IngredientesPolilisina se refiere a varios tipos de homopolímeros de lisina, que pueden diferir entre sí en cuanto a estereoquímica (D/L; la forma L es la natural y generalmente se asume) y posición del enlace (α/ε). De estos tipos, solo la ε-poli-L-lisina se produce de forma natural. El aminoácido precursor, la lisina, contiene dos grupos amino, uno en el carbono α y otro en el carbono ε. Cualquiera de ellos puede ser el sitio de polimerización, dando lugar a α-polilisina o ε-polilisina. Este artículo se centra principalmente en la ε-poli-L-lisina (ε-PL), la forma natural utilizada en la conservación de alimentos y la investigación biomédica.
Los principales sinónimos y designaciones de la ε-poli-L-lisina incluyen:
La ε-Polilisina es un polímero formado por múltiples moléculas de lisina unidas entre sí mediante enlaces ε-amida. Más específicamente, la ε-poli-L-lisina es un homopolímero catiónico producido de forma natural, compuesto de 25 a 35 unidades de L-lisina (como resultado de la fermentación de Streptomyces albulus), conectadas por enlaces ε-amida formados entre el grupo ε-amino de una L-lisina y el grupo α-carboxilo de otra L-lisina. La polilisina es un homopolipéptido perteneciente al grupo de los polímeros catiónicos: a pH 7, la polilisina contiene un grupo amino hidrofílico con carga positiva.
En contraste, la α-polilisina es un polímero sintético, que puede estar compuesto de L-lisina o D-lisina. "L" y "D" se refieren a la quiralidad en el carbono central de la lisina. Esto da lugar, respectivamente, a la poli-L-lisina (PLL) y la poli-D-lisina (PDL). Estas formas sintéticas se utilizan ampliamente en cultivo celular e investigación de laboratorio, pero son distintas de la ε-PL fermentada de forma natural, que es el objeto de las aplicaciones alimentarias y de salud.
El peso molecular de la ε-Polilisina se encuentra entre 3200 y 4500 g/mol (grado de polimerización = 25–35). La ε-Polilisina es higroscópica y se presenta como un polvo de color amarillo claro. Es soluble en agua, ligeramente soluble en etanol, e insoluble en disolventes orgánicos como el acetato de etilo y el éter. Al estar compuesta por un polímero de cadena lineal de L-lisina, su potencia no se ve afectada por variaciones de pH y mantiene su estabilidad incluso a altas temperaturas (120 °C durante 20 minutos), lo que garantiza un rendimiento constante.
La mayoría de los polvos de ε-polilisina de alta concentración disponibles comercialmente son del tipo clorhidrato. No puede decirse que el clorhidrato de ε-polilisina sea un material puramente natural, ya que la reacción de formación de sal durante su proceso de fabricación corresponde a un proceso de síntesis química. La clorhidratación facilita la pulverización de la ε-polilisina. La mayoría de los productos en polvo de ε-polilisina de alta concentración disponibles comercialmente son del tipo clorhidrato.
La ε-Polilisina es un conservante alimentario fabricado mediante un proceso de fermentación que utiliza Streptomyces albulus en condiciones aeróbicas. La ε-Poli-L-lisina (ε-PL) es un polipéptido no ribosómico biosintetizado principalmente por Streptomyces albulus, compuesto de 25 a 35 residuos de lisina.
En 1977, la ε-PL fue descubierta accidentalmente como una secreción extracelular producida por S. albulus NBRC14147. Tras este descubrimiento, no se aisló ningún microorganismo productor de ε-PL hasta que se desarrolló un método basado en colorantes en 2002. Utilizando este método, se aislaron un total de 10 productores de ε-PL a partir de 300 muestras de suelo, los cuales fueron identificados como miembros de los géneros Streptomyces, Epichloë, Streptoverticillium y Kitasatospora. La ε-PL puede biosintetizarse mediante Streptomycetaceae y hongos del cornezuelo.
La ε-Poli-L-lisina (ε-PL), producida como metabolito secundario de Streptomyces albulus, se ha utilizado desde hace tiempo como conservante alimentario natural en varios países, entre ellos Japón, Estados Unidos, Corea del Sur y China.
La ε-polilisina en su forma libre es muy difícil de pulverizar debido a su alta higroscopicidad. Por lo tanto, algunos fabricantes producen una solución acuosa al 25% y un polvo al 50% que contiene 50% de dextrina como excipiente. La producción industrial de un polvo de ε-polilisina en forma libre al 100% resulta difícil. La mayoría de los polvos con una concentración de ε-polilisina del 90% o más son del tipo clorhidrato.
