Los microorganismos han sido empleados desde siglos, como materia prima esencial para la obtención de productos; hoy en día son fundamentales para el tratamiento de desechos, generación de energía, elaboración de reactivos, protección ambiental y en general, para el desarrollo de novedosos productos biotecnológicos. Dentro del grupo de microorganismos, las microalgas tienen especial importancia industrial, ya que de ellas se puede producir una amplia gama de compuestos polisacáridos, lípidos, proteínas, pigmentos, vitaminas, esteroles, enzimas, antibióticos y demás productos químicos y farmacéuticos. El creciente uso de estos materiales biológicos en la biotecnología ha fortalecido la necesidad de mantener cultivos microbianos, de manera que las propiedades que los hacen útiles permanezcan estables. Es por ello que el estudio y protección de la diversidad microbiana, es particularmente importante si es visualizada como un reservorio de genes con gran valor industrial. Para esto se han establecido colecciones de microorganismos con el fin de conservar ex situ el material biológico, de forma tal que se encuentre disponible para programas de investigación, conservación y promoción de servicios. Por estas razones, este proyecto tiene como objetivo el establecimiento de una colección de microalgas autóctonas de la región, que tengan algún potencial industrial, con el fin de ser utilizados en investigación y docencia en la institución.

PALABRAS CLAVE: Microorganismos · Colección · ex situ · Microalgas

• Subárea: Biotecnología Ambiental

Monitoreo del balance (fijación y emisión) de carbono y gases de efecto invernadero en un sistema silvopastoril (Erythrina berteroana Urban y Brachiarilia brizantha CV Toledo), de una explotación lechera en la Región Huetar Norte de Costa Rica. 

Durante los últimos años, el TEC ha venido trabajando en la línea del uso de árboles y arbustos tanto forrajeros como de servicio. Tenemos por ejemplo los proyectos: "Desarrollo de modelos de producción sostenible para pequeños productores de la región Huetar Norte de Costa Rica, componente ejecutado por el TEC dentro del proyecto llevado a cabo por UCR-UNA-TEC-UNED con fondos FEES y "Efectos del componente arbóreo (Gliricidia sepium y Erythrina berteroana) sobre las características físicas, químicas y biológicas del suelo bajo un sistema silvopastoril asociado a Brachiaria brizantha CIAT 26110 cv. Toledo en la zona húmeda baja de Costa Rica, proyecto con fondos VIE". Esos estudios, sin duda alguna, abren las puertas para investigar sobre lo que tenemos, cómo lo estamos reservando y cuánto en realidad nos haría falta para que bajo un modelo como el que se propone en este trabajo, lleguemos a la aproximación de carbono neutral y obtener datos confiables que sirvan para proponer sistemas de ganadería amigables con el medio ambiente para la región Huetar Norte de Costa Rica.

La diabetes es una enfermedad en la cual el cuerpo no produce o no utiliza apropiadamente la insulina. Actualmente los tratamientos para la diabetes incluyen la administración de la insulina por inyección o vía intranasal, ambas son métodos invasivos y costosos. Al producir la proinsulina en los cloroplastos de plantas de tabaco (Nicotiana tabacum) se reducirían los costos, ya que las plantas requieren menores insumos que los actuales sistemas de producción de la industria farmacéutica. El desarrollo de nuevos avances y mejoras en la tecnología usando las plantas como plataformas de producción para fármacos, tiene un alto potencia y nuevas oportunidades en el sector farmacéutico. En los últimos años los Laboratorios de Biotecnología de Plantas y de Biología Molecular (ambos ubicados en la Sede San Carlos del ITCR) han afinado un protocolo para el aceleramiento de partículas para biolística tradicional y mediante liposomas cristalizados. Esto aunado a la experiencia desarrollada por la M.Sc. Jarquín en transformación plastidial (Centro de Investigación en Biotecnología, ITCR Cartago) han permitido, mediante la interacción entre este equipo multidisciplinario, desarrollar esta propuesta que permitirá afinar los protocolos necesarios para la transformación plastidial de tabaco con fines de diversificación de los subproductos obtenidos a partir de este material y con una posible aplicación terapéutica.

