiento quirúrgico en combinación con antibioticoterapia ha demostrado ser efectivo en el caso de amplias lesiones cavitadas pulmonares o abscesos cerebrales (29, 34, 37).

USO DE MICROORGANISMOS DEL GÉNERO Rhodococcus EN LA BIORREMEDIACIÓN

El proceso de biorremediación consiste en el uso de agentes biológicos, tales como microorganismos, en la descontaminación y la detoxificación de agentes químicos contaminantes del medio ambiente. Los principales agentes biológicos utilizados son las enzimas producidas por los microorganismos, pero en el campo pueden también ser utilizadas asociaciones de bacterias con plantas (43). La extracción continua de petróleo y la combustión generada por su utilización como materia prima y fuente de energía ha provocado cambios verdaderamente grandes en el medio. La generación de dióxido de carbono está implicada en fenómenos como el calentamiento global del planeta. Tanto los óxidos de nitrógeno como los de azufre son responsables de la lluvia ácida, la cual afecta los bosques, contamina los lagos y trae repercusiones graves en construcciones, tales como edificios. Nuestro planeta contiene alrededor de 1,5 x 10¹² millones de toneladas de carbono, y alrededor de 15% de éste se encuentra en yacimientos subterráneos. Ha sido extraída una pequeña parte (menos del 0,4% de todo el carbono del planeta) para usarlo como combustible; sin embargo, cada año se incorporan 2.800 millones de toneladas de dióxido de carbono a las 76.000 millones de toneladas existentes en la atmósfera (http://biblioweb.dgsca.unam.mx/libros/microbios/cap2). Aunado a los altos índices de contaminantes generados por el petróleo, se encuentran el uso de pesticidas y la contaminación generada por la acumulación excesiva de contaminantes derivados del petróleo: benceno, óxidos de azufre, difenilospoliclorados, hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPA’S, por sus siglas en español), entre otros, que se acumulan en el suelo, ríos y lagos, y que no son tratados en forma adecuada para evitar su contaminación o facilitar su degradación. Entre las alternativas que pueden surgir para disminuir el índice de contaminantes se encuentra el uso de microorganismos.

La diversidad metabólica que presentan los microorganismos del género Rhodococcus los hace ser candidatos ideales para su utilización en bioprocesos, con un gran potencial tanto en aplicaciones industriales como ambientales. Ellis et al. (2001) (44), han recopilado información acerca de 400 enzimas catabólicas microbianas y las posibles rutas a seguir dentro de la biotransformación o biodegradación de compuestos orgánicos en una base de datos sobre “Biocatálisis y biodegradación  de compuestos orgánicos por microorganismos” de la University of Minnesota Biocatalysis/Biodegradation Database: (UMBB).

http://umbbd.ahc.umn.edu

EL GÉNERO Rhodococcus Y EL MEDIO AMBIENTE

Las actividades que presentan los microorganismos del género Rhodococcus son muy diversas: son capaces de degradar limoneno, ciclohexanol, atrazina, dibenzotiofeno (DBT), metil-terbutil-éter, acetileno, benzonitrilo, estireno y acrilonitrilo. Presentan una gran actividad enzimática como nitrilasas y sulfatasas, con gran especificidad isomérica. Se les relaciona con una gran variedad de procesos de biodegradación de suelos contaminados con hidrocarburos.

Además de microorganismos del género Rhodococcus, otras especies de los géneros  Nocardia, Gordona y Dietzia, son capaces de utilizar  hidrocarburos como fuente de carbono (alkilbencenos y alkilcicloalcanos), teniendo preferencia por los monoaromáticos, poliaromáticos y cicloalcanos, los cuales pueden servir como substrato para la biosíntesis de lípidos, poniendo una vez más de manifiesto la versatilidad que presentan los microorganismos del género Actinomicetales (45).

Rhodococcus es capaz de tolerar solventes orgánicos para su crecimiento. Sardessai et al. (2002), (46) y Dean-Ross et al. (2001) (47) han aislado cepas capaces de degradar difenilospoliclorados de alto peso molecular. Pueden utilizar antraceno, fenantraeno, pireno y fluiarantreno. Kern et al (2002) (48), estudiaron un consorcio bacteriano Pseudomonas- Rhodococcus koreensis, el cual es capaz de degradar metil-terbutil-éter. Este contaminante es un aditivo que fue muy usado en la década de los años 70; su producción es actualmente de billones de libras por año. Hay problemas con su almacenamiento, siendo el segundo contaminante en los mantos acuíferos de los ríos de  los EUA.

