BIOCONVERSIÓN

Producción de cortisona utilizando un microorganismo

Productos de la microbiología Industrial

Bioconversión

Producto(bioconversiónde esteroides)

Sustrato

Productos de las Células

Enzimas(Glucosa

Isomerasa)

Antibióticos(Penicilina)

AditivosAlimenticios

(aminoácidos)

Alcohol

ProductosQuímicos

(ácido cítrico)

Células

Levadura

Bioquímica y Microbiología Industrial 2º de Bioquímica Universidad de Zaragoza

Metabolitos Primarios y Secundarios

Sustrato decrecimiento

MetabolitoPrimario

Células

Las células y el metabolito se producen más o menos simultáneamente

Sustrato decrecimiento

MetabolitoPrimario

Células

MetabolitoSecundario

Después de producidas las células y el metabolito primario, las células convierten el metabolito primario en uno secundario

Sustrato decrecimiento

MetabolitoPrimario

Células

MetabolitoSecundario

Después de producidas las células el sustrato se convierte en un metabolito secundario durante un posterior crecimiento

• Específicos de un grupo de organismos• No esenciales para el crecimiento • Dependiente de las condiciones de crecimiento• Producidos como grupo de estructuras relacionadas:

¯ Una cepa de Streptomyces produce 32 antibióticos distintos del tipo antraciclina

• Puede obtenerse una superproducción espectacular

Características de los metabolitos secundarios

Diferencias entre metabolismo primario y secundario

Azúcar

Células

Alcohol

Formación de alcohola partir de azucar por la levadura

AzúcarCélulas

Penicilina

Trofofase Idiofase

Formación de penicilina por elhongo Penicillium chrysogenum

Vía metabólica primaria para la síntesis de aminoácidos aromáticos y metabolitos secundarios

con anillos aromáticosGlucosa

Eritrosa Fosfoenol-piruvato

3-Desoli-7-fosfoD-arabinoheptulosonato

Ácido shikímico

Ácido corísmico

Ácido prefénico

Ácidoantranílico

CandicidinaNistatina

Cloranfenicol

AnsamicinaRifamicina

Nocardicina

FenilalaninaPolimixina Tirosina Novobiocina

Triptófano

Actinomicina

Piocianina

Metabolitoprimario

Metabolitosecundario

Relaciones entre metabolitos primarios y secundarios

Glucosa (C6)

Triosa (C3)

Piruvato (C3)

Acetato (C2)

Pentosa (C5)

Citrato (C6)

a-cetoglutarato (C5)

Oxalacetato (C4)

CO2CO2

Tetrosa (C4)

Ácido glutámico (C5N)

Sikimato (C7)

Metabolitos secundariosaromáticos

Aminoaácidos aromáticos

Alanina (C3N)

Malonato (C3)

CO2

CO2

Policétidos (nC2)

Ácidos grasos (nC2)

Metabolitossecundarios

Metabolitossecundarios

CO2

Mevalonato (C6) Pirofosfato de isopentenilo (C5)

CO2

Terpenos/Esteroides (nC5)

Valina (C5N)

Serina (C3N)

Ácido kójicoSacáridosGlucósidos

Glicocola (C3N)

C1-pool

PenicilinaCefalosporinaTetraciclinaEstreptomicinaGriseofulvinaActinomicinaPepstatinaciclosporina AKrestinaBestatinaGibberelina

AntibióticoAntibióticoAntibióticoAntibióticoAntibiótico (antifúngico)AntitumoralTratamientos antiulcerososInmunosupresorTratamiento del cáncerTratamiento del cáncerRegulador del crecimiento vegetal

Metabolito secundario Utilidad comercial

Metabolitos microbianos secundarios comercializados

PenicilinaActinomicinaNeomicinaEstroptomicinaCandicidinaEstreptomicinaTetraciclinaPenicilina

GlucosaGlucosaGlucosaGlucosaFosfatoFosfatoFosfatoFuentes de nitrógeno

Componente del medio Metabolito secudario reprimido

Represión del metabolismo secundario por componentes del medio

METABOLITOS PRIMARIOS

VITAMINAS, AMINOACIDOS Y OTROS PRODUCTOS

ORGÁNICOS

Uso de las vitaminas

• Suplemento alimentario para personas y animales

• 2º fármaco más vendido (1.000 millones año)

• La mayoría se producen por síntesis química

• La cobalamina y la riboflavina por fermentación

Vitaminas de producidas por fermentación

Cobalamina (Vitamina B12) Riboflavina(Vitamina B2)

Función de la cobalamina

• La sintetizan exclusivamente los microorganismos.