Las preparaciones comunes que se encuentran en el comercio incluyen:
La producción de ε-polilisina mediante fermentación natural fue descrita por primera vez por los investigadores Shoji Shima y Heiichi Sakai en 1977. En 1977, los académicos japoneses S. Shima y H. Sakai, durante el proceso de detección de sustancias positivas a Dragendorff (DP) en microorganismos, descubrieron que una cepa de actinomiceto denominada N.º 346 podía producir grandes cantidades de sustancias DP estables. El análisis del hidrolizado confirmó que la sustancia DP es un homopolímero de 25 a 30 residuos de lisina.
En 1977, Shima y Sakai aislaron del suelo Streptomyces albulus NBRC14147 (anteriormente cepa 346) como productor de ε-poli-L-lisina (ε-PL), la cual consiste en 25 a 35 residuos de L-lisina con un enlace isopeptídico entre sus grupos ε-amino y α-carboxilo.
Desde finales de la década de 1980, la ε-polilisina ha sido aprobada por el Ministerio de Salud, Trabajo y Bienestar de Japón como conservante en alimentos. La ε-PL ha sido un conservante alimentario popular en Japón desde finales de la década de 1980, seguido por Corea y China, y ha recibido la designación de Generalmente Reconocido como Seguro (GRAS, por sus siglas en inglés) en los Estados Unidos.
La ε-PL no tiene un historial documentado de uso en sistemas de medicina tradicional o popular anteriores a su descubrimiento moderno. A diferencia de muchos suplementos derivados de plantas con siglos de uso empírico, la ε-PL fue identificada exclusivamente mediante métodos modernos de detección microbiológica. Su primer uso formalmente registrado fue como conservante alimentario en productos comerciales japoneses a finales de la década de 1980, tras su caracterización en las publicaciones de investigación de Shima y Sakai entre 1977 y 1984.
Desde un punto de vista científico, la ε-polilisina es un poli(aminoácido) catiónico formado por residuos de lisina unidos de una manera que difiere de los péptidos dietéticos habituales. Esta estructura inusual ayuda a explicar por qué funciona como agente antimicrobiano y no simplemente como otro ingrediente aminoacídico. La característica estructural definitoria es que los enlaces peptídicos se forman entre el grupo ε-amino de una lisina y el grupo α-carboxilo del residuo adyacente, una configuración que no se encuentra en la síntesis de proteínas ribosómica. Esto produce un polímero altamente catiónico a pH fisiológico.
La ε-Polilisina está polimerizada por 25 a 30 grupos de lisina, es relativamente estable al pH y al calor, y su efecto antibacteriano está relacionado con el grado de polimerización y el entorno. El rango de peso molecular de la polilisina entre 3600 y 4300 g/mol corresponde a la mejor actividad antibacteriana.
La epsilon-poli-L-lisina (ε-PL) es un péptido catiónico antimicrobiano natural que se considera generalmente reconocido como seguro (GRAS) como conservante alimentario. Aunque su actividad antimicrobiana está bien documentada, su mecanismo de acción solo se había descrito de manera vaga en la literatura más antigua.
Una investigación publicada en Applied and Environmental Microbiology (2014) aclaró el mecanismo utilizando Escherichia coli y Listeria innocua como organismos modelo:
Un estudio independiente que examinó la actividad frente a E. coli O157:H7 encontró lo siguiente:
El mecanismo antimicrobiano de la ε-PL implica predominantemente la alteración de la integridad de la membrana celular y la inducción de estrés oxidativo mediante la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS).
Estos resultados demostraron que la ε-PL mostraba su actividad antibacteriana al modificar la integridad y la permeabilidad de las membranas celulares, lo que conducía a una muerte celular rápida.
La ε-PL es biodegradable, soluble en agua, termoestable y exhibe un amplio espectro antimicrobiano, que incluye levaduras, hongos, bacterias Gram positivas y Gram negativas, además de actividad antifágica. La ε-PL tiene un amplio espectro antimicrobiano frente a diversas bacterias Gram positivas y Gram negativas, hongos, levaduras y ciertos virus específicos.
La actividad antibacteriana de la ε-Polilisina puede reducirse debido a su unión con polisacáridos ácidos, clorhidratos, fosfatos, iones de cobre u otras sustancias. La actividad antibacteriana de la ε-Polilisina puede potenciarse con ácido clorhídrico, ácido cítrico, ácido málico, glicina y glicéridos de ácidos grasos superiores.
