De hongo t¨®xico a superestrella de la salsa de soja: la accidentada historia del moho koji

Hace casi 9.000 a?os, en la ¨¦poca en que los humanos domesticaron por primera vez el ma¨ªz y los cerdos, algunos habitantes de China estaban domesticando hongos. Uno de estos, el Aspergillus oryzae, se ha convertido en una superestrella culinaria. A trav¨¦s de la fermentaci¨®n de ingredientes crudos, como la soja o el arroz, este moho ayuda a producir salsa de soja, sake y otros alimentos asi¨¢ticos tradicionales. Lo hace descomponiendo prote¨ªnas y almidones para que otros microbios puedan terminar las fermentaciones.

Pero el A. oryzae no siempre fue tan servicial. La versi¨®n silvestre del moho produce potentes toxinas que pueden envenenar al consumidor y provocar c¨¢ncer de h¨ªgado y otros ¨®rganos. Adem¨¢s, es una plaga agr¨ªcola destructiva que causa cada a?o p¨¦rdidas de millones de d¨®lares por da?os a cultivos como el cacahuete y el ma¨ªz.

?Qu¨¦ ha cambiado? La investigaci¨®n cient¨ªfica est¨¢ revelando c¨®mo el hongo pas¨® de ser un moho peligroso y t¨®xico a ser una herramienta superior de la biotecnolog¨ªa alimentaria que prospera en entornos artificiales. Y a medida que los investigadores estudian el A. oryzae aprenden m¨¢s sobre el proceso de domesticaci¨®n de los microbios en general, que sigue siendo un misterio en muchos sentidos. ¡°Casi todo lo que conocemos procede de plantas y animales. Se puede ver la diferencia entre perros y lobos, entre ma¨ªz y teosinte, pero realmente no se pueden ver las diferencias entre microbios, porque la mayor parte son cambios en el metabolismo¡±, afirma sobre la domesticaci¨®n el genetista y microbi¨®logo John Gibbons, de la Universidad de Massachusetts Amherst (EE UU).

El A. oryzae pertenece a una familia de hongos de un grupo m¨¢s amplio conocido como mohos azules y verdes. Alrededor del 40% de las especies de la familia pertenecen al g¨¦nero Aspergillus, llamado as¨ª porque los tallos delgados y las puntas esponjosas de sus estructuras productoras de esporas se asemejan a un aspersorio (aspergillum, en ingl¨¦s), el utensilio empleado para esparcir agua bendita utilizado en algunas confesiones cristianas. El g¨¦nero cuenta con varios miembros destacados, entre los que se incluyen especies ¨²tiles para la industria que producen sustancias qu¨ªmicas, como medicamentos, o fermentan alimentos, como hace A. oryzae.

Un digestor maestro

Conocido como el moho koji, A. oryzae es un digestor maestro. En la primera fase de la producci¨®n de salsa de soja, A. oryzae se ocupa de los ingredientes iniciales, normalmente soja y trigo; en la producci¨®n de sake, se ocupa del arroz. Las enzimas digestivas del moho ¡ªproteasas y amilasas¡ª descomponen las prote¨ªnas y los almidones en mol¨¦culas m¨¢s simples que m¨¢s tarde fermentar¨¢n las levaduras. El moho ¡°huele a esta maravillosa mezcla de champi?ones y pomelo, y tambi¨¦n un poco agrio¡±, dice el microbi¨®logo Benjamin Wolfe, de la Universidad Tufts, cerca de Boston.

Otras especies de Aspergillus son una amenaza, entre ellas Aspergillus flavus, el se?or Hyde frente al doctor Jekyll de A. oryzae. El A. flavus produce unos potentes venenos llamados aflatoxinas que, al ser ingeridos, son metabolizados por el h¨ªgado en compuestos que da?an el ADN y alteran el funcionamiento celular. Infecta diversos cultivos: ma¨ªz, trigo, mandioca, chile, man¨ª, arroz, s¨¦samo, semillas de girasol y otros. Puede contaminar las plantas tanto antes de la cosecha como despu¨¦s, cuando los cultivos se almacenan o se transportan. Las toxinas pueden incluso contaminar la leche de los animales que comen piensos contaminados. A pesar de las diversas medidas de control, los brotes espor¨¢dicos de aflatoxinas envenenan y matan a personas y animales dom¨¦sticos en todo el mundo.

