Proteína unicelular

Las proteínas unicelulares ( SCP ) o proteínas microbianas ^{[1] se refieren a} microorganismos unicelulares comestibles . La biomasa o el extracto proteico de cultivos puros o mixtos de algas , levaduras , hongos o bacterias se pueden utilizar como ingrediente o sustituto de alimentos ricos en proteínas, y son adecuados para el consumo humano o como alimento para animales. La agricultura industrial se caracteriza por una alta huella hídrica , ^[2] alto uso de la tierra, ^[3] destrucción de la biodiversidad, ^[3] degradación ambiental general ^[3] y contribuye al cambio climático mediante la emisión de un tercio de todos los gases de efecto invernadero ; ^[4] la producción de SCP no necesariamente exhibe ninguno de estos graves inconvenientes. A día de hoy, la SCP se cultiva comúnmente en productos de desechos agrícolas y, como tal, hereda la huella ecológica y la huella hídrica de la agricultura industrial. Sin embargo, la SCP también se puede producir de forma totalmente independiente de los productos de desechos agrícolas a través del crecimiento autótrofo . ^[5] Gracias a la alta diversidad del metabolismo microbiano, la SCP autótrofa proporciona varios modos diferentes de crecimiento, opciones versátiles de reciclaje de nutrientes y una eficiencia sustancialmente mayor en comparación con los cultivos. ^[5] Una publicación de 2021 mostró que la producción de proteína microbiana impulsada por energía fotovoltaica podría utilizar 10 veces menos tierra para una cantidad equivalente de proteína en comparación con el cultivo de soja. ^[1]

Con una población mundial que alcanzará los 9 mil millones en 2050, hay pruebas sólidas de que la agricultura no podrá satisfacer la demanda ^[6] y de que existe un grave riesgo de escasez de alimentos. ^{[7] [8]} La SCP autótrofa representa opciones de producción masiva de alimentos a prueba de fallos que pueden producir alimentos de manera confiable incluso en condiciones climáticas adversas. ^[5]

En 1781, se establecieron procesos para preparar formas altamente concentradas de levadura. La investigación sobre la tecnología de proteínas unicelulares comenzó hace un siglo cuando Max Delbrück y sus colegas descubrieron el alto valor de la levadura cervecera excedente como suplemento alimenticio para animales. ^[9] Durante la Primera y la Segunda Guerra Mundial, la levadura-SCP se empleó a gran escala en Alemania para contrarrestar la escasez de alimentos durante la guerra. Las invenciones para la producción de SCP a menudo representaron hitos para la biotecnología en general: por ejemplo, en 1919, Sak en Dinamarca y Hayduck en Alemania inventaron un método llamado "Zulaufverfahren" ( lote alimentado ) en el que la solución de azúcar se alimentaba continuamente a una suspensión aireada de levadura en lugar de agregar levadura a la solución de azúcar diluida una vez ( lote ). ^[9] En el período de posguerra, la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) hizo hincapié en los problemas de hambre y desnutrición del mundo en 1960 e introdujo el concepto de brecha proteica, mostrando que el 25% de la población mundial tenía una deficiencia de ingesta de proteínas en su dieta. ^[9] También se temía que la producción agrícola no pudiera satisfacer las crecientes demandas de alimentos de la humanidad. A mediados de los años 60, se producían casi un cuarto de millón de toneladas de levadura alimentaria en diferentes partes del mundo y la Unión Soviética por sí sola produjo unas 900.000 toneladas de levadura alimentaria y forrajera en 1970. ^[9]

En la década de 1960, los investigadores de British Petroleum desarrollaron lo que denominaron "proceso de proteínas a partir de petróleo": una tecnología para producir proteínas unicelulares mediante levadura alimentada con n-parafinas cerosas, un subproducto de las refinerías de petróleo. El trabajo inicial de investigación estuvo a cargo de Alfred Champagnat en la refinería de petróleo de Lavera, de BP, en Francia; una pequeña planta piloto allí comenzó a funcionar en marzo de 1963, y se autorizó la construcción de la segunda planta piloto, en la refinería de petróleo de Grangemouth , en Gran Bretaña. ^[10]

El término SCP fue acuñado en 1966 por Carroll L. Wilson del MIT . ^[11]

