2.2. carotenoides

Los carotenoides son los pigmentos naturales más comunes; son bien conocidos por su poderosa actividad antioxidante, ya que son extintores físicos muy eficientes del oxígeno singulete y eliminadores de otras ROS. Los carotenoides también son bien conocidos por su capacidad para actuar como inhibidores de los productos de fotosensibilización, otorgándoles propiedades fotoprotectoras [109].

Según estudios relevantes, la cistanche es una hierba común conocida como "la hierba milagrosa que prolonga la vida". Su principal componente escistanósido, que tiene varios efectos tales comoantioxidante, antiinflamatorio, ypromoción de la función inmunológica. El mecanismo entre la cistanche ypielblanqueoreside en el efecto antioxidante de la cistancheglucósidos. La melanina en la piel humana es producida por la oxidación de tirosina catalizada portirosinasa, y la reacción de oxidación requiere la participación de oxígeno, por lo que los radicales libres de oxígeno en el cuerpo se convierten en un factor importanteafectando la producción de melanina. Cistanche contiene cistanosido, que es un antioxidante y puede reducir la generación de radicales libres en el cuerpo, por lo tantoinhibiendo la producción de melanina.

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En la última década ha aumentado el interés por la fermentación microbiana para la producción de carotenoides naturales. La producción de carotenoides por bacterias, levaduras esporógenas, hongos filamentosos [110] y microalgas [111] se ha informado ampliamente, siendo las cianobacterias la fuente más destacada [112]. En consecuencia, los microbios carotenogénicos Xanthophyllomyces dendrorhous, transporte de Blakeslee y Haematococcus pluvialis se han utilizado ampliamente en procesos a gran escala. Además, la transformación de los microbios no carotenogénicos E. coli, S. cerevisiae, Candida utilis y Zymomonas mobilis, con genes carotenoides de microbios seleccionados, se ha aplicado con éxito para la producción de carotenoides [113]. E. coli en la fermentación por lotes produjo 72,6 mg/g cdw (peso seco celular) de -caroteno [1] y 1,44 g/L de licopeno [49], mientras que la producción de astaxantina aumentó 1.4-veces en comparación a la cepa parental X. dendrorhous, alcanzando 1,25 mg/L (Tabla 1) [46]. La astaxantina (5), el -caroteno (6) y la luteína son los carotenoides con mayor valor agregado (Figura 2) [114]. El oxicarotenoide luteína es producido principalmente por microalgas del género Chlorella, Dunaliella y Haematococcus [114]. Su profundo efecto sobre el sistema de defensa antioxidante se atribuye a su estructura química. En sistemas in vitro, eliminó significativamente el superóxido (IC50: 21 µg/mL), el hidroxilo (IC50: 1,75 µg/mL), el óxido nítrico (IC50: 3,8 µg/mL) y el DPPH (IC50: 35 µg /mL) radical y peroxidación lipídica inhibida (2,2 µg/mL). En sistemas in vivo, se ha demostrado que es un eliminador eficaz de radicales superóxido (IC50: 21 µg/mL) [51].

2.3. Exopolisacáridos (EPS)

Los EPS son polímeros de carbohidratos de alto peso molecular que demuestran fuertes actividades de eliminación, capacidad de quelación de metales e inhibición de la peroxidación de lípidos. Estos compuestos se encuentran entre las sustancias bioactivas más explotadas por su capacidad antienvejecimiento [115].