Los cient¨ªficos llevan mucho tiempo reconociendo que el peligroso A. flavus y el fermentador alimentario A. oryzae son parientes muy cercanos: los dos pueden parecer id¨¦nticos en color y textura, o tener un aspecto muy diferente entre s¨ª, lo que hace dif¨ªcil distinguirlos. Las primeras investigaciones sobre su ADN revelaron una notable similitud, y un estudio realizado en 1998 sobre un pu?ado de genes de cada hongo concluy¨® que el A. oryzae evolucion¨® por domesticaci¨®n a partir del A. flavus.

Pero A. oryzae no produce aflatoxinas y se ha utilizado con seguridad como fermentador alimentario durante miles de a?os. Ahora, los cient¨ªficos han empezado a identificar los ajustes espec¨ªficos que condujeron a la importante revisi¨®n del metabolismo del moho.

Una deleci¨®n gen¨¦tica fundamental

Los cient¨ªficos llevaban mucho tiempo queriendo demostrar gen¨¦ticamente que A. oryzae no pod¨ªa fabricar aflatoxina, en parte para asegurarse de que el moho es, y seguir¨¢ siendo, seguro para fermentar alimentos. A lo largo de los a?os, han documentado numerosos cambios destructivos a gran y peque?a escala en el grupo de m¨¢s de dos docenas de genes que el ancestro del hongo empleaba para fabricar la toxina.

En un estudio reciente, por ejemplo, los cient¨ªficos compararon el genoma de A. oryzae 14160, una cepa industrial de China, con el genoma de A. oryzae RIB40, una cepa que se secuenci¨® en 2005. En un estudio publicado en Frontiers in Microbiology en 2021, el equipo descubri¨® que m¨¢s de la mitad del grupo de genes de las aflatoxinas estaba suprimido en la cepa 14160, mientras que la cepa RIB40 presenta mutaciones en genes clave aqu¨ª y all¨¢.

Pero de cepa a cepa, hay una deleci¨®n en el cl¨²ster de genes de la aflatoxina que aparece sistem¨¢ticamente, dice Gibbons, que dirigi¨® el an¨¢lisis de 2021 con la entonces estudiante de posgrado Katherine Chac¨®n Vargas (el grupo ha estado analizando cientos de cepas de los mohos). Este hallazgo sugiere que, en alg¨²n momento, una cepa de moho salvaje A. flavus adquiri¨® la deleci¨®n, lo que la hizo inofensiva. Despu¨¦s, otros cambios gen¨¦ticos ¡ªmutaciones, deleciones, otras alteraciones¡ª se acumularon libremente en los genes de las aflatoxinas, puesto que ya no se utilizaban.

La domesticaci¨®n habr¨ªa garantizado que se mantuviera el rasgo inofensivo, afirma Gibbons. Esto se debe a que la aflatoxina es un compuesto defensivo que el moho utiliza para matar a otros microbios. Dado que otros microbios ¡ªen concreto, las levaduras¡ª forman parte del proceso de fermentaci¨®n para elaborar la salsa de soja o el vino de arroz sake, las ¨²nicas fermentaciones que funcionar¨ªan ser¨ªan aquellas en las que las toxinas del Aspergillus no estuvieran presentes para acabar con las levaduras.

Y en el c¨®modo entorno domesticado, las toxinas no son importantes de todos modos. ¡°Dispones de una fuente de alimento estable todo el tiempo y ya no hay raz¨®n para producir sustancias qu¨ªmicas defensivas, porque hay suficiente comida para todos¡±, afirma Gibbons.

La p¨¦rdida de la capacidad de producir aflatoxina probablemente allan¨® el camino para que el hongo aumentara su capacidad de digerir almid¨®n, a?ade Gibbons. Esto se debe a que los productos qu¨ªmicos de defensa son costosos de fabricar para estos microorganismos: ¡°Si pierden la capacidad de producir esas toxinas, en realidad ahorran mucha energ¨ªa que pueden dedicar al metabolismo primario, como la digesti¨®n de almidones, az¨²cares y prote¨ªnas¡±, explica este cient¨ªfico.