En un estudio, la ε-PL inhibió la actividad de la lipasa pancreática humana y porcina en emulsiones sustrato que contenían sales biliares y fosfatidilcolina, en el rango de concentración de 10 a 1000 mg/L. A las mismas concentraciones, también destruyó la actividad emulsionante, lo que sugiere que la actividad inhibidora de la lipasa y la actividad de ruptura de la emulsión estaban relacionadas.
La ε-PL mantuvo su actividad inhibidora de la lipasa tras la incubación con tripsina, α-quimotripsina y pepsina, mientras que la α-PL no lo hizo. Esta resistencia a la degradación proteolítica en el tracto gastrointestinal podría ser relevante para sus posibles efectos metabólicos.
Nivel de evidencia: Sólido (múltiples estudios revisados por pares; aprobación regulatoria en varias jurisdicciones)
La ε-PL puede inhibir eficazmente el crecimiento de Escherichia coli O157 y Listeria monocytogenes, prolongando así la vida útil de la leche cruda a bajas temperaturas de 8 días a 16 días. Además de inhibir el crecimiento de diversos microorganismos, la ε-PL también preserva la calidad sensorial y el valor nutricional de los alimentos. Por ejemplo, la adición de ε-PL a jugos frescos puede prolongar significativamente su vida útil y prevenir la contaminación microbiana.
En un estudio que examinó las concentraciones mínimas inhibitorias de ε-PL y citral frente a cinco cepas de E. coli O157:H7, las CMI fueron de 2 a 4 μg/mL para la ε-PL y de 0.5 a 1 μg/mL para el citral, con índices de concentración inhibitoria fraccional de 0.25 a 0.375. Los resultados del ensayo de cinética de muerte revelaron que la combinación podría ejercer un efecto bactericida más fuerte en medio de laboratorio frente a E. coli O157:H7 que en un modelo alimentario.
Li et al. (2017) encontraron que un recubrimiento comestible a base de alginato que contenía 0.05% de ε-PL inhibió significativamente el crecimiento de levaduras y mohos, al tiempo que preservaba el color verde, el contenido total de clorofila y la capacidad antioxidante del kiwi cortado en fresco.
La combinación de ε-PL con otros aditivos alimentarios puede mejorar aún más el efecto antimicrobiano. Concretamente, investigaciones publicadas han demostrado actividad sinérgica cuando la ε-PL se combina con nisina frente a patógenos transmitidos por alimentos, incluidos Bacillus cereus y Listeria monocytogenes.
En investigaciones sobre bacterias fitopatógenas, la concentración mínima inhibitoria (CMI) de la ε-PL varió de 80 μg/mL para Xanthomonas citri a 600 μg/mL para Ralstonia solanacearum y Xanthomonas euvesicatoria.
Nivel de evidencia: Preliminar (principalmente investigación in vitro y en etapas iniciales; no existen ensayos clínicos completos en humanos específicamente para indicaciones antivirales)
En la industria biomédica, la ε-PL se utilizó originalmente como un coadyuvante antitumoral y antiviral eficaz para inducir niveles elevados de interferón sérico en monos, chimpancés y humanos.
Las polilisinas poseen una alta carga positiva con una estructura polimérica lineal, y anteriormente se había informado que inhiben la replicación del VIH-1 y los virus de la influenza A. Un estudio publicado en Nanoscale investigó la actividad antiviral de nanopolímeros de polilisina hiperramificada (HPN, por sus siglas en inglés) frente al SARS-CoV-2. Los resultados mostraron que los HPN exhibían actividad antiviral con un valor de concentración inhibitoria del 50% (CI50) de 125 μg/mL. Al examinar las morfologías celulares, se encontró que los HPN tenían un efecto protector contra el daño citopático al doble de la concentración de la CI50, mostrando la capacidad de restaurar la monocapa celular de células Vero E6. Estos hallazgos son exclusivamente preclínicos, y no se han evaluado ensayos en humanos con polilisina para infecciones virales.
Nivel de evidencia: Preliminar (datos in vitro y en animales en etapas iniciales; sin ensayos clínicos en humanos)
Un estudio sobre ε-PL y citral encontró que los compuestos, solos o combinados, exhibían actividad potencial de eliminación de radicales 2,2-difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH), y que la expresión de las proteínas superóxido dismutasa 1 y glutatión peroxidasa 1 aumentaba. El efecto antitumoral preliminar de la combinación fue superior al de la ε-PL o el citral por separado. Estos hallazgos indicaron que la combinación de ε-PL y citral podría utilizarse no solo como un prometedor conservante alimentario de origen natural, sino también potencialmente en la industria farmacéutica.
