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MicrobiologíaMicrobiología

Industrial

Dr. Marcelo Baeza Cancino

Microbiología Industrial

La microbiología industrial y la biotecnología involucran el uso de

microorganismos para lograr metas específicas, creando nuevos productos con

E di d d ll d l i i i

valor monetario o mejorando el ambiente.

Estudio de todos aquellos aspectos de los microorganismos que tienen

una aplicación industrial:

i) Transformación de productos empleados en la alimentacióni) Transformación de productos empleados en la alimentación.

ii) Producción de sustancias: antibióticos, vitaminas, enzimas, así como

en la obtención de masa microbiana (proteína unicelular vacunasen la obtención de masa microbiana (proteína unicelular, vacunas,

fertilizantes microbianos, biopesticidas).

Desarrollo Histórico

Empírico(El arte de la fermentación) Científico

Ingeniería Genética

1973: transferencia deinformación genética de

L i i

información genética deun organismo a otro.

Los microorganismos proporcionaron alimentos y

bebidas durante más de 8000 años, sin que se tuviera noción

d i t i

La fermentación pasa de ser un arte (resultados

imprevisibles) a ser una ciencia

Capacidad para crear(más que aislar) cepas“SUPERPRODUCTORAS”.

de su existencia. a ser una ciencia (resultados previsibles).

Fermentación: una palabra con muchos significados para losb lmicrobiólogos.

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 O2.

4. Descomposición de alimentos.

5 Producción de bebidas alcohólicas5. Producción de bebidas alcohólicas.

Tipos de fermentaciones de varios microorganismos.

Tipo de fermentación

Productos Organismos

Alcohólica Etanol + CO2 Levadura (Saccharomyces)

Acido láctico Acido láctico Bacterias del ácido láctico (Streptococcus, lactobacillus, etc)

Acido mixto Acido láctico, ácido acético, etanol, CO2, H2

Bacterias entéricas (Escherichia, Salmonella)

Butanediol Butanediol, ácido láctico, ácido acético, etanol CO H

Bacterias entéricas (Aerobacter, Serratia)etanol, CO2, H2 Serratia)

Acido buritico Acido burítico, ácido acético, CO2, H2 Algunos clostridios (Clostridium butyricum)

Acetona – butanol Acetona, butanol, etanol Algunos clostridios (ClostridiumAcetona butanol Acetona, butanol, etanol Algunos clostridios (Clostridium acetobutylicum)

Acido propiónico Acido propiónico Propionibacterium

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 servivo crecer.Mientras mas complejo sea el ser vivo, mayor requerimiento para crecer menor

De ahí que siempre que se puede se utilizan microorganismos No obstante existen una serie

Mientras mas complejo sea el ser vivo, mayor requerimiento para crecer menorrendimiento del producto deseado.

De ahí que siempre que se puede se utilizan microorganismos. No obstante existen una seriede productos que no pueden ser sintetizados por los microorganismos se recurre primeroa las plantas y sino a los animales.

Obtención de productos

i d i l

1°. Síntesis química

2°. Microorganismos

industriales 3°. Plantas

4°. Animales

MicrobiologíaMicrobiología Industrial

BienesBienesServicios

alimentos, bebidas, productos

medicinales, etc.,purificación; tratamiento, , tratamiento

(tabla 1 guía)( g )

Productos de interés industrial

Las células microbianaspropiamente tal.

1

Levaduras para panadería o industria cervecera.

2

Conversiones biológicas: conversión de uncompuesto en otro estructuralmenterelacionado por intervención de uno orelacionado por intervención de uno ovarias enzimas aportados por las células.

3Productos

derivados de Macromoléculas que sintetizan (enzimas).

d d b li

3las células

Productos de su metabolismo:

Primario compuestos esenciales para su crecimiento

Enzimas(glucosa Químicos esenciales para su crecimiento.

