La Dra. Jimena A. Ruiz es licenciada en Ciencias Biológicas, con orientación en Biología Molecular, y doctora en Ciencias Químicas por la Universidad de Buenos Aires. Actualmente es investigadora independiente del CONICET y desarrolla actividad docente en la Cátedra de Microbiología Agrícola de la Facultad de Agronomía de la Universidad de Buenos Aires.
Su trayectoria científica se ha centrado en la microbiología molecular y del suelo, la genética y regulación bacterianas, la adaptación de los microorganismos al ambiente, la genómica, la producción de metabolitos antifúngicos y la biodegradación de compuestos tóxicos. Una parte especialmente relevante de su investigación aborda las capacidades biotecnológicas de bacterias de los géneros Pseudomonas y Burkholderia, tanto para competir y sobrevivir en la rizosfera como para promover el crecimiento vegetal, inhibir microorganismos fitopatógenos y degradar micotoxinas.
Durante los últimos años, su trabajo se ha enfocado especialmente en Burkholderia ambifaria T16, una rizobacteria aislada de la rizosfera de cebada que combina actividad antifúngica frente a distintas especies de Fusarium con la capacidad de degradar el ácido fusárico. Sus investigaciones han permitido avanzar desde la identificación de esta singular capacidad biológica hasta la caracterización de los genes, enzimas y rutas metabólicas implicados en el catabolismo de la micotoxina. Más recientemente, ha ampliado esta perspectiva con una revisión dedicada a la detoxificación microbiana de micotoxinas, analizando el potencial y las limitaciones de la adsorción y la biotransformación como estrategias de mitigación.
Su formación combina las ciencias biológicas, la biología molecular y las ciencias químicas. ¿Cómo se fue construyendo su interés por la microbiología ambiental y qué la llevó finalmente al estudio de las micotoxinas?
Cuando comencé la carrera de Biología, no tenía muy claro en qué rama quería centrarme, pero, al cursar Microbiología, me fascinó el universo de los microorganismos, especialmente su diversidad, enorme versatilidad y capacidad de adaptación.
Gracias a estas características, poseen un sinfín de aplicaciones en el ámbito agropecuario, la industria y la medicina. Asimismo, son los seres vivos más abundantes del planeta y, por ende, desempeñan un papel fundamental en la configuración de los ecosistemas.
Realicé mi tesina de grado y mi tesis doctoral con bacterias productoras de polihidroxialcanoatos, polímeros con propiedades físicas similares a las de los plásticos derivados del petróleo, pero que, a diferencia de estos, son completamente biodegradables.
Durante mi postdoctorado, me centré en la microbiología molecular y estudié los mecanismos de tolerancia al estrés ácido en bacterias.
Posteriormente, orienté mi investigación hacia la microbiología del suelo, pues me interesaban las interacciones que tienen lugar en la rizosfera. En particular, observé que existía poca información acerca de los mecanismos mediante los cuales muchos microorganismos detoxifican las micotoxinas.
A lo largo de su trayectoria ha investigado la genética, el metabolismo y la adaptación de las bacterias al ambiente. ¿Qué le resulta especialmente fascinante de la capacidad de los microorganismos para responder a compuestos tóxicos?
La capacidad de adaptación de los microorganismos es asombrosa.
Gracias a ella, han desarrollado mecanismos para tolerar una gran variedad de factores de estrés, entre ellos, la exposición a diversos compuestos tóxicos, como las micotoxinas.
Los mecanismos de detoxificación microbiana de las micotoxinas son variados e incluyen:
Biotransformación: modificación de la estructura química de una toxina para convertirla en uno o varios compuestos menos tóxicos.
Biodegradación: ocurre cuando los microorganismos catabolizan las toxinas y las utilizan como fuente de nutrientes para crecer.
Bioadsorción: consiste en la interacción de las toxinas con las paredes celulares de determinados microorganismos.
