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MICROBIOLOGIA APLICADA
Lección 1. Introducción
1. Perspectiva histórica: Aplicaciones de los microorganismos
Los microorganismos se encuentran en todo tipo de ambientes con diversas condiciones. Realizan una serie de funciones entre las que encontramos la descomposición o la formación de ciertos productos.
La vida celular está presente en la Tierra desde hace unos 3800 millones años. Las cianobacterias comenzaron la lenta oxigenación de la Tierra hace unos 3 bya, pero los niveles actuales de O 2 en la atmósfera no se lograron hasta hace 500-800 millones de años. Los eucariotas son células nucleadas e incluyen tanto microorganismos como organismos multicelulares.
Los tres dominios de organismos celulares son: Bacterias, Archaea y Eukarya. Los dos últimos linajes divergen mucho antes de que las células nucleadas con orgánulos aparezcan en el registro fósil. LUCA, Último Ancestro Común Universal. Desde el punto de vista evolutivo, los microorganismos representan una parte importante, un 80% de la historia de la Tierra.
La mayor parte de los microorganismo se encuentran en los subsuelos, marino 66% y terrestre 26%. En el suelo superficial encontramos el 4’8%. Un 2’2% se encuentran en los océanos y el 1% en otro tipo de hábitats. Los microorganismos cultivables que proceden de la superficie del suelo solo representan el 1% de todos los existentes.
1.1. El impacto de los microorganismos en humanos
A través de los años, los microbiólogos han tenido gran éxito en: Descubrir cómo funcionan los microorganismos , y la aplicación de este conocimiento se ha incrementado en gran medida los efectos beneficiosos y reducido muchos de sus efectos nocivos.
La microbiología ha avanzado mucho es:
∙ La salud y bienestar humano ∙ Agricultura y alimentos ∙ Aprovechar las actividades microbianas para la producción de productos humanos valiosos ∙ Generación de energía ∙ Limpieza del medio ambiente, etc.
1.2. Microorganismos como agentes infecciosos
En el siguiente grafico, podemos ver las tasa de mortalidad de las principales causas de muerte en los Estados Unidos en 1900 y en la actualidad. Las enfermedades infecciosas son las principales causas de muerte en 1900, mientras que hoy representan un número reducido de muertes.
En el caso de las enfermedades renales, pueden deberse a una infección microbiana o fuentes sistémicas (diabetes, ciertos tipos de cáncer, toxicidad, enfermedades metabólicas, etc.)
1.3. Microorganismos: comida, energía y medio ambiente
- Los microorganismo realizan funciones importantes en la producción de alimentos como es el caso de la fermentación láctica o alcohólica.
- La producción de biodiesel (metanol, etanol) es otra de las aplicaciones de los microorganismos para el interés humano.
- Los microorganismos también son usados para limpiar la contaminación humana, este proceso se llama biorremediación microbial.
1.4. Alcance y aplicación de los microorganismos
Los microorganismos tienen una gran importancia e impacto en los humanos, en muchos aspectos: obtención de energía, biorremediación, comida, compuestos de interés medio o farmacéutico, etc.
La microbiología industrial se puede definir como el estudio de la producción a gran escala y con fines de lucro, de los microorganismos o sus productos para uso directo o como insumos en la producción de otros bienes.
Microbiología industrial es claramente una rama de la biotecnología e incluye tanto los aspectos
tradicionales como los de los ácidos nucleicos.
3. Objetivos e impacto de la Biotecnología Microbiana
Existen varios tipos de biotecnología que se diferencian por colores según sus campos de aplicación.
El término “biotecnología blanca” fue propuesto inicialmente por los órganos de la Unión Europea. "Blanco", también se hace referencia a los aspectos ambientales positivos.
