Sustancia biogénica

Una sustancia biogénica es un producto elaborado por o a partir de formas de vida. Si bien el término originalmente era específico para compuestos de metabolitos que tenían efectos tóxicos en otros organismos, se ha desarrollado para abarcar cualquier componente, secreción y metabolito de plantas o animales. En el contexto de la biología molecular, las sustancias biogénicas se denominan biomoléculas. Generalmente se aíslan y miden mediante el uso de técnicas de cromatografía y espectrometría de masas. Además, la transformación y el intercambio de sustancias biogénicas se pueden modelar en el medio ambiente, en particular su transporte por vías fluviales.

La observación y medición de sustancias biogénicas es especialmente importante en los campos de la geología y la bioquímica. Una gran proporción de isoprenoides y ácidos grasos en los sedimentos geológicos se derivan de plantas y clorofila, y se pueden encontrar en muestras que se remontan al Precámbrico. Estas sustancias biogénicas son capaces de resistir el proceso de diagénesis en sedimentos, pero también pueden transformarse en otros materiales. Esto los hace útiles como biomarcadores para que los geólogos verifiquen la edad, el origen y los procesos de degradación de diferentes rocas.

Las sustancias biogénicas se han estudiado como parte de la bioquímica marina desde la década de 1960, lo que ha implicado investigar su producción, transporte y transformación en el agua, y cómo pueden usarse en aplicaciones industriales. Una gran fracción de los compuestos biogénicos del medio marino son producidos por micro y macroalgas, incluidas las cianobacterias. Debido a sus propiedades antimicrobianas, actualmente son objeto de investigación tanto en proyectos industriales, como pinturas antiincrustantes, como en medicina.

Historia del descubrimiento y clasificación

Durante una reunión de la Academia de Ciencias de Nueva York' En la Sección de Geología y Mineralogía en 1903, el geólogo Amadeus William Grabau propuso un nuevo sistema de clasificación de rocas en su artículo "Discusión y sugerencias sobre una nueva clasificación de rocas". Dentro de la subdivisión principal de "rocas endogenéticas" –rocas formadas mediante procesos químicos– era una categoría denominada "rocas biogénicas", que se utilizaba como sinónimo de "rocas orgánicas". Otras categorías secundarias fueron "Ígneas" y "Hidrogénico" rocas.

En la década de 1930, el químico alemán Alfred E. Treibs detectó por primera vez sustancias biogénicas en el petróleo como parte de sus estudios sobre las porfirinas. A partir de estas investigaciones, en la década de 1970 se incrementó la investigación de sustancias biogénicas en rocas sedimentarias como parte del estudio de la geología. Esto se vio facilitado por el desarrollo de métodos analíticos más avanzados y condujo a una mayor colaboración entre geólogos y químicos orgánicos para investigar los compuestos biogénicos en los sedimentos.

A principios de la década de 1960, los investigadores también comenzaron a investigar la producción de compuestos por microorganismos en el medio marino. Hacia 1975 se habían desarrollado diferentes líneas de investigación en el estudio de la bioquímica marina. Se trataba de "toxinas marinas, bioproductos marinos y ecología química marina". Posteriormente, en 1994, Teuscher y Lindequist definieron las sustancias biogénicas como "compuestos químicos que son sintetizados por organismos vivos y que, si exceden ciertas concentraciones, causan daños temporales o permanentes o incluso la muerte de otros organismos por efectos químicos o fisicoquímicos". 34; en su libro Biogene Gifte. Este énfasis en la investigación y clasificación de la toxicidad de sustancias biogénicas se debió en parte a los ensayos de detección dirigidos a la citotoxicidad que se utilizaron para detectar los compuestos biológicamente activos. Desde entonces, la diversidad de productos biogénicos se ha ampliado a partir de sustancias citotóxicas mediante el uso de ensayos industriales y farmacéuticos alternativos.

En el medio ambiente

Hidroecología

Al estudiar el transporte de sustancias biogénicas en el estrecho tártaro en el mar de Japón, un equipo ruso observó que las sustancias biogénicas pueden ingresar al ambiente marino debido a la entrada de fuentes externas, el transporte dentro de las masas de agua o el desarrollo por vía metabólica. procesos dentro del agua. También pueden consumirse debido a procesos de biotransformación o formación de biomasa por parte de microorganismos. En este estudio, las concentraciones de sustancias biogénicas, la frecuencia de transformación y el recambio fueron mayores en la capa superior del agua. Además, en distintas regiones del estrecho las sustancias biogénicas de mayor transferencia anual se mantuvieron constantes. Se trataba de O₂, DOC y DISi, que normalmente se encuentran en grandes concentraciones en el agua natural. Las sustancias biogénicas que tienden a tener un menor aporte a través de los límites externos del estrecho y por lo tanto una menor transferencia fueron los componentes minerales y detríticos del N y P. Estas mismas sustancias participan activamente en los procesos de biotransformación en el medio marino y también tienen una menor producción anual..