¿Hubo algún hallazgo, mentor o experiencia concreta que marcara un punto de inflexión en su carrera científica?
Comencé mi trayectoria científica estudiando polímeros biodegradables sintetizados por bacterias bajo la dirección de la Dra. Beatriz Méndez.
Su estímulo y motivación fueron fundamentales para despertar y afianzar mi interés por la microbiología durante los primeros años de mi carrera.
Otro momento importante fue mi estancia posdoctoral en Alemania, bajo la dirección de la Dra. Kirsten Jung, con quien colaboré durante muchos años.
Fue un período muy desafiante en el que logramos identificar una proteína reguladora implicada en la respuesta de las bacterias al pH ácido. Esa experiencia me enseñó a confiar en el proceso y a comprender que la ciencia recompensa la perseverancia.
Gran parte de su investigación se centra en el ácido fusárico. ¿Qué importancia tiene esta micotoxina y por qué considera necesario prestarle más atención?
El ácido fusárico es un metabolito secundario producido por miembros del complejo de especies Fusarium fujikuroi (p. ej., F. verticillioides, F. proliferatum y F. subglutinans), así como también por otras especies, como F. oxysporum y F. solani.
Este metabolito fúngico es tóxico para los seres humanos, los animales, las plantas y los microorganismos del suelo.
Los hongos productores de ácido fusárico ocasionan importantes pérdidas económicas a nivel mundial, ya que causan enfermedades que provocan marchitamiento y pudrición en una enorme variedad de cultivos.
Debido a su producción generalizada y a su elevada fitotoxicidad, el ácido fusárico es considerado uno de los principales factores de virulencia de las especies fitopatógenas de Fusarium durante la infección.
Se han encontrado cantidades elevadas de ácido fusárico en tejidos, frutos, semillas y granos de plantas infectadas por hongos productores de dicho metabolito.
Esta observación, sumada a los efectos tóxicos y carcinogénicos del ácido fusárico en los seres humanos y los animales, señala que la presencia de esta micotoxina constituye un problema de seguridad alimentaria.
Además, el ácido fusárico presente en alimentos o piensos potencia los efectos tóxicos de otras micotoxinas, como los tricotecenos y las fumonisinas.
¿Qué papel puede desempeñar el ácido fusárico en la interacción entre Fusarium, las plantas y los microorganismos beneficiosos presentes en el suelo?
Hay dos aspectos importantes en relación con el ácido fusárico y las interacciones que ocurren en el suelo:
1. Su toxicidad para las plantas y para muchos microorganismos del suelo.
2. Su capacidad para secuestrar cationes metálicos, en particular, hierro.
Estas dos características determinan que la producción de ácido fusárico en la rizosfera no solo afecte a las células vegetales, sino que también module la composición de la comunidad microbiana rizosférica.
Su equipo ha identificado a Burkholderia ambifaria T16 como una rizobacteria capaz de degradar ácido fusárico e inhibir el crecimiento de especies de Fusarium. ¿Cómo se descubrió esta doble capacidad?
En nuestro grupo de trabajo comenzamos estudiando la toxicidad del ácido fusárico en bacterias del suelo promotoras del crecimiento vegetal.
Encontramos niveles muy heterogéneos de tolerancia al ácido fusárico entre las bacterias evaluadas, es decir, había bacterias muy sensibles y otras bastante tolerantes.
Sin embargo, cuando expusimos a las más tolerantes a concentraciones subinhibitorias de ácido fusárico (concentraciones bastante más bajas que las que inhibían completamente su crecimiento), observamos un efecto negativo en la velocidad de crecimiento, viabilidad y movilidad de dichas bacterias.
Esto demostró que incluso concentraciones bajas de ácido fusárico tienen un efecto negativo en bacterias rizosféricas benéficas.
Fue así como, teniendo en cuenta esos resultados, nos planteamos realizar aislamientos de la rizosfera de cebada con el objetivo de buscar microorganismos capaces de degradar el ácido fusárico.