Se ha convertido en un principal contribuyente a la llamada "química verde" , área, en la que los recursos renovables, como los azúcares o aceites vegetales se transforman en una gran variedad de sustancias químicas, tales como productos químicos finos y grueso, productos farmacéuticos, biocolorantes, disolventes, bioplásticos, vitaminas, aditivos alimentarios, así como los biocombustibles como el bioetanol y el biodiesel.
a) Química Sostenible o Verde b) Biotecnología Industrial como una tecnología multidisciplinaria c) Uso de los recursos renovables frente a los recursos fósiles d) Las materias primas renovables para la industria química e) Los procesos de fermentación f) Los procesos enzimáticos y la tecnología de enzimas g) Ventajas económicas y ecológicas de la Biotecnología Industrial h) Los cambios esperados en la Sociedad y Tecnología
i) Los cambios en el suministro de materias primas j) El aumento de la demanda de una población creciente de materias primas y energía k) El aumento de la demanda de la eficiencia en los sistemas de producción de sustancias químicas l) Necesidad cada vez mayor para la Sostenibilidad de los Sistemas de Producción m) Cambiar la percepción del consumidor y comportamiento n) Los cambios en el sistema agrícola
a) Química sostenible o verde
La industria química produce una amplia gama de compuestos: productos químicos finos, productos farmacéuticos, productos químicos en masa, plásticos y combustibles, etc. Pero al mismo tiempo un gran uso de los recursos fósiles y una fuente significativa de residuos.
Química sostenible se basa en una serie de tecnologías diferentes, que van desde:
Los procesos químicos convencionales más eficiente, el uso de mejores catalizadores, métodos de separación innovadores, el reciclaje y la reutilización de la tecnología, hasta el uso de la biotecnología industrial.
b) Biotecnología Industrial como una tecnología multidisciplinaria
Tecnología multidisciplinar abarca la aplicación integrada de disciplinas como la bioquímica, bioinformática, genética molecular y tecnología de proceso para desarrollar procesos y productos, basado en microbianas, animales, o células de plantas, sus orgánulos o enzimas como biocatalizadores útiles. Los microorganismos, en particular, han recibido mucha atención como un instrumento biotecnológico y se utilizan en los denominados procesos de fermentación.
c) Uso de los recursos renovables frente a los recursos fósiles
La crisis del petróleo entre 1973 y 1979, cuando la OPEP elevó los precios del petróleo a partir del 2 a 30 dólares EE.UU. por barril, dio lugar a un renovado interés por los recursos renovables.
En una base de peso, los recursos renovables son aproximadamente la mitad de caro que los recursos fósiles.
d) Las materias primas renovables para la industria química
La producción total anual de la biomasa en nuestro planeta se estima en 170 millones de toneladas y se compone de más o menos de:
- 75% de carbohidratos (azúcares)
- 20% ligninas
- 5% de otras sustancias tales como aceites y grasas, proteínas, terpenos, alcaloides, etc.
De esta producción de biomasa, 6 mil millones de toneladas (3,5%) están siendo utilizados actualmente para las necesidades humanas, distribuidos. 3,7 millones de toneladas (62%) para el consumo humano, posiblemente a través de la cría de animales como un paso intermedio. 2 millones de toneladas de madera (33%) para su uso, el papel y las necesidades de energía de la construcción. 300 millones de toneladas (5%) para satisfacer las necesidades humanas de técnico materiales (no alimentarios) prima (ropa, detergentes, productos químicos, etc.)
e) Los procesos de fermentación
La biotecnología industrial se utiliza para producir una amplia variedad de productos químicos en masa (alcohol, a cido láctico, ácido cítrico, vitaminas, aminoácidos, solventes, antibióticos, biopolímeros, biopesticidas, biocolorantes, etc.).
Fermentación industrial es la principal tecnología, por lo que los microorganismos (bacterias, levaduras y hongos) que se cultivan convierten de manera eficiente azúcares en productos útiles.