Las investigaciones sugieren que esta capacidad para digerir el almid¨®n evolucion¨® una y otra vez. Ya en 1989, por ejemplo, mucho antes de que se dispusiera de las secuencias gen¨®micas de cualquier especie de Aspergillus, varios grupos de cient¨ªficos utilizaron m¨¦todos para demostrar que A. oryzae ten¨ªa m¨²ltiples copias del gen que codifica la alfa-amilasa, la enzima que digiere el almid¨®n; dos cepas del hongo ten¨ªan dos copias, mientras que otras dos cepas ten¨ªan tres.

Desde entonces, los investigadores han examinado m¨¢s de cerca y en m¨¢s cepas y han encontrado todo tipo de variaciones. La cepa RIB40, por ejemplo, tiene genes de alfa-amilasa en los cromosomas 2, 3 y 5, mientras que el equipo de Gibbon inform¨® recientemente de que la cepa industrial de China, 14160, tiene dos copias en el cromosoma 2 y una tercera copia en el cromosoma 6.

Seg¨²n Gibbons, es probable que este tipo de cambios tambi¨¦n se produjeran muchas veces en la naturaleza, aunque antes de la domesticaci¨®n no se conservaban porque no eran ¨²tiles. ¡°Pero, en el entorno alimentario, cuantos m¨¢s genes de alfa-amilasa tengas, m¨¢s enzima producir¨¢s¡±, explica. Entonces, los humanos habr¨ªamos seleccionado los microbios potentes que digieren el almid¨®n en nuestra domesticaci¨®n para las fermentaciones.

La domesticaci¨®n de A. oryzae podr¨ªa haberse producido muy r¨¢pidamente si nos atenemos a las investigaciones sobre las especies de Penicillium, otro famoso g¨¦nero de mohos, de la misma familia que los Aspergillus.

Se cree que P. camemberti, responsable de la corteza blanca y el olor caracter¨ªstico de los quesos camembert y brie, evolucion¨® a partir de P. commune, una especie de pigmentaci¨®n oscura, productora de toxinas y con olor a moho. Cuando el grupo de Wolfe en Tufts tom¨® una cepa silvestre de P. commune y otra cepa de Penicillium no quesera y las cultiv¨® en serie en queso, tras solo ocho generaciones ¡ªun periodo de unas pocas semanas¡ª las cepas silvestres mostraron signos de domesticaci¨®n. En una publicaci¨®n en la revista mBio en 2019, el equipo dio a conocer que la capacidad de los mohos para producir pigmentos y toxinas disminuy¨®. Al mismo tiempo, perdieron su olor a moho, adquiriendo los aromas a mantequilla y queso caracter¨ªsticos de sus parientes domesticados.

El factor humano en la fermentaci¨®n

Al contemplar los pasos de la domesticaci¨®n de A. oryzae, conviene recordar que la fermentaci¨®n y la evoluci¨®n humana probablemente siempre han estado entrelazadas, afirma el genetista microbiano Kevin Verstrepen, del Instituto de Flandes para la Biotecnolog¨ªa (VIB) y la Universidad de Lovaina (B¨¦lgica).

Por ejemplo, es f¨¢cil imaginar que los primeros hom¨ªnidos comieran fruta que hubiera sido visitada por la levadura y fermentada en un pur¨¦ alcoh¨®lico, y que los humanos reconocieran los m¨¦ritos de esa fruta, tanto por sus efectos alteradores de la mente como por sus cualidades desinfectantes. ¡°No me sorprender¨ªa que esas cosas se descubrieran con bastante rapidez¡±, sostiene Verstrepen.

En el caso del Aspergillus, las esporas est¨¢n constantemente a la deriva ¡ªseg¨²n los investigadores, inhalamos m¨¢s de 200 al d¨ªa¡ª y crecen si se asientan en un lugar c¨¢lido y h¨²medo. Una reciente reconstrucci¨®n del ¨¢rbol geneal¨®gico de Aspergillus realizada por el bi¨®logo evolucionista Antonis Rokas, de la Universidad de Vanderbilt, sugiere que A. flavus y alguna versi¨®n de su hom¨®logo domesticado, A. oryzae, compartieron antepasado por ¨²ltima vez hace unos 3,8 millones de a?os. A. oryzae es naturalmente aficionado al arroz, y es probable que las versiones de A. flavus que no produc¨ªan aflatoxinas estuvieran presentes en las plantas de arroz silvestre que consum¨ªan los primeros humanos.

