La microbiología industrial es una rama de la biotecnología que aplica las ciencias microbianas para crear productos industriales en cantidades masivas, a menudo utilizando fábricas de células microbianas . Hay varias formas de manipular un microorganismo para aumentar el rendimiento máximo del producto. La introducción de mutaciones en un organismo se puede lograr introduciéndolas en mutágenos. Otra forma de aumentar la producción es mediante la amplificación de genes, esto se realiza mediante el uso de plásmidos y vectores. Los plásmidos y / o vectores se utilizan para incorporar múltiples copias de un gen específico que permitiría que se produjeran más enzimas que eventualmente provocan un mayor rendimiento del producto. [1]La manipulación de organismos para producir un producto específico tiene muchas aplicaciones en el mundo real, como la producción de algunos antibióticos, vitaminas, enzimas, aminoácidos, disolventes, alcohol y productos de uso diario. Los microorganismos juegan un papel importante en la industria, con múltiples formas de utilizarse. Desde el punto de vista médico, los microbios se pueden utilizar para crear antibióticos con el fin de tratarlos. Los microbios también se pueden utilizar para la industria alimentaria. Los microbios son muy útiles para crear algunos de los productos producidos en masa que consumen las personas. La industria química también utiliza microorganismos para sintetizar aminoácidos y disolventes orgánicos. Los microbios también se pueden utilizar en una aplicación agrícola para su uso como biopesticida en lugar de utilizar productos químicos peligrosos o inoculantes para ayudar a la proliferación de plantas.
Aplicación médica
La aplicación médica a la microbiología industrial es la producción de nuevos fármacos sintetizados en un organismo específico con fines médicos. La producción de antibióticos es necesaria para el tratamiento de muchas infecciones bacterianas. Algunos antibióticos y precursores naturales se producen mediante un proceso llamado fermentación . Los microorganismos crecen en un medio líquido donde se controla el tamaño de la población para obtener la mayor cantidad de producto. En este ambiente se controlan también los nutrientes, el pH, la temperatura y el oxígeno para maximizar la cantidad de células y hacer que no mueran antes de la producción del antibiótico de interés. Una vez que se produce el antibiótico, debe extraerse para generar ingresos.
Las vitaminas también se producen en cantidades masivas ya sea por fermentación o biotransformación . [2] La vitamina B 2 (riboflavina), por ejemplo, se produce en ambos sentidos. La biotransformación se utiliza principalmente para la producción de riboflavina, y el material de partida de la fuente de carbono para esta reacción es la glucosa. Hay algunas cepas de microorganismos que se diseñaron para aumentar el rendimiento de la riboflavina producida. El organismo más común utilizado para esta reacción es Ashbya gossypii . El proceso de fermentación es otra forma común de producir riboflavina. El organismo más común utilizado para la producción de riboflavina por fermentación es Eremothecium ashbyii . Una vez que se produce la riboflavina, debe extraerse del caldo, esto se hace calentando las células durante un cierto período de tiempo, y luego las células se pueden filtrar y sacar de la solución. Posteriormente, la riboflavina se purifica y se libera como producto final. [3]
La biotransformación microbiana se puede utilizar para producir medicamentos esteroides. Los esteroides se pueden consumir por vía oral o por inyección. Los esteroides juegan un papel importante en el control de la artritis. La cortisona es un fármaco antiinflamatorio que combate la artritis y varias enfermedades de la piel. [ cita requerida ] Otro esteroide utilizado es la testosterona, que se produjo a partir de la dehidroepiandrosterona mediante el uso de la especie Corynebacterium [4] .
Aplicación a la industria alimentaria
Fermentación
La fermentación es una reacción en la que el azúcar se puede convertir en gas, alcoholes o ácidos. La fermentación ocurre anaeróbicamente, lo que significa que los microorganismos que pasan por la fermentación pueden funcionar sin la presencia de oxígeno. Las levaduras y las bacterias se utilizan comúnmente para producir en masa múltiples productos. Beber alcohol es un producto producido por levaduras y bacterias. El alcohol que se puede consumir también se conoce como etanol, y el etanol se usa para impulsar automóviles como fuente de combustible. Beber alcohol se produce a partir de azúcares naturales como la glucosa. El dióxido de carbono se produce como un subproducto en esta reacción y se puede usar para hacer pan, y también se puede usar para carbonatar bebidas. Vino de fermentación: las bebidas alcohólicas como la cerveza y el vino son fermentadas por microorganismos cuando no hay oxígeno presente.
En este proceso, una vez que hay suficiente alcohol y dióxido de carbono en el medio, la levadura comienza a morir debido a que el medio ambiente se vuelve tóxico para ellos. Hay muchas cepas de levadura y bacterias que pueden tolerar diferentes cantidades de alcohol en su entorno antes de que se vuelva tóxico, por lo que se pueden obtener diferentes niveles de alcohol en la cerveza y el vino, simplemente seleccionando una cepa microbiana diferente. La mayoría de las levaduras pueden tolerar entre un 10 y un 15 por ciento de alcohol, pero hay algunas cepas que pueden tolerar hasta un 21 por ciento de alcohol. Los productos lácteos como el queso y el yogur también se pueden elaborar mediante fermentación utilizando microbios. El queso se produjo como una forma de preservar los nutrientes obtenidos de la leche, mediante la fermentación, alargando así la vida útil del producto. Los microbios se utilizan para convertir los azúcares de lactosa en ácido láctico a través de la fermentación. Las bacterias utilizadas para dicha fermentación suelen ser de las familias Lactococci , Lactobacilli o Streptococci . A veces, estos microbios se agregan antes o después del paso de acidificación necesario para la producción de queso. Además, estos microbios son responsables de los diferentes sabores del queso, ya que tienen enzimas que descomponen los azúcares y las grasas de la leche en múltiples bloques de construcción. Algunos otros microbios, como el moho, pueden introducirse deliberadamente durante o antes del envejecimiento del queso, para darle un sabor diferente.
La producción de yogur parte de la pasteurización de la leche, donde se reducen o eliminan los microbios no deseados. Una vez que la leche se pasteuriza, la leche está lista para ser procesada para reducir el contenido de grasa y líquido, por lo que lo que queda es principalmente contenido sólido. Esto se puede hacer secando la leche para que el líquido se evapore o agregando leche concentrada. El aumento del contenido sólido de la leche también aumenta el valor nutricional ya que los nutrientes están más concentrados. Una vez realizado este paso, la leche está lista para la fermentación, donde la leche se inocula con bacterias en recipientes higiénicos de acero inoxidable y luego se controla cuidadosamente para determinar la producción de ácido láctico, la temperatura y el pH.
Las enzimas se pueden producir mediante fermentación, ya sea mediante fermentación sumergida y / o mediante fermentación en estado sólido. [5] Se hace referencia a la fermentación sumergida cuando los microorganismos están en contacto con el medio. En este proceso el contacto con el oxígeno es fundamental. Los biorreactores / fermentadores que se utilizan para hacer esta producción en masa de producto pueden almacenar hasta 500 metros cúbicos de volumen. La fermentación en estado sólido es menos común que la fermentación sumergida, pero tiene muchos beneficios. Hay menos necesidad de que el ambiente sea estéril ya que hay menos agua, hay una mayor estabilidad y concentración para el producto final. [5] La síntesis de insulina se realiza mediