Palabras clave. Hongos, micelio, lignocelulosa, biomateriales, biofabricación, materiales compuestos, biotextiles, economía circular.

Keywords. Fungi, mycelium, lignocellulose, biomaterials, biofabrication, composite materials, biotextiles, circular economy.

Los materiales han estado presentes en cada paso de la historia de la humanidad, desde la utilización de materiales de origen natural en la Edad de Piedra, como la madera, lana, cuero y algodón, hasta el desarrollo de plásticos y otros polímeros sintéticos de origen petroquímico que marcaron tendencia durante el siglo XX. Sin embargo, aunado al crecimiento de la población mundial, la producción masiva de dichos materiales muchas veces está asociado a impactos ambientales negativos, tanto a nivel local como global, ya que frecuentemente implican la generación de desechos tóxicos y contaminantes, un alto consumo de energía durante su producción, una liberación constante de gases de efecto invernadero a lo largo de toda su cadena de valor, el incremento de la temperatura atmosférica y concomitante cambio global ¹. Bajo este contexto, algunos de los mayores desafíos de nuestra sociedad actual son la búsqueda de nuevas tecnologías verdes que promuevan la innovación y transición hacia una economía sostenible donde el empleo de los recursos naturales renovables y no renovables sea más responsable con el medio ambiente en procesos productivos de alta huella ecológica ². En este sentido, el reino Fungi extiende su micelio para interconectarse al pensamiento crítico y lógico de empresas de base biotecnológica que reinventan sus paradigmas industriales en nuevas formas de economía circular basados en la Biotecnología Fúngica y Material.

Un sin número de productos con alto valor biotecnológico han surgido de la exploración del metabolismo de los hongos como es la obtención de aditivos alimentarios, compuestos bioactivos e interés farmacológico, pigmentos, biocombustibles, enzimas, vitaminas, aminoácidos, entre otros^3,4. La tendencia en la última década, aparte del desarrollo de cuerpos fructíferos o la producción de moléculas bioactivas con fines medicinales, es centrarse en el estudio del micelio de los hongos ya que ofrecen un tejido de nuevos enfoques de producción con alternativas sostenibles con impacto negativo en el ambiente ⁵. Ahora, basados en los nuevos paradigmas de fabricación alternativa, que se siembran en “el crecimiento de materiales en lugar de extraerlos”, el micelio fúngico propone a la economía una nueva generación de biomateriales sostenibles a partir de biomasa fúngica o de materiales compuestos por desechos orgánicos y micelio ⁶. Las áreas de investigación y aplicación tecnológica de productos a base de micelio se mantienen en constante crecimiento y desarrollo obteniendo resultados eficientes, rentables y competitivos frente a materiales imperecederos de origen petroquímico, cueros de origen animal en la industria textil y como nuevas fuentes de alimento fomentando en este sentido a la economía circular ⁷. En la actualidad, los productos a base de micelio están revolucionando las industrias del embalaje, textil, del cuero, de materiales de construcción para viviendas, muebles orgánicos y la automación ^2,8. Además, existe un especial interés en emplearlos para el aislamiento térmico y acústico, la protección contra incendios y nuevas fuentes de alimento con alto contenido en aminoácidos esenciales y proteínas ^9,10. Sin embargo, la información disponible en la literatura aún es sesgada e incompleta y las empresas dedicadas a la nueva cultura micelial mantienen encriptadas las metodologías desarrolladas para la obtención de biomateriales de origen fúngico. Es por ello, que el presente artículo de revisión tiene como finalidad contribuir a revelar la simbiosis del reino Fungi asociada a la autogeneración de biomateriales a partir de residuos lignocelulósicos partiendo del micelio, como objeto y origen del todo, su morfogénesis, composición química e integridad celular y los sistemas multienzimáticos extracelulares de degradación de lignocelulosa. Además, aborda los principales biomateriales compuestos de micelio de hongos colocados en el mercado internacional y las empresas progresistas que los producen; así como la distribución de la propiedad intelectual asociada al desarrollo de biomateriales basados en el micelio de hongos.

