micro industria 2013
TRANSCRIPT
MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL
CRONOGRAMA: APLICACIÓN MICROORGANISMOS
ü Hasta 1900: Era pre-Pasteur (bebidas alcohólicas, productos lácteos, vinagre)
ü 1900 – 1940: Era Pasteur ü Fermentaciones industriales (etanol, butanol, acetona) ü Producción ácidos orgánicos (acético, cítrico, láctico) ü 1940-1960: Era antibiótico ü producción antibióticos ü 1960-1975: Era post-antibiótico ü Producción de a,a., enzimas ü 1975- presente: Era Biotecnología molecular ü Tecnología de ADNA recombinante ü Productos en mercado: insulina humana, vacunas
APLICACIONES DE LOS MICROORGANISMOS Y SISTEMAS O PROCESOS BIOLOGICOS EN LA INDUSTRIA
DNA RECOMBINANTE INGENIERIA GENETICA
Manipulación de organismos para la obtención de productos biológicos deseados:
• Sustancias químicas • Enzimas • Vacunas • Hormonas, anticuerpos,
factores sanguineos
ENZIMAS Y BIOCATALIZADORES
• Elaboración de alimentos • Equipos de diagnóstico • Biosensores • Quimioterapia • Sustancias químicas
TRATAMIENTO Y UTILIZACIÓN DE RESIDUOS
• Detoxificación • Uso de subproductos • Aguas residuales
INGENIERÍA DE PROCESOS • Recolección, pretratamieto, filtración • Reactores nuevos • Recuperación de catalizadores/microorganismos • Extracción de productos • Reciclado de aguas • Efluentes
INTERFERONES Y ANTICUERPOS MONOCLONALES
• Diagnóstico • Tratamiento
COMBUSTIBLES • Alchohol (azucr de caña) • Metano (digestores de biomasa) • Hidrógeno (fotolisis)
FIJACIÓN DE NITRÓGENO • Reducción de uso de fertilizantes • N atmosférico a amoníaco
FERMENTADORES TRADICIONALES • Alcohol • Antibióticos • Sustancias químicas
CULTIVOS DE CÉLULAS VEGETALES Y PROTEÍNAS UNICELULARES
• Producción de Biomasa • Sustancias químicas: esteroide, alcaloides • Proteínas
Tecnología microbiana tradicional: § Fermentaciones alcohólicas § Producción de productos
farmacéuticos , aditivos alimentarios, enzimas y sustancias químicas industriales
§ Biorremediación
Tecnología microbiana con organismos alterados mediante procesos de ingeniería genética: § Fabricación de hormonas § Moduladores del sistema
inmune § Vacunas
El microorganismo es modificado antes de ingresar a la industria: se altera genéticamente por mutación o por recombinación
Microorganismos industriales son especialistas metabólicos capaces de producir específicamente y con un alto rendimiento, metabolitos particulares
La fuente de todas las cepas industriales es el ambiente natural Las cepas industriales se depositan en colecciones de cultivos que sirven como almacén
CEPAS INDUSTRIALES
1. Cultivo axénico 2. Estable 3. Fácil de inocular (esporas) 4. Crecimiento Rápido 5. Rápida producción del compuesto deseado 6. Capaz de crecer en cultivo líquido y barato
• Licor de maceración de maíz, suero 7. No tóxico ni patógeno 8. Fácil eliminación de las células del medio:
• Tamaño de célula grande o formadores de agregados celulares
9. Susceptibles de manipulación genética
PROPIEDADES DE LOS MICROORGANISMO
PRODUCTOS DE LA MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL Bioconversión
Producto (bioconversión de esteroides)
Sustrato
Productos de las Células
Enzimas (Glucosa
Isomerasa) Antibióticos (Penicilina)
Aditivos Alimenticios
(aminoácidos)
Alcohol Productos Químicos
(ácido cítrico)
Células
Levadura
LA LEVADURA COMO PRODUCTO INDUSTRIAL
BIOCONVERSIÓN
Producción de cortisona utilizando un microorganismo
CRECIMIENTO Y FORMACIÓN DE PRODUCTOS INDUSTRIALES
Sustrato para el crecimiento
Células Metabolito primario
Sustrato para el crecimiento
Células
Metabolito primario
Metabolito secundario
Sustrato para el crecimiento
Células
Metabolito primario
Metabolito Secundario
• Específicos de un grupo de organismos • No esenciales para el crecimiento • Dependiente de las condiciones decrecimiento • 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