Sitios geológicos

Los geoquímicos orgánicos también tienen interés en estudiar la diagénesis de sustancias biogénicas en el petróleo y cómo se transforman en sedimentos y fósiles. Mientras que el 90% de este material orgánico es insoluble en solventes orgánicos comunes, llamados kerógeno, el 10% se encuentra en una forma que es soluble y puede extraerse, de donde luego se pueden aislar compuestos biogénicos. Los ácidos grasos lineales saturados y los pigmentos tienen las estructuras químicas más estables y, por lo tanto, son adecuados para resistir la degradación del proceso de diagénesis y ser detectados en sus formas originales. Sin embargo, también se han encontrado macromoléculas en regiones geológicas protegidas. Las condiciones típicas de sedimentación implican procesos enzimáticos, microbianos y fisicoquímicos, así como aumentos de temperatura y presión, que conducen a transformaciones de sustancias biogénicas. Por ejemplo, los pigmentos que surgen de la deshidrogenación de la clorofila o la hemina se pueden encontrar en muchos sedimentos como complejos de níquel o vanadilo. Una gran proporción de los isoprenoides de los sedimentos también se derivan de la clorofila. De manera similar, los ácidos grasos saturados lineales descubiertos en el esquisto bituminoso de Messel Pit en Alemania surgen de material orgánico de plantas vasculares.

Además, se encuentran alcanos e isoprenoides en extractos solubles de rocas precámbricas, lo que indica la probable existencia de material biológico hace más de tres mil millones de años. Sin embargo, existe la posibilidad de que estos compuestos orgánicos sean de naturaleza abiogénica, especialmente en los sedimentos precámbricos. Si bien las simulaciones de Studier et al. (1968) sobre la síntesis de isoprenoides en condiciones abiogénicas no produjeron los isoprenoides de cadena larga utilizados como biomarcadores en fósiles y sedimentos, las trazas de C₉-C₁₄ isoprenoides. También es posible sintetizar cadenas de poliisoprenoides estereoselectivamente utilizando catalizadores como Al(C₂H₅)₃ – VCl_3. . Sin embargo, la probabilidad de que estos compuestos estén disponibles en el entorno natural es poco probable.

Medición

Las diferentes biomoléculas que componen las sustancias biogénicas de una planta, en particular las que se encuentran en los exudados de las semillas, se pueden identificar mediante el uso de diferentes variedades de cromatografía en un entorno de laboratorio. Para el perfil de metabolitos, se utiliza cromatografía de gases-espectrometría de masas para encontrar flavonoides como la quercetina. Luego, los compuestos se pueden diferenciar aún más mediante cromatografía líquida de alta resolución y espectrometría de masas de fase inversa.

Cuando se trata de medir sustancias biogénicas en un entorno natural como una masa de agua, se puede utilizar un modelo hidroecológico CNPSi para calcular el transporte espacial de sustancias biogénicas, tanto en la dimensión horizontal como en la vertical. Este modelo tiene en cuenta el intercambio de agua y el caudal, y produce los valores de las tasas de sustancias biogénicas para cualquier área o capa de agua durante cualquier mes. Hay dos métodos de evaluación principales: medir por unidad de volumen de agua (mg/m³ año) y medir sustancias por volumen total de agua de la capa (t de elemento/año). El primero se utiliza principalmente para observar la dinámica de sustancias biogénicas y vías individuales de flujo y transformaciones, y es útil al comparar regiones individuales del estrecho o vía fluvial. El segundo método se utiliza para flujos mensuales de sustancias y debe tener en cuenta que existen variaciones mensuales en el volumen de agua en las capas.

En el estudio de la geoquímica, las sustancias biogénicas se pueden aislar de fósiles y sedimentos mediante un proceso de raspado y trituración de la muestra de roca objetivo, luego lavado con ácido fluorhídrico al 40%, agua y benceno/metanol en una proporción de 3:1.. A continuación, los trozos de roca se muelen y se centrifugan para producir un residuo. Luego, los compuestos químicos se derivan mediante diversas separaciones por cromatografía y espectrometría de masas. Sin embargo, la extracción debe ir acompañada de precauciones rigurosas para garantizar que no haya contaminantes de aminoácidos de las huellas dactilares ni contaminantes de silicona de otros métodos de tratamiento analítico.

Aplicaciones

Pinturas antiincrustantes

Se ha descubierto que los metabolitos producidos por las algas marinas tienen muchas propiedades antimicrobianas. Esto se debe a que son producidos por organismos marinos como elementos disuasorios químicos y, como tales, contienen compuestos bioactivos. Las principales clases de algas marinas que producen este tipo de metabolitos secundarios son Cyanophyceae, Chlorophyceae y Rhodophyceae. Los productos biogénicos observados incluyen policétidos, amidas, alcaloides, ácidos grasos, indoles y lipopéptidos. Por ejemplo, más del 10% de los compuestos aislados de Lyngbya majuscula, que es una de las cianobacterias más abundantes, tienen propiedades antifúngicas y antimicrobianas. Además, un estudio de Ren et al. (2002) probaron furanonas halogenadas producidas por Delisea pulchra de la clase Rhodophyceae contra el crecimiento de Bacillus subtilis. Cuando se aplicó en una concentración de 40 µg/ml, la furanona inhibió la formación de una biopelícula por parte de las bacterias y redujo el espesor de la biopelícula en un 25 % y el número de células vivas en un 63 %.