Los hongos son un grupo diverso y extendido de organismos eucariotas y ubicuos que agrupa a grandes rasgos a las levaduras, mohos y setas ¹¹. Los hongos evolucionaron a partir del súper grupo Opisthokonta, un clado de organismos eucariotas y heterótrofos en el que coexisten los hongos verdaderos, animales vertebrados y protistas unicelulares flagelados. Opisthokonta alude a la presencia de células flageladas, ocupando el flagelo una posición posterior ¹². Debido a la presencia de un flagelo unicelular en las zoosporas y gametos de hongos de la división Chytridiomycota, así como en los espermatozoides de animales, Fungi se convierte en un reino evolutivamente más cercano al reino Animalia que al Plantae ¹³.

En base a descubrimientos fósiles, los hongos terrestres más antiguos datan de aproximadamente 1080-890 millones de años. En mayo de 2019, microfósiles de un hongo microscópico del género Ouraspahira fueron hallados en lutitas de la formación Grassy Bay, en el Ártico canadiense, pertenecientes a la era geológica Mesoproterozoico (1200-1600 M.a.). Anterior a este descubrimiento, los fósiles más antiguos se conocían del periodo Silúrico y Devónico (420-350 M.a.) pertenecientes al género Prototaxites hallados en América del Norte, Norte de Europa (Reino Unido y Alemania), África del Norte y Asia Occidental (Arabia Saudita y Australia). Sus cuerpos fructíferos fueron los organismos terrestres más altos de ese tiempo, llegando a medir hasta alrededor de 1 metro de diámetro y 8.8 metros de altura ^14,15.

Hasta la actualidad, sistemáticamente 144.000 especies fúngicas han sido nombradas y clasificadas. Sin embargo, se estima que el 93% de las especies son actualmente desconocidas para la ciencia. El número total de especies en la Tierra puede llegar a ser entre 2.2 y 2.8 millones según estimaciones basadas en estudios de ADN ambiental (eDNA), y el número aumenta si se ahonda en la diversidad de OTUs (por sus siglas en inglés, Operational Taxonomic Unit), el modelamiento de nichos ecológicos y en interpolaciones basadas en la riqueza global de especies ¹⁶. Sin embargo, se estima que puede haber 5 millones de especies de hongos en todo el planeta.

Los hongos tienen ciclos de vida diversos y complejos, pueden reproducirse a partir de la producción de esporas (sexuales o asexuales) y/o la fragmentación de hifas. Durante el ciclo de vida sus células pueden ser haploides, diploides, dicarióticas o multicarióticas ¹⁷. Además, muchos poseen un crecimiento indeterminado e indefinido, como es el caso de Armillaria bulbosa, un Basidiomiceto del género Agaricales, que por propagación asexual ha colonizado de micelio al menos 15 hectáreas de suelo forestal del bosque de frondosas del norte de Michigan, Estados Unidos. Pesa más de 10.000 kg y se ha mantenido genéticamente estable durante más de 1.500 años convirtiéndose en el organismo vivo más extenso y antiguo del planeta Tierra ¹⁸.

El subreino Dikarya o hongos superiores alberga la división Ascomycota y Basidiomycota, sus taxones son homólogos por poseer células dicarióticas; resultantes de la fusión citoplasmática de células para la distribución de dos núcleos monocarióticos a células hijas resultantes de la mitosis. Es decir, albergan especies con células de más de dos núcleos ¹⁹.  En la presente revisión, solamente se hará referencia a los hongos superiores que son las más empleados en la fabricación de biomateriales basados en micelio de hongos.

El micelio es una red fibrosa de filamentos microscópicos interconectados y dinámicos bien desarrollado y perenne constituido por la extensión apical y fusión de hifas o anastomosis, filamentos tubulares y alargados que muestran una considerable plasticidad y versatilidad de desarrollo (Figura 1.b) ²⁰. El micelio es el esqueleto del organismo ya que se encarga de conectar y trasladar rápidamente agua, azúcares y minerales formando un sistema cerrado en respuesta a estímulos o cambios en la composición del medio externo ²¹. Distintas regiones interconectadas del micelio pueden mostrar actividades fisiológicas y bioquímicas diferentes simultáneamente o en distintos momentos, su respuesta variará según la especie y las condiciones nutricionales como micro ambientales locales ^20,22,23. Cuando crecen en un sustrato heterogéneo, el desarrollo del micelio permanece difuso y se diferencian estructuras largas paralelas o rizomorfos ²⁴. Mientras, en un entorno donde los nutrientes se distribuyen homogéneamente y en abundancia, el micelio puede llegar a presentar pigmentación, un crecimiento rítmico e incluso exhibir sectores morfológicos delgados como densos y producir estructuras aéreas ⁹.