Es el "único método de producción industrial" para varios de estos productos y algunos se producen en cantidades muy significativas.
f) Los procesos enzimáticos y la tecnología de enzimas
Las enzimas dirigen la química de la vida sin necesidad de las temperaturas extremas, altas presiones, o condiciones corrosivas que se requieren en los procesos de síntesis química (Biocatálisis).
l) Necesidad cada vez mayor para la Sostenibilidad de los Sistemas de Producción
El mundo se enfrenta al gran reto de los procesos de producción limpios y sostenibles que respeten el medio ambiente, mejoren nuestra calidad de vida y al mismo tiempo sean competitivos en el mercado.
Los bioprocesos generalmente producen menos residuos y el uso de productos químicos tóxicos y peligrosos puede a veces ser eliminado por completo mediante el uso de una enzima.
m) Cambiar la percepción del consumidor y comportamiento
Hay una creciente demanda de los consumidores para obtener información sobre los productos que compran y esto va más allá de la calidad y el precio.
La biotecnología industrial tiene el potencial de ser percibido como un trabajo en armonía con la naturaleza. A la gente, en general, le gusta la idea de utilizar la biomasa en lugar de petróleo y los procesos biológicos en lugar de síntesis más convencional.
Así que los bioprocesos no sólo tienen un precio competitivo y ofrecen beneficios ecológicos, también tienen una aceptación pública sobre los procesos clásicos.
n) Los cambios en el sistema agrícola
El sector de la agricultura tendrá que adaptarse continuamente a las nuevas necesidades y problemas, bajo la presión de los consumidores, gobiernos, etc.
3.1. Obsolescencia en Microbiología Industrial
Como el beneficio es el factor de motivación en la búsqueda de la microbiología industrial, un método microbiológico puede ser descartado por completo a favor de un método químico más barato.
4. Microorganismos de interés industrial: características y principales grupos
taxonómicos
Los microorganismos más importantes para microbiología aplicada don las bacterias y algunos eucariotas. Aunque también son importantes las arqueobacterias por ser bacterias extremofilas.
Los procesos utilizados en la industria microbiología y la biotecnología son dinámicos (procedimientos obsoletos que se descartan medida que se descubren nuevos procesos y más eficientes).
Los microorganismos tienen las siguientes ventajas sobre las plantas o animales como entradas en la biotecnología:
Los microorganismos crecen rápidamente en comparación con las plantas y los animales. Ej. tiempo de generación El espacio necesario para el crecimiento de los microorganismos es pequeño. Ej. El uso de Fermentador
Los microorganismos no están sujetos a los problemas de las vicisitudes del clima. Ej. La producción agrícola Los microorganismos no se ven afectados por las enfermedades de las plantas y los animales. Ej. Los fagos y contaminantes
4.1. Bacterias
De los 18 filos en las bacterias, la Aquiflex es evolutivamente el más primitivo, mientras que la más avanzada es la Proteobacteria. El filo bacteriano utilizado en microbiología industrial y biotecnología se encuentran en las Proteobacteria, las Firmicutes y Actinobacteria.
Las Proteobacterias (G-) se dividen en cinco grupos: α (alfa), β (beta), γ gamma), δ (delta), ε (épsilon). Acetobacter y Gluconobacter , (Alphaproteobacteria; bacterias de ácido acético) son los únicos organismos de actual importancia industrial. También Zymomonas , (Alphaproteobacteria, produce grandes cantidades de alcohol) son industrialmente importantes.
Los Firmicutes (G+) contienen muchas bacterias de importancia industrial y se dividen en tres grupos principales:
- Formadores de esporas. Género Bacillus (bioinsectisidas) y Clostridium (patógeno de animales y humanos).
- No formadores de esporas. Bacterias del ácido láctico.
- Sin pared
El Actinobacteria son los Firmicutes con contenido de G + C del 50% o superior. Los miembros industrialmente importantes de este grupo son:
- Corynebacterium. Son importantes industrialmente como secretores de aminoácidos
- Actinomicetos .Son insuperables en su capacidad de producir metabolitos secundarios que son de importancia industrial, especialmente como productos farmacéuticos.
