MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL

CRONOGRAMA: APLICACIÓN MICROORGANISMOS

ü  Hasta 1900: Era pre-Pasteur (bebidas alcohólicas, productos lácteos, vinagre)

ü  1900 – 1940: Era Pasteur ü  Fermentaciones industriales (etanol, butanol, acetona) ü  Producción ácidos orgánicos (acético, cítrico, láctico) ü  1940-1960: Era antibiótico ü  producción antibióticos ü  1960-1975: Era post-antibiótico ü  Producción de a,a., enzimas ü  1975- presente: Era Biotecnología molecular ü  Tecnología de ADNA recombinante ü  Productos en mercado: insulina humana, vacunas

APLICACIONES DE LOS MICROORGANISMOS Y SISTEMAS O PROCESOS BIOLOGICOS EN LA INDUSTRIA

DNA RECOMBINANTE INGENIERIA GENETICA

Manipulación de organismos para la obtención de productos biológicos deseados:

•  Sustancias químicas •  Enzimas •  Vacunas •  Hormonas, anticuerpos,

factores sanguineos

ENZIMAS Y BIOCATALIZADORES

•  Elaboración de alimentos •  Equipos de diagnóstico •  Biosensores •  Quimioterapia •  Sustancias químicas

TRATAMIENTO Y UTILIZACIÓN DE RESIDUOS

•  Detoxificación •  Uso de subproductos •  Aguas residuales

INGENIERÍA DE PROCESOS •  Recolección, pretratamieto, filtración •  Reactores nuevos •  Recuperación de catalizadores/microorganismos •  Extracción de productos •  Reciclado de aguas •  Efluentes

INTERFERONES Y ANTICUERPOS MONOCLONALES

•  Diagnóstico •  Tratamiento

COMBUSTIBLES •  Alchohol (azucr de caña) •  Metano (digestores de biomasa) •  Hidrógeno (fotolisis)

FIJACIÓN DE NITRÓGENO •  Reducción de uso de fertilizantes •  N atmosférico a amoníaco

FERMENTADORES TRADICIONALES •  Alcohol •  Antibióticos •  Sustancias químicas

CULTIVOS DE CÉLULAS VEGETALES Y PROTEÍNAS UNICELULARES

•  Producción de Biomasa •  Sustancias químicas: esteroide, alcaloides •  Proteínas

Tecnología microbiana tradicional: § Fermentaciones alcohólicas § Producción de productos

farmacéuticos , aditivos alimentarios, enzimas y sustancias químicas industriales

§ Biorremediación

Tecnología microbiana con organismos alterados mediante procesos de ingeniería genética: § Fabricación de hormonas § Moduladores del sistema

inmune § Vacunas

El microorganismo es modificado antes de ingresar a la industria: se altera genéticamente por mutación o por recombinación

Microorganismos industriales son especialistas metabólicos capaces de producir específicamente y con un alto rendimiento, metabolitos particulares

La fuente de todas las cepas industriales es el ambiente natural Las cepas industriales se depositan en colecciones de cultivos que sirven como almacén

CEPAS INDUSTRIALES

1.  Cultivo axénico 2.  Estable 3.  Fácil de inocular (esporas) 4.  Crecimiento Rápido 5.  Rápida producción del compuesto deseado 6.  Capaz de crecer en cultivo líquido y barato

•  Licor de maceración de maíz, suero 7.  No tóxico ni patógeno 8.  Fácil eliminación de las células del medio:

•  Tamaño de célula grande o formadores de agregados celulares

9.  Susceptibles de manipulación genética

PROPIEDADES DE LOS MICROORGANISMO

PRODUCTOS DE LA MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL Bioconversión

Producto (bioconversión de esteroides)

Sustrato

Productos de las Células

Enzimas (Glucosa

Isomerasa) Antibióticos (Penicilina)

Aditivos Alimenticios

(aminoácidos)

Alcohol Productos Químicos

(ácido cítrico)

Células

Levadura

LA LEVADURA COMO PRODUCTO INDUSTRIAL

BIOCONVERSIÓN

Producción de cortisona utilizando un microorganismo

CRECIMIENTO Y FORMACIÓN DE PRODUCTOS INDUSTRIALES

Sustrato para el crecimiento

Células Metabolito primario

Sustrato para el crecimiento

Células

Metabolito primario

Metabolito secundario

Sustrato para el crecimiento

Células

Metabolito primario

Metabolito Secundario

•  Específicos de un grupo de organismos •  No esenciales para el crecimiento •  Dependiente de las condiciones decrecimiento •  Producidos como grupo de estructuras relacionadas:

¯  Una cepa de Streptomyces produce 32 antibióticos distintos del tipo antraciclina

•  Puede obtenerse una superproducción espectacular

CARACTERÍSTICAS DE LOS METABOLITOS SECUNDARIOS

Staphylococcus

PenicilinaCefalosporinaTetraciclinaEstreptomicinaGriseofulvinaActinomicinaPepstatinaciclosporina AKrestinaBestatinaGibberelina