Los EPS son biosintetizados principalmente por bacterias y hongos. La capacidad de un microorganismo para producir EPS antioxidantes se introdujo por primera vez con el estudio de Paenibacillus polymyxa. Esta bacteria endofítica, aislada de la raíz de Stemona japonica, produce diferentes EPS con una fuerte actividad secuestrante contra el superóxido y el radical hidroxilo [116,117] (Tabla 1). Cuando se probó a una concentración de 1 mg/mL, el efecto depurador del EPS crudo contra el radical superóxido fue del 74,38 %, mientras que la actividad del EPS-1 y del EPS-2 purificados fue mayor que la del ácido ascórbico. . A la misma concentración, EPS, EPS-1 y EPS-2 también fueron muy efectivos contra el radical hidroxilo [56]. EPS-1 y EPS-2 estaban compuestos de manosa, fructosa y glucosa en proporciones molares de 2,6:29,8:1 y 4,2:36,6:1, respectivamente. Desde este descubrimiento, se encontró que muchos endófitos producen EPS antioxidantes. Un caso característico es la fracción purificada de ramnosa-galactano de Fusarium solani y Bacillus cereus aislados de Alstonia academicis y Artemisia annua L., respectivamente. Esta fracción de EPS mostró una actividad eliminadora significativa contra el DPPH (IC50: 0,6 mg/mL), el superóxido (IC50: 2,6 mg/mL) y el radical hidroxilo (IC50: 3,1 mg/mL) [ 54,55].

La optimización de los parámetros de cultivo de P. polymyxa usando sacarosa, extracto de levadura y CaCl2 mostró un rendimiento de EPS de 35,26 g/L (18,74 por ciento), que fue 155-veces superior en comparación con el medio original [57]. Las estructuras de EPSs son de gran variedad. EPS aislados del medio de cultivo del hongo endófito Aspergillus sp. estaban compuestos principalmente de manosa y galactosa (89,4:10,6) [59], mientras que los EPS aislados de la bacteria endofítica Burkholderia tropica estaban compuestos principalmente de ramnosa, glucosa y ácido glucurónico (2:2:1) [60]. También se han aislado EPS antioxidantes de la microalga terrestre Rhodella reticulata. Sus polisacáridos extracelulares mostraron una fuerte actividad antioxidante, significativamente mayor que el -tocoferol. La capacidad de eliminación de radicales contra el radical superóxido del polisacárido extracelular desproteinizado alcanzó 328,48 U/L, en comparación con 174,03 U/L de -tocoferol [118].

2.4. Enzimas

Las superóxido dismutasas (SOD) catalizan la neutralización de dos radicales superóxido mediante la adición de dos iones de hidrógeno para formar peróxido de hidrógeno y oxígeno. Perteneciente a la familia de las metaloenzimas, las SOD se diferencian en su cofactor metálico: Ni-SOD, CuZn-SOD, Fe-SOD y Mn-SOD; los tres últimos se encuentran comúnmente en las microalgas. La biosíntesis de SOD está directamente relacionada con el nivel de ROS celular. Un estudio realizado en microalgas Scenedesmus vacuolations y Pinnularia viridis mostró que la concentración y la actividad de SOD se correlacionan con el estrés relacionado con ROS [119,120]. De manera similar, la eliminación de ROS en la mayoría de las bacterias Streptococcus y Lactococcus spp. se ajusta a este sistema general de defensa antioxidante ya que ambos géneros expresan MnSOD. Sin embargo, estas bacterias poseen solo un tipo de SOD, a saber, la enzima que contiene Mn (MnSOD), lo que hace que esta enzima sea una parte esencial de la maquinaria celular antioxidante [121].

Las catalasas contienen sitios activos de porfirina hemo que degradan el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno [119]. Una molécula de catalasa puede convertir seis mil millones de moléculas de peróxido de hidrógeno cada minuto [122]. En la levadura S. cerevisiae, la sobreexpresión de catalasa reduce el estrés oxidativo inducido por ácido láctico [123]. Además, un estudio que involucró al alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtii mostró que el peróxido de hidrógeno del medio se degradaba más rápido cuando el inhibidor de catalasa aminotriazol estaba ausente; por lo tanto, la catalasa es una de las principales enzimas involucradas en la desintoxicación de ROS [124].

Finalmente, las peroxidasas catalizan la oxidación de varios sustratos por peróxido de hidrógeno. El ascorbato, el citocromo C, el pirogalol y el glutatión son ejemplos de estos sustratos. En cuanto a las otras enzimas antioxidantes, la inducción de la actividad de la peroxidasa tras la acumulación de ROS parece depender de la concentración y el tiempo [119].