Como este compuesto contiene carbono y nitrógeno, pensamos que era probable encontrar en la rizosfera bacterias capaces de utilizarlo como fuente de dichos elementos para crecer.
Efectivamente, encontramos una cepa bacteriana capaz de crecer con ácido fusárico como única fuente de carbono, nitrógeno y energía.
Luego evaluamos si, además, era capaz de inhibir el crecimiento de hongos del género Fusarium. Encontramos que no solo inhibía el crecimiento de varias especies de Fusarium, sino también el de otros géneros de hongos filamentosos fitopatógenos y de levaduras patógenas.
¿Qué ventajas presenta una bacteria que no solo degrada una micotoxina, sino que también produce metabolitos antifúngicos y puede favorecer el crecimiento vegetal?
El ácido fusárico y otras micotoxinas son tóxicos para muchas bacterias promotoras del crecimiento vegetal o antagonistas de hongos fitopatógenos.
Por este motivo, la principal ventaja de las bacterias PGPR (promotoras del crecimiento vegetal) capaces de degradar micotoxinas producidas por hongos fitopatógenos es que poseen un mayor fitness, es decir, una mayor capacidad de supervivencia y adaptación en la rizosfera cuando existe contaminación por hongos micotoxigénicos.
En su estudio sobre las rutas de degradación del ácido fusárico se identificaron distintos genes y mecanismos implicados. ¿Qué reveló esta disección genética sobre la complejidad del proceso?
Cuando se aíslan microorganismos degradadores o detoxificadores de micotoxinas, el mayor desafío consiste en dilucidar el mecanismo mediante el cual llevan a cabo estos procesos.
Cuando nuestro grupo comenzó a investigar el tema, no existía información sobre las vías de degradación —o vías catabólicas— del ácido fusárico en bacterias. Tampoco había reportes de bacterias capaces de utilizar este compuesto como fuente de carbono y energía.
- Logramos identificar algunas enzimas imprescindibles para la degradación y detoxificación del ácido fusárico que se encuentran en muy pocas bacterias del suelo.
- Identificamos vías metabólicas pertenecientes al metabolismo primario —comunes a todas las bacterias— que participan en la degradación.
- Encontramos que, si eliminamos los genes que codifican las enzimas degradadoras y detoxificadoras, la bacteria no puede crecer utilizando el ácido fusárico como fuente de carbono y nitrógeno ni tampoco detoxificar la toxina, es decir, eliminar su efecto tóxico.
Nuestro objetivo actual es esclarecer la función exacta de estas enzimas poco comunes.
¿Se conoce ya el destino final del ácido fusárico durante la biodegradación y cómo se comprueba que los metabolitos resultantes son realmente menos tóxicos?
Nuestras investigaciones indican que el ácido fusárico se degradaría completamente hasta convertirse en dióxido de carbono y agua.
Además, realizamos ensayos de toxicidad con semillas de cebada tras su biodegradación y no observamos efectos tóxicos en los productos resultantes del proceso.
Sus investigaciones también han relacionado la disponibilidad de hierro, la producción de sideróforos y la tolerancia bacteriana al ácido fusárico. ¿Qué nos enseña esta relación sobre el mecanismo de toxicidad de la micotoxina?
Sí, esas investigaciones se realizaron utilizando como microorganismo de estudio una bacteria del suelo que no es capaz de degradar el ácido fusárico, pero que presenta una elevada tolerancia a este compuesto.
Los resultados demostraron que el ácido fusárico afectaba negativamente a la velocidad de crecimiento y a la viabilidad de las células bacterianas.
La bacteria estudiada es capaz de producir dos sideróforos principales —compuestos que secuestran hierro—: pioverdina y pioquelina.
Observamos que la producción de estos sideróforos era fundamental para la tolerancia al ácido fusárico, es decir, cuando la bacteria perdía la capacidad de producir ambos, se volvía muy sensible a esta micotoxina.
