Fotosíntesis y biomedicina

Imagen de portada: líquenes sobre la corteza de un liquidámbar en Castrelos (Vigo). Autor: F. Rodríguez

La simbiosis con algas es más común de lo que pensamos. La vemos todos los días en muros y fachadas, sobre la corteza de los árboles, paseando por la costa…son los líquenes por supuesto.

En el medio marino encontramos simbiontes fotosintéticos en animales como esponjas, cnidarios y moluscos. Huésped y fotosimbionte -ya sea microalga o cianobacteria-, obtienen energía y nutrientes para su crecimiento, protección frente a depredadores, etc.

No olvidemos que el copyright de la fotosíntesis lo tienen los antepasados de las cianobacterias actuales. Y tan fantástico resultó que otras células les hackearon el invento y una vez integrado lo transmitieron a sus descendientes, microalgas y vegetales terrestres.

Elysia chlorotica. Autor: P.J. Krug. Fuente: National Geographic.

Ya nos gustaría hacer la fotosíntesis. Todo ventajas, al sol como lagartijas. Gracias a los fotosimbiontes el huésped consigue compuestos esenciales para su supervivencia como azúcares, aminoácidos, glicerol, lípidos, ácidos orgánicos, etc.

¿Y dónde están los límites para la fotosimbiosis en animales? Pues todo irá bien si los simbiontes disponen de luz suficiente y el huésped permite una convivencia «pacífica» (p.ej. sin agresiones del sistema inmune o que no las elimine por otros medios). Pero esto no se consigue de un día para otro...

Toda unión estable conlleva cierta adaptación (morfológica, genética y metabólica) por ambas partes.

Por ejemplo el manto enorme de las almejas Tridacna que permite exponer a la luz sus dinoflagelados simbiontes (Symbiodinium).

O la transferencia de genes fotosintéticos desde el alga verde Vaucheria litorea a su huésped, la babosa de mar Elysia chlorotica.

¿Qué organismos poseen fotosimbiontes? Cianobacterias y microalgas habitan como endo– o ectosimbiontes en seres vivos unicelulares (p.ej. dinoflagelados, diatomeas, foraminíferos, radiolarios, acantáridos) y pluricelulares (cnidarios, esponjas y moluscos). Entre estos últimos hemos dado la turra en el blog sobre corales, anémonas (Anemonia, Cassiopea), ascidias (Lissoclinum), hidrozoos (Velella), moluscos gasterópodos (Elysia), sin olvidar gusanitos platelmintos verdes (Symsagittifera) ¡e incluso huevos de salamandra! (Ambystoma).

Salamandra de California (Ambystoma maculatum). Fuente: Sobre esto y aquello.

Les recuerdo que Ambystoma maculatum es el primer vertebrado conocido con algas endosimbiontes durante todo su ciclo de vida. En concreto Oophila amblystomastis, un alga verde cuyo nombre quiere decir «que ama los huevos de las salamandras«.

Su presencia en los embriones y cápsulas de huevos eleva el contenido de oxígeno, favoreciendo la eclosión, protegiéndoles de infecciones y eliminando residuos nitrogenados del embrión.

Lo que no hay todavía son pruebas irrefutables de que Oophila transfiera energía a las salamandras mediante la fotosíntesis (igual que hace Symbiodinium en los corales).

Pero partiendo de la producción de oxígeno y a la vista de los beneficios que aportan al huésped ¿por qué no investigar aplicaciones en nuestro propio interés?

La más evidente es aprovechar el oxígeno de las microalgas en biomedicina para combatir hipoxia en tejidos: terapias fotosintéticas. Para ello se necesita recrear la fotosimbiosis con biomateriales que pongan en contacto microalgas y células animales. Suena a ciencia ficción pero hace más de dos décadas que se investiga y publica sobre ello.