Staphylococcus
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
CLASIFICACIÓN DE LOS PRODUCTOS INDUSTRIALES SEGÚN SU USO:
Productos farmacéuticos de origen microbiano Biotecnología microbiana en agricultura Sustancias químicas y aditivos alimentarios Productos químicos comerciales y producción de energía Biorremediación
PRODUCTOS FARMACÉUTICOS DE ORIGEN MICROBIANO
ü Antibióticos ü Hormonas esteroides ü Insulina ü Hormona del crecimiento ü Linfocinas ü Péptidos neuroactivos ü Factores de coagulación sanguínea ü Activador del plasminógeno tisular ü Vacunas ü Anticuerpos monoclonales para diagnóstico y terapia
Productos farmacéuticos veterinarios de origen microbiano Inóculos radiculares Ingeniería genética de plantas mediada por microorganismos como portadores genéticos
BIOTECNOLOGÍA MICROBIANA EN AGRICULTURA
SUSTANCIAS QUÍMICAS Y ADITIVOS ALIMENTARIOS
Sustancias especiales y aditivos alimentarios: Aminoácidos: § Glutamato: potenciar el sabor § Aspartato+alanina: modular el sabor de jugos de frutas § glicina: mejorar el sabor de alimentos dulces § Aspartame: endulzar § Lisina y metionina: aditivos nutrivos § Cisteína antioxidante de jugos de frurtas § Triptofano + histidina: evita la rancidez de los alimentos
Vitaminas: rivoflavina, vitamina B12, vitamina C
PRODUCTOS QUÍMICOS COMERCIALES Y PRODUCCIÓN DE ENERGÍA
Productos químicos comerciales de estructura sencilla y bajo valor monetarios Etanol (combustible para motores) Ácido acético Ácido láctico Glicerol
CLASES DE PRODUCTOS INDUSTRIALES
Metabolitos microbianos Alcohol Ácido acético Ácido láctico Aminoácidos Vitaminas Antibióticos Esteroides Alcaloides
Células microbianas Proteína unicelular: levaduras, algas, bacterias y hongos Células para la inoculación:bacterias fijadoras de nitrógeno, micorrizas, inóculos para la fermentación de lácteos y embutidos
Enzimas Digestión de almidones, lípidos y proteínas Síntesis de antibióticos semisintéticos
PRODUCCIÓN DE PRODUCTOS DE MAMÍFEROS POR MICROORGANISMOS MODIFICADOS POR INGENIERÍA GENÉTICA
Desarrollo de un proceso biotecnológico: Si el gen o los genes que codifican para la producción de una proteína de mamífero se pueden clonar dentro de un microorganismo Si se obtiene una buena expresión de este gen
PRODUCTOS BIOTECNOLÓGICOS FABRICADOS POR DNA RECOMBINANTE
Proteínas de sangre para: § Disolver coágulos § Promover la coagulación sanguínea § Desarrollar glóbulos rojos
Hormonas para: § Tratamiento de diabetes § Regulación del calcio § Alivio del dolor § Osteoporosis § Diuréticos y antihipertensivos
Moduladores inmunes: § Estimulantes de las células T § Activador de células B § Agentes antivirales, anticancerígenos,
antitumorales, antiinflamatorios § Tratamiento de infecciones
Vacunas: § Prevención de infección § Hepatitis B § Sarampión § Cólera § Rabia § Sida (no en el mercado, sólo en experimentación)
Antícuerpos monoclonales: § Proteínas específicas que reconocen y se fijan a un
solo antígeno § Tratamiento de cáncer, deshacerse de sustancias
químicas tóxicas de las células tumorales § Tratamiento de enfermedades cardíacas: destruir
coágulos de sangre catalizados por plaquetas § Diagnóstico clínico: embarazo y enfermedades
humanas y animales No todos los productos están en el mercado
PRINCIPALES PRODUCTOS
300,000 30,000 2000 1000
Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum
Aminoacidos Acido glutamico Lisina Fenilalanina arginina
250,000 50,000 50,000
Aspergillus niger Aspergillus niger Lactobacillus delbrueckii
Acidos organicos Acido citrico Acido gluconico Acido lactico
500,000 50,000
Levaduras y bacterias lacticas Candida utilis
Biomasa Starters para alimentos Proteina unicelular
20 millones 2000
Saccharomyces cerevisiae Clostridium acetobutylicum
Solventes Etanol Acetona/butanol
PRODUCCION (Ton/año)
ORGANISMO
PRODUCTO
< 0.1