Esto significa que el secuestro —o quelación— del hierro por parte del ácido fusárico constituye un importante mecanismo de toxicidad para las bacterias y que la producción de sideróforos resulta imprescindible para sobrevivir en presencia de esta micotoxina.
La cepa T16 reúne características prometedoras, pero pertenece al género Burkholderia, que incluye especies con perfiles muy diferentes. ¿Qué evaluaciones de seguridad serían imprescindibles antes de plantear una aplicación agrícola o biotecnológica?
Sí, así es. Las bacterias del género Burkholderia tienen un gran potencial de aplicación biotecnológica, pero muchas de ellas son patógenas oportunistas y, por este motivo, no pueden liberarse al ambiente.
Se está trabajando mucho con este género y se ha observado que los genes implicados en la virulencia se localizan en el cromosoma 3, ya que estas bacterias suelen tener más de un cromosoma. Por ello, podría ser factible generar en el futuro variantes completamente inocuas.
A nosotros nos interesa descifrar el mecanismo de degradación y detoxificación del ácido fusárico para identificar las enzimas responsables de este proceso y conocer las reacciones que catalizan. En este caso, por tanto, la aplicación se centraría en las enzimas y no en el microorganismo.
¿Sería más realista aplicar directamente el microorganismo, utilizar las enzimas responsables de la degradación o transferir las rutas metabólicas a un huésped más seguro y fácil de manejar?
Para aplicar directamente el microorganismo, este tendría que ser completamente seguro.
De no serlo, se podrían utilizar las enzimas, que podrían producirse de forma recombinante en otro microorganismo con estatus GRAS (Generally Recognized as Safe), como E. coli o Pseudomonas putida. Esta me parece la opción más factible.
También se podrían transferir los genes implicados en la detoxificación del ácido fusárico a otras bacterias del suelo bien estudiadas, por ejemplo, las pertenecientes al género Pseudomonas.
La mayoría de los alimentos y piensos contienen mezclas de micotoxinas. ¿Hasta qué punto los sistemas de biodegradación estudiados frente al ácido fusárico podrían funcionar en matrices complejas y en presencia de otros contaminantes?
Si pensamos en el desarrollo de un producto comercial, sería necesario evaluar la eficacia y la estabilidad del sistema en las matrices en las que vaya a utilizarse.
Existe un largo camino desde el descubrimiento de un mecanismo de detoxificación hasta su aplicación comercial.
Habitualmente intentamos controlar las micotoxinas después de que hayan contaminado la cosecha. ¿Podría la rizosfera convertirse en una primera línea de defensa, actuando antes de que el problema alcance el alimento o el pienso?
Sí, este planteo es muy interesante. Lo ideal sería evitar la contaminación en la primera etapa de la producción del alimento, es decir, durante el cultivo.
Por eso, resulta fundamental estudiar las interacciones que se producen en la rizosfera entre las bacterias benéficas y los patógenos, con el fin de aplicar estos conocimientos al desarrollo de estrategias sustentables para el manejo y control de las enfermedades asociadas a hongos micotoxigénicos.
Mirando al futuro, ¿cree que la gestión de las micotoxinas evolucionará hacia microorganismos o enzimas diseñados para detoxificar contaminantes concretos, o hacia comunidades microbianas capaces de responder de forma dinámica a diferentes escenarios de contaminación?
Creo que evolucionará tanto hacia consorcios sintéticos capaces de detoxificar varias micotoxinas como hacia productos que incorporen distintos componentes activos con mecanismos de acción complementarios.
Estos productos podrían contener una combinación de enzimas detoxificantes, extractos de paredes celulares de microorganismos capaces de adsorber micotoxinas y compuestos inorgánicos adsorbentes. En este último caso, el principal desafío radica en la formulación del producto, que debe garantizar la estabilidad y actividad de cada uno de sus componentes.
Prevención de micotoxicosis