4.2. Eucarya: Fungi
Los hongos se utilizan comúnmente en la producción industrial y se clasifican tradicionalmente en cuatro grupos:
- Phycomycetes (Zigomicetos). Rhizopus y Mucor se utilizan para la producción de diversos enzimas.
- Ascomycetes. Las levaduras se utilizan para la producción de etanol y las bebidas alcohólicas. Claviceps purperea se utiliza para la producción de los alcaloides del cornezuelo de centeno.
- Hongos Imprfecti. Aspergillus es importante debido a que produce la toxina alimentos, aflatoxina, mientras que Penicillium es bien conocido por el antibiótico penicilina que produce.
- Basidiomycetes. Agaricus produce el cuerpo fructífero o seta comestible.
5. Búsqueda y selección de microorganismos de interés
La primera tarea para un microbiólogo industrial es encontrar un microorganismo adecuado para el uso en el proceso deseado.
Enfoques alternativos están disponibles, que van desde el aislamiento de microorganismos del entorno usando técnicas moleculares sofisticadas para modificar un microorganismo existente.
5.1. Fuentes de microorganismos utilizados en biotecnología
a) Búsqueda de literatura y suministro de una colección de cultura.
Si uno está empezando de cero y no tiene idea de qué organismo produce un material industrial deseado, puede buscar información en la web o en la literatura, incluyendo literatura de patentes, acompañado por el contacto con una o más de las colecciones de cultivos establecidos y las oficinas reguladoras.
b) Aislamiento de nuevos organismos productores de metabolitos de importancia económica
El buen conocimiento de la ubicuidad de los microorganismos implica que casi todos los entes ecológicos naturales - agua, aire, hojas troncos de árboles - pueden proporcionar microorganismos.
El suelo es la fuente preferida para el aislamiento de los organismos, debido a que es una gran reserva de diversos organismos (métodos de detección adecuados). En los últimos tiempos, otros "nuevos" hábitats, especialmente el medio ambiente marino, se han incluido en los hábitats a estudiar en las búsquedas de metabolitos microbianos bioactivos o "bio-minería".
Enriquecimiento con el sustrato utilizado por el organismo. Enriquecimiento con análogos tóxicos del sustrato utilizado.
Prueba de metabolitos microbianos para la actividad del bioactivo.
I. Prueba para la actividad anti-microbiana II. Pruebas de inhibición de la enzima Primer método: Para medir el producto de la reacción entre una enzima y su sustrato Segundo método: Para determinar la cantidad del sustrato que no ha reaccionado. III. Las pruebas para detectar los cambios morfológicos en test fúngicos de los organismos IV. La realización de las pruebas con animales en los metabolitos microbianos
5.2. Mejora de la cepa
La capacidad de cualquier organismo para hacer cualquier producto en particular se basa en su capacidad para la secreción de un conjunto particular de enzimas (la composición genética de los organismos).
a) La regulación de la actividad de las enzimas secretadas por los organismos b) El aumento de la permeabilidad (metabolitos secretados extracelularmente) de modo que los productos microbianos pueden encontrar estos manera más fácilmente fuera de la célula; c) Selección de cepas productoras adecuados a partir de una población natural; d) La manipulación del aparato genético existente en un organismo productor; e) Introducción de nuevas propiedades genéticas en el organismo por tecnología de ADN recombinante o ingeniería genética.
5.3. Selección de variantes naturales
La selección de este tipo no sólo es lento, pero su curso es en gran parte fuera del control del biotecnólogo, una condición intolerable en el mundo altamente competitivo de la industria moderna.
La manipulación del genoma de los organismos industriales:
Las manipulaciones que no impliquen ADN extraño
Mutación natural convencional ∙ Agentes físicos. Luz ultravioleta o radiaciones ionizantes ∙ Agentes químicos. Actúan sobre el ADN de los organismos de descanso o que no se dividen, análogos de ADN que se pueden incorporar en el ADN durante la replicación o aquellos que causan mutaciones de desplazamiento del marco.