Estas características tienen el potencial de utilizarse en materiales artificiales, como en la fabricación de pinturas antiincrustantes sin productos químicos perjudiciales para el medio ambiente. Se necesitan alternativas ambientalmente seguras al TBT (agente antiincrustante a base de estaño), que libera compuestos tóxicos al agua y al medio ambiente y ha sido prohibido en varios países. Una clase de compuestos biogénicos que ha tenido un efecto considerable contra las bacterias y microalgas que causan incrustaciones son los ésteres de acetileno sesquiterpenoides producidos por Caulerpa prolifera (de la clase Chlorophyceae), que Smyrniotopoulos et al. (2003) observaron inhibir el crecimiento bacteriano con hasta un 83% de la eficacia del óxido TBT.

La investigación actual también tiene como objetivo producir estas sustancias biogénicas a nivel comercial utilizando técnicas de ingeniería metabólica. Combinando estas técnicas con el diseño de ingeniería bioquímica, se pueden producir algas y sus sustancias biogénicas a gran escala utilizando fotobiorreactores. Se pueden utilizar diferentes tipos de sistemas para producir diferentes productos biogénicos.

Paleoquimotaxonomía

En el campo de la paleoquimiotaxonomía, la presencia de sustancias biogénicas en sedimentos geológicos es útil para comparar muestras y especies biológicas antiguas y modernas. Estos marcadores biológicos pueden utilizarse para verificar el origen biológico de los fósiles y servir como marcadores paleoecológicos. Por ejemplo, la presencia de pristano indica que el petróleo o el sedimento es de origen marino, mientras que el material biogénico de origen no marino tiende a estar en forma de compuestos policíclicos o fitano. Los marcadores biológicos también proporcionan información valiosa sobre las reacciones de degradación del material biológico en entornos geológicos. La comparación del material orgánico entre rocas geológicamente antiguas y recientes muestra la conservación de diferentes procesos bioquímicos.

Producción de nanopartículas metálicas

Otra aplicación de las sustancias biogénicas es la síntesis de nanopartículas metálicas. Los métodos actuales de producción química y física de nanopartículas utilizados son costosos y producen desechos tóxicos y contaminantes en el medio ambiente. Además, las nanopartículas que se producen pueden ser inestables y no aptas para su uso en el cuerpo. El uso de sustancias biogénicas de origen vegetal tiene como objetivo crear un método de producción rentable y respetuoso con el medio ambiente. Los fitoquímicos biogénicos utilizados para estas reacciones de reducción pueden derivarse de plantas de numerosas maneras, incluido un caldo de hojas hervidas, polvo de biomasa, inmersión de plantas enteras en solución o extractos de jugos de frutas y verduras. C. annuum se ha demostrado que producen nanopartículas de Ag a temperatura ambiente cuando se tratan con iones de plata y, además, aportan vitaminas y aminoácidos esenciales cuando se consumen, lo que los convierte en un potencial agente de nanomateriales. Otro procedimiento es mediante el uso de una sustancia biogénica diferente: el exudado de semillas en germinación. Cuando las semillas se remojan, liberan pasivamente fitoquímicos en el agua circundante, que después de alcanzar el equilibrio pueden mezclarse con iones metálicos para sintetizar nanopartículas metálicas. M. sativa en particular ha tenido éxito en producir eficazmente partículas metálicas de Ag, mientras que L. culinaris es un reactivo eficaz para la fabricación de nanopartículas de Au. Este proceso también se puede ajustar aún más manipulando factores como el pH, la temperatura, la dilución del exudado y el origen vegetal para producir diferentes formas de nanopartículas, incluidos triángulos, esferas, varillas y espirales. Estas nanopartículas metálicas biogénicas tienen aplicaciones como catalizadores, revestimientos de ventanas de vidrio para aislar el calor, en biomedicina y en dispositivos biosensores.

Ejemplos

• El carbón y el aceite son posibles ejemplos de componentes que pueden haber sufrido cambios en los períodos geológicos.
• La caliza y la caliza son ejemplos de secreciones (casas de animales marinos) que son de edad geológica.
• La hierba y la madera son componentes biógenos de origen contemporáneo.
• Perlas, seda y ambergris son ejemplos de secreciones de origen contemporáneo.
• Neurotransmisores biogénicos.

Tabla de compuestos biogénicos aislados

Abiogénico (opuesto)

Una sustancia o proceso abiogénico no resulta de la actividad presente o pasada de organismos vivos. Los productos abiogénicos pueden ser, por ejemplo, minerales, otros compuestos inorgánicos, así como compuestos orgánicos simples (por ejemplo, metano extraterrestre, véase también abiogénesis).