Algunas aplicaciones de los microorganismos

Industria Alimentaria

Industria Qumica

Agricultura

Industria Farmacetica

Procesos AmbientalesBibliografa: Brock, Biologa de los microorganismos, 8va Ed. Hugo y Russell, Pharmaceutical Microbiology 6th Ed. 1998.

Cronologa del desarrollo de la BiotecnologaEra pre-Pasteur (anterior a 1865)Bebidas alcohlicas (cervezas, vinos)Productos lcteos (quesos, jogur)Vinagre

Era Pasteur (1865 - 1940)Fermentaciones Industriales (etanol, butanol, acetona, glicerol)Produccin de cidos orgnicos (actico, ctrico, lctico)

Era Antibitico(1940-1960)Produccin a gran escala de Ab Transformaciones esteroidales (cortisona, estrgenos)Era post-antibitico (1960-1975)Produccin de: Aminocidos, Enzimas industrialesEnzimas inmovilizadasProtena unicelular, Polisacridos

Era Biotecnologa Molecular (1975-presente)Tecnologa ADN recombinantePrimeros productos aparecen en el mercado en 1982 ( vacunas, insulina humana)

Microbiologa Industrial: objetivos

* Biomasa microbiana* Enzimas especficas* Metabolitos

Origen de las cepas industriales

* Colecciones de cultivos* Cepas nativas* Cepas con genes clonados

Propiedades de un microorganismo para uso industrialDisponible en cultivo puro Genticamente estable No patgeno y libre de toxinasCrecimiento rpido en cultivo en gran escala con alto rendimiento del producto deseadoDebe poder protegerse de la contaminacinCrecer en un medio de cultivo lquido y baratoFcil recuperacin del producto del medio de cultivo Susceptible a la manipulacin gentica

Dnde encuentramos micorroganismos con estas caractersticas?

Aislamiento de la naturaleza Maximizar la produccin:

Seleccin de variantes naturales

Seleccin de mutantes inducidas

Obtencin de recombinantes

Metabolitos primarios

Se producen durante la fase logartmica de crecimiento como producto del metabolismo, y son esenciales para la funcin del microorganismo (aa, c. pirvico, etanol, cido lctico ). La produccin neta se relaciona con el crecimiento y la cantidad de sustrato. TROFOFASE

Metabolitos secundariosSe producen en la fase temprana estacionaria de crecimiento y son productos finales de vas metablicas complejas. No son crticos para la funcin de los microorganismos (antibiticos, pigmentos, hormonas, vitaminas, etc). IDIOFASE

Cintica de produccin de metabolitoslog cells (o) lproduct (l) trofofase l idiofase o o o o lo l o l o l o l o o o l tiempo

Origen de metabolitos secundarios constituyente celular cidos nucleicosProtenasintermediariosPolisacridosNucletidosLpidosAminocidosEsterolesAzcares metabolitos secundariosAcetyl CoAPenicilinas, CefalosporinasTerpenosAb peptdicos, alcaloidesAb aminoglicsidos TetraciclinaGiberelinas

El objetivo en microbiologa industrial es producir:

biomasa microbiana

enzimas especficas

metabolitos

Productos microbianos

1.Enzimas: amilasas, glucosa isomerasa, proteasas.

2.Aditivos para alimentos: aa (fenilalanina en Nutrasweet, glutamato monosdico), vit. (B12, riboflavina)

3.Productos qumicos comunes: citrato, c. actico, etanol. Solventes industriales, alcoholes y acetona producidos por fermentacin.

4.Farmaceticos: Ab (penicilina, estreptomicina). Por ingeniera gentica las bacterias pueden producir insulina de uso humano.