Un estudio realizado por Cavalca et al. (2002) (49), en el cual inocularon la cepa 1BN de Rhodococcus sp., en suelo contaminado con naftaleno, donde la cepa no afecta la población nativa del suelo, éste mantiene su crecimiento y degrada el naftaleno. Ferranoni et al. (2002) (50), reportan la enzima 4-clorocatecol-1-2-oxigenasa de R. opacus ICP, enzima involucrada en la degradación aeróbica de compuestos cloroaromáticos, principalmente en la biotransformación de clorofenol.

Polisacáridos extracelulares de R. rhodochrous S2, estimulan la degradación de componentes aromáticos en el petróleo crudo (Arabian ligth) por bacterias marinas. Iwabuchi et al. (2002) (51), reportan este polisacárido, formado por D-glucosa, D-manosa, ácido D-glucurónico y lípidos (S-EPS, por sus siglas en inglés), que estimula la degradación de petróleo crudo (AF, por sus siglas en inglés), adicionándolo a un medio nutriente con agua de mar y AF, el cual es emulsificado por S-EPS, permitiendo el crecimiento bacteriano y la degradación del petróleo crudo.  En ausencia del polisacárido no hay crecimiento bacteriano y, por consiguiente, no hay degradación del petróleo. Las implicaciones que podría tener este polisacárido en procesos de biorremediación son amplias.

En la búsqueda de un consorcio bacteriano para el tratamiento de una mezcla de efluentes químicos industriales, obtenidos como material de desecho del tratamiento de metales (waste metal-working, MWFs, por sus siglas en inglés), Van der Gast et al. (2002) (52), reportan a R. erythropolis, junto con otras dos cepas más, como tres de las cuatro poblaciones más abundantes capaces de utilizar o tolerar todos los componentes del material de desecho (MWFs), entre los cuales se encuentran biocida y un componente recalcitrante, benzotriazole.

La actividad como nitrilasas y sulfatasas de los miembros del género Rhodococcus es de gran importancia en el ámbito ambiental y en los procesos de síntesis orgánica, los cuales, mediados por microorganismos, permiten biotransformaciones más limpias y eficientes,  con un alto grado de especificidad.

NITRILASAS DE Rhodococcus

Los nitrilos son un grupo importante de compuestos que pueden encontrarse en forma natural o por síntesis industrial. El metabolismo de algunos microorganismos, entre ellos Rhodococcus, puede transformar los nitrilos en sus correspondientes amidas y ácidos por medio de enzimas nitrilasas. Estas enzimas, presentan un gran interés dentro de la biocatálisis de compuestos orgánicos, por su capacidad de convertir nitrilos en sus correspondientes amidas y ácidos, teniendo una gran ventaja sobre las catálisis químicas, como son las condiciones medias de temperatura y pH, además de la ausencia de productos secundarios, siendo así una síntesis más limpia. Las nitrilasas de Rhodococcus son capaces de utilizar tanto nitrilos aromáticos como alifáticos, así como la biohidrólisis esteroselectiva de nitrilos, que está cobrando gran importancia.

La hidrólisis de nitrilos presenta dos caminos:

1. Por la actividad de nitrilasas y enzimas, que convierten directamente los nitrilos en su correspondiente ácido carboxílico y amonio.

2. Por medio de las nitrilhidratasas, que convierten nitrilos en sus correspondientes ácidos carboxílicos y amonio. Cataliza la hidratación del nitrilo en amina y su posterior transformación en ácido por medio de una amidasa

La cepa Rhodococcus AJ270, identificada como Rhodococcus rhodochrous, fue aislada del suelo por Blakey et al. (1995) (53). Esta cepa hidroliza eficientemente nitrilos a amidas y/o ácidos, tanto de nitrilos aromáticos como heterocíclicos y crece en presencia de altas concentraciones de acetonitrilo, benzonitrilo y 3-cianopiridina. La enzima es estable durante 18 meses a -20°C y cataliza biotransformaciones de nitrilos esteroespecíficos y regioespecíficos.

Rhodococcus sp. AJ270, en comparación con otros microorganismos reportados, posee una gran actividad enzimática sobre nitrilos aromáticos y heterocíclicos, con una excelente regioselectividad en la hidrólisis de nitrilos aromáticos y una gran variedad de dinitrilos aromáticos. Wang et al. (2001) (54), reportan la síntesis del ácido S-(+)-2-aril-3-metilbutírico y R-(+)-2-aril-3-metilbutiramidas de la hidrólisis de 2-aril-3-metilburironitrilos, bajo condiciones suaves. Esta enzima es muy sensible al efecto estérico de los sustituyentes “para” en un anillo aromático, muestra una baja S-estereoselectividad contra nitrilos y una estricta S-enantioselectividad como amidasa en 2-aril-3-metilbutiramidas.

La actividad de la enzima nitril-hidratasa/amidasa de Rhodococcus AJ270, hidroliza selectivamente 3-alkil-4-3-arilglutaronitrilos. Actúa solamente sobre un grupo ciano dejando el otro intacto (55, 56).

