24. Microbiologa Industrial

La biotecnologa es la aplicacin de la ciencia y la tecnologa en los organismos vivos, as como a sus partes, productos y modelos para alterar los materiales con el fin de producir bienes, conocimientos o servicios.Dentro de organismos vivos tambin se encuentran los microorganismos, es aqu donde entra el concepto de biotecnologa microbiana.

La microbiologa industrial utiliza los cultivos de microorganismos a gran escala para producir productos o llevar a cabo transformaciones qumicas. Los primeros procesos de microbiologa industrial estaban relacionados con la fermentacin alcohlica para producir vino y cerveza. Ms adelante se comenz con la produccin de frmacos, aditivos alimenticios, enzimas de inters, productos qumicos La mayor parte de los microorganismos utilizados son hongos y bacterias del gnero Streptomyces. Es importante seleccionar variantes de los microorganismos con las mayoes capacidades de produccin.

Las caractersticas de mayor inters en los microorganismos a utilizar son: La facilidad de cultivo y conservacin. Crecimiento rpido a gran escala y en medios de cultivo baratos. Produccin rpida del producto deseado, para evitar la contaminacin del cultivo. Que no sean patgenos. Susceptibles a ser manipulados genticamente.

Los productos que podemos obtener de los microorganismos son: El propio microorganismo Enzimas Antibiticos, esteroides, frmacos Aditivos alimentarios Productos qumicos: etanol, cido ctrico, aminocidosDentro de los tipos de metabolitos que podemos obtener se pueden diferenciar dos tipos dependiendo de en qu fase del crecimiento del microorganismo se produzcan. Estos metabolitos tendrn algn papel en el nicho ecolgico del microorganismo.

- Metabolitos primarios: se producen en la fase de crecimiento exponencial del microorganismo.- Metabolitos secundarios: producidos una vez que el microorganismo ha entrado en la fase estacionaria. Son molculas orgnicas grandes, de mayor complejidad que los primarios, en las que, para su sntesis, intervienen un alto nmero de reacciones enzimticas. No son esenciales para el crecimiento del microorganismo; pero no por esto son menos importantes que los primarios. Su produccin depende de las condiciones de crecimiento. Por ejemplo, los microorganismos que producen esporas slo las producen durante la esporulacin. Adems, una vez se empiezan a producir, se sintetizan en grandes cantidades.

ESCALADO DE PROCESOS EN MICROBIOLOGA INDUSTRIAL

Cuando vamos a industrializar la produccin de un determinado microorganismo hay que realizar un escalado: adaptar el proceso estudiado en el laboratorio, a escala pequea, para llevarse a cabo en una produccin industrial, a gran escala.Para ello es importante conocer bien la biologa del microorganismo productor, el proceso que se va a llevar a cabo, el diseo del fermentador y las manipulaciones necesarias.Se suele hacer por etapas, con incremento progresivo del volumen del fermentador.

Las reacciones a gran escala se suelen denominar fermentaciones, aunque muchas sean procesos aerobios.Recordar que en microbiologa industrial, fermentador es el contenedor donde se va a llevar el cultivo del microorganismo a gran escala, no tiene por qu ser necesario en condiciones anaerbicas.Los fermentadores tienen un volumen desde los 5 L hasta 500.000 L (fermentadores de escala industrial). Suelen ser de acero inoxidable, con sistemas de agitacin, aireacin, control de temperatura Todo esto se ajustar para la produccin ptima del producto.El biorreactor est monitorizado constantemente y controla la biomasa bacteriana, los nutrientes presentes en el medio, la concentracin del producto deseado, la temperatura, el pHBiorreactor es lo mismo que fermentador?

PRODUCTOS MICROBIANOS DE INTERS INDUSTRIAL

Se obtienen gracias a la actividad metablica innata de muchos microorganismos. La capacidad productiva se ha ido incrementando por tcnicas de seleccin de variedades genticas naturales. Tienen una gran importancia econmica.

AntibiticosSon compuestos que matan o inhiben el crecimiento de otros microorganismos, son metabolitos secundarios y la mayora de los antibiticos de uso clnico estn producidos por hongos filamentosos o actinomicetos.La mayora se han descubierto por la observacin de muestras ambientales:- obtencin de microorganismos productores en un cultivo puro.- ensayos de inhibicin de otros microorganismos: tenemos una placa con 7000 colonias de distintos microorganismos. Se les aade por encima un microorganismo. En aquellas colonias que haya un halo de inhibicin, el microorganismo de esa colonia habr producido algn tipo de sustancia.OJO, si el microorganismo que aadimos es resistente al microorganismo de la colonia no veremos halo de inhibicin (a pesar de que el microorganismo de la colonia produzca algn antibitico). Habr que realizar otros ensayos cambiando el microorganismo que aadimos.

En la actualidad la mayora de los microorganismos producen antibiticos ya conocidos. Muchos presentan toxicidad y su actividad es menor que la necesaria para uso teraputico. Desarrollar un nuevo antibitico cuesta mucho tiempo y dinero. La extraccin y purificacin a partir de biorreactores implica mtodos muy complejos y laboriosos. Adems en el tiempo en que se desarrolla el antibitico, aparecen fenmenos de resistencia.