5.Productos agrcolas: utilizacin de inoculantes de leguminosas y para silos. Control biolgico ej: Bacillus thuringensis

Tipo de cultivo a escala industrial

Cultivo en Batch

Cultivo Fed-Batch

Cultivo Continuo

Etapas del proceso aerobio a anaerobioPreparacin del medio de cultivoEsterilizacinPreparacin del inculoCrecimiento del microorganismo en el fermentadorExtraccin y purificacin Disposicin de efluentes

Cultivo stockMatraz de laboratorioFermentador inoculanteFermentador de ProduccinMedio esterilizadoPreparacin del medioBiomasaSobrenadante Extraccin del ProductoTratamiento de efluentesPurificacin del ProductoEnvasado

Procesos de inters Levaduras: panificacin, bebidas alcohlicas, etanol, vitaminas Iniciadores para la industria alimentaria: bacterias cido lcticas (BAL) Inoculantes para la fijacin de nitrgeno: Rhizobium, Bradyrhizobium, para control biolgico Pseudomonas, Thrichoderma harzianum) Proteinas unicelulares, de levaduras, bacterias Bioinsecticidas: Bacillus thuringensis Virus y bacterias para vacunas

Productos de fermentaciones

Metabolitos primariosEtanolAlcohol comnAlcohol para combustibleAlcohol de bebidas destiladasVinoCervezaSidraAcidos orgnicos

Ctrico: A. NigerPropinico: PropionibacteriumLctico: bacterias del cido lctico

Metabolitos primariosVinagreAcetobacter sp y GluconobacterSolventesAcetona y butanol: Clostridium acetobutilicumAminoacidosVitaminasB12PropionibacteriumRiboflavinaPolisacridosDextranosLeuconostocXantanosXanthomonas

Fermentaciones lctica y alcohlica

LactobacillusLeuconostoc Streptococcus

Principales estrategias aplicadas en la industria lctea

Utilizar el producto de un microorganismo que puede modificarse genticamente o no (EPS, sustancias antimicrobianas, bacteriocinas)

Utilizar organismos genticamente modificados (OGMs) como starters.

La industria de los fermentos lcticos busca permanentemente nuevas cepas para integrar a sus productos

Cepas nativas (estudiar posibilidades de uso industrial)Obtener mutantes espontneas por ej: resistencia a fagos.Modificacin de las cepas para aprovecharlas mejor en la industria.

Actividades importantes: actividad proteolticade las BAL capacidad de autlisis resistencia a fagos produccin de bacteriocinas produccin de compuestos aromticos y otras actividades enzimticas.

Sustancias con actividad antimicrobiana producidas por la BAL

1. Varios compuestos antimicrobianos como: cidos orgnicos, etanol, diacetilos, perxido de H (H2O2)

2. Bacteriocinas, son pptidos que inhiben a cepas relacionadas ( patgenas como Bacillus, Clostridium, Staphylococcus y Listeria)

Nisina producida por Lactococcus lactis de uso permitidoAcidofilina, producida por L. acidophilus. (contra E. Coli y Salmonella panama).

Otras propiedades producidos por BAL. (texturizantes naturales o EPS)

juegan un rol importante en evitar la separacin del agua (sinresis), por ej. Yogur

S. thermophilus LY03 se usa como cepa modelo de estudio, produce dos heteropolisacridos compuesto de glucosa y galactosa

Preparaciones comerciales de quimosina recombinantes

ADN de origenIsmero de quimosina m.o productorNombre comercialEstmago de terneroBKluyveromyces lactisMAXIRENEstmago de terneroBAspergillusnigerCHYMOGENBiosintticoA/CE. coliCHY-MAXPreparaciones comerciales a partir de Lactococcus lactis, Saccharomyces cereviseae y Bacillus se encuentran en desarrollo

ProbiticosSe definen como Alimentos suplementados con microorganismos viables que benefician al consumidor por mejoramiento del balance microbiano Criterios para seleccin de probiticos1) Seleccin por su habilidad de sobrevivir en el tracto gastrointestinal2) Produccin de sustancias antimicrobianas3) Bajo tg (alta vc), buena vida media4) No patgenas y con habilidad para estabilizar la microflora

Habilidad de sobrevivir a bajo pH y en la presencia de bilis

Produccin de levaduras

Son los microorganismos ms ampliamente utilizados en la industria

Importancia econmica a) biomasa celular ( para pan, cerveza, vino)b) componentes celulares (vitaminas, aa, )c) productos finales de la fermentacin (etanol, CO2)

El proceso de produccin de material celular es aerbico. El proceso de fermentacin alcohlica es anaerbico.