Aunque el principal uso de la ε-PL es como conservante alimentario, la ε-PL y los polímeros basados en ε-PL han mostrado potencial en el ámbito biomédico. La evidencia antitumoral disponible en la literatura actual se limita a experimentos in vitro y estudios en modelos animales; no se han realizado ensayos clínicos controlados en humanos para indicaciones oncológicas.
Nivel de evidencia: Únicamente datos preliminares en animales; no existe evidencia clínica en humanos disponible en la literatura
Un estudio publicado en The Journal of Nutrition (2003) informó que: la concentración plasmática de triacilglicerol en ratas a las que se administró intragástricamente ≥15 mg/kg tanto de emulsión grasa como de ε-PL fue significativamente menor a las 2 y 3 horas después de la administración que en las ratas a las que se administró solo la emulsión grasa (P < 0.05). Estos resultados sugieren firmemente que la ε-PL es capaz de suprimir la absorción de grasa dietética desde el intestino delgado mediante la inhibición de la actividad de la lipasa pancreática.
La administración oral de ε-polilisina a ratas redujo el pico de concentración plasmática de triacilglicerol. In vitro, la ε-polilisina y la polilisina inhibieron fuertemente la hidrólisis tanto por la lipasa pancreática como por la carboxilesterasa lipasa.
Debe enfatizarse que todos los efectos inhibidores de la lipasa y antiobesidad se han demostrado únicamente en estudios con ratas. No se han realizado ensayos clínicos en humanos que examinen si la ε-PL afecta el peso corporal, la absorción de grasas o los parámetros lipídicos en personas.
Nivel de evidencia: Experimental y preclínico; no existen productos terapéuticos humanos aprobados basados en ε-PL según la literatura disponible
Estudios recientes han demostrado que la ε-PL puede servir como un vehículo eficaz para fármacos debido a su alta biocompatibilidad en las células objetivo, alta capacidad de carga farmacológica, un amplio rango de tamaños moleculares adecuados para necesidades específicas, así como su no toxicidad y excelente biodegradabilidad en las células objetivo.
Además de su uso en la industria alimentaria, la ε-PL tiene numerosas aplicaciones en la industria farmacéutica como vehículo de fármacos, nanopartículas, vehículo génico, liposomas, inductor de interferón, inhibidor de lipasas, hidrogeles y materiales de recubrimiento.
Muchas aplicaciones recientes de la ε-PL en la industria biomédica, como material de apósitos y suturas, dependen de su capacidad antimicrobiana. Además, la ε-PL se ha utilizado en la conservación de madera de base biológica, terapéutica antimicrobiana, apósitos de membranas fibrosas para heridas y nanotecnología.
Según la literatura revisada por pares, la ε-PL se ha estudiado en relación con los siguientes sistemas biológicos y áreas de salud:
La ε-Polilisina es de grado alimentario y cumple con las especificaciones de la FAO/OMS. Está certificada como GRAS (Generalmente Reconocida como Segura) por la FDA de EE. UU. con el número GRAS estadounidense GRN000135.
En 2004, la FDA no planteó objeciones respecto a la conclusión del fabricante japonés Chisso Corporation de que la polilisina era generalmente reconocida como segura (GRAS) para su uso como agente antimicrobiano en arroz cocido o arroz para sushi, al nivel máximo de uso de 50 mg/kg. En 2011, la FDA tampoco planteó objeciones respecto a la conclusión del proveedor Purac Biochem b.v. de que la polilisina era GRAS para los usos previstos como agente antimicrobiano en varias categorías de alimentos, excepto en productos de carne y aves de corral, a niveles de hasta 0.025%.
La ε-PL se ha utilizado ampliamente como conservante alimentario natural en muchos países, incluyendo Japón, Corea y Estados Unidos, así como China.
Los niveles de uso reportados en estudios y expedientes regulatorios incluyen:
La ε-Polilisina resultó prácticamente no tóxica en un estudio de toxicidad oral aguda en ratas, sin mortalidad a dosis de hasta 5 g/kg, y no fue mutagénica en ensayos de reversión bacteriana.
