El estrés a altas temperaturas influye adversamente en la fisiología celular de la levadura y la viabilidad celular, afecta la morfología general de la célula al producir una gemación atípica y el crecimiento de la pared celular es irregular, lo que ocasiona también el aumento de tamaño de la célula, ello afecta la división y crecimiento celular. La temperatura influye en la estructura de la membrana plasmática en su función, por ejemplo, en la disminución de ácidos grasos insaturados de la membrana, además de disminuir el pH intracelular; también la represión de síntesis de muchas proteínas mitocondriales y el incremento en la frecuencia de mutaciones y daños por calor al DNA.

Algunas células de Saccharomyces cerevisiae pueden crecer rápidamente en temperaturas entre 25 °C y 37 °C que son aún toleradas, pero a una temperatura de 41 °C el crecimiento disminuye hasta dejar de crecer por completo a 46 °C, en esta temperatura puede observarse el incremento de las proteínas HSP104 (HSP, proteína de choque de calor), evidenciadas por un análisis tipo Western blot (Holubářová et al., 2000).

Con el objetivo de proteger a las células e inhibir los efectos de la temperatura, Sun et al. (2007) estudiaron el efecto de utilizar microcápsulas (con núcleo líquido y sólido) en la cepa silvestre S. cerevisiae, con lo que se obtuvo una mayor tolerancia al estrés por temperatura y la acumulación de metabolitos importantes como glicerol y trehalosa como protección, así como la aparición de la actividad de SOD (superóxido dismutasa).

Carrasco et al. (2001) observaron también la expresión de los genes HSP12 y HSP104, mientras que Garay Arroyo et al. (2004) y Gibson et al. (2007) observaron la producción de las proteínas HSP104, HSP26 y una sobrevivencia de entre 20% y 40% cuando se sometía a las levaduras a un choque térmico de 51 °C.

El estrés osmótico que las levaduras pueden presentar puede deberse a la presencia de sales en el medio, en las cuales las mismas realizan su metabolismo.

En un estudio realizado con la cepa Candida tropicalis aislada de suelos salinos de Pakistán y una cepa de laboratorio de S. cerevisiae se logró comparar la capacidad de síntesis de osmolitos como la trehalosa y el transporte de cationes bajo el estrés salino en donde se mostró diferente capacidad para acumular glicerol y trehalosa. Con ello se corroboró que la trehalosa actúa como protectora de membrana (García et al., 1997). Asimismo, Hounsa et al.(1998) utilizó la cepa silvestre de S. cerevisiae y comparó la maquinaria transcripcional con cepas modificadas para concluir con el rol de la trehalosa como metabolito osmoprotector.

De la misma forma, en un estudio comparativo de especies de levaduras de basidiomicetos se ha observado la aparición de polioles como el arabitol y el manitol a manera de osmolitos que desempeñan un papel importante en la regulación de la presión osmótica (Tekolo et al., 2010). Se sugiere que con la adición de diferentes compuestos (catequina, inositol, SO2) tolerados por las levaduras en los medios de fermentación hay un cambio en los niveles de acumulación y rendimiento de metabolitos importantes con variación en cuanto a su presencia, mejorándolos o disminuyéndolos (Caridi, 2003).

Tabla 1.
Rango de condiciones estresantes para diferentes cepas de S. cerevisiae y sus respuestas metabólicas

Investigaciones como la de Jiménez et al. (2011), con enfoques de transcriptómica y determinaciones de glicerol intracelular en cepas de S. cerevisiae utilizadas para la producción de vino, han dado pistas sobre la adaptación de cepas de levadura con este propósito en alto estrés osmótico, basado en la adaptación a los medios de crecimiento. En otros trabajos que involucran pruebas de tolerancia a dicho tipo de estrés, se observó una alta capacidad (50 y 80% de viabilidad) en dos cepas industriales de S. cerevisiae dentro de un grupo de cepas de laboratorio e industriales, en el cual se relaciona esta viabilidad a la síntesis de glicerol (análisis por Northern blot) (Garay Arroyo et al., 2004); se mostraron resultados similares en la producción de glicerol bajo el estrés osmótico con sorbitol en la cepa de laboratorio S. cerevisiae, también se observó la síntesis de trehalosa a menor producción (Kaino y Takagi, 2008).

El estrés hiperosmótico relacionado con la presencia de sales presentes en el medio fue estudiado por Modig et al. (2007) mediante cepas de S. cerevisiae industriales y de laboratorio, se observó que el tiempo en la conversión la glucosa disminuye entre 80 y 90% en presencia de la condición estresante; además, aumentó el rendimiento de glicerol pero una productividad reducida en la biomasa en todas las cepas utilizadas. En contraste, cepas de Garay Arroyo et al. (2004) no mostraron diferencia en el comportamiento a este tipo de estrés.

El alcohol etílico es el principal producto metabólico de las levaduras en la fermentación y es cuantitativamente el principal producto biotecnológico a escala global. Un dilema a confrontar en la tecnología de las levaduras es la acumulación del etanol durante la fermentación que actúa como estrés químico potente hacia las células de levaduras. Los principales efectos del etanol afectan la viabilidad de la célula y su crecimiento, en la biosíntesis de macromolécula y en la estructura de la membrana y su función. La identificación y caracterización de cepas de levaduras ha causado gran interés para ser utilizadas en la producción de vinos de calidad. En el trabajo de Antoce et al. (2011) se probaron 10 diferentes cepas de Saccharomyces seleccionadas de viñedos rumanos, en las cuales se observó mediante calorimetría y cálculo de concentración mínima inhibitoria del etanol un rango variable de resistencia, aun dentro de la colección utilizada industrialmente para la producción de vino.