Según su función y estado del desarrollo, se reconocen dos tipos de micelio, el micelio vegetativo y aéreo. El micelio vegetativo usualmente habita el suelo, coloniza y se nutre de materia orgánica vegetal y animal viva (Ej. Hongos parasíticos), en descomposición (Ej. Hongos saprófitos) o tienen la capacidad de asociarse de manera mutualista (hongos endófitos y los formadores de micorrizas) (Figura 1.c) ²⁵. Mientras que el micelio aéreo, a partir del sustrato colonizado por el micelio vegetativo, se proyecta hacia la superficie por la extensión apical y propagación ramificada de hifas aéreas, formando en sus puntas estructuras terciarias productoras de esporas asexuales y/o sexuales ²⁶. El micelio aéreo también se reconoce como un estado reproductivo del hongo ya que asegura su supervivencia y la trascendencia de genes a nuevos hábitats (Figura 1.d) ^27,28.

Desde el punto de vista estructural, la pared de la célula fúngica es un compuesto macromolecular entrelazado y poroso ensamblado en la superficie de la membrana plasmática ^17,35. De manera general, la pared celular se compone de polisacáridos, microfibrillas de quitina unidas covalentemente a polímeros lineales de glucanos y una variedad de glicoproteínas y lípidos. Junto a pequeñas cantidades de polifosfatos e iones inorgánicos, conforman la matriz extracelular (Figura 2) ³⁶. La síntesis del polímero de quitina es catalizada por la quitina sintasa a partir de monómeros β-1,4-N-acetil-D-glucosamina. Entre moléculas de quitina adyacentes se ensamblan en matrices antiparalelas unidas por hidrógeno volviéndolas extremadamente insolubles, con una gran resistencia a la tracción, soportan el estrés y eliminan el agua de su estructura ³⁷. Cuando la quitina se rompe, la célula pierda su estabilidad osmótica y puede romperse. El β-1,3-glucano es a menudo el polímero de la pared celular más abundante. El enlace β-1,3-glicosídico en los glucanos retuerce el polímero y tres cadenas de glucano forman una triple hélice que se mantiene unida por enlaces de hidrógeno. Los β-1,3-glucanos están conectados con β-1,6-glucanos en la estructura de la pared madura para producir una red elástica de polímeros altamente ramificada ³⁷.

Las proteínas estructurales en la pared celular son glicoproteínas con carbohidratos ligados a N y O. Estos incluyen a manoproteínas, que están glicosiladas con cadenas ricas en manosa, y otras glicoproteínas con manosa y residuos de galactosa. Las glicoproteínas de la pared celular están conectadas a la membrana plasmática mediante un anclaje de glucosifosfatidilinositol (GPI) y se reticulan con las microfibrillas de quitina y glucanos y cumplen funciones de señalización y transporte, participan en la fusión con otras células y funcionan en la adhesión a superficies, formación de biopelículas y patogénesis. También median la absorción de compuestos del entorno circundante y protege la célula de sustancias nocivas ^13,32.