Elección del mutágeno
Es importante la buena elección del mutágeno, ya que no todos los agentes mutagénicos son igual de eficaces en todos los organismos.
Otros factores que hay que tener en cuenta, además de la eficacia son: ∙ La seguridad del mutágeno: muchos carcinógenos son mutágenos ∙ La simplicidad de la técnica ∙ fácil disponibilidad de los equipos y los productos químicos necesarios.
Lección 2. Bioingeniería de los procesos industriales
1. Medios de cultivo y nutrición de microorganismos industriales.
Todos los medios microbiológicos, ya sea para uso industrial o para fines de laboratorio deben satisfacer las necesidades del organismo en términos de carbono, nitrógeno, minerales, factores de crecimiento, y agua.
A gran escala, un medio se reunirá el mayor número posible de los siguientes criterios:
a) Producirá el rendimiento máximo de producto o biomasa por gramo de sustrato utilizado. b) Producirá la concentración máxima de producto o biomasa. c) Permitirá que la tasa máxima de formación de producto. d) Habrá el rendimiento mínimo de productos no deseados. e) Será de una calidad consistente y estar disponible durante todo el año. f) Causará problemas mínimos en los medios de comunicación que hacen y esterilización. g) Causará un mínimo de problemas en otros aspectos, en particular de aireación y agitación, extracción, purificación y tratamiento de residuos.
Se debe recordar que el medio seleccionado afectará el diseño de fermentador para ser utilizado.
1.1. Criterios para la elección de materias primas utilizadas en los medios industriales
∙ Costo del material ∙ Disponibilidad inmediata de la materia prima ∙ Costos de transporte ∙ Facilidad de eliminación de los desechos resultantes ∙ Uniformidad en la calidad de la materia prima ∙ Composición química adecuada del medio ∙ Presencia de precursores pertinentes ∙ Satisfacción del crecimiento y la producción
Existen algunas materias primas que se utilizan para agravar los medios industriales, como es el licor de maíz fermentado, molasas, harina de soja, etc.
Los factores de crecimiento son materiales que no son sintetizados por el organismo y por lo tanto deben ser añadidos al medio. Por lo general, funcionan como cofactores de enzimas y pueden ser vitaminas, nucleótidos, etc.
El agua , a pesar de su importancia que a menudo es pasada por alto, garantiza la constancia de la calidad del producto, debe ser analizada periódicamente en busca de minerales, color, pH, etc y ajustarse según sea necesaria.
1.2. Fuentes potenciales de los componentes de los medios industriales
Hay algunas fuentes de las que podemos obtener los componentes necesarios para los medios industriales.
Por el contrario, la molécula de lignina es muy compleja, y por lo tanto muy difícil de degradar.
Existe un tratamiento previo a la sacarificación, para los materiales que contienen celulosa.
El éxito que tendrá la biomasa como material será crucial para la biotecnología.
a) El precio relativo de las materias primas básicas b) La calidad, la variabilidad, la regularidad del suministro y la seguridad de las materias primas c) Los costos relativos de conversión de material de base química en comparación con la conversión de productos agrícolas d) La prima concedida por el mercado "natural" como en comparación con los productos sintéticos y la creciente exigencia de los productos son biodegradables
2. Crecimiento de microorganismos en diferentes ambientes: controlados y complejos.
Componentes de los medios y sus funciones
Son medios definidos o sintéticos , los que están hechos con reactivos conocidos. La adicion de componentes químicos es distinta. Tiene una relación de composición 2:1:1 de C:NH 4 SO 4 :K 2 PO 4 , en 10 ml de una solución de sal y 990ml de agua destilada.
Cuando el 0.05-0.5% de un extracto o preparación vegetal o de carne se añade, se obtiene un medio semidefinido.
