Doctorado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas

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    Exploración de los mecanismos moleculares relacionados con el rol antioxidante y el potencial antiproliferativo de extractos obtenidos de subproductos de la industria azucarera
    (Pontificia Universidad Javeriana Cali, 2023) Molina Cortés, Andrea; Quimbaya Gómez, Mauricio Alberto; Tobar Tosse, Henry Fabián
    En un contexto social cada vez más orientado hacia el desarrollo sostenible, el uso racional de los recursos naturales y la minimización de impactos negativos al medio ambiente, la investigación aplicada ha experimentado un notable avance para abordar problemáticas relacionadas con la transformación de materias primas a nivel industrial y su inevitable generación de residuos. La incorporación de principios propios de la investigación científica ha conducido a la formulación de estrategias integradoras y holísticas para darle a estos materiales residuales una segunda oportunidad para ser aprovechados en función de sus potencialidades. En este marco de referencia, el presente trabajo doctoral está alineado con la creciente tendencia hacia la sostenibilidad y la revalorización de subproductos agroindustriales. A través de la implementación de un enfoque interdisciplinario que combina elementos de la química analítica, la biología celular, la biología molecular y la bioinformática, este estudio ofrece un valioso entendimiento de la versatilidad y el potencial terapéutico de dos subproductos aparentemente descartables de la agroindustria de la caña de azúcar: las melazas y las vinazas. Al evaluar las características fisicoquímicas y los efectos biológicos de extractos derivados de estas dos fuentes, se busca comprender los aspectos mecanísticos que podrían conferirles un importante valor científico con posibles aplicaciones futuras. En este sentido, el objetivo principal de esta investigación consistió en explorar los mecanismos moleculares subyacentes al rol antioxidante y al potencial antiproliferativo de extractos obtenidos a partir de la melaza y la vinaza de caña. Como primer paso para alcanzar este objetivo, se procedió a la caracterización fisicoquímica de ambos subproductos. Posteriormente, se sometieron a un proceso de extracción en fase sólida, del cual se derivaron dos fracciones por cada subproducto: una fracción metanólica, que se esperaba contuviera principalmente compuestos fenólicos (PCs), y otra fracción acuosa, en la cual estarían presentes compuestos inducidos por el calor (HICs). Cada fracción se caracterizó en términos de su contenido de compuestos antioxidantes totales, capacidad antioxidante in vitro y perfil de compuestos de interés. La identificación tentativa de estos compuestos se realizó aplicando técnicas de cromatografía líquida (LC) y de gases (GC) acopladas a espectrometría de masas de alta resolución (MS/MS). En consecuencia, los PCs fueron identificados en los extractos metanólicos por LC-MS/MS, mientras que los extractos acuosos se procesaron por GC-MS/MS para determinar su composición de compuestos volátiles generados térmicamente (HICs). Los resultados de esta caracterización fisicoquímica confirmaron que tanto la melaza como la vinaza de caña son ricas en diversos compuestos bioactivos. En las fracciones metanólicas se encontraron compuestos como el ácido p-cumárico, el schaftósido, el ácido clorogénico y el ácido feruloilquínico; mientras que en los extractos acuosos se identificaron compuestos como la DDMP, el 1-butoxi-2-propanol, el ácido isociánico, el 3,4-dimetoxifenol y la 1,6-anhidro-beta-D-glucopiranosa. A pesar de estas diferencias composicionales, los análisis demostraron que el tipo de subproducto no influyó significativamente en los contenidos de compuestos antioxidantes totales, por lo que estos hallazgos posicionan a la melaza y la vinaza de caña como materiales con cualidades antioxidantes comparables. Tras el análisis químico de los extractos, se realizó la determinación de sus efectos biológicos en un contexto celular específico. Para ello, se examinó la respuesta antiproliferativa de células NIH-3T3 tratadas con los extractos más sobresalientes del paso anterior. Como resultado de estos ensayos, se seleccionaron los cultivos celulares con la mejor respuesta diferencial a los tratamientos aplicados, y se realizó la respectiva evaluación de los cambios en los patrones de expresión génica. Para este fin, se realizó un estudio transcriptómico comparativo aplicando técnicas de secuenciación por RNA-Seq para identificar los transcritos diferencialmente expresados. Con los datos obtenidos se implementó un flujo de trabajo bioinformático que incluyó la anotación funcional de los genes basada en ontologías génicas, un análisis de enriquecimiento funcional mediante las rutas metabólicas de la base de datos KEGG, y un análisis de redes de interacción proteína-proteína. A través de esta metodología se evidenció una influencia notable de los extractos en la proliferación celular. A nivel molecular, los resultados revelaron modificaciones significativas y generalizadas en la expresión génica de procesos biológicos, componentes celulares, funciones moleculares, rutas metabólicas y redes de interacción proteica relacionadas con la matriz extracelular y la membrana citoplasmática. Algo destacable de estos hallazgos, fue que, aunque los conjuntos de genes diferencialmente expresados variaron en cada caso, se encontró que los extractos provenientes de ambos subproductos evaluados afectaron casi los mismos eventos celulares de una forma dependiente del tiempo. Posteriormente, se examinó la influencia de los extractos sobre marcadores moleculares característicos de los procesos de ciclo celular y apoptosis mediante análisis de expresión génica por qPCR. Como producto de estas pruebas se detectaron disminuciones significativas en la expresión de genes reguladores maestros del ciclo celular tales como CCNA1 y CCNB1, los cuales desempeñan un rol esencial en la progresión de las fases S, G2 y M. Aunque se observaron cambios en la transcripción de genes relacionados con la apoptosis, no fue posible confirmar que las células hubieran desplegado completamente una muerte programada por vía mitocondrial. Estos hallazgos, junto con la pérdida de viabilidad celular observada en los ensayos antiproliferativos, plantean la necesidad de emprender estudios adicionales para investigar otros tipos de muerte celular. Considerando las afectaciones observadas sobre el ciclo celular y la apoptosis en la línea celular NIH-3T3, se replicó un estudio semejante en células cancerosas de la línea HT-29. Los resultados obtenidos en este contexto neoplásico reflejaron similitudes significativas con los hallazgos previamente observados en las células no cancerosas; de aquí que se pudieran demostrar las propiedades antiproliferativas de los extractos para los dos entornos celulares estudiados. A la luz de los resultados globales de esta tesis doctoral, se ha proporcionado evidencia relevante que demuestra las posibilidades que las melazas y vinazas de caña pueden ofrecer como fuentes de compuestos biológicamente activos. La capacidad antioxidante inherente de estos extractos, respaldada por la presencia de PCs y HICs, sugiere su utilidad en la prevención del daño celular inducido por radicales libres. Adicionalmente, el impacto en la proliferación celular plantea perspectivas interesantes para el futuro diseño de terapias antiproliferativas, incluso en el ámbito oncológico. Aunque persisten interrogantes sobre los mecanismos tras los efectos observados, este estudio establece los cimientos para investigaciones posteriores en esta dirección. Finalmente, esta investigación demuestra lo prometedor que puede resultar el uso de subproductos industriales para aprovechar sus cualidades como fuente de agentes bioactivos. Además de los beneficios ambientales y económicos que podrían derivarse de esta revalorización, los hallazgos obtenidos tienen el potencial de impulsar avances científicos significativos en los campos de la medicina y la biotecnología.