3. Agentes fotoprotectores

Los rayos ultravioleta A (UVA, 315–400 nm) y ultravioleta B (UVB, 280–315 nm) desempeñan un papel importante en el daño de las células de la piel. Los rayos UVA están principalmente involucrados en la creación de ROS, mientras que los rayos UVB afectan en gran medida la integridad del ADN y las proteínas. Para protegerse de la radiación UV, los microorganismos terrestres han desarrollado varias estrategias, una de las cuales es la acumulación de compuestos fotoprotectores [2].

A pesar de la evidencia de que varios compuestos de microorganismos tienen actividades fotoprotectoras, sorprendentemente se han realizado pocos trabajos que involucren modelos de piel in vivo. Esto podría explicarse en parte por el hecho de que la UE ha prohibido las pruebas in vivo de cosméticos desde 2013. Por lo tanto, los efectos potenciales de protección de la piel se han establecido en base a estudios in vitro existentes [125].

3.1. Melaninas 

Las bacterias, los hongos y los protistas pueden producir un grupo diverso de pigmentos. Los hongos melanizados son en su mayoría levaduras negras, y las bacterias melanizadas pertenecen principalmente a Actinobacteria [126].

El papel básico de las melaninas en los microorganismos sigue siendo motivo de controversia y especulación. El hecho de que estos compuestos sean interceptores de fotones UV conduce a una menor vulnerabilidad de los microecosistemas a la radiación UV. Las melaninas también están involucradas en la producción de energía debido a su capacidad para aceptar electrones. Finalmente, en algunos microorganismos patógenos, estos compuestos actúan como factores de virulencia, disminuyendo los mecanismos de defensa del huésped [127].

El término melanina abarca tres sustancias poliméricas; eumelanina, feomelanina y alomelaninas. Las bacterias contienen principalmente eumelanina y todas las melaninas, mientras que los hongos expresan principalmente todas las melaninas [126]. Se han aislado melaninas fúngicas de Cryptococcus neoformans, Candida albicans, Aspergillus sp., Sporothrix schenckii, Fonsecaea pedrosoi, Paracoccidioides brasiliensis, Coccidioides sp. e Histoplasma capsulatum [128]. Las melaninas también están muy extendidas en una variedad de bacterias, como E. coli, B. cereus, Klebsiella sp., Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas stutzeri, Bacillus thuringiensis, Vibrio cholera y Streptomyces Kathie [129]; este último ha sido seleccionado como un microorganismo ideal para la producción de melanina. En condiciones óptimas, el rendimiento se maximizó a 13,7 g/L. En ese estudio, S. kathirae fue identificada como una excelente candidata para la producción de melaninas a escala industrial [67].

3.2. Derivados de indol y pirrol 

La escitonemina (7) es un pigmento alcaloide de color amarillo a marrón compuesto por una subunidad indólica y otra fenólica. Hasta ahora, solo se han informado cuatro derivados diferentes: dimetoxicitonemina (8), citoquinina (9), acetonemia-3a-imina (10) y tetrametoxicitonemina (11) (Figura 3). Conocidos por su fuerte función de absorción de rayos UV y su capacidad de eliminación de radicales libres, la escitonemina y sus derivados son excelentes candidatos para la protección de la piel. Scytonemin evita que hasta el 90 por ciento de la radiación UV solar ingrese a la célula. La fuerte actividad eliminadora de radicales de este compuesto (IC50: 36 µM contra el radical ABTS), combinada con su localización en la pared celular bacteriana, explica su función protectora y la incapacidad de la radiación UV-A para atravesar la envoltura celular [130,131].

Sintetizada casi exclusivamente por cianobacterias de ambientes extremos, la escitonemina (7) ha sido descrita en más de 300 especies de cianobacterias, muchas de ellas terrestres; por ejemplo, Nostoc commune, Nostoc microscopic, Phormidium sp., y Pleurocapsa sp. La escitonemina también se encuentra en Scytonema hoffmani junto con dimetoxiscitonemina (8), tetrametoxiscitonemina (11) y citoquinina (9) [132]. Para inducir la biosíntesis de escitonemina (7), la modulación de la temperatura o el estrés fotooxidativo debe combinarse con el estrés osmótico y la desecación periódica [126]. Para aplicaciones industriales, la producción de escitonemina protectora contra los rayos UV se optimizó en N. commune para producir 758 µg/g [73] (Tabla 1).