Penicilinas: son antibiticos -lactmicos. Hay distintos tipos de penicilinas:- Naturales son las que produce el propio microorganismo en condiciones normales (penicilina G).- Las biosintticas se obtienen con la adicin de diferentes precursores qumicos (penicilina I, II, III) Por ejemplo, a partir del cido fenilactico se obtiene la bencilpenicilina.- Las semisintticas son aquellas que se generan a partir del tratamiento de la penicilina G con un producto qumico o una enzima y obtenemos un nuevo producto con un nuevo espectro de actividad (obtencin de ampicilina, amoxicilina o meticilina).

La penicilina sigue el patrn tpico de produccin de un metabolito secundario. Se empieza a sintetizar cuando se acaba la fuente de carbono y los altos niveles de glucosa reprimen su produccin.

Tetraciclinas: la biosntesis de tetraciclinas tiene un gran nmero de reacciones enzimticas, con ms de 72 intermediarios y 300 genes implicados. Tiene una compleja regulacin de sntesis.

Vitaminas

Algunas vitaminas nicamente son producidas por microorganismos, como la B12 (cobalamina) y su deficiencia nos provoca anemia perniciosa, por lo que su sntesis a nivel industrial puede ser una buena idea.Otras vitaminas como la riboflavina tambin pueden ser producidas por microorganismos.

Aminocidos

Se utilizan como aditivos en la industria alimentaria, suplementos nutricionales o saborizantes.Son productos de partida de muchos procesos qumicos.Se obtienen a partir de microorganismos deficientes en la regulacin de su biosntesis.

Enzimas

Producidas por hongos y bacterias. Las podemos utilizar como catalizadores industriales debido a su alta especificidad con el sustrato. Los microorganismos solo producirn un esteroismero.Las exoenzimas son enzimas secretadas al medio (extracelulares) que digieren polmeros insolubles como la celulosa, almidn o protenas. Las proteasas bacterianas, sin embargo, son usadas como detergentes para lavadoras. Se obtienen de bacterias alcaliflicas. Qu son?Las extremo enzimas son producidas por microorganismos extremfilos y funcionan a condiciones extremas de pH y T.Otra utilidad de las enzimas es el anclaje de las enzimas a superficies slidas para ser usadas en biorreactores.

Biocombustibles

El etanol es un producto muy utilizado en la industria farmacutica, qumica, cosmticaEl bioetanol es el etanol que se obtiene por fermentacin de glucosa obtenida a partir de almidn obtenindose en poca concentracin (15%). Se puede purificar por destilacin.

El biodiesel es producido a partir de aceites vegetales o productos sintetizados por algunas algas verdes. Actualmente existe un gran desequilibrio entre su demanda y su produccin.

Productos de microorganismos modificados genticamente

Tambin se pueden obtener productos de inters a partir de microorganismos modificados genticamente con la expresin de protenas de mamferos u organismos superiores en microorganismos.Se obtienen hormonas (insulina, somatotropina), vacunas recombinantes, productos obtenidos por metagenmica

Para ello es necesario un conocimiento de la biologa del microorganismo y pueden tener una gran importancia econmica.

Organismos modificados genticamente: todos aquellos cuyo genoma ha sido alterado por el ser humanoOrganismos transgnicos: aquellos que por ingeniera gentica se les han aadido genes de otros organismos para diversas finalidades, como la produccin de productos de otros microorganismos, expresar genes de organismos superiores, aumento de la resistencia

Hay que tener en cuenta que la sntesis de protenas en un hospedador distinto al natural mediante la inclusin de genes puede dar lugar a que ste active proteasas para degradarlas, o pueden suponer toxicidad para el productor, formando cuerpos de inclusin. Por ello la formacin de protenas recombinantes facilita su produccin y posterior purificacin.

As se clon el gen de la insulina humana El primer organismo modificado genticamente fue una cepa de E. coli productora de insulina humana. La insulina humana fue el primer producto obtenido por ingeniera gentica que se comercializ.

La produccin de somatotropina bovina recombinante es usada para inyectarse en las vacas y aumentar as la produccin de leche.

La produccin de vacunas por ingeniera gentica es otra de las aplicaciones a nivel industrial. Se producen vacunas recombinantes de muchos tipos:- Vacunas de vectores: virus o bacterias vivas que portan genes que codifican antgenos del microorganismo contra el que se quiere inmunizar. Son vacunas muy eficaces y adems pueden ser polivalentes, inmunizando contra varias enfermedades a la vez.- Vacunas de subunidades: son antgenos o parte de ellos, como la cubierta de un virus nicamente. - Vacunas de DNA: introducen en el organismo genes codificantes de antgenos en plsmidos o vectores virales.

La metagenmica es el aislamiento de nuevos genes de muestras ambientales, sin la necesidad de cultivar los microorganismos. Permite de esta manera seleccionar protenas que puedan tener una actividad interesante.

La metagenmica es el estudio del conjunto de genomas de un determinado entorno (metagenoma) directamente a partir de muestras de ese ambiente, sin necesidad de aislar y cultivar esas especies.

La ingeniera de rutas metablicas es el estudio de la sntesis de productos de inters mediante rutas metablicas. Se estudian estas rutas para hacerlas ms eficientes introducindolas en otros organismos, lo que implica la introduccin de varios genes y que stos se expresen de forma coordinada. Pueden tambin combinarse genes de varios microorganismos, como en la produccin de ndigo (colorante azul) en E. coli.