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Una breve historia
Desde 5000 AC las civilizaciones egipcias y más tarde laschinas comienzan a producir alimentos y bebidasfermentadas.
Sin embargo, pasan casi 7000 años para descubrir elorigen microbiano de la fermentación (1856).
Otros 50 en utilizar las bacterias para producir compuestosquímicos industriales (1900).
70 años más para obtener el primer organismo transgénico(1972).
Y 5 años más para la obtención de la primera proteínahumana expresada en bacteria. (somatostatina 1977)
Introducción a los Bioprocesos
Introducción a los Bioprocesos
¿Que es un bioproceso?
Es todo proceso industrial que involucra la manipulaciónde organismos vivos o sus componentes celulares paraproveer bienes o servicios
Bienes:
(antibióticos, hormonas, fermentos, vacunas,
ácidos orgánicos, amino ácidos, biocombustibles,biomasa, etc.)
Servicios
(biorremediación, biolixiviación, tratamiento
de efluentes)
De acuerdo a su definición tenemos: Bioprocesosy biotransformaciones.
BIOPROCESO
Son los procesos mediante los cuales determinados
SUSTRATOS
(nutrientes) son transformados por acción biológica (microorganismos,células, tejidos) en
BIOMASA
y diversos
PRODUCTOS
Moléculas complejas
Antibióticos, drogas, vacunas, efluentetratado, vitaminas, ácidos orgánicos,aminoácidos, proteínas, hormonas,
Moléculas sencillas
Fuentes de carbono y energía, fuente de
Nitrógeno y sales
Glucosa + amonio + sales + oxí
geno
BIOMASA + PRODUCTOS + calor
Biocatalizador
BIOTRANSFORMACIÓN
Son los procesos en los que sustratos naturales o sintéticosson
MODIFICADOS
por medio de una
Actividad Enzimática
Sustrato + agua
Sustrato modificado
Enzimas,
células
inmovilizadas
Moléculas complejas
Almidón
Moléculas sencillas
Glucosa Fructosa
Un bioproceso se caracteriza entonces por:
Uso de un catalizador biológico:
Enzima,
microorganismos, células vegetales, célulasanimales, células insecto, hongos filamentosos,algas, plantas y animales
Uso de un Biorreactor:
La reacción ocurre en
forma controlada
Generación de un Producto o Servicio
Artificial
Introducción a los Bioprocesos
Upstream Processing
Process
Downstream Processing
Elección delmicroorganismo.
Preparación de medio(Formulación).
Esterilización.
Preparación del inoculo.
Elección del reactor.
Elección del sistema deoperación: Bacth; Alimentado;Sistema Continuo; etc.
Estequeometría y cinética.
Instrumentación y control.
Recuperación delproducto por medio deoperaciones unitarias(físicas/químicas)
Acondicionamiento yestabilización delproducto
Formulación del producto
Aspectos b Aspectos b
á á
sicos de un proceso Biotecnol sicos de un proceso Biotecnol
ó ó
gico gico
El microorganismo productor
Tenemos varias posibilidades
Partir del microorganismo productor wild type
Microorganismos modificados genéticamentepara tal fin.
Recurrir a sistemas de expresión heteróloga
Algunos microorganismos productores wild type
Ac. orgánicos
Alcoholes
Algunos microorganismos productores wild type
Enzimas
Antibióticos
A tener en cuenta para la elección del sistema de expresión
Productividad (es difícil determinar a priori pero se un buen tip escomenzar con una búsqueda de bibliografía)
Complejidad estructural
Modificaciones postraduccionales
Bioactividad de la proteína de interés
Manipulación del sistema de expresión
Bioseguridad del sistema de expresión
Sistemas de expresión heteróloga
Sistemas de expresión heteróloga
Sistemas de expresión heteróloga: Escherichia coli
Desventajas
No todos los genes se expresan eficientemente debido a:
Características de la secuencia nucleotídica del gen endógeno.
Estabilidad y eficiencia traducción del RNAm
Diferencias de uso de determinados codones de
Deficiencia en el folding proteico, capacidad limitada de formación depuentes S-S.
Toxicidad de la proteína recombinante
No es GRAS
Contaminación con endotoxinas
Proteínas intracelular con formación de cuerpos de inclusión
Generalmente se requiere un refolding de la proteína
No posee modificaciones post-traduccionales
Ventajas
Unicelular eucariota, fácil crecimiento y manipulación
Capacidad para realizar modificaciones postraduccionales(glicosilación, acetilación, fosforilación, eliminación del Met-1, procesamiento proteolítico de precursores)
Fácilmente escalable
Bajo o nulo nivel de endotoxinas
Proteínas extracelulares e intracelulares
Desventajas
Baja eficiencia de transformación
Hiperglicosilación (
S. cerevisiae
principalmente)
Sistemas de expresión heteróloga: Levaduras:
(S. cerevisiae, K. lactis y P. pastoris)
Crecimiento microbiano (Estequiometría)Rendimientos
Para poder conocer la Estequiometría del proceso es necesario conocer los coeficientes(
S, N, B, X, P, W
y
C
) para ello introduciremos el concepto de:
Rendimiento:
Se define como la cantidad en
gramos
de
producto formado
(biomasa,
EtOH, CO
2
,H
2
O etc) o
reactivos consumidos
(FN, Oxigeno),
sobre
gramos de fuente de
carbono y energía consumida
FCE
(glucosa, glicerol, etc)
Por que el signonegativo?
S
FCE +
N
FN +
B
O
2
X
Biomasa +
P
Producto +
W
H
2
O +
C
CO
2
Dada la ecuación de crecimiento microbiano
Como seria el rendimiento para el nitrógeno?
Crecimiento microbiano (Estequiometría)El carbono mol (C-mol)
Si deseamos efectuar cálculos estequiométricos debemos conocer elrendimiento en moles.
La pregunta es
¿qué peso de células (o biomasa) corresponde a "un mol"?.
Experimentalmente se vio que la
composición elemental promedio de un
microorganismo
es en (% p/p):
C = 46.5; H = 6.49; 0 = 31.0; N = 10.
De la cual podemos definir una "fórmula mínima":
CH
1.
O
0.
N
0.
(en la que
está representado el 95% p/p de la biomasa el otro 5% son sales)
Entoces definimos un C-mol de biomasa como la cantidad de biomasa quecontiene un átomo gramo de Carbono.
Podemos definir 1 C-mol de FCE: Ej 1C-mol de glucosa (C
6
H
12
O
6
) esta
representado por
CH
2
y pesará 30 g
En general para obtener los gramos de 1C-moles de un compuesto dadoes:
Donde
X
tiene unidades de (cmol/g) de X
Donde
S
tiene unidades de (cmol/g)
de S
C
n
H
f
O
q
N
m
C H
f/n
O
q/n
N
m/n
12+ f/n + 16.q/n + 14.m/n