La prodigiosina (12) se caracteriza por un esqueleto común de pirrolil dipirrometeno que contiene un sistema de anillo 4-metoxi-2,20 -pirrol (Figura 3). Este pigmento rojo es producido principalmente por cepas pertenecientes al género bacteriano Serratia [75]. Bien conocida por su actividad antipalúdica, antibacteriana y anticancerígena, la prodigiosina también ha demostrado actividad protectora contra los rayos UV. Cuando se usa como aditivo en protectores solares comerciales (4 % p/p de prodigiosina), los factores de protección solar (SPF) aumentaron entre un 20 y un 65 %. En el mismo estudio, la adición de un 4 % (p/p) de prodigiosina en extractos de hojas fotoprotectoras de frutos de Aloe vera y Cucumis sativus mostró un aumento de los FPS de hasta 3,5 órdenes de magnitud [133]. Las bacterias Pseudomonas magneslorubra, Vibrio psychroerythrous, Vibrio gazogenes, Alteromonas rubra y Rugamonas rubra, junto con actinomycetes, como Streptomyces rubrireticuli y S. longisporus rubber, se han estudiado por su capacidad para producir prodigiosina o sus derivados [133]. Se informó una mejora en la producción de prodigiosina (277 mg/L) mediante la adición de una peptona de cuerno de carnero (RHP, 0,4 por ciento p/v) en los medios de cultivo de S. marcescens MO-1 [75] (Tabla 1).

La violaceína (13) es un pigmento púrpura que presenta una estructura inusual que consiste en una 2-pirrolidona y un sistema de anillos de oxindol conectados por un doble enlace, y una unidad de 5-hidroxiindol (Figura 3) [134] . Conocido por poseer efectos antibacterianos contra Staphylococcus aureus y otros patógenos Gram-positivos, la violaceína también puede actuar como un agente fotoprotector contra la radiación UV. Este compuesto absorbe en longitudes de onda visibles y presenta una amplia banda de absorción extendida hasta 700 nm [69]. Cuando se usa como aditivo en protectores solares comerciales (4 por ciento p/p de violaceína), los SPF aumentan entre un 10 y un 22 por ciento. Además, la adición al 4 % (p/p) de violaceína en extractos fotoprotectores de hojas de A. vera y frutos de C. sativus mostró un aumento de los SPF de hasta 3,5 órdenes de magnitud [133]. La violaceína es producida principalmente por las cepas bacterianas Janthinobacterium lividum, Pseudoalteromonas sp. y Chromobacterium violaceum (Tabla 1). Cabe mencionar que el pH del medio, volumen de cultivo, concentración de nitrato de potasio y L-triptófano, afectan significativamente la producción de violaceína. El cultivo de C. violaceum, aislado de varias fuentes de desechos vegetales, en un medio suplementado con bagazo de azúcar y L-triptófano al 10 por ciento (v/v), incrementó el rendimiento final de producción de violaceína a 0,82 g/L [70]. Del mismo modo, los parámetros de cultivo optimizados de Duganella sp. aumentó en 4,8 veces el rendimiento final de violaceína cruda (1,62 g/L) [71].

3.3. Micosporinas y aminoácidos similares a micosporinas (MAA)

Originalmente detectada en el micelio de basidiomicetos terrestres, la ciclosporina presenta un anillo central de ciclohexenona o cicloheximida y una amplia variedad de sustituciones. Los aminoácidos similares a las micosporinas son derivados imínicos de la ciclosporina. El anillo absorbe la luz ultravioleta y disipa la energía en forma de calor, sin generar ROS. Las cianobacterias y las microalgas pueden sintetizar ciclosporina y MAA, mientras que los hongos solo producen ciclosporina [126] (Tabla 1).