La idea de "alimentos a partir de aceite" se hizo muy popular en la década de 1970, cuando Champagnat recibió el Premio de Ciencias de la UNESCO en 1976 ^[12] y se construyeron plantas de levadura alimentada con parafina en varios países. El uso principal del producto era como alimento para aves de corral y ganado ^{[13] .}

Los soviéticos se mostraron particularmente entusiastas y abrieron grandes plantas de "BVK" ( belkovo-vitaminny kontsentrat , es decir, "concentrado de proteínas y vitaminas") junto a sus refinerías de petróleo en Kstovo (1973) ^{[14] [15] [16]} y Kirishi (1974). ^[17] El Ministerio Soviético de Industria Microbiológica tenía ocho plantas de este tipo en 1989. Sin embargo, debido a las preocupaciones sobre la toxicidad de los alcanos en SCP y presionado por los movimientos ecologistas, el gobierno decidió cerrarlas o convertirlas en otros procesos microbiológicos. ^[17]

Quorn es una gama de sustitutos de carne vegetarianos y veganos elaborados a partir de la micoproteína Fusarium venenatum , que se vende en Europa y América del Norte.

Otro tipo de análogo de carne basado en proteínas unicelulares (que no utiliza hongos, sino bacterias ^[18] ) es Calysta . Otros productores son Unibio (Dinamarca), Circe Biotechnologie (Austria) y String Bio (India).

Se ha argumentado que el SCP es una fuente de alimentos alternativos o resilientes. ^{[19] [20]}

Las proteínas unicelulares se desarrollan cuando los microbios fermentan materiales de desecho (incluyendo madera, paja, desechos de la industria conservera y del procesamiento de alimentos, residuos de la producción de alcohol, hidrocarburos o excrementos humanos y animales). ^[21] Con los procesos de "alimentos eléctricos", los insumos son electricidad, CO2 _y minerales traza y productos químicos como fertilizantes. ^[22] También es posible derivar SCP del gas natural para usarlo como alimento resiliente. ^[23] De manera similar, el SCP se puede derivar de desechos plásticos mediante el reciclaje . ^[24]

El problema de extraer proteínas unicelulares de los desechos es la dilución y el coste. Se encuentran en concentraciones muy bajas, normalmente inferiores al 5%. Los ingenieros han desarrollado formas de aumentar las concentraciones, como la centrifugación, la flotación, la precipitación, la coagulación y la filtración, o el uso de membranas semipermeables.

La proteína unicelular debe deshidratarse hasta aproximadamente un 10 % de contenido de humedad y/o acidificarse para facilitar el almacenamiento y evitar el deterioro. Los métodos para aumentar las concentraciones a niveles adecuados y el proceso de deshidratación requieren equipos costosos y no siempre adecuados para operaciones a pequeña escala. Es económicamente prudente suministrar el producto localmente y poco después de su producción. ^{[ cita requerida ]}

Los microbios empleados incluyen:

• Levadura
  • Saccharomyces cerevisiae
  • Yarrowia lipolytica ^[25]
  • Ciberlindnera jadinii ^[25]
  • Kluyveromyces marxianus ^[25]
  • Komagataella pastoris
  • Candida utilis
  • Torulopsis corallina
  • Geotrichum candidum
• Hongos ( Micoproteína )
  • Aspergillus oryzae
  • Fusarium venenatum ^[26]
  • Neurospora crassa ^[27]
  • Neurospora intermedia ^[28]
  • Esclerocio rolfsii
  • Poliporo
  • Trichoderma
  • Scytalidium acidophilum ^[29]
• Bacteria
  • Rhodobacter capsulatus ^{[21] [30]}
  • Rhodobacter sphaeroides ^[30]
  • Rhodopseudomonas palustris ^[30]
  • Metilófilo metilótropo
  • Metylococcus capsulatus
  • Cupriavidus necator ^[30]
• Algas y cianobacterias :
  • Espirulina ( Arthrospira platensis , Limnospira fusiformis, L. maxima y L. indica). ^[31]
  • Clorella ^[32]
  • Dunaliella salina ^[31]
  • Chlamydomonas reinhardtii ^[31]
  • Porphyridium cruentum ^[31]
  • Aphanizomenon flos-aquae ^[31]

La producción a gran escala de biomasa microbiana tiene muchas ventajas sobre los métodos tradicionales de producción de proteínas para alimentos o piensos.