Corynebacterium diphteriae Clostridium tetani Bordetella pertussis Virus atenuado crecido en riñon de mono o celulas diploides humanas Idem anterior Antigenos de superficie expresados en levadura
Vacunas Difteria Tetanos Pertussis Polio Rubéola Hepatitis B
5 Claviceps paspali
Alcaloides del ergot
10
Propionibacterium shermanii Eremothecium ashbyii
Vitaminas B12 Riboflavina
600 500 500 500 100 50 50
Bacillus spp Bacillus amyloliquefasciens Aspergillus niger Bacillus coagulans Aspergillus niger Mucor o levaduras recombinantes
Enzimas Proteasas Alfa-Amilasas Glucoa-amilasa Glucosa isomerasa Pectinasa Renina otras
PRODUCCION (Ton/año)
ORGANISMO
PRODUCTO
< 0.1
Bacillus thuringiensis
Insecticidas Esporas bacterianas
80,000 15,000 15,000 10,000 2,000 1,000
Penicillum chrysogenum Cephalosporium acremonium Streptomyces aureofaciens Streptomyces erythreus Bacillus brevis Streptomyces griseus Penicillum griseofulvum
Antibioticos Penicilinas Cefalosporinas Tetraciclinas Macrolidos (eritromicina) Polipeptidicos (gramicidina) Aminoglicosidos (estreptomicina) Aromáticos (griseofulvina)
< 0..01 Celulas de hibridoma Anticuerpos monoclonales
< 0.1
E. coli recombinante E. coli recombinante o celulas de mamífero recombinante celulas de mamífero recombinante celulas de mamífero recombinante E. coli recombinante
Proteinas de uso terapéutico Insulina Hormona de crecimiento Eritropoyetina FactorVIII-C Activador del plasminogeno Interferon alfa2
< 0.1
Lithospermum (plantas) Levaduras
Pigmentos Shikoninas Beta-carotenos
PRODUCCION (Ton/año)
ORGANISMO
PRODUCTO
VENTAJAS DE LOS MICROORGANISMOS COMO UNIDADES DE PRODUCCIÓN § Rápido crecimiento debido a la favorable relación área/ volumen § Diversidad metabólica § Estabilidad genética
§ Crecimiento en gran escala y separación fácil de productos y sustratos
* Adaptabilidad a distintos ambientes y condiciones de crecimiento (sustratos
sólidos, líquidos, frascos, fermentadores)
Incrementar la productividad
* Facilidad de manipulación genética Modificar los productos finales
SELECCIÓN DE M.O. DE INTERÉS INDUSTRIAL • Cepa genéticamente estable
• Velocidad de crecimiento alta
• Libre de contaminantes: fagos
• Requerimientos nutricionales: medios cultivos de costo reducido
• Fácil conservación por largos períodos de tiempo
• Proceso fermentativo en corto tiempo
• Producto: alto rendimiento y fácil extracción
LOS MICROORGANISMOS PUEDEN EMPLEARSE COMO : Productores de metabolitos primarios y secundarios
Productores de biomasa y sus constituyentes (Proteínas y
aminoacidos, Vitaminas, ácidos Nucleicos, Polímeros de H de C y
esteres, Biomasa)
Huéspedes para la expresión de genes homólogos y heterólogos
Unidades de Biotransformación
Uso de microorganismos en biotransformaciones
Reacciones Quimicas realizadas por microorganismos:
Oxidaciones
Reducciones
Reacciones hidrolíticas
¿PORQUÉ LOS METALES SON TÓXICOS?
• Los mecanismos de toxicidad son el resultado de una fuerte capacidad de coordinación con los ligandos presentes en la célula
• Los compuestos catiónicos se unen a grupos SH : Inhibición de enzimas
• Pueden interferir con iones de importancia fisiológica : Cd 2+ con Zn 2+ , Ni y Co con Fe, Zn con Mg
• Oxianiones (cromato, arseniato) interferencia con sulfato y fosfato
Efecto del arsénico sobre la salud humana
http://dermis.multimedica.de/doia/image.asp?zugr=d&lang=s&cd=43&nr=40&diagnr=757335
ACCIÓN DE LA ROXARSONA
Wershaw y col., 1999 ; Christen, 2001; Cortinas y col., 2006; Stolz y col., 2007
Reducción de NO2
Ácido 4-hidroxi-3-amino fenil arsénico (HAPA)
Desaminación
Ácido 4-hidroxifenil arsénico
Fisión del anillo aromático
Clivaje de enlace C-As
Arsenito (As (III))
Arseniato (As (V))
Roxarsona
Roxarsona + Consorcio bacteriano anaeróbico
83.3% Degradación Longitud de onda nm
Área bajo la curva: 123.970 nm
Área bajo la curva: 21.910nm
DEGRADACIÓN DE ROXARSONA