Industrial. Dr. Marcelo Baeza Cancino

Transcripción

1 Microbiología Industrial Dr. Marcelo Baeza Cancino

2 Microbiología Industrial La microbiología industrial y la biotecnología involucran el uso de microorganismos para lograr metas específicas, creando nuevos productos con valor monetario o mejorando el ambiente. Estudio de todos aquellos aspectos de los microorganismos i que tienen una aplicación industrial: i) Transformación de productos empleados en la alimentación. ii) Producción de sustancias: antibióticos, vitaminas, enzimas, así como en la obtención de masa fertilizantes microbianos, biopesticidas). microbiana (proteína unicelular, vacunas,

3 Desarrollo Histórico Empírico (El arte de la fermentación) Científico Ingeniería Genética 1973: transferencia de información genética de un organismo a otro. Los microorganismos i proporcionaron alimentos y bebidas durante más de 8000 años, sin que se tuviera noción de su existencia. i La fermentación pasa de ser un arte (resultados imprevisibles) a ser una ciencia (resultados previsibles). Capacidad para crear (más que aislar) cepas SUPERPRODUCTORAS.

4 Fermentación: una palabra con muchos significados para los microbiólogos. 1. Uso de un sustrato orgánico como donador y aceptor de electrones. 2. Cualquier proceso que involucra el cultivo de microorganismos (aerobios o anaerobios). 3. Cualquier proceso biológico que ocurre en ausencia de O Descomposición de alimentos. 5. Producción de bebidas alcohólicas.

5 Tipos de fermentaciones de varios microorganismos. Tipo de fermentación Productos Organismos Alcohólica Etanol + CO 2 Levadura (Saccharomyces) Acido láctico Acido láctico Bacterias del ácido láctico (Streptococcus, lactobacillus, etc) Acido mixto Butanediol Acido láctico, ácido acético, etanol, CO 2, H 2 Butanediol, ácido láctico, ácido acético, etanol, CO 2, H 2 Bacterias entéricas (Escherichia, Salmonella) Bacterias entéricas (Aerobacter, Serratia) Acido buritico Acido burítico, ácido acético, CO 2, H 2 Algunos clostridios (Clostridium butyricum) Acetona butanol Acetona, butanol, etanol Algunos clostridios (Clostridium acetobutylicum) Acido propiónico Acido propiónico Propionibacterium

6 Objetivos de la Microbiología Industrial Obtención del mayor rendimiento posible de producto a partir del sustrato utilizado. Los mas altos rendimientos se obtienen en la síntesis química Biosíntesis: la energía se utiliza en todos los procesos metabólicos que van a permitir al ser vivo crecer. Mientras mas complejo sea el ser vivo, mayor requerimiento para crecer menor rendimiento del producto deseado. De ahí que siempre que se puede se utilizan microorganismos. No obstante existen una serie de productos que no pueden ser sintetizados por los microorganismos se recurre primero a las plantas y sino a los animales. Obtención de productos id industriales il 1. Síntesis química 2. Microorganismos 3. Plantas 4. Animales

7 Microbiología Industrial Bienes Servicios alimentos, bebidas, productos purificación; medicinales, etc., tratamiento (tabla 1 guía)

8 Productos de interés industrial 1 Las células microbianas propiamente tal. Levaduras para panadería o industria cervecera. 2 Conversiones biológicas: conversión de un compuesto en otro estructuralmente relacionado por intervención de uno o varias enzimas aportados por las células.

9 3 Productos derivados de las células Macromoléculas que sintetizan (enzimas). Productos de su metabolismo: Enzimas Primario compuestos (glucosa Químicos esenciales para su crecimiento. isomerasa) (ácido cítrico) Secundario compuestos no esenciales para su desarrollo Antibióticos (ampicilina) Alcoholes (etanol) Aditivos alimentos (aminoácidos)

10 Tipos de metabolitos Metabolito Primario Idiofase Metabolito Secundario Trofofase

11 Tipos de metabolitos Sustrato de crecimiento Sustrato de crecimiento Sustrato de crecimiento Células Metabolito Primario Células Metabolito Primario Células Metabolito Primario Las cels. y metabolitos se producen mas/menos simultáneamente Metabolito Secundario Después de producidas las cels., el sustrato se convierte en un metabolito secundario durante un posterior crecimiento. Metabolito Secundario Después de producidas las cels., estas convierten el metabolito primario en uno secundario.