Otras cepas de S. cerevisiae han sido modificadas genéticamente para tolerar etanol en medio ácido a temperaturas elevadas (39 y 41 °C), lo cual sugiere su potencial uso en la producción de bioetanol, debido a la fermentación a altas temperaturas (Benjaphokee et al., 2012). Ya que las levaduras difieren en la capacidad de tolerar etanol, como algunas mencionadas anteriormente, se ha observado que algunas cepas se benefician con la

Figura 2.
Efecto del peróxido de hidrógeno (15 mM) en la viabilidad de levaduras nativas del mezcal (tesis en proceso P. Vital López).

presencia de sales para tener un rendimiento alto de etanol; por ejemplo, en el trabajo de Ciesarova et al. (1996) se compararon tres cepas de S. cerevisiae, donde se añadieron cantidades de CaCI₂ y MgCI₂, los cuales permitían una mejor eficiencia en la producción de etanol en la adición de ambas sales, cuantificado por la producción de CO₂.

Uno de los principales tipos de estrés químico a los que se enfrentan las levaduras, particularmente durante el crecimiento aeróbico, es debido a las especies reactivas de oxígeno (ROS, por sus siglas en Inglés), como los aniones de superóxido (O₂), el peróxido de hidrogeno y el radical hidroxilo (OH•) con su estructura celular, ya que estos compuestos se pueden generar por la respiración mitocondrial, por incremento de la tensión del oxígeno disuelto del medio de crecimiento o por exposición de radiación iónica. Aunado a esto, la apoptosis celular también genera estos ROS (Perrone et al., 2008). Estos causan el daño oxidativo a proteínas, lípidos y al DNA (Moradas Ferreira et al., 1996).

Las levaduras poseen varios compuestos antioxidantes como el ácido D-eritroascórbico, la flavohemoglobina, el glutatión, las metalotioneínas, poliaminas, el ubiquinol, la trehalosa y ergosterol, además de algunos metabolitos carotenoides; además las levaduras poseen enzimas que detoxifican el oxígeno activo, tales como la Cu/Zn superóxido dismutasa, Mn superóxido dismutasa, catalasa A, catalasa T, citocromo C, peroxidasa, glutatión reductasa, tiorredoxina, tiorredoxina peroxidasa y tiorredoxina reductasa (Jamieson, 1998; Gibson et al., 2007; Herrero et al., 2008; Kaino y Takagi, 2008).

En el trabajo de Garay Arroyo et al. (2004) se observó la expresión de los genes CTT1 y SOD1, inducidos precisamente por el estrés osmótico, y Zhao et al. (2014) obtuvieron resultados similares. En otras levaduras, como las estudiadas por Arellano Plaza et al. (2013), se observó que Kluyveromyces marxianus mantuvo una capacidad para resistir al estrés oxidativo causado por el peróxido de hidrógeno (H₂O₂) en valores de 10, 50 y hasta 100 mM, mayores a los observados generalmente para S. cerevisiae.

Además de la tolerancia a los diferentes tipos de estrés ya mencionados, cabe señalar a compuestos de tipo azufrados y fenólicos, ya que durante la producción de bebidas como el vino, las levaduras pasan por factores estresantes con la adición de SO2; además, durante el proceso de fermentación en otros tipos de bebidas, los compuestos fenólicos son primordiales para la eficiencia de este proceso. Cabe señalar que la formación de H₂S en los procesos de fermentación se debe a la degradación de cisteína presente en el medio por una enzima que tiene una actividad de la cisteína desulfuhidrasa (Winter et al., 2011).

S. cerevisiae es la responsable de la producción de varios compuestos volátiles en la que durante la fermentación del vino, la reducción asimilativa de sulfato por la levadura (para biosintetizar cisteína y metionina) produce un exceso de iones HS-, lo que genera la formación de H₂S en el vino (un problema común en bodegas), ya que si no se trata el vino resultante estará contaminado, perderá calidad y abre la posibilidad de que sea rechazado por los consumidores (Swigers y Pretorius, 2007). Otros estudios demuestran la adición de SO₂ en los vinos, que se añade como antioxidante a partir de la fermentación para la lograr el control microbiológico y del mosto mediante la limitación y/o propagación de levaduras y bacterias indeseables (Fiore et al., 2005; Vilela et al., 2013).

Por otro lado, la hidrólisis de materiales lignocelulósicos presentes también en plantas de Agave spp. generan una amplia variedad de compuestos inhibidores de microorganismos. Estos compuestos pueden dividirse en tres grupos: ácidos débiles, derivados del furano y compuestos fenólicos; compuestos que limitan la utilización eficiente de los hidrolizados para producción de etanol durante la fermentación (Palmqvist y Hahn Hägerdal, 2000). También se ha observado que varias levaduras pueden metabolizar fenoles, cresoles, alquilfenoles y monoclorofenol, específicamente géneros como Candida spp. y Trichosparon cutaneum (Walker, 2000)