• Cofactor en enzimas:– Dioldeshidratasa– Etanol amonio-liasa– L-ß-lisina mutasa– D--lisna mutasa– Ornitina mutasa– Glutamanto mutasa– Metil CoA mutasa– Ribonucleótido reductasa– -metilenglutarato mutasa

HX

C C

H X

C C

Producción comercial

Cobalamina• 1948 de hígado

• Actualmente por fermentación

• Propionibacterium (19-23 mg/l)

• Pseudomonas dinitrificans (60 mg/l)

• Fuente de carbono molasas de remolacha y suplementada con cobalto.

Deficiencia de Cobalamina:Anemia Perniciosa

• Personas mayores de 60 años; ocasionalmente en niños• Antes de 1926 incurable y fatal• Por absorción defectuosa de la vitamina• Síntomas en vegetarianos estrictos• Células rojas anormalmente grandes, inmaduras, frágiles y en bajo

número (1 a 3 millones/ml)• Médula ósea: mitosis y replicación del DNA suspendidos• Mucosa gástrica: suspendida la secreción de HCl• SNC: desmielinización, ataxia y síntomas psicóticos• Tratamiento: inyección intramuscular de 3 a 6 µgr de cobalamina y

dosis de mantenimiento de 1 mg

Producción comercial

Riboflavina• Cofactor FAD, FMN

• Sintetizada por muchos microorganismos: bacterias, levaduras y hongos

• Ashbya gossypii : 7g/l

• La síntesis química esta alcanzando a la microbiana

Aminoácidos de uso industrial

L-glutamatoL-aspartato y alaninaGlicinaL-cysteina

L-triptófano+L-histidina

Aspartame(a partir deL-fenilalania+L-aspártico)L-lisina

DL-Metionina

Aminoácido Producción aualen el mundo (Tm)

Aminoácidos utilizados en la industria alimentaria

Usos

Reforzar el sabor, ablandador de la carneEnriquecer el saborMejora del sabor, Partida para síntesis orgánicasMejora calidadAntioxidanteAntioxidante, evita enranciado; aditivo nutritivo

Edulcorante bajo en calorias

Aditivo nutritivoAditivo nutritivoAditivo nutritivoAditivo nutritivo

Finalidad

370.0005.0006.000

700

400

7.000

70.000

70.000

Varios alimentosZumos de frutasAlimentos edulcoradosPanZumosVarios alimentosLeche en polvoBebidas refrescantes

Pan (Japón).PiensosProductos de la soja yPiensos.

Producción de aminoácidos

• La mayoría de los aminoácidos pueden fabricarse químicamente.

• La síntesis química da como resultado la forma de mezclas ópticamente inactivas de las formas D y L.

• La producción microbiológica puede ser por fermentación directa, o por síntesis enzimática.

Producción de Lisina

• Brevibacterium flavium

• Regulada por retroalimentación

• Los mutantes desregulados producen hasta 60 gr/litro

Regulación de la síntesis de lisina por retroalimentación

Producción de Ácido Glutámico

• Corynebacterium glutamicum• La biotina es un cofactor esencial en la biosínteis

de los ácidos grasos. • Su deficiencia conduce a un daño en la membrana.• Como consecuencia el ácido glutámico es

secretado al medio.• El crecimiento del corynebacterium glutamicum:

– Medio de crecimiento con mucha biotina– Medio deficiente en biotina provoca la excreción del

aminoácido.

Producción de compuestos orgánicos• Ácido cítrico:

– Alimentos y bebidas• Ácido itacónico:

– Resinas acrílicas• Ácido glucónico:

– Tratamiento de deficiencias de calcio (gluconato cálcico)– Agente de lavado y suavizante

• Sorbosa:– Para la fabricación de ácido ascórbico– Sorbosa ----(acetobacter)------>Sorbitol---->----> Vitamina C

• Giberlina:– Hormona vegetal del crecimiento producida por hongos

• Dihidroxiacetona:– Bronceador: Glicerol---(acetobacter)---->Dihidroxiacetona

• Dextrano:– Prolonga la duración del plasma. Reactivo químico

• Ácido láctico:– Alimentos, para acidificar alimentos y bebidas.

• Acetona y butanol:– Antes por fermentación con Clostridium acetobutilicum, pero ahora se preparan por síntesis

química.

Producción de ácido Cítrico

• Producido microbiológicamente por fermentación:– Aspergillus niger

• La fermentación se realiza aeróbicamente.• La condición fundamental pare tener un gran rendimiento es que le

medio sea deficiente en hierro.• El ácido cítrico es superproducido como agente quelante para

apoderarse del hierro.

Producción de ácido Cítrico

• Fuente de carbohidratos:– Almidón de patata– Hidrolizados de almidón– Jarabe glucosa – Jarabe o molasas de caña de

azúcar o remolacha azucarera

• La fermentación se realiza aeróbicamente: procesos en superficie o sumergidos. Fue la primera fermentación aeróbica industrial.

• El ácido cítrico se produce como un típico metabolito secundario