El Laboratorio de Biología Molecular de la Escuela de Biología y el Centro de Investigación en Biotecnología (CIB) del Instituto Tecnológico de Costa Rica (TEC) a través de varios años se han venido desarrollando metodologías en la biología molecular para el estudio e identificación de microorganismos y sus comunidades. Paralelamente se han recibido diferentes solicitudes de identificación y tipificación molecular de material biológico microbiano tanto de empresas privadas como de proyectos de investigación en universidades, muchas de ellas relacionadas con la identificación molecular de patógenos y biocontroladores microbianos de interés agrícola. Por esta razón, la presente Actividad de Fortalecimiento pretende el establecimiento de protocolos para la identificación molecular de bacterias y eucariotas microbianos a través del estudio y la secuenciación de genes informativos. Para esto se optimizarán procedimientos para la extracción de ADN de bacterias, hongos, microalgas y muestras ambientales. Posteriormente se establecerán protocolos para amplificación de genes filogenéticamente informativos a través de la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) y su posterior secuenciación. Simultáneamente se implementará la técnica de Electroforesis en Gel de Gradiente Desnaturalizante (DGGE) especialmente dirigida al establecimiento de huellas genéticas de comunidades microbianas en muestras ambientales y su análisis bioinformático.

Identificación molecular, huella genética, ADN 16S, ADN 18S, hongos, microalgas, bacterias, PCR-DGGE, secuenciación.

• Subárea asociada: Biotecnología Ambiental

El género de bacterias Listeria spp. cuenta con 10 especies conocidas en la actualidad.

 Listeria monocytogenes se caracteriza por su potencial patogénico en humanos y animales, es causante de infecciones alrededor del mundo, y dependiendo del estado inmune del paciente, puede provocar condiciones severas de listeriosis. Esto hace que dicha enfermedad continúe cobrando vidas con un impacto socioeconómico elevado. Mundialmente existe la necesidad de estudiar la diversidad de las bacterias Listeria spp. y en particular L. monocytogenes existentes. Esto con el fin de mejorar las investigaciones científicas sobre epidemiología, el estudio de mecanismo invasivos de cada serotipo y para facilitar el entendimiento de su evolución. En Costa Rica no existe información sobre la diversidad de Listeria spp, puesto que las investigaciones realizadas hasta ahora se basan únicamente en la determinación de presencia/ausencia de L. monocytogenes, especialmente en muestras provenientes de comidas. El presente proyecto tiene la finalidad de investigar la genómica y transcriptómica de las bacterias del género Listeria sp. en Costa Rica utilizando métodos bioquímicos, de biología celular, biología molecular y bioinformáticos. Para ello se aislarán bacterias de muestras ambientales, animales y de alimentos. Los microorganismos aislados se identificarán por métodos bioquímicos (API) y moleculares (PCR-DGGE). Además se realizará una sub-tipificación de los aislamientos con el objetivo de definir sus serotipos y grupos clonales utilizando la técnica de tipificación por secuenciación multilocus (MLST). Finalmente de seleccionarán las cepas de interés por su potencial patogénico y se estudiará a fondo su genoma, transcriptoma y patogénesis en colaboración con el Instituto Pasteur, París, Francia. Con la información recopilada se obtendrán las conclusiones sobre las características moleculares y comportamiento Listeria spp. nacional, así como la información alimentos y zonas de riesgo infeccioso por la presencia de L. monocytogenes.

Listeria spp, Listeria monocytogenes, gel de gradiente desnaturalizante (DGGE), tipificación por secuencia multilocus (MSLT), genoma, transcriptoma, patogénesis