1. Los microorganismos tienen una tasa de crecimiento mucho mayor (algas: 2-6 horas, levaduras: 1-3 horas, bacterias: 0,5-2 horas). Esto también permite seleccionar cepas con alto rendimiento y buena composición nutricional de manera más rápida y sencilla en comparación con la cría.
2. Si bien grandes partes de los cultivos, como tallos, hojas y raíces, no son comestibles, los microorganismos unicelulares pueden utilizarse en su totalidad. Si bien partes de la fracción comestible de los cultivos son indigeribles, muchos microorganismos son digeribles en una fracción mucho mayor. ^[5]
3. Los microorganismos suelen tener un contenido de proteínas mucho más alto, de 30 a 70% en masa seca, que las verduras o los cereales. ^[33] Los perfiles de aminoácidos de muchos microorganismos SCP suelen tener una calidad nutricional excelente, comparable a la de los huevos de gallina.
4. Algunos microorganismos pueden producir vitaminas y nutrientes que los organismos eucariotas, como las plantas, no pueden producir o no producen en cantidades significativas, incluida la vitamina B12.
5. Los microorganismos pueden utilizar una amplia gama de materias primas como fuentes de carbono, entre ellas alcanos, metanol, metano, etanol y azúcares. Lo que se consideraba un "producto de desecho" a menudo se puede recuperar como nutrientes y favorecer el crecimiento de microorganismos comestibles.
6. Al igual que las plantas, los microorganismos autótrofos son capaces de crecer en CO ₂ . Algunos de ellos, como las bacterias con la vía Wood-Ljungdahl o el TCA reductor, pueden fijar CO ₂ con eficiencias que van desde 2-3 veces ^[34] hasta 10 veces más eficientemente que las plantas, ^[35] cuando también se consideran los efectos de la fotoinhibición .
7. Algunas bacterias, como varios clostridios homoacetogénicos, son capaces de realizar la fermentación del gas de síntesis , es decir, pueden metabolizar el gas de síntesis , una mezcla de gases de CO, H2 _y CO2 _que se puede generar mediante la gasificación de residuos biológicos intratables como la lignocelulosa.
8. Algunas bacterias son diazotróficas, es decir, pueden fijar N ₂ del aire y, por lo tanto, son independientes de los fertilizantes químicos nitrogenados, cuya producción, utilización y degradación causan enormes daños al medio ambiente, deterioran la salud pública y fomentan el cambio climático. ^[36]
9. Muchas bacterias pueden utilizar el H2 _para obtener energía, utilizando enzimas llamadas hidrogenasas . Mientras que las hidrogenasas son normalmente muy sensibles al O2, algunas bacterias son capaces de realizar la respiración del H2 _dependiente del O2 _{. Esta} característica permite a las bacterias autótrofas crecer en CO2 _sin luz a una tasa de crecimiento rápida. Dado que el H2 _se puede producir de manera eficiente mediante la electrólisis del agua , en cierto modo, esas bacterias pueden "alimentarse con electricidad". ^[5]
10. La producción de biomasa microbiana es independiente de las variaciones climáticas y estacionales, y se puede proteger fácilmente de los fenómenos meteorológicos extremos que se espera que provoquen pérdidas en los cultivos debido al cambio climático en curso . Los microorganismos que no dependen de la luz, como las levaduras, pueden seguir creciendo durante la noche.
11. El cultivo de microorganismos generalmente tiene una huella hídrica mucho menor que la producción agrícola de alimentos. Mientras que la huella hídrica azul-verde promedio mundial (riego, agua superficial, subterránea y de lluvia) de los cultivos alcanza aproximadamente 1800 litros por kg de cultivo ^[2] debido a la evaporación, la transpiración, el drenaje y la escorrentía, los biorreactores cerrados que producen SCP no presentan ninguna de estas causas.
12. El cultivo de microorganismos no requiere suelo fértil y, por lo tanto, no compite con la agricultura. Gracias a los bajos requerimientos de agua, el cultivo de SCP puede realizarse incluso en climas secos con suelo infértil y puede proporcionar un medio de suministro de alimentos seguro en países áridos.
13. Los microorganismos fotosintéticos pueden alcanzar una mayor eficiencia de conversión de energía solar que las plantas, porque en los fotobiorreactores se puede controlar estrictamente el suministro de agua, CO _{2 y una distribución equilibrada de la luz.}
14. A diferencia de los productos agrícolas, que se procesan para obtener una calidad deseada, con los microorganismos es más fácil dirigir la producción hacia una calidad deseada. En lugar de extraer aminoácidos de las semillas de soja y desechar la mitad del cuerpo de la planta en el proceso, los microorganismos pueden modificarse genéticamente para que produzcan en exceso o incluso secreten un aminoácido en particular. Sin embargo, para mantener una buena aceptación por parte de los consumidores, suele ser más fácil obtener resultados similares mediante la selección de microorganismos que ya tienen la característica deseada o mediante el entrenamiento de los mismos mediante una adaptación selectiva.