Análisis químicos de la composición de la pared celular han revelado que las proporciones relativas de quitina, glucanos y glicoproteínas varían según las características fisiológicas intrínsecas de la especie ^24,39. La hidrólisis, generalmente ácida, de las paredes celulares de hongos que representan distintos taxones ha revelado que los azúcares más abundantes son las hexosas, en el siguiente orden de abundancia y distribución (Tabla 1): glucosa > glucosamina (producto hidrolítico de la quitina y quitosano) > manosa > galactosa > galactosamina. También se han encontrado ácidos urónicos, principalmente ácido glucorónico, pentosas (arabinosa y ribosa) y desoxihexosas (principalmente fucosas) ³². Así mismo, factores exógenos influencian en las concentraciones relativas de los componentes de la pared celular; como la edad del cultivo, las condiciones ambientales de crecimiento, el uso de medios sólidos y líquidos, las fuentes de nitrógeno y carbono, la concentración de iones, la temperatura, el pH, la iluminación, la adición de diferentes componentes, etc ^21,35. Haneef y colaboradores, a través del cultivo de dos hongos Basidiomicetos de podredumbre blanca y productores del mismo tipo de enzimas, Ganoderma lucidum y Pleurotus ostreatus, fueron inoculados en sustratos de polisacáridos de celulosa pura y PDB (Potato Dextrose Broth) demostrando que las películas fibrosas de micelio presentan propiedades mecánicas y estructurales sintonizables y muy bien controladas dependiendo de los nutrientes del sustrato. El micelio se volvió más fibroso y rígido cuando se cultivó en celulosa pura. La celulosa pura es más compleja y difícil de digerir en comparación a la celulosa de PDB debido a la presencia de azúcares simples. La rigidez del micelio fue atribuida a una mayor síntesis de quitina para la penetración y degradación de la celulosa. Además de demostrar que pueden ser producidas en grandes cantidades y sobre amplias superficies. ³⁰.

Los hongos y bacterias son organismos saprófitos y los principales recicladores de la biomasa orgánica y elementos inorgánicos de la biósfera manteniendo continuos los ciclos biogeoquímicos de Carbono, Nitrógeno, Fósforo y Azufre. Un saprófito es un organismo heterótrofo y quimiorganotrofo que obtiene energía química y carbono de la degradación de moléculas orgánicas complejas preexistentes. La energía y fuentes de carbono requeridas son obtenidas por medio de procesos metabólicos mult-ienzimáticos de polisacáridos, lípidos y proteínas insolubles ^39,40. Las enzimas catalizan la despolimerización de macromoléculas y se pueden clasificar de acuerdo a su localización como intra y extra-celulares y respecto a su función como hidrolasas y oxidorreductasas. La secreción de un coctel de enzimas oxidativas actúa de forma cooperativa y sinérgica convirtiendo residuos orgánicos ricos en polímeros recalcitrantes e insolubles provenientes de organismos muertos en monómeros de fácil absorción y transporte ^21,41. Específicamente, los hongos saprófitos degradadores de biomasa vegetal como materiales leñosos ricos en fuentes lignocelulósicas son los partícipes centrales en el ciclo del Carbono global por el secuestro de CO₂ y la mineralización de carbono ^40,42.

Las celulasas catalizan la hidrólisis de enlaces glicosídicos β-1,4 que mantienen unidas las cadenas de celulosa y, según su actividad, se clasifican en endoglucanasas (EC 3.2.1.4), exoglucanasas (EC 3.2.1.74) y β-glucosidasas (EC 3.2.1.8) ⁵¹. Las hemicelulosas son enzimas específicas que despolimerizan las hemicelulosas, entre las enzimas más estudiadas y abundantes destacan las xilanasas que catalizan la hidrólisis del esqueleto de xilano.  Entre las xilanasas, las β-1,4-endoxilanasas (EC 3.2.1.8) hidrolizan enlaces β-1,4 que unen las xilasas, y las β-xilosidasas (EC 3.2.1.37) hidrolizan xilooligosacáridos formados por las endoxilanasas. Las ramificaciones presentes en el xilano son hidrolizadas por la catálisis de α-L-arabonofuranosidadas, α-glucoronidasas, acetilxilano esterasas y feruloil esterasas. Las pectinasas son un complejo de enzimas que degradan la pectina, polisacáridos ramificados presentes en la pared celular vegetal. Su esqueleto principal es de ácido D-galacturónico y las cadenas laterales son generalmente de xilosa, galactosa o arabinosa. Mientras que, por su resistencia química y complejidad estructural, la despolimerización de la lignina es catalizada por enzimas inespecíficas extracelulares de alto poder oxidativo. Las mismas agrupan las enzimas lacasas (Lac) y enzimas peroxidasas como lignina peroxidasa (LiP; EC 1.11.1.14), manganeso peroxidasa (MnP; EC 1.11.1.13) y enzimas híbridas conocidas como peroxidasas versátiles (VP EC 1.11.1.16), entre otras ^43,53–55.