Los biocombustibles como fuente energética poseen grandes beneficios al compararla con los combustibles fósiles tradicionales, pues pueden generar energía carbono-neutro. A nivel mundial, los cultivos para biocombustibles y en particular biodiesel,| consideran un amplio espectro de especies, pero presentan sus diferencias en cuanto a productividad, calidad del aceite, adaptación al cambio climático y la oferta de otros servicios ecosistémicos, por ejemplo la capacidad para el aumento y mantenimiento del secuestro de carbono (C) fijado en la biomasa y en el suelo. Proyecciones para Costa Rica anticipan que ante un escenario creciente de demanda energética, las fuentes tradicionales de energías limpias del país no podrán crecer más a partir del 2032. Durante los últimos 4 años, un grupo de investigadores de las universidades estatales del país han realizando estudios sistemáticos sobre el cultivo de Jatropha curcas (Tempate) para su uso comercial como fuente de aceite para producir biodiesel. Esta especie está siendo ampliamente estudiada a nivel mundial, siendo México el centro de distribución genética. En Costa Rica es una planta nativa, presente en ambas vertientes y conocida por nuestros agricultores como “Tempate”. En el país se han iniciado los estudios sobre la domesticación de este cultivo y con la colaboración de empresarios y agricultores se ha incursionando en la siembra de Jatropha, la cual es utilizada como cerca viva, o en pequeñas plantaciones para la obtención de semillas. Por ser una planta no domesticada, son muchas las necesidades de investigación que aún se deben realizar, todas tendientes a garantizar las condiciones geográficas, de manejo y de producción que permitan el establecimiento del cultivo a nivel comercial y bajo el enfoque de producción sustentable. Una de las limitantes más significativas a nivel mundial es la falta de sincronía floral y la irregularidad. El presente trabajo busca generar una contribución científica a la problemática de la sincronía floral mediante el estudio de los factores climáticos y los aspectos genéticos para entender mediante un modelo fisiológico, la manera en que los genes responsables de la sincronía floral responden a estímulos ambientales (luz, agua y nutrientes). No existe a nivel mundial un abordaje científico como el que se plantea en la presente propuesta. Aproximaciones han sido desarrolladas para otras especies como Arabidopsis sp. Para ello se establecerán ensayos en la Estación Experimental Fabio Baudrit de la UCR, ubicada en la Garita de Alajuela. Factores como la luminosidad, el riego y la fertilización serán controlados para el monitoreo de la acción de un grupo de genes que se han identificado como los responsables de controlar la floración y la relación de ésta con intervenciones controladas de podas de formación para demostrar incrementos significativos en la cosecha.

Jatropha curcas, tempate, Biología floral, biodiesel, piñón manso, fisiología de la floración.

• Subárea asociada: Biotecnología Ambiental

Los estudios más recientes han demostrado el excelente potencial de las algas para producir una amplia gama de compuestos polisacáridos, lípidos, proteínas, pigmentos, vitaminas, esteroles, enzimas, antibióticos, productos químicos, farmacéuticos y biocombustibles (metano, etanol). La ubicación y las condiciones climáticas privilegiadas de nuestro país ofrecen un escenario favorable al cultivo masivo de microalgas que son de gran interés en la industria (Chisti, 2007). El conocimiento de la biodiversidad de las microalgas nacionales abre la posibilidad de desarrollar nuevas industrias en el país que tengan interés en la elaboración de productos de origen algal, con alto potencial económico.

Los cultivos de microalgas de Chlorella sp en sistemas abiertos son prometedores debido a su rápida tasa de crecimiento y la capacidad alta de fijación de CO2 y además su biomasa presenta una capacidad energética alta (18,59MJ/kg), pueden llegar a concentraciones de carbohidratos y lípidos potenciales (19,46%, 28,82% respectivamente), por tanto que las convierte en cultivos viables para ser utilizadas en producción de etanol y biodiesel (Phukan et al., 2012).

El Instituto Tecnológico de Costa Rica, la Escuela de Biología, la escuela de Química y la Escuela de Electrónica en los últimos años ha trabajado con proyectos de microalgas tales como: 1- “Selección de cepas de microalgas para producción de aceites como fuente de biocombustibles y otros derivados” , 2- “Desarrollo de un prototipo de estanque semi-cerrado para el cultivo de microalgas en forma semi-masiva” y 3- “Desarrollo de un sistema integrado destinado a la producción de microalgas para la producción de aceites, acoplado a un biodigestor y a un emisor de CO2”, con el fin de obtener materia prima para biocombustible” (Fase I), en los cuales se han obtenido diversos productos, que nos permiten tener las bases fundamentales para cultivos masivos, crecimiento algal con diversos medios orgánicos, especie de microalga adaptada con rendimientos biomásicos altos (1.3g/L) y un 30-40 % de aceites intra-algales. También se cuenta con un diseño de estanque y paletas que permite cultivar a escala semimasiva, un sistema electrónico a control remoto que facilita la captura de datos de variables ambientales y físicas. Las investigaciones han conformado alianzas con diversas empresas nacionales y que con su colaboración se ha alcanzado avanzar en los procesos de escalamiento.