AntibióticoAntibióticoAntibióticoAntibióticoAntibiótico (antifúngico)AntitumoralTratamientos antiulcerososInmunosupresorTratamiento del cáncerTratamiento del cáncerRegulador del crecimiento vegetal

Metabolito secundario Utilidad comercial

Metabolitos microbianos secundarios comercializados

PenicilinaActinomicinaNeomicinaEstroptomicinaCandicidinaEstreptomicinaTetraciclinaPenicilina

GlucosaGlucosaGlucosaGlucosaFosfatoFosfatoFosfatoFuentes de nitrógeno

Componente del medio Metabolito secudario reprimido

Represión del metabolismo secundario por componentes del medio

CLASIFICACIÓN DE LOS PRODUCTOS INDUSTRIALES SEGÚN SU USO:

Productos farmacéuticos de origen microbiano Biotecnología microbiana en agricultura Sustancias químicas y aditivos alimentarios Productos químicos comerciales y producción de energía Biorremediación

PRODUCTOS FARMACÉUTICOS DE ORIGEN MICROBIANO

ü Antibióticos ü Hormonas esteroides ü Insulina ü Hormona del crecimiento ü Linfocinas ü Péptidos neuroactivos ü Factores de coagulación sanguínea ü Activador del plasminógeno tisular ü Vacunas ü Anticuerpos monoclonales para diagnóstico y terapia

Productos farmacéuticos veterinarios de origen microbiano Inóculos radiculares Ingeniería genética de plantas mediada por microorganismos como portadores genéticos

BIOTECNOLOGÍA MICROBIANA EN AGRICULTURA

SUSTANCIAS QUÍMICAS Y ADITIVOS ALIMENTARIOS

Sustancias especiales y aditivos alimentarios: Aminoácidos: § Glutamato: potenciar el sabor § Aspartato+alanina: modular el sabor de jugos de frutas § glicina: mejorar el sabor de alimentos dulces § Aspartame: endulzar § Lisina y metionina: aditivos nutrivos § Cisteína antioxidante de jugos de frurtas § Triptofano + histidina: evita la rancidez de los alimentos

Vitaminas: rivoflavina, vitamina B12, vitamina C

PRODUCTOS QUÍMICOS COMERCIALES Y PRODUCCIÓN DE ENERGÍA

Productos químicos comerciales de estructura sencilla y bajo valor monetarios Etanol (combustible para motores) Ácido acético Ácido láctico Glicerol

CLASES DE PRODUCTOS INDUSTRIALES

Metabolitos microbianos Alcohol Ácido acético Ácido láctico Aminoácidos Vitaminas Antibióticos Esteroides Alcaloides

Células microbianas Proteína unicelular: levaduras, algas, bacterias y hongos Células para la inoculación:bacterias fijadoras de nitrógeno, micorrizas, inóculos para la fermentación de lácteos y embutidos

Enzimas Digestión de almidones, lípidos y proteínas Síntesis de antibióticos semisintéticos

PRODUCCIÓN DE PRODUCTOS DE MAMÍFEROS POR MICROORGANISMOS MODIFICADOS POR INGENIERÍA GENÉTICA

Desarrollo de un proceso biotecnológico: Si el gen o los genes que codifican para la producción de una proteína de mamífero se pueden clonar dentro de un microorganismo Si se obtiene una buena expresión de este gen

PRODUCTOS BIOTECNOLÓGICOS FABRICADOS POR DNA RECOMBINANTE

Proteínas de sangre para: § Disolver coágulos § Promover la coagulación sanguínea § Desarrollar glóbulos rojos

Hormonas para: § Tratamiento de diabetes § Regulación del calcio § Alivio del dolor § Osteoporosis § Diuréticos y antihipertensivos

Moduladores inmunes: § Estimulantes de las células T § Activador de células B § Agentes antivirales, anticancerígenos,

antitumorales, antiinflamatorios § Tratamiento de infecciones

Vacunas: § Prevención de infección § Hepatitis B § Sarampión § Cólera § Rabia § Sida (no en el mercado, sólo en experimentación)

Antícuerpos monoclonales: § Proteínas específicas que reconocen y se fijan a un

solo antígeno § Tratamiento de cáncer, deshacerse de sustancias

químicas tóxicas de las células tumorales § Tratamiento de enfermedades cardíacas: destruir

coágulos de sangre catalizados por plaquetas § Diagnóstico clínico: embarazo y enfermedades

humanas y animales No todos los productos están en el mercado

PRINCIPALES PRODUCTOS

300,000 30,000 2000 1000

Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum

Aminoacidos Acido glutamico Lisina Fenilalanina arginina

250,000 50,000 50,000

Aspergillus niger Aspergillus niger Lactobacillus delbrueckii

Acidos organicos Acido citrico Acido gluconico Acido lactico

500,000 50,000

Levaduras y bacterias lacticas Candida utilis

Biomasa Starters para alimentos Proteina unicelular

20 millones 2000

Saccharomyces cerevisiae Clostridium acetobutylicum

Solventes Etanol Acetona/butanol

PRODUCCION (Ton/año)