Aquí van ejemplos de ingeniería de tejidos. Una matriz de colágeno que da soporte a clorofíceas (Chlamydomonas reinhardtii) y fibroblastos murinos (células del tejido conectivo) en un biomaterial que recupera zonas lesionadas de la piel. O el mismo biomaterial, pero con líneas transgénicas de C. reinhardtii, que producen nuevos compuestos aumentando su potencial regenerador en incisiones y heridas…

…o hidrogel con la cianobacteria Spirulina platensis para eliminar daños en la piel por infección de Staphylococcus aureus. Estos son apenas algunos ejemplos ya ensayados -con éxito- en ratones (Chávez y col. 2020).

Biomateriales capaces de producir oxígeno in situ. A) cultivos de cianobacterias y algas verdes. B) Apósito para la piel. C) Hilos de sutura. D) ensayos de biocompatibilidad en pez cebra y E) ratones. Fuente: Chávez y col. (2020).

Además se plantea el uso de la fotosíntesis en terapias anticáncer para contrarrestar la hipoxia que provocan los tumores sólidos y que dificulta su tratamiento. Hasta ahora se ha experimentado en este sentido con algas verdes (Chlorella) y cianobacterias (Synechococcus elongatus).

Esquema de fototerapia anticáncer con cianobacterias. Fuente: Argawal y col. (2021).

Pero el salto de ratones a ensayos clínicos en humanos todavía queda lejos. Antes hay que estudiar una mayor diversidad de microalgas y cianobacterias con usos clínicos diferentes. Y profundizar en el conocimiento de los mecanismos que gobiernan la asociación con fotosimbiontes.

Otra barrera para su aplicación en humanos consiste en que el sistema inmunitario no interfiera en la terapia fotosintética, bien con microorganismos inmunotolerantes o fármacos que induzcan tolerancia.

Y no parece imposible porque el sistema inmune de vertebrados responde de forma suave (o nula) frente a microorganismos fotosintéticos.

Un trabajo reciente (Özugur y col. 2021) ha ido un paso más allá inyectando células fotosintéticas directamente en el sistema circulatorio. En concreto Chlamydomonas reinhardtii y la cianobacteria Synechocystis en renacuajos de rana (Xenopus laevis), usando por un lado cepas «normales» (wild type) y por otro «mutantes» que no producen oxígeno.

Pues bien. Los renacuajos (vivos y anestesiados; pobrecitos, todo por la ciencia), en un ambiente hipóxico y sin actividad neuronal recuperaban el funcionamiento de sus neuronas al iluminarlos. Todo gracias al aumento de oxígeno generado por Chlamydomonas (o Synechocystis) en su sistema circulatorio. Y como prueba del origen fotosintético del oxígeno, los renacuajos «control» (con cepas mutantes) continuaron catatónicos.

Aquí el vídeo de la inyección «verde» en el corazón. Impactante.

Grabación de la inyección de microalgas en renacuajos de Xenopus laevis. Fuente: Özugur y col. (2021)

Las aplicaciones intravasculares podrían ir hipotéticamente desde la recuperación de tejidos infartados a la solución de problemas respiratorios. Incluso el aprovechamiento de sustancias liberadas por las microalgas.

Y es que a pesar de las dificultades (fáciles de imaginar en este momento), la experimentación con vertebrados abre la posibilidad para aplicaciones que hoy en día parecen ciencia ficción. Y no lo digo yo, sino Suzan Özugur y col. al final de su trabajo...

Referencias:

  • Argawal T. y col. Recent advances in tissue engineering and anticancer modalities with photosynthetic microorganisms as potent oxygen generators. Biomed. Eng. Adv. 1, 100005 (2021).
  • Burns J.A. y col. Heterotrophic carbon fixation in a salamander-alga symbiosis. Front. Microbiol. 11:1815 (2020).
  • Chávez M.N., y col. Photosymbiosis for biomedical applications. Front. Bioeng. Biotechnol. 8, 577204 (2020).
  • Özugur S. y col. Green oxygen power plants in the brain rescue neuronal activity. iScience 24, 103158 (2021).
  • Rumpho M.E. y col. Horizontal gene transfer of the algal nuclear gene psbO to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica. PNAS 105: 7867–17871 (2008).
  • Venn A.A. y col. Photosynthetic symbioses in animals. J. Exp. Bot. 59:1069–1080 (2008).

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