Los estudios de absorción, distribución, metabolismo y excreción (ADME) con ε-polilisina marcada radiactivamente con 14C, administrada en dosis única a ratas macho en ayunas a 100 mg/kg, revelaron una baja absorción desde el tracto gastrointestinal.
La ε-Polilisina ha sido objeto de estudios de alimentación de duración subcrónica y crónica en ratas, utilizando concentraciones máximas relativamente altas en la dieta de 50,000 y 20,000 ppm respectivamente. Incluso a estas concentraciones, ningún estudio produjo efectos adversos toxicológicamente significativos en los animales; se observó una reducción transitoria de peso asociada con una pobre palatabilidad de la dieta debido al amargor del material de prueba.
Los experimentos de alimentación en ratones confirmaron que el polímero prácticamente no presenta toxicidad aguda ni crónica.
Se ha llevado a cabo una serie de estudios farmacocinéticos y de perfil metabólico sobre la ε-polilisina en ratas, con el fin de comprender mejor la razón de su falta de efectos toxicológicos en los bioensayos de alimentación subcrónica y crónica, utilizando concentraciones relativamente altas en la dieta de hasta 50,000 ppm. La baja absorción gastrointestinal demostrada en los estudios ADME —utilizando material marcado radiactivamente a 100 mg/kg en ratas en ayunas— se considera un factor clave para explicar su seguridad a las concentraciones efectivas para la conservación de alimentos. El compuesto se metaboliza a su aminoácido constituyente, la L-lisina, que es un nutriente dietético esencial.
La actividad antibacteriana de la ε-Polilisina puede reducirse debido a la unión con polisacáridos ácidos, clorhidratos, fosfatos, iones de cobre u otros compuestos. En contextos de formulación alimentaria, la interacción de la ε-PL con macromoléculas cargadas negativamente (como proteínas y polisacáridos) puede reducir su concentración efectiva. Esto es relevante tanto para la eficacia en matrices alimentarias complejas como para la disponibilidad sistémica teórica de la ε-PL ingerida por vía oral.
La ε-Polilisina no tuvo un impacto significativo en la digestión de lípidos en un estudio in vitro. Sin embargo, sí formó complejos electrostáticos fuertes con micelas mixtas, lo cual podría disminuir el transporte y la absorción de lípidos en el intestino delgado. Estos resultados tienen implicaciones importantes para la incorporación de la polilisina en sistemas alimentarios, particularmente aquellos que contienen nutrientes lipofílicos.
Aunque la ε-PL de origen natural tiene un sabor amargo, se utiliza ampliamente como conservante alimentario para mejorar la calidad y la vida útil de numerosos alimentos, incluyendo alimentos a base de almidón, productos del mar, productos lácteos, así como frutas y verduras. El amargor de la ε-PL a concentraciones más altas es la principal preocupación organoléptica señalada en los estudios de seguridad alimentaria, donde se asoció con una reducción transitoria de la ingesta de alimento en los animales.
La α-Polilisina es un polímero sintético, que puede estar compuesto de L-lisina o D-lisina. La poli-L-lisina (PLL) y la poli-D-lisina (PDL) sintéticas, utilizadas como reactivos de laboratorio (por ejemplo, para el recubrimiento de superficies en cultivos celulares), tienen un perfil regulatorio y toxicológico diferente al de la ε-PL fermentada naturalmente. La α-PLL de grado laboratorio no es un ingrediente alimentario aprobado, y su perfil de seguridad en humanos no está establecido para el consumo oral. La designación GRAS y los datos de seguridad ADME comentados a lo largo de este artículo se aplican específicamente a la ε-poli-L-lisina fermentada de forma natural.
La combinación de ε-PL con otros aditivos alimentarios puede mejorar aún más el efecto antimicrobiano. La ε-PL actúa de forma sinérgica con la nisina, ácidos orgánicos (ácido cítrico, ácido málico), glicina y etanol. Si bien esto mejora su utilidad como conservante alimentario, la combinación de la ε-PL con componentes alimentarios aniónicos puede reducir su potencia antimicrobiana. No se han reportado en la literatura revisada por pares interacciones adversas fármaco-fármaco documentadas en un sentido farmacológico clínico, lo cual es consistente con el hallazgo de que la absorción sistémica tras la ingestión oral es baja.
Los siguientes puntos caracterizan el estado actual de la evidencia y sus limitaciones:
Condiciones de salud que polilisina puede ayudar a apoyar.
Sistemas corporales que polilisina puede ayudar a apoyar.
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