ORGANISMO

PRODUCTO

< 0.1

Corynebacterium diphteriae Clostridium tetani Bordetella pertussis Virus atenuado crecido en riñon de mono o celulas diploides humanas Idem anterior Antigenos de superficie expresados en levadura

Vacunas Difteria Tetanos Pertussis Polio   Rubéola Hepatitis B  

5 Claviceps paspali

Alcaloides del ergot

10

Propionibacterium shermanii Eremothecium ashbyii

Vitaminas B12 Riboflavina

600 500 500 500 100 50 50

Bacillus spp Bacillus amyloliquefasciens Aspergillus niger Bacillus coagulans Aspergillus niger Mucor o levaduras recombinantes

Enzimas Proteasas Alfa-Amilasas Glucoa-amilasa Glucosa isomerasa Pectinasa Renina otras

PRODUCCION (Ton/año)

ORGANISMO

PRODUCTO

< 0.1

Bacillus thuringiensis

Insecticidas Esporas bacterianas

80,000 15,000 15,000 10,000 2,000 1,000

Penicillum chrysogenum Cephalosporium acremonium Streptomyces aureofaciens Streptomyces erythreus Bacillus brevis Streptomyces griseus Penicillum griseofulvum

Antibioticos Penicilinas Cefalosporinas Tetraciclinas Macrolidos (eritromicina) Polipeptidicos (gramicidina) Aminoglicosidos (estreptomicina) Aromáticos (griseofulvina)

< 0..01 Celulas de hibridoma Anticuerpos monoclonales

< 0.1

E. coli recombinante E. coli recombinante o celulas de mamífero recombinante celulas de mamífero recombinante celulas de mamífero recombinante E. coli recombinante

Proteinas de uso terapéutico Insulina Hormona de crecimiento Eritropoyetina FactorVIII-C Activador del plasminogeno Interferon alfa2

< 0.1

Lithospermum (plantas) Levaduras

Pigmentos Shikoninas Beta-carotenos

PRODUCCION (Ton/año)

ORGANISMO

PRODUCTO

VENTAJAS DE LOS MICROORGANISMOS COMO UNIDADES DE PRODUCCIÓN § Rápido crecimiento debido a la favorable relación área/ volumen § Diversidad metabólica § Estabilidad genética

§ Crecimiento en gran escala y separación fácil de productos y sustratos

* Adaptabilidad a distintos ambientes y condiciones de crecimiento (sustratos

sólidos, líquidos, frascos, fermentadores)

Incrementar la productividad

* Facilidad de manipulación genética Modificar los productos finales

SELECCIÓN DE M.O. DE INTERÉS INDUSTRIAL •  Cepa genéticamente estable

•  Velocidad de crecimiento alta

•  Libre de contaminantes: fagos

•  Requerimientos nutricionales: medios cultivos de costo reducido

•  Fácil conservación por largos períodos de tiempo

•  Proceso fermentativo en corto tiempo

•  Producto: alto rendimiento y fácil extracción

LOS MICROORGANISMOS PUEDEN EMPLEARSE COMO : Productores de metabolitos primarios y secundarios

Productores de biomasa y sus constituyentes (Proteínas y

aminoacidos, Vitaminas, ácidos Nucleicos, Polímeros de H de C y

esteres, Biomasa)

Huéspedes para la expresión de genes homólogos y heterólogos

Unidades de Biotransformación

Uso de microorganismos en biotransformaciones

Reacciones Quimicas realizadas por microorganismos:

Oxidaciones

Reducciones

Reacciones hidrolíticas

¿PORQUÉ LOS METALES SON TÓXICOS?

•  Los mecanismos de toxicidad son el resultado de una fuerte capacidad de coordinación con los ligandos presentes en la célula

•  Los compuestos catiónicos se unen a grupos SH : Inhibición de enzimas

•  Pueden interferir con iones de importancia fisiológica : Cd 2+ con Zn 2+ , Ni y Co con Fe, Zn con Mg

•  Oxianiones (cromato, arseniato) interferencia con sulfato y fosfato

Efecto del arsénico sobre la salud humana

http://dermis.multimedica.de/doia/image.asp?zugr=d&lang=s&cd=43&nr=40&diagnr=757335

ACCIÓN DE LA ROXARSONA

Wershaw y col., 1999 ; Christen, 2001; Cortinas y col., 2006; Stolz y col., 2007

Reducción de NO2

Ácido 4-hidroxi-3-amino fenil arsénico (HAPA)

Desaminación

Ácido 4-hidroxifenil arsénico

Fisión del anillo aromático

Clivaje de enlace C-As

Arsenito (As (III))

Arseniato (As (V))

Roxarsona

Roxarsona + Consorcio bacteriano anaeróbico

83.3% Degradación Longitud de onda nm

Área bajo la curva: 123.970 nm

Área bajo la curva: 21.910nm

DEGRADACIÓN DE ROXARSONA