Secundario compuestos no esenciales para su desarrollo

)(glucosa

isomerasa)Químicos

(ácido cítrico)

esenciales para su desarrolloAntibióticos(ampicilina) Alcoholes

(etanol)

Aditivos alimentos(aminoácidos)(aminoácidos)

Tipos de metabolitos

Metabolito Primario

Idiofase

Trofofase

Metabolito Secundario

Tipos de metabolitos

Sustrato de crecimiento

Sustrato de crecimiento

Sustrato de crecimiento

Células CélulasMetabolito

Células

Metabolito Primario

PrimarioMetabolito Primario

Las cels. y metabolitos se producen mas/menos

simultáneamente Metabolito

Metabolito Secundario

Metabolito Secundario

Después de producidas lascels estas convierten el

Después de producidas las cels., elsustrato se convierte en unmetabolito secundario durante un cels., estas convierten el

metabolito primario en unosecundario.

posterior crecimiento.

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 crecimiento3. Muy dependiente del medio y condiciones de crecimiento.

con frecuencia es reprimido.

4 P d ió d t t l i d ( tibióti )4. Producción de estructuras relacionadas (antibióticos)

5. Es posible obtener una superproducción de estos, contrario a

lo que sucede con metabolitos primarios.

Metabolito secundario:

1. - Moléculas complejas

2 Requieren gran numero de2. Requieren gran numero de reacciones

3. Derivan del metabolismo primario

Selección de Microorganismos

para

Microbiología Industrial

y

Biotecnología. g

T t l d i ti dTotal de especies estimadas y conocidas de diferentes

grupos microbianos

Porcentajes estimados de microorganismos

cultivables en varios ambientescultivables en varios ambientes

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.

Aislamiento directo

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 como única fuente de carbonoMedio con 2,4-D como única 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.

Enriquecimiento

Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad decrecimiento específico de 2 microorganismos.

Mantenimiento de los cultivos.

Objetivos:j

1. Preservar la pureza genética del cultivo sin pérdida deninguna de sus propiedades bioquímicasninguna de sus propiedades bioquímicas.

2. Preservar los niveles de su productividad inicial.

3. Lograr que el cultivo pueda ser transportado y manejadocon facilidad.

Los métodos de preservación mas usados

1. Subcultivos.

2. Mantenimiento bajo capa de aceite.33.4. Congelación (- 70 a 80 ºC), crioprotector.

5 Cultivos en tierra5. Cultivos en tierra.

6. Preservación en celulosa.

7. Liofilización

Mejoramiento de Microorganismos Industriales.

i) Selección natural: Mutaciones espontáneas varía entre 10-6 a 10-9) pmutaciones por genoma y por generación.

tratamiento de la población con el mutágeno

ii) Mutación inducida

selección.

Agentes Mutagénicos

Físicos:

UV l = 200 a 300 nm ; t = 0,5 y 20 min % muerte 90 y 99,9%.

Q í iQuímicos:

Ácido nitroso (HNO2): transiciones, AT GC ; GC AT

Análogos de base: Producen transiciones, como el 5-bromuracilo y la 2-aminopurina.aminopurina.

N-metil-N'-nitro-N-nitrosoguanidina (NTG): es uno de los mutágenos máspotentes, produciendo una alta tasa de mutación con bajo porcentaje de

t d d R i d j t id dmortandad. Requiere de un manejo sumamente cuidadoso.

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

Proflavina

Naranja de acridina

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

wt

Recombinación genéticaRecombinación genética.

Reagrupar las potencialidades de distintas variantes con el objeto deseleccionar la mejor combinación de genes responsables de codificar laj g pproducción de determinado metabolito.

1977: Hopwood recombinación genética cualquier proceso quegenere nuevas combinaciones de genes los cuales estaban originalmenteen individuos diferentes.

P l ió i él l iParasexuales: procesos no meióticos en células vegetativas organismos procariontes y eucariontes.

Virus intercambio material genético entre cepas heterogénicasVirus intercambio material genético entre cepas heterogénicas

Bacterias recombinación conjugación, transducción, ytransformacióntransformación.

I1

I1 I1

Problemas y soluciones básicas mediante ingeniería metabólica

S I1 I1 I1 PEtapa limitante

S I1 I1 I1 P

PN PN-I

XProducto no S I1 I1 I1 Pdeseado

PSD

P d t d iEP

S I1 I1 I1 P

Producto secundario deseado en baja

cantidad

S1Sustrato

abundante S2 I1 I1 I1 Ppero no

utilizableEE