Las fenazinas como antimicrobianos en la agricultura

Estephanie Elizabeth Luna Pérez*1 iD

1Grupo “Ecology and Survival of Microorganisms”, Laboratorio de Ecología Molecular Microbiana, Centro de Investigaciones en Ciencias Microbiológicas, Instituto de Ciencias, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Puebla, México. *estephanie.lunaperez@viep.com.mx

http://doi.org/10.5281/zenodo.10934251

Bajar cita (RIS): Luna Pérez, 2024 AyTBUAP 9(33):50-61

Editado por: Jesús Muñoz-Rojas (Instituto de Ciencias, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla)

Fecha de publicación: 31 marzo 2024

URI: https://hdl.handle.net/20.500.12371/20332

Referencia: Luna Pérez EE. Las fenazinas como antimicrobianos en la agricultura. Alianzas y Tendencias BUAP [Internet]. 2024;9(33):50–61. Available from: https://www.aytbuap.mx/aytbuap-933/las-fenazinas-como-antimicrobianos-en-la-agricultura

RESUMEN

Las fenazinas son compuestos heterocíclicos con nitrógeno y son producidas principalmente por bacterias, estas moléculas son utilizadas para impedir el crecimiento de otros microorganismos. En los últimos años se han estudiado ampliamente y se han descubierto diversas funciones; siendo las más relevantes su acción antibiótica, antifúngica, antiparasitaria, antiinflamatoria, anticancerígena, entre otras. Esta breve revisión se centrará principalmente en el uso de las fenazinas para el biocontrol de enfermedades y plagas en cultivos, ya que diversos estudios han demostrado el gran potencial que presentan algunas fenazinas contra hongos y bacterias fitopatógenas. Además, se menciona el mecanismo de acción de las fenazinas así como también algunos ejemplos de las fenazinas más importantes. Finalmente se menciona la relevancia de las fenazinas en agricultura haciendo énfasis en las patentes generadas en los últimos años.

Palabras clave: Fenazinas; metabolito; biocontrol; bacterias; patentes.

ABSTRACT

The phenazines are heterocyclic compounds with two nitrogen atoms and are primarily produced by bacteria. These molecules are used to hinder the growth of other microorganisms. In recent years they have been extensively studied, revealing various functions, with the most notable being their antibiotic, antifungal, antiparasitic, anti-inflammatory, anticancer properties among others. This brief review will mainly focus on the use of phenazines for biocontrol of diseases and pests in crops, as numerous studies have demonstrated the significant potential of certain phenazines against phytopathogenic fungi and bacteria. Additionally, the mechanism of action of phenazines is discussed, long with some examples of the most important ones. Finally, the relevance of phenazines in agriculture is highlighted, emphasizing the patents generated in recent years.

Palabras clave: Phenazines; metabolite; biocontrol; bacteria, patents.

INTRODUCCIÓN

Es bien sabido que las bacterias utilizan diversos mecanismos para competir por los nutrientes y espacio disponible. Uno de estos mecanismos es la producción de sustancias que inhiben y/o ralentizan el crecimiento de otros microorganismos. Una de estas sustancias son las fenazinas las cuales son metabolitos secundarios heterocíclicos que en su estructura poseen nitrógeno. Su estructura central se compone de un anillo de pirazina (1,4-diazabenceno) con dos bencenos [1] (Figura 1), estas moléculas tienen una actividad antibiótica de amplio espectro contra bacterias, hongos y parásitos [2].

Una característica muy notable de estos metabolitos secundarios es la coloración que aporta, siendo el color naranja, el más representativo. Sin embargo. también puede ser azul e inclusive morado dependiendo de la fenazina presente (o más abundante) en la bacteria [3] (Figura 2). La importancia de estos compuestos se debe a su potencial redox, siendo éste el responsable de su actividad antimicrobiana, y gracias a esta propiedad también se pueden aplicar en celdas de combustible. Además, debido a su potencial redox al cambiar el pH estas moléculas pueden presentar un cambio en su coloración [4].

Recientemente se han registrado más de 100 fenazinas naturales aisladas de microorganismos marinos y terrestres, además de más de 6000 derivados sintéticos los cuales difieren en las propiedades fisicoquímicas según el grupo funcional presente [5].

En 1859 se descubrió y aisló la primera fenazina por un farmacéutico de origen francés Joseph-Maturin Fordos, quien al observar una infección purulenta azulada, realizó un procedimiento de extracción usando cloroformo y al compuesto aislado lo denominó “piocianina”, el nombre fue derivado de la mezcla de dos palabras griegas “pus” y “azul”. Fue hasta 1882 cuando Carle Gessard identificó la fuente de la piocianina, siendo una bacteria llamada “Bacterium aeruginosum” la responsable, más tarde en 1900 Walter Migula le dio el nombre de “Pseudomonas aeruginosa” [6, 25]

Las fenazinas son producidas principalmente por bacterias aisladas del suelo y de la rizósfera [7], entre los géneros que producen estos metabolitos se encuentran: Pseudomonas, Nocardia, Soranqium, Brevibacterium, Burkholderia, Erwina, Vibrio y Pelagiobacter [8]. Al estudiar estos metabolitos se han observado diversos efectos biológicos como su actividad antimicrobiana, insecticida y antiparasitaria además de propiedades antiinflamatorias y anticancerígenas [5].