Con los resultados de las investigaciones que hoy día se cuenta, se hace importante continuar con la investigación de las tecnologías de recolección de biomasa, ultrasonificación, secado y empacado de la biomasa seca. De esta manera, se cuenta con cultivos en estanques en cinco sitios del país y se necesita continuar con el acompañamiento a los empresarios asociados (fase II del proceso). Este estudio pretende realizar diversos ensayos de colecta de la biomasa en condición semimasiva de los estanques (empresas vinculadas) y ultrasonificar a diversas intensidades y posteriormente realizar pruebas químicas para la determinación de las concentraciones de aceites, su decantación y el posterior secado de la biomasa.

Ultrasonido, secado, colecta de microalgas, centrifugado de microalgas, biomasa microalgal

La producción de frijol es muy importante por tratarse de un producto básico en Los microorganismos han sido empleados desde siglos, como materia prima esencial para la obtención de productos; hoy en día son fundamentales para el tratamiento de desechos, generación de energía, elaboración de reactivos, protección ambiental y en general, para el desarrollo de novedosos productos biotecnológicos. Dentro del grupo de microorganismos, las microalgas tienen especial importancia industrial, ya que de ellas se puede producir una amplia gama de compuestos polisacáridos, lípidos, proteínas, pigmentos, vitaminas, esteroles, enzimas, antibióticos y demás productos químicos y farmacéuticos. El creciente uso de estos materiales biológicos en la biotecnología ha fortalecido la necesidad de mantener cultivos microbianos, de manera que las propiedades que los hacen útiles permanezcan estables. Es por ello que el estudio y protección de la diversidad microbiana, es particularmente importante si es visualizada como un reservorio de genes con gran valor industrial. Para esto se han establecido colecciones de microorganismos con el fin de conservar ex situ el material biológico, de forma tal que se encuentre disponible para programas de investigación, conservación y promoción de servicios. Por estas razones, la siguiente propuesta tiene como objetivo el establecimiento de una colección de microalgas autóctonas de la región, que tengan algún potencial industrial, con el fin de ser utilizados en investigación y docencia en la institución.

Microorganismos, colección ex situ, centrifugado de microalgas

• Subárea asociada: Biotecnología Ambiental

Análisis de flujos metabólicos compartimentalizados en microalgas autóctonas de Costa Rica.

El Instituto Tecnológico de Costa Rica, en el Centro de Investigación en Biotecnología cuenta con un cepario de alrededor 20 especies de microalgas aisladas de diferentes regiones del país. Como organismos fotosintéticos estos presentan alto potencial para ser utilizados en producción industrial de aceites, hidrocarburos, polisacáridos, hidrógeno, amino ácidos, entre otros, siendo de interés como nutrientes en agronomía, combustibles renovables u otros productos de alto valor agregado; hasta como organismos fijadores de CO2 y fósforo. Entre las dificultades del uso de estos organismos para producción industrial, está el hecho de que no existe un conocimiento profundo de su funcionamiento, siendo este necesario para optimizar su metabolismo en función de la producción deseada. La biología de sistemas (Sistems Biology) busca conocer el funcionamiento metabólico de los organismos vivos, de forma que sea posible predecir (modelar) estos sistemas complejos para poder hace uso de ese conocimiento.

Esta, utiliza herramientas como la metabolómica, proteómica o genética para conocer y modelar el comportamiento de los microorganismos y así enfocarlo a una productividad definida mediante la ingeniería metabólica.

Una herramienta utilizada por la ingeniería metabólica para la evaluación de los metabolismos de especies es el Análisis de Flujos metabólicos (MFA, metabolic flux analysis), que hace uso de la espectrometría de masas para analizar metabolitos a nivel intracelular, y con la cual se obtiene un mapa de balances de masas en el metabolismo. Con esta información es posible determinar el potencial productivo de las especies evaluadas.

En organismos compartimentalizados como las microalgas (presencia de cloroplastos y mitocondrias) el MFA se ha realizado solamente en pocas especies conocidas y hasta el momento solo se han analizado los metabolitos con modelos que obvian la compartimentalización, perdiendo
información sobre el comportamiento real del metabolismo. El presente proyecto pretende desarrollar una metodología que permita realizar el MFA tomando en cuenta la compartimentalización de los metabolitos mediante el aislamiento de organelas, para aumentar el nivel de conocimiento del comportamiento metabólico y el potencial productivo de microalgas
costarricenses a utilizar a futuro como fábricas unicelulares.