Con la llegada de la agricultura en el Neol¨ªtico, hace unos 12.000 a?os, la domesticaci¨®n se convirti¨® en una carrera de fondo. A medida que la gente se asentaba en comunidades y empezaba a cultivar y criar animales con regularidad, se produc¨ªa un exceso, quiz¨¢ por primera vez, de grano, leche o carne. La fermentaci¨®n permiti¨® conservar los alimentos m¨¢s all¨¢ de la cosecha y prolongar su vida ¨²til.

¡°Uno de los mejores ejemplos es la leche cruda, que se estropea en un d¨ªa a temperatura ambiente. Pero si la fermentas en un queso duro, puedes viajar con ella en el bolsillo a temperatura ambiente durante un mes¡±, dice Gibbons.

Un ejemplo temprano de fermentaci¨®n intencionada de alimentos ¡ªmuy probablemente con Aspergillus¡ª procede de la aldea neol¨ªtica de Jiahu, en la provincia china de Henan, donde hay un yacimiento con artefactos que sugieren la domesticaci¨®n del arroz y la existencia de los primeros instrumentos musicales. En 2004, un equipo report¨® que los fragmentos de cer¨¢mica del yacimiento conten¨ªan residuos de una bebida fermentada de arroz, miel y fruta ¡ªb¨¢sicamente, un vino de arroz o ¡°protosake¡±, dice Gibbons¡ª. Desde entonces, los cient¨ªficos han investigado residuos en vasijas de otros dos yacimientos del Neol¨ªtico temprano en China y han hallado restos de hongos, entre ellos algunos sorprendentemente parecidos a nuestro h¨¦roe, el moho koji.

Al principio, la gente probablemente depend¨ªa de la colonizaci¨®n espont¨¢nea por A. oryzae y otros microbios, pero en alg¨²n momento se desarroll¨® el proceso en el que se utiliza una porci¨®n de un fermento anterior para iniciar uno nuevo, como se utiliza un fermento de masa madre para el pan. Esta fermentaci¨®n intencionada con A. oryzae parece que ya se produc¨ªa hace 2.300 a?os: el moho se menciona en el antiguo texto chino Zhouli (Ritos de la dinast¨ªa Zhou), que data del a?o 300 antes de Cristo. Alg¨²n tiempo despu¨¦s, la gente empez¨® a criar A. oryzae en arroz cocido al vapor; sus esporas se separaban entonces del grano con un tamiz de seda y se secaban para utilizarlas cuando fuera necesario.

A Verstrepen le gusta decirles a sus alumnos que las levaduras de la cerveza ¡ªque viven todo el a?o en sus cubas, donde est¨¢n calientes y bien alimentadas¡ª son como perros, mientras que las levaduras del vino, que se utilizan en la vendimia pero pueden entremezclarse con especies salvajes en los meses intermedios, son como gatos.

Hoy en d¨ªa, dice Rokas, A. oryzae es como un perro. Hay numerosas cepas mejoradas que la gente puede encargar en funci¨®n de sus necesidades espec¨ªficas de fermentaci¨®n. Pero durante mucho tiempo ha habido una variedad sin restricciones: muchas cepas de A. oryzae/A. flavus con genes de toxinas defectuosos y distintas capacidades para digerir el almid¨®n, y era cuesti¨®n de suerte cu¨¢l acababa en la salsa de soja o el sake. El moho de los antiguos, dice Rokas, ¡°deb¨ªa de ser m¨¢s felino¡±.

Art¨ªculo traducido por Debbie Ponchner.

Este art¨ªculo apareci¨® originalmente en Knowable en espa?ol, una publicaci¨®n sin ¨¢nimo de lucro dedicada a poner el conocimiento cient¨ªfico al alcance de todos.

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