La relevancia de estos metabolitos heterocíclicos en la agricultura se debe a que se ha demostrado que son capaces de inhibir el crecimiento de patógenos causantes de enfermedades en plantas, así como también disminuir síntomas de ciertas enfermedades como la enfermedad de petín del trigo, la cual es causada por el hongo Gaeumannomyces graminis var. Tritici [14] y el mejoramiento del fitness bacteriano al influir en el desarrollo de biopelículas en la rizósfera, la adquisición de hierro y procesos enzimáticos [15, 38]. Además, de las propiedades antimicrobianas también mejora la supervivencia de algunas bacterias productoras en condiciones de anaerobiosis [16].

A las bacterias productoras de fenazina se les conoce como “phz+”, ya que cuentan con los genes para la biosíntesis de estos metabolitos. Estos estudios realizados han demostrado que las bacterias “phz+” constituyen del 0 al 2.7% de la comunidad microbiana de la rizósfera [18].

Se ha observado una conexión entre los climas cálidos y poca diversidad de especies en rizósfera con niveles altos de fenazina, sugiriendo un mayor efecto antimicrobiano en climas áridos [42]. Además de ser sintetizadas por rizobacterias, también pueden ser degradadas y consumidas por otros microorganismos en el suelo como lo son las micobacterias, y de esta forma se mantiene una renovación activa [17].

MECANISMO DE ACCIÓN

La actividad antimicrobiana de las fenazinas se debe a su actividad redox, esto es, generan especies reactivas de oxígeno (ROS, reactive, oxygen species), las cuales son moléculas altamente inestables, un ejemplo de estos compuestos son los radicales libres. Los radicales libres son tóxicos para las células ya que tienen como característica principal un electrón desapareado en su último orbital, lo cual genera que reaccionen con la membrana, proteínas o moléculas del microorganismo blanco, afectando su viabilidad [9]. Algunos ejemplos de las ROS son los radicales hidroxilos (OH), el superóxido (O₂⁻), y el peróxido de hidrógeno (H₂O₂) [10, 11].

Otro mecanismo de acción estudiado es la unión de las fenazinas al DNA, al unirse incrementan la transferencia de electrones generando modificaciones estructurales importantes [12]. Además, también se ha demostrado que inhiben el transporte de K⁺, afectando la permeabilidad celular [13].

FENAZINAS EN LA BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA

Las bacterias productoras de fenazinas tienen actividad antagonista contra cepas de microorganismos causantes de enfermedades en cultivos [2]. Además, se ha reportado que algunas tienen la capacidad de colonizar eficazmente la rizósfera por lo que podrían ser una gran alternativa para disminuir el uso de agroquímicos; los cuales son conocidos por sus efectos adversos al medio ambiente [31].

Como se mencionó anteriormente hay más de 100 fenazinas naturales descubiertas [5], entre las más relevantes se encuentra la fenazina carboxi amida o PCN, la cual es una molécula conocida por su gran potencial para inhibir hongos fitopatógenos [19]. Entre los hongos sensibles a esta fenazina se encuentran: Fusarium oxysporum f. sp.radicis-lycopersici, Rhizoctonia solani, Pythium ultimum, y Verticilliumalbo-atrum, es por ello que es una buena alternativa para el biocontrol de las enfermedades causadas por estos patógenos [20]. Un ejemplo del biocontrol ejercido por este metabolito es la eficacia que tiene para erradicar la enfermedad de la pudrición de la corona de raíz de tomate causada por Fusarium oxysporum f. sp. radicis lycorpersici (Forl) [21]. En el proceso de biosíntesis el PCA se transforma en PCN por medio de la enzima glutamina amidotransferasa, ampliando las capacidades antimicrobianas de la molécula precursora [22]. El PCN también es usado para reducir el hierro en estado férrico a ferroso, aumentando la biodisponibilidad de este elemento limitado y vital para la supervivencia bacteriana [23].

Dentro de este grupo de metabolitos secundarios también se encuentra la fenazina ácido carboxílico o PCA, esta fenazina es producida principalmente por bacterias del género Pseudomonas y Streptomyces, este compuesto tiene la propiedad de biocontrol de enfermedades en cultivo [24]. Otra característica relevante es la promoción del desarrollo de biopelículas y la colonización de la rizósfera [25]. También se ha observado que puede regular positivamente genes involucrados en la producción de energía, motilidad, sistemas de secreción y mecanismos de defensa [26]. En el año 2010 en China un pesticida microbiano llamado “Shenqinmycin” compuesto por PCA fue lanzado al mercado y actualmente es usado contra fitopatógenos en cultivos, especialmente contra hongos como Phytium spp., Fusarium spp. y Colletotrichum orbiculare. La fenazina ácido carboxílico fue aislada de una bacteria llamada Pseudomonas sp. M18GQ [27].