Fermentacin alcohlicaMOSTOGlucosa Fructosa (200g/l)pH = 3.0-3.8AnaerobiosisAcidos:tartrico y mlicoaa, NH4+, vitaminasVINOEtanol (11%)Azcares < 2g/lpH = 3.0-3.8Acidos =aa, NH4+, Vit.+ AROMAS

Fermentacin malolcticaVINO AEtanol (11%)pH = 3.0-3.8Acidos:tartrico y mlicoaa, NH4+, Vit. +AROMASVINO BEtanol (11%)pH 0.1-0.2 uAcidos: tartrico = mlico lcticoaa, NH4+, Vit.++ AROMAS

Bacilos G+, esporuladosEj. Bacillus Endosporas resistentes Son anaerobios facultativos Importancia: * B. anthracis patgeno a humanos y animales * B. subtilis y B. polymyxa productores de antibiticos * B. thuringiensis control biolgico de insectos. Biodegradadores, produccin de enzimas.

Otros ejemplos de aplicacin

Insecticida microbianosB. popillae y B. thuringiensisEsporulados, flagelos pertricosProducen toxinas y un cuerpo paraesporal: protena txica que en el intestino de los insectos produce parlisis de las larvas.Se utilizan como esporas muertas por calor en cultivos vegetales.

Bacilos G-Ej: Agrobacterium El gnero comprende organismos que producen tumores en vegetales. * A. tumefaciens posee un plsmido Ti responsable de la virulencia. * Se han construdo vectores de transferencia generalizado para plantas

Bacilos G-Rhizobium Mviles Poseen grnulos No forman esporas EPS (plsticos sintticos) Fijan N2 en simbiosis (FBN)

Bacilos G- Pseudomonas Importantes en suelos:* Denitrificacin (P. fluorescens, P. aeruginosa)* Enfermedades en plantas (P. syringae)* Enfermedades en animales* Biocontrol* Biodegradacin

ActinomicetesEj: StreptomycesG+, aerobios, producen geosminas (aroma a tierra mojada).*Producen antibiticos *Algunos son patgenos (podredumbre de la papa)

AntibiticosSon productos del metabolismo secundarioLa mayora de los comerciales son producidos por hongos ybacteriasSe conocen ms de 8000 sustancias antibiticas y cada ao se descubren cientos de nuevos productos

Produccin de antibiticos Deteccin de organismos productores (siembra de suspensiones de suelo en medios slidos: colonias con halos de inhibicin)

Mtodos de extraccin y purificacin eficientes y obtencin de un producto cristalino de elevada pureza

Acabar con un producto nico en alta concentracin

Determinar el espectro de accin (microorganismos sensibles)

Clostridium , G+ Endosporas Comn en suelos Producen poderosas toxinas. Causantes de ttanos, botulismo, gangrena gaseosa. Se usan para producir butanol por fermentacin. Algunos fijan N2

Dosificaciones:

Dosificacin de antibiticosDosificacin de vitaminas y aminocidos

Biosensores

Usos de microorganismos y sus productos en bioensayos

ALIMENTO

MICRORGANISMO

Cafe

Bacteria y levadura

Mandioca (Gari)

Bacteria y hongo

Mandioca: (Peujeum)

Muchos hongos

Maiz (Kenkey)

Dos hongos, una levadura y una bacyeria

Maiz (Ogi)

Dos bacterias y una levadura

Soya (Miso)

Un hongo y una levadura

Soya y trigo (Soy Sauce)

Hongos, bacterias y levaduras

Soybeans (Sufu)

Hongo

Soya(Tao-si)

Hongo

Soya(Tempeh)

Dos hongos

Peanuts (Ontjom)

Hongo

Carne de Tiburn descompuesta(rot)

Se entierra hasta que esta pronta (Islandia)

Uso de microorganismos para remocin de metales pesados de suelos y aguas

* Bacterias como: Ralstonia eutropha y Ps. mendocina, son resistentes a los metales pesados por la presencia de un sistema de eflujo eficiente* Algunas promueven la bioprecipitacin ej: biomineralizacin y/o cristalizacin por pp de metales en la superficie celular.* Este fenmeno se puede deber a la sntesis y secrecin de exopolmeros (EPS, protenas).* Contienen plsmidos de resistencia a Cd, Co, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni y Zn

**** el tratamiento de suelos y efluentes contaminados es una de las aplicaciones potenciales de este tipo de microorganismos