Principalmente conocidos por su actividad fotoprotectora, los MAA también son antioxidantes eficientes y eliminadores de ROS. Estas actividades han dado lugar a varias patentes en la investigación de filtros UV naturales [135].

Como en otros casos, la producción de MAA microbianos puede optimizarse tras la modificación de los parámetros de cultivo. Khosravi et al. mostró que la combinación de radiación UV y salinidad elevada aumenta significativamente la bioacumulación de MAA [136]. De hecho, la exposición de los hongos terrestres a la radiación UV, la desecación y la escasez de nutrientes aumentó significativamente la producción del compuesto micosporina-glutaminil-glucósido que absorbe los rayos UV (14) (Figura 3) [137].

4. Agentes para blanquear la piel

Los agentes blanqueadores de la piel están disponibles comercialmente con fines cosméticos y clínicos, para obtener un cutis más claro y tratar los trastornos hiperpigmentarios [138]. La pigmentación desigual de la piel puede provocar manchas, parches de decoloración de marrón a gris o pecas que pueden requerir intervenciones cosméticas [13]. Los agentes blanqueadores actúan en varios niveles de producción de melanina en la piel, ya sea al inhibir la actividad de la tirosinasa, la enzima clave en la melanogénesis en plantas y animales, o al inhibir el transporte de melanosomas desde los melanocitos a los queratinocitos circundantes [139–141].

4.1. Pirones

El ácido kójico (15) es un metabolito secundario fúngico soluble en agua económico (Figura 4). Tiene dos grupos OH-, el primario en C-7 y el secundario en C-5, que es esencial para la actividad de captación de radicales y de interferencia de tirosinasa (IC50: 14 µM) [142,143]. La actividad despigmentante de la piel del ácido kójico resulta de la inhibición de las actividades de pliegue y catecolasa de la tirosinasa. Impide la conversión de la O-quinona en DL-DOPA y de la dopamina en su correspondiente melanina. Se demuestra una disminución del contenido de melanina en los melanocitos después de su tratamiento con ácido kójico [143]. Este compuesto ha sido ampliamente utilizado para la despigmentación de la piel (y en consecuencia como agente cosmético) con un excelente efecto blanqueador, debido a su capacidad para inhibir la actividad de la tirosinasa.

Producida principalmente por Penicillium sp. y Acetobacter sp., el ácido kójico también se ha aislado de otros microorganismos terrestres, como Aspergillus flavus, un hongo endófito de Vigna unguiculata [81]. Para producir este compuesto, se usa ampliamente la fermentación de Aspergillus sp. También se emplean comúnmente otras cepas, como A. oryzae (0.26 g de ácido kójico/g de glucosa), A. parasiticus (0.089 g/g de glucosa), y A. candidus (0.3 g/g sacarosa). Se obtuvo un alto rendimiento de 0,453 g/g de glucosa con el cultivo de A. flavus [82,83,144] (Tabla 1).

4.2. Lactonas fenólicas

El ácido elágico (16) es un polifenol antioxidante que ha generado interés comercial debido a las recomendaciones para su uso tópico como agente blanqueador de la piel (Figura 4). Este compuesto inhibe la melanogénesis a través de la reducción química de O-quinonas (O-dopaquinona) y semiquinonas [145].

El ácido elágico se puede producir a partir de taninos vegetales mediante fermentación utilizando diferentes cepas de A. niger [146,147]. Se obtuvo un rendimiento de 6,3 y 4,6 mg de ácido elágico/g de cáscara de granada seca al convertir los elagitaninos de granada en ácido elágico en una fermentación en estado sólido[85] (Tabla 1）.