El grupo de hongos de pudrición blanca se destaca por su alta capacidad de degradación de lignina, así como también de polisacáridos de celulosa y hemicelulosa por poseer un sistema enzimático extracelular de degradación de lignina altamente activo ^53,54,56,57. El potencial ligninolítico de hongos de pudrición blanca para degradar y digerir la pared celular vegetal lo ha convertido en uno de los principales microorganismos considerados para la obtención de biomateriales basados en micelio (Tablas 2 y 3). Al inocular el micelio de hongos de podredumbre blanca en sustratos orgánicos sólidos de naturaleza lignocelulósica, se obtiene un compuesto ligero que consiste en una red microscópica entrelazada tridimensionalmente de fibras de refuerzo naturales presentes en la materia prima y células miceliales filamentosas ^58–63. El material orgánico suele ser degradado y reemplazado por biomasa fúngica creando una capa esponjosa o compacta que entreteje al sustrato, moldeado o adherido a soportes naturales y sintéticos, tales como papel, yute, algodón fieltro, fibras de vidrio, metal y carbono en la obtención de productos para empaquetado y aislamiento, biotextiles, materiales para construcción para viviendas, entre otros usos^44,46,62,63. Es de esperarse que mientras mayor sea el potencial ligninolítico de las cepas fúngicas empleadas mayor sea su capacidad de colonizar el sustrato lignocelulósico empleado.

Los nuevos vientos de cambio conllevan a replantear con premura arquetipos fósiles del pensamiento y patrones morales y bioéticos que contradicen el derecho a la vida. El despertar inminente de una nueva cultura material que integra los principios de la economía sostenible exige indudablemente estar al nivel de los nuevos desafíos tanto de rasgos bioéticos como tecnológicos. Entre los últimos, se encuentra el hecho de reconocer el surgimiento espontáneo de la “Biotecnología Material” que, bajo un enfoque multi, inter y transdisciplinario, se concibe desde sus inicios con una clara cohesión “Sofista” del Arte y la Ciencia unidos. En este sentido, la Biotecnología Material pudiera definirse como “el uso racional de la biodiversidad para darle valor añadido a materiales naturales, compuestos o desechos orgánicos y convertirlos en productos biodegradables útiles para la sociedad, el arte y la cultura, en reemplazo de otros que pudieran ser perjudiciales para el ambiente o perniciosos para la vida, en sí mismos, o en su proceso de producción”.

El tipo de biomaterial a obtener subyace en la naturaleza y procesamiento del sustrato a emplear, los parámetros de crecimiento, los requerimientos nutricionales y las características genéticas del hongo a emplear. Estos parámetros, a pesar que en algunos trabajos de investigación no son detallados, son críticos en el nivel de colonización y el grosor del micelio para la determinación de la rigidez, flexibilidad, resistencia a la tracción, hidrofobicidad, entre otras ⁶⁶.

El acondicionamiento físico del sustrato es clave en el rendimiento y de sus propiedades estructurales del desarrollo micelial del biomaterial que se espera obtener. Las condiciones físicas necesarias a controlar para los materiales a base de micelio son los niveles de O₂, CO₂, humedad relativa, exposición a la luz, flujo de aire y la temperatura. En función al desarrollo micelial, su clasificación se proyecta en materiales bio-fabricados a partir del micelio vegetativo o micelio aéreo, tal como se explica a continuación ^1,58.

En la literatura se reconocen dos categorías de diseño para los biomateriales obtenidos a partir del desarrollo micelial vegetativo sobre sustratos lignocelulósicos: i) tipo espuma y ii) tipo sándwich ³⁶. Ambos biomateriales se muestran en la Figura 4.