La amidasa fue altamente eficiente en la conversión de ácido a partir del intermediario de la hidratasa (monocianoamida). La enantioselectividad es atribuida a la nitril-hidratasa (S-enantioselectividad). Rhodococcus AJ270 no tolera solventes orgánicos como el diclorometano y el acetato de etilo. La hidrólisis de 3-aril y 3-alkilglutaronitrilos sustituidos, da como resultado 4S-(+) 3-aril y (-) 3-alkil-4-cianobutanóico, con un bajo exceso enantiomérico. La presencia de acetona aumenta dramáticamente la enantioselectividad, dando un 98% de exceso en algunos casos. La nitril-hidratasa/amidasa de la cepa Rhodococcus sp. AJ270, es capaz de hidrolizar eficientemente una gran variedad de nitrilos y dinitrilos con excelente rendimiento. Exhibe una alta entioselectividad contra diferentes tipos de nitrilos racémicos, así como nitrilos aromáticos, heterocíclicos y alifáticos (57). Es un eficiente sistema de biocatálisis enantioselectivo de mezclas racémicas de arilcetonitrilos alfa substituidos arilciclopropanolcarbonitrilos, en sus correspondientes ácidos y amidas enantioméricamente puras.

Otras cepas de Rhodococcus han sido ampliamente estudiadas, ya que presentan actividad de nitrilasas.  Zhong-Liu et al. (58-60), reportan la hidrólisis enantioselectiva de mezclas racémicas alfa sustituidas de arilacetonitrilos por Rhodococcus sp. CGMCC 0497, en sus correspondientes (R) amidas y  (S) ácidos.

Otra nitrilasa, pero de Rhodococcus rhodochrous J1, se emplea actualmente, en la producción de arcrilamida y nicotinamida. La mitad de la archilamida producida a nivel mundial es realizada a través de bioprocesos (61).

BIODESULFURIZACIÓN POR Rhodococcus

La biodesulfurización es un proceso que remueve azufre de combustibles fósiles, como es el petróleo, usando una serie de reacciones enzimáticas. Permite también el almacenamiento de sulfuro orgánico como combustible fósil.

La biodesulfurización de derivados del petróleo implica una reducción del contenido de azufre, disminuyendo así las emisiones de contaminantes a la atmósfera; esta opción podría ser razonable, pero tiene un gran inconveniente: el alto costo de los procesos usados en las refinerías para remover el azufre. La hidrodesulfurización es un proceso de alta presión (150-250 psig) y alta temperatura  (200-425oC), que utiliza gas hidrógeno para reducir el azufre de las fracciones del petróleo, particularmente diesel, dando sulfuro de hidrógeno, el cual es separado del combustible. Este proceso no elimina todas las moléculas de azufre: el azufre heterocíclico poliaromático (PASHs, por sus siglas en inglés) no es eliminado de las fracciones pesadas del petróleo. Estas limitaciones tecnológicas y económicas ubican el uso de los microorganismos en la opción más viable para la eliminación de contaminantes desde 1994 (Campbell et al., http://pubs.acs.org/hotartcl/cheltech/98/jul/rid.html). Este proceso, en el cual puede eliminarse por vía microbiana el azufre en un modelo con dibenzotiofeno  (DBT) sin ataque al hidrocarburo, sigue siendo, hasta ahora, una aportación de gran importancia en el desarrollo de procesos de biodesulfurización.

Si bien desde 1950 Estados Unidos tiene la patente del proceso de “desulfurización microbiana”, hasta la fecha no se ha generalizado el uso de los microorganismos en procesos comerciales. Algunas empresas emplean la biodesulfurización. Desde 1992, Energy BioSystems Corporation y Petroleum Energy Center han invertido recursos en los procesos de biodesulfurización microbiana. (http://pubs.acs.org/hotartcl/chemtech/98/jul/rid.html).

A nivel mundial son producidos aproximadamente 60 millones de barriles de aceite por día, cerca de la mitad con un contenido de azufre de 1,1%. Esto hace necesario la desulfurización del aceite, el cual incrementaría su valor, con una desulfurización parcial. Total Raffinage Distribution, S.A., Texaco Explotation and Production Technology Division, Koch Refining Company y Exxon, han incorporado ya procesos de desulfurización microbiana en algunos productos como el aceite, diesel y gasolina.

El proceso de biodesulfurización en algunos microorganismos, propuesto por la Universidad de Minnesota, en su página de Internet de la UMBBD, se ilustra en la Figura 1.