Aunque el SCP muestra características muy atractivas como nutriente para los humanos, existen sin embargo algunos problemas que impiden su adopción a nivel global:

• Los microorganismos de crecimiento rápido, como las bacterias y las levaduras, tienen una alta concentración de ácido nucleico , en particular ARN. Los niveles deben limitarse en las dietas de los animales monogástricos a <50 g por día. La ingestión de compuestos de purina que surgen de la descomposición del ARN conduce a un aumento de los niveles plasmáticos de ácido úrico , que puede causar gota y cálculos renales . El ácido úrico se puede convertir en alantoína , que se excreta en la orina. La eliminación de ácido nucleico no es necesaria de los alimentos para animales, pero sí de los alimentos humanos. Una temperatura mantenida a 64 °C inactiva las proteasas fúngicas . Sin embargo, este problema se puede remediar. ^{[37] Un método común consiste en un tratamiento térmico que mata las células, inactiva las proteasas y permite que} las ARNasas endógenas hidrolicen el ARN con la liberación de nucleótidos de la célula al caldo de cultivo. ^[37]
• De manera similar a las células vegetales, la pared celular de algunos microorganismos, como las algas y las levaduras, contiene componentes no digeribles, como la celulosa. Las células de algunos tipos de SCP deben romperse para liberar el interior celular y permitir una digestión completa. ^[38]
• Algunos tipos de SCP presentan colores y sabores desagradables.
• Dependiendo del tipo de SCP y de las condiciones de cultivo, se debe tener cuidado de prevenir y controlar la contaminación por otros microorganismos, ya que los contaminantes pueden producir toxinas como micotoxinas o cianotoxinas. Se propuso un enfoque interesante para abordar este problema con el hongo Scytalidium acidophilum , que crece a un pH tan bajo como 1, fuera de la tolerancia de la mayoría de los microorganismos. Esto le permite crecer en desechos de papel hidrolizados con ácido a bajo costo. ^[29]
• Algunas proteínas de levaduras y hongos son deficientes en metionina .

• Solein : una proteína unicelular fabricada por Solar Foods Ltd. con sede en Finlandia. ^[39]
• Kiverdi, Inc ^{[40] [41]} y subsidiaria Air Protein ^{[42] [43] [39]} por Lisa Dyson . Con sede en California.
• Avecom - Con sede en Bélgica ^[39]
• Unibio - Con sede en Dinamarca ^[44]
• Calysta - Con sede en California
• Circe Biotechnologie, con sede en Austria ^[45]
• Superbrewed Food (anteriormente White Dog Labs). Con sede en Delaware ^[46]
• Deep Branch - Con sede en el Reino Unido ^[39]
• LanzaTech ^[39]
• Nature's Fynd , con sede en Chicago
• Bacterias púrpuras : un tipo de proteína unicelular ^[47]
• Kyanos ^[48]
• NovoNutrients ^{[49] [50] [41]}
• Biotecnología de ramas profundas ^{[41] [51] [52]}
• Producción de hidrógeno por fermentación
• Hidrogenótrofos ^[42]
• Alimentos alternativos
• Cultivos alimentarios microbianos

• Medios relacionados con Proteína unicelular en Wikimedia Commons