Las espumas a base de micelio o MBFs (por sus siglas en inglés, mycelium-based foams) son biomateriales de baja densidad, porosos y altamente anisotrópicos, es decir, sus propiedades mecánicas son asimétricas en diferentes direcciones. A excepción de ladrillos y paneles de micelio, no necesitan de un prensado (calor o frío). Los principales sustratos mencionados en la literatura son fibras, cáscaras o pulpas de madera con partículas de 5-25 mm de diámetro. Su incubación se realiza en un microambiente relativamente húmedo 70-78%, temperatura 24-28 °C y sin necesidad de luz, riego o insumos químicos ^31,60,66. Una vez que el micelio coloniza el sustrato es sometido a calor y prensado hasta un punto crítico para inactivar el micelio y reducir la humedad relativa hasta 10-15%, dando como resultado materiales con propiedades similares a las espumas de poliestireno expandido u otras espumas para embalaje, el aislamiento térmico o acústico y/o materiales de construcción ^67,68. Appels et al., 2019, presentó un diseño experimental con especies de Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor inoculados en sustratos de paja, aserrín y algodón obteniendo diferencias significativas en el rendimiento mecánico de materiales compuestos según el sustrato y el proceso de fabricación, específicamente el prensado. Los materiales a base de algodón fueron menos rígidos y más resistentes a la humedad que compuestos a base de paja. Mientras que, respecto al proceso de fabricación, el prensado con calor aumentó la densidad tres veces más ((0.35 – 0.39 g/cm³) ) que materiales sin prensado, mejorando la homogeneidad, la resistencia a la tracción (0.15 – 0.24 MPa) y la rigidez de los materiales indistintamente del sustrato y la cepa utilizada. Además, presentó una gran similitud con la densidad y módulo de elasticidad longitudinal o Módulo de Young (35 – 97 MPa) a espumas de poliestireno, corcho y madera 66. Los biomateriales auto-generados por la cepa súper productora de lacasa Pycnoporus cinnabarinus también presentaron una buena elasticidad y capacidad de amortiguación adecuado como material de embalaje. Entre las ventajas de fabricación destacan su baja densidad, resistencia competitiva, propiedades mecánicas de tracción e impacto y estabilidad a altas temperaturas y a la radiación ultravioleta, volviéndolos competitivos entre materiales sintéticos (espumas de poliestireno), biológicos y nanoestructurados ^30,36,59,65.

Los compuestos tipo sándwich a base de micelio o MBSCs (por sus siglas en inglés mycelium-based sandwich composites) consisten generalmente de un núcleo de composición recubierto por dos o más capas secas, esterilizadas y pre impregnadas; compuestas de fibras lignocelulósicas o textiles naturales (lino, yute o celulosa) con la forma deseada del producto a obtener ³⁶. Posteriormente, se inactiva el micelio por presando térmico y es curado con resina natural. El sistema de fabricación es detallado en siete pasos por Jiang et al. (2016) ⁷⁰. La acción cohesiva natural del micelio actúa como un pegamento natural y auto ensamblable dando como resultado un solo bloque. El uso de láminas de lino reporta una colonización más eficiente y de mayor producción de biomasa. En general, los MBSCs presentan un factor adicional de heterogeneidad entre las capas laminadas y el núcleo que, desde un punto de vista mecánico, son estructuras más fuertes y rígidas mostrando un módulo de elasticidad y resistencia a la tracción mayores a los MBFs. Esta categoría de manufactura es empleada para la fabricación de biotextiles. En condiciones controladas, las propiedades físicas, mecánicas y termodinámicas, tales como la morfología, densidad, textura, apariencia, cinética de crecimiento, resistencia a la tracción y flexión, termogravimetría, absorción de agua y humedad son factores cualitativos y cuantitativos deben ser evaluados ^{36,67,71–73}. Juntos, alcanzan diferencias significativas en el rendimiento y factibilidad de los biomateriales ⁹.

Agradecemos a Spora Biotech por el apoyo irrestricto y financiamiento en el desarrollo de las Tesis de Grado de la carrera de Ingeniería en Biotecnología de la Universidad Regional Amazónica Ikiam tituladas: “Biodiversidad y caracterización de biomateriales promisorios a partir del micelio de hongos Polyporales aislados de un bosque piemontano amazónico (Napo, Ecuador)”, desarrollada por KF, y “Estandarización de técnicas para el desarrollo de micelio aéreo de Ganoderma lucidum con fines de producción de micotextiles”, desarrollada por SB.