4.3. Ácidos carboxílicos

El ácido azelaico (17) es un ácido dicarboxílico saturado producido por Malassezia furfur (también conocida como Pityrosporum ovale), una levadura que vive en la piel normal [91] (Figura 4) (Tabla 1). Es eficaz en el tratamiento de varias afecciones de la piel, como el acné, la inflamación y la hiperpigmentación. Como inhibidor competitivo de la tirosinasa in vitro, se ha utilizado para tratar el melasma, el lentigo maligno y la hiperpigmentación posinflamatoria. La concentración mínima a la que el ácido azelaico demuestra su actividad antienzimática es de 10−3 mol/L y es aproximadamente igual al 20 por ciento de contenido de ácido azelaico en una crema aplicada tópicamente [148,149]. Además, la eficacia de una crema de ácido azelaico al 20 % es superior a la de una crema de hidroquinona (HQ) al 2 %, mientras que no se informaron efectos secundarios graves [90,150]. Los ensayos clínicos demostraron que esta crema también era eficaz contra el melasma cuando se usaba en paralelo con un protector solar de amplio espectro. Por lo tanto, la capacidad del ácido azelaico para reducir la cantidad de melanina en una región específica del tejido de la piel, así como la ausencia de efectos secundarios, hace que se utilice ampliamente en formulaciones cosméticas.

El ácido láctico también se usa como blanqueador de la piel (Tabla 1). A una dosis de 500 µg/mL, inhibe la formación de melanina de manera dependiente de la dosis sin afectar el crecimiento celular [151]. Estudios recientes han demostrado que las especies de Rhizopus podrían ofrecer una valiosa fuente alternativa para la producción de ácido láctico [152]. El hongo filamentoso R. oryzae convierte tanto la glucosa como la xilosa en condiciones aeróbicas en ácido láctico l( plus ) con rendimientos que varían entre 0,55 y 0,8 g/g [87].

El ácido poli-glutámico (-PGA) es un polímero natural producido por diferentes especies de Bacillus (los rendimientos varían de 10 a 50 g/L dependiendo de la especie) [88] (Cuadro 1). Los estudios relacionados con el efecto inhibitorio contra la tirosinasa de hongo y la tirosinasa en células de melanoma B16 informaron una actividad dependiente de la dosis. -Los PGA, y especialmente los polímeros de bajo peso molecular, han llamado mucho la atención debido a su gran potencial en cosmética como agentes blanqueadores de la piel [153].

4.4. Enzimas y Productos Derivados

La posibilidad de utilizar enzimas melanocíticas para aclarar la piel se examinó analizando la actividad melanocítica potencial de aislados de hongos silvestres. Entre ellos, Sporotrichum pruinose fue el más prometedor del número muy limitado de hongos que decoloran la melanina sintética [154]. Como se describe en la patente de EE.UU. 20030077236, las composiciones que contienen enzimas degradantes de melanina derivadas de Aspergillus fumigatus o S. cerevisiae fueron dos veces más eficaces que el ácido kójico para producir un efecto blanqueador en la piel.

Una gran variedad de compuestos con aplicaciones potenciales para la protección de la piel se pueden obtener mediante procesos biotecnológicos mediante el uso de enzimas aisladas de microorganismos terrestres. Este es el caso del retinol, la forma más activa de la vitamina A, un agente blanqueador de la piel que ha sido sintetizado por la esterificación del ácido palmítico utilizando una lipasa B modificada de Candida antarctica (CALB) y una lipasa modificada de Pseudomonas fluorescente, para maximizar su solubilidad en agua y minimizar la irritación de la piel. Otras modificaciones de la vitamina A incluyen la esterificación con oleico, láctico, succínico o metil succínico, catalizada por CALB o por Rhizomucor miehei lipasa [155].

Una mejor absorción dérmica y una actividad blanqueadora de la piel un 10 % mayor, en comparación con el conocido inhibidor de tirosinasa arbutina, se demostró mediante su éster de ácido undecilénico de arbutina derivado que se sintetizó enzimáticamente utilizando una proteasa alcalina de Bacillus subtilis [94,155]. Además, los glucósidos de -arbutina se sintetizaron mediante la reacción de transglicosilación de ciclomaltodextrina glucanotransferasa de Bacillus macarons. Los glucósidos sintetizados exhibieron una mayor inhibición de la tirosinasa humana que la -arbutina [156].

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