Figura 1. Proceso de biodesulfurización en algunos microorganismos

 

Fuente: http://uahc.umn.edu/dbt_image_map.html

Las sulfatasas, son un grupo heterogéneo de enzimas que catalizan la escisión hidrolítica del enlace de un éster sulfato, dando como resultado la liberación de sulfato inorgánico con su correspondiente alcohol. La enzima alkil-sulfatasa (EC·3.1.6.X), de Rhodococcus ruber (DSM44541), posee una enantioselectividad en la hidrólisis de ésteres de sec-alkilsulfatos, dando como resultado el alcohol y su correspondiente éster de sulfato no reactivo. Las principales ventajas que presenta esta actividad sulfatasa son: no requiere de ningún inductor para presentar la actividad sulfatasa; se puede preservar por liofilización manteniéndose varios meses en ausencia de un estabilizador; si se tiene a 4°C puede ser utilizada la alkil-sulfatasa semipurificada con excelentes resultados. La actividad enantio y esteroselectiva dan como resultado transformaciones enantioconvergentes, esto es, dos substratos dan un solo producto en dos reacciones cruzadas. Esto se traduce en un reconocimiento quiral de substratos racémicos en productos homoquirales: sus correspondientes alcoholes y sulfatos no reactivos. A nivel de biorremediación, es una capacidad con grandes posibilidades en la biotransformación de DBT en los procesos de desulfurización del diesel y en las biotransformaciones preparativas en síntesis orgánicas, con excelentes rendimientos (62).

Castorena et al. (2002) (63), demuestran que la cepa de Rhodococcus sp. IMP-S02, es capaz de desulfurizar 4,6-DBT, el cual es un derivado del DBT que es muy difícil remover, con rendimiento del 60%.

Como ha sido descrito por Nakayama et al. (2002) (64), el operón dszABC (genotipo Dsz) constituye el proceso de biodegradación multienzimático requerido para la desulfurización del DBT en su conversión a 2’hidroxidifenil-2-sulfinato a 2-HBP, catalizada por DszB, que fue aislado de Rhodococcus erythropolis KA2-5-1 y expresado en cepas de E. coli para la obtención de la enzima (Figura 1). Esta enzima es considerada como responsable de la desulfurización del DBT. Otras cepas también realizan reacciones de biodesulfirización, como lo es Rhodococcus erythropolis IGTS8, Rhodococcus erythropolis D-1 y Corynebacterium sp. SY1, las cuales siguen también la misma vía metabólica para desulfurizar DBT, siendo ampliamente estudiadas a la fecha.

El aislamiento de cinco cepas de Rhodococcus/Gordonia por Samir Abbad-Andaloussi et al. (2003) (65), demuestra la versatilidad de los actinomicetos, ya que este consorcio es capaz de utilizar DBT como única fuente de azufre, dando como productos HPB con una alta selectividad. También han sido encontradas la secuencias dszA, dszB, dszC y dszD, en la cepa de Rhodococcus erythropolis IGTS8.

La capacidad isomérica de Rhodococcus no es exclusiva en reacciones por nitrilasas y sulfatasas. También se encuentran cepas capaces de utilizar una gran variedad de hidrocarburos monocíclicos aromáticos, incluyendo benceno, fenol, tolueno y o-xileno como substratos. La cepa Rhodococcus sp. DK17, reportada por Kim et al. (2003) (66), es capaz de distinguir hidroxilaciones regioselectivas, dependiendo de la posición de los grupos sustituyentes del anillo aromático.

Remediar los efectos negativos de los avances tecnológicos constituye una meta para evitar, o por lo menos disminuir, el deterioro progresivo de la calidad del medio ambiente. En este contexto, la aplicación de técnicas de biorremediación constituye una solución viable, en donde Rhodococcus puede ser utilizado en la degradación de compuestos orgánicos, entre los cuales se incluyen los hidrocarburos policíclicos aromáticos, herbicidas, nitrilos aromáticos y anilinas halogenadas, entre otros, constituyendo también una herramienta con grandes perspectivas dentro del campo de las biotransformaciones microbianas. Algunas de las cepas reportadas de Rhodococcus han sido aisladas de suelos contaminados con HPA´S, diesel y herbicidas, teniendo esto como ventaja la adaptación del metabolismo del microorganismo a condiciones drásticas, siendo así mucho más fácil determinar qué metabolito puede degradar, y en muchos casos incorporándolo en las rutas metabólicas, facilitando así la eliminación completa de contaminantes. El aislamiento de cepas de suelos contaminados con derivados del petróleo podría constituir una fuente con mucho potencial dentro de la biorremediación, evitando así la adaptación de un microorganismo a condiciones distintas a las de su aislamiento, ahorrando tiempo y recursos, que en muchos casos no tienen mucho éxito. También tendría como ventaja el no desplazar los microorganismos nativos, sin dañar más el equilibrio microbiano del suelo.

La diversidad metabólica de los miembros del género Rhodococcus los hace ser candidatos ideales para su utilización en bioprocesos, con un gran potencial, tanto en aplicaciones industriales como ambientales

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