Cuando se añaden pequeños extractos de levaduras, carne o peptonas de soja, extracto de malta, hidrolizados de caseína o licor de maceración de maíz, se obtiene un medio complejo.
Una fermentación microbiana se caracteriza por fases distintas de crecimiento
Las tasas medias se muestran representan productividades. Entre el punto A, el fermentador es inoculado y en los puntos B o C, la fermentación se detiene.
La mayor productividad coincide con la mayor pendiente.
Estas productividades son más altas que las medidas en el contexto del proceso económico, donde el tiempo necesario para llevar a cabo una fermentación incluye el tiempo de la propia fermentación más el tiempo de respuesta.
Factores operacionales involucrados de la facturación de un tanque incluyen
- Limpieza
- Esterilización
- Relleno
- Inoculación
- El crecimiento celular
- Vaciar el recipiente
Expresiones para la tasa de crecimiento celular basada en el tiempo de duplicación.
La generación de células o masa de células X, está dada por X=X 02 n
El objetivo de una fermentación práctica es maximizar la cantidad de producto obtenido por unidad de volumen del recipiente de fermentación.
La correlación de la población de células a la cantidad de producto formado requiere que los coeficientes de rendimiento definido, tiene la siguiente forma general:
Los productos de cultivo microbiano se clasifican de acuerdo a su metabolismo de energía. Hay tres tipos de patrones de fermentación: Tipo I, II, o III. Que ayudan a correlacionar el rendimiento de la tasa de acumulación de masa celular. Diferentes proporciones de la glucosa se
Ejemplo de Tipo de fermentación III c (la propagación del microorganismo se lleva a cabo para maximizar la masa de células, y entonces la producción de la proteína es iniciada por un cambio en la composición en el caldo o la adición de un inductor).
3. Rutas metabólicas para la biosíntesis de productos microbianos: metabolismo
primario y metabolismo secundario.
3.1. Vías metabólicas de la naturaleza
Para manipular microorganismos para producir el máximo de material de importancia económica, pero con costes mínimos, es importante que la fisiología del organismo se conozca los máximo posible.
- Anabolismo. Cuando las reacciones conducen a la formación de una sustancia más compleja. Necesita ATP.
- Catabolismo. Cuando las reacciones conducen a compuestos menos complejos. Libera ATP.
Los procesos metabólicos ocurren a menudo como una serie de reacciones químicas secuenciales que convierten compuestos de partida en intermedios y, a continuación, en última instancia, en los productos finales. Una vía metabólica puede ser (a) lineal, (b) ramificada, o (c) cíclica.
Fuentes de carbono para el catabolismo
Como principales fuentes de carbono tenemos: el almidón, la celulosa y la pectina.
Esquema de Metabolismo (a) glucólisis, (b) la vía de las pentosas fosfato, (c) la etapa de transición, y (d) el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA ciclo) se utilizan para oxidar la glucosa gradualmente completamente a CO2. En conjunto, estas vías producen ATP, lo que reduce el poder, y los intermediarios que actúan como metabolitos precursores (representado como barras grises). (E) La respiración utiliza el poder reductor para generar ATP por la fosforilación oxidativa, que emplea una molécula inorgánica como un aceptor terminal de electrones. (F) La fermentación se detiene antes de oxidar la glucosa completamente, y en su lugar utiliza piruvato o un derivado como aceptor de electrones.
El catabolismo de compuestos orgánicos distintos de la glucosa. Las subunidades de las macromoléculas se degradan para formar los metabolitos precursores apropiados. Estos metabolitos pueden ser oxidados a continuación, ya sea en una de las rutas metabólicas centrales o ser utilizados en el anabolismo.
El uso de precursores en la biosíntesis de metabolitos. El tamaño de las flechas indica la cantidad relativa de cada precursor metabolito necesaria para producir un peso dado de células de E. coli.