La 2-hidroxi fenazina ácido carboxílico o 2-0H-PCA es el resultado de la hidroxilación del PCA, esta molécula favorece la producción de la matriz extracelular y la liberación de DNA extracelular (eDNA), el cual es liberado al lisar las células en las biopelículas promoviendo la formación de estas estructuras. El 2-OH-PCA , al igual que el PCA mejora la estructura de las biopelículas pero en comparación de su metabolito precursor estimula una mayor liberación de eDNA que conlleva a una mejor adhesión celular [26].

La piocianina fue la primera fenazina caracterizada por lo que es el compuesto perteneciente a esta familia más estudiado [30]. Es un metabolito de interés ya que es un factor de virulencia en Pseudomonas aeruginosa, la cual es una bacteria oportunista y causante de muchas infecciones nosocomiales [28]. Hoy en día tiene importancia en el sector agrícola ya que se ha visto que tiene un gran potencial para el biocontrol de fitopatógenos [29], además de múltiples ventajas entre las cuales destacan: que es un compuesto biodegradable, la bacteria productora se manipula fácilmente y se puede usar para una alta producción, los procesos de extracción de la sustancia son más factibles en comparación con la síntesis de productos agroquímicos [30].

Las aplicaciones de las fenazinas en la agricultura son amplias y ofrecen múltiples beneficios como los mencionados anteriormente, además también pueden controlar algunas enfermedades que no son erradicadas eficientemente por agroquímicos como es el caso de la pudrición de la corona y raíz del tomate [21]. Algunos productos antimicrobianos agrícolas ya han incluido en sus formulaciones a las fenazinas, como es el caso del pesticida Shenqinmycin [27], el cual ha mostrado una alta eficacia para erradicar enfermedades fúngicas en diversos cultivos [32].

LAS FENAZINAS EN PRODUCTOS AGRÍCOLAS

Se realizó una búsqueda de patentes en Espacenet para analizar el empleo de las fenazinas en el sector agrícola, para el rastreo se usaron las siguientes palabras “phenazine”, “agriculture” y “pesticide” para enforcar la búsqueda al uso de las fenazinas como biopesticidas.

Los resultados analizados muestran un aumento de patentes registradas a partir del año 1968 hasta el año 2024 (Figura 3), se han registrado hasta la fecha alrededor de mil patentes, lo que muestra el interés en el uso de estos metabolitos en el área de la biotecnología agrícola.

OTRAS APLICACIONES

Debido a su potencial redox, las fenazinas son las responsables de la transferencia de electrones en las celdas de combustible microbiano [33], las cuales utilizan bacterias para convertir la energía química a energía eléctrica siendo así energía renovable [34]. También se han aplicado en biosensores de metales pesados como el mercurio, plomo y cobre [36].

Además, los derivados de fenazinas también han sido empleados para rastrear señales moleculares y fisiológicas en células vivas, debido a que su estructura les permite intercalarse entre los ácidos nucleicos [39]. El metosulfato de fenazina (PMS) es un derivado sintético que es ampliamente usado en investigación científica ya que sirve para marcar procesos redox y seguir cinéticas enzimáticas, este derivado también ha sido empleado como marcador en histoquímica enzimática [40, 41].

Estudios recientes han demostrado que las fenazinas tienen potencial anticancerígeno en líneas celulares de cáncer de pulmón y mama [35]. La fenazina-1-carboxiamida induce apoptosis en células cancerígenas por medio de la activación de caspasas, por lo que podría ser un fármaco anticancerígeno prometedor [37].

CONCLUSIONES

En esta mini revisión se abordaron las diversas propiedades y aplicaciones que tienen las fenazinas que van desde la inhibición de microorganismos de importancia agrícola hasta sus aplicaciones en biosensores y en terapias anticancerígenas, es por ello que el estudio de estos metabolitos es sumamente relevante.

La fenazinas han demostrado buenos resultados en el sector agrícola para erradicar enfermedades fúngicas, es por ello que ya se han patentado productos en base a este metabolito, además estas formulaciones tienen diversas ventajas en contraste con los productos agroquímicos tradicionales siendo la sostenibilidad, la seguridad al consumidor y al medio ambiente las más relevantes.

CONFLICTO DE INTERESES

No se tienen ningún conflicto de interés.

AGRADECIMIENTOS

Agradezco al Centro de Investigaciones Microbiológicas del Instituto de Ciencias de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP) por el apoyo en la realización de mi proyecto de investigación. También agradezco a la VIEP-BUAP, por el apoyo otorgado para continuar con mi proyecto de maestría. De igual forma agradezco al CONACYT ya que soy becaria de Maestría de la Institución.

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