12 Características la producción de metabolitos secundarios 1. Solo lo forman relativamente pocos microorganismos 2. No son esenciales para el crecimiento y la reproducción 3. Muy dependiente del medio y condiciones de crecimiento. con frecuencia es reprimido. 4. Producción deestructuras t relacionadas (antibióticos) 5. Es posible obtener una superproducción de estos, contrario a lo que sucede con metabolitos primarios.

13 Metabolito secundario: 1. - Moléculas complejas 2. Requieren gran numero de reacciones 3. Derivan del metabolismo primario

14 Selección de Microorganismos para Microbiología Industrial y Biotecnología.

15 Ttld Total de especies estimadas y conocidas de diferentes grupos microbianos Porcentajes estimados de microorganismos cultivables en varios ambientes

16 Requerimientos Microorganismo Industrial 1. Genéticamente estable. 2. Alta velocidad de crecimiento. 3. Libre de contaminantes, incluidos fagos (cultivo axénico). 4. Requerimientos nutricionales simples y baratos. 5. Fácil conservación. 6. Fermentación en corto tiempo. 7. Temperatura optima de crecimiento alta. 8. Alto rendimiento y de fácil extracción del producto. 9. Inocuo para personas, animales y plantas. 10. Facilidad para obtención de células. 11. Susceptible de manipulación genética.

17 Aislamiento directo

18 Enriquecimiento Preparación de cultivos puros cuando los microorganismos estan presentes en muy bajo numero en una muestra: Métodos de plaqueo + uso de medios selectivos = enriquecer - aislar Ej. bacteria que degrada ácido 2,4- diclorofenoxiacetico(2,4-d). Medio con 2,4-D Dcomoúnica fuente de carbono Inoculado con muestra Incubación, Aislamiento / subcultivo en mismo medio Medio enriquecido en bacterias que degradan 2,4-D Plaqueo en agar 2,4-D Solamente bacterias capaces de utilizar 2,4-D forman colonias visibles y pueden ser subcultivadas.

19 Enriquecimiento Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad de crecimiento específico de 2 microorganismos.

20 Mantenimiento de los cultivos. Objetivos: 1. Preservar la pureza genética del cultivo sin pérdida de ninguna de sus propiedades bioquímicas. 2. Preservar los niveles de su productividad inicial. 3. Lograr que el cultivo pueda ser transportado y manejado con facilidad.

21 1. Subcultivos. Los métodos de preservación mas usados 2. Mantenimiento bajo capa de aceite Congelación (- 70 a 80 ºC), crioprotector. 5. Cultivos en tierra. 6. Preservación en celulosa. 7. Liofilización

22 Mejoramiento de Microorganismos Industriales. i) Selección natural: Mutaciones espontáneas varía entre 10-6 a10-9 mutaciones por genoma y por generación. ii) Mutación inducida tratamiento de la población con el mutágeno selección.

23 Agentes Mutagénicos Físicos: UV l = 200 a 300 nm ; t = 0,5 y 20 min % muerte 90 y 99,9%. Químicos: Ácido nitroso (HNO 2 ): transiciones, AT GC ; GC AT Análogos de base: Producen transiciones, como el 5-bromuracilo y la 2- aminopurina. N-metil-N'-nitro-N-nitrosoguanidina (NTG): es uno de los mutágenos más potentes, produciendo una alta tasa de mutación con bajo porcentaje de mortandad. d Requiere deunmanejo sumamente cuidadoso. d

24 Mutágenos estructurales: como la proflavina o naranja acridina que no son incorporados covalentemente al DNA, sino que actúan como agentes de intercalado en la estructura, promoviendo adiciones o escisiones durante la síntesis. Proflavina Naranja de acridina

25 Obtención de mutantes de X. dendrorhous para la producción de pigmentos mediante mutagénesis (NTG) wt

26 Recombinación genética. Reagrupar las potencialidades de distintas variantes con el objeto de seleccionar la mejor combinación de genes responsables de codificar la producción de determinado metabolito. 1977: Hopwood recombinación genética cualquier proceso que genere nuevas combinaciones de genes los cuales estaban originalmente en individuos diferentes. Parasexuales: procesos no meióticos i en células l vegetativas organismos procariontes y eucariontes. Virus intercambio material genético entre cepas heterogénicas Bacterias recombinación conjugación, transducción, y transformación.

27 Problemas y soluciones básicas mediante ingeniería metabólica Etapa limitante I1 I1 S I1 I1 I1 P I1 PN PN-I Producto no deseado S I1 I1 I1 P X Producto secundario deseado en baja cantidad S I1 I1 I1 P EP PSD Sustrato abundante pero no utilizable EE S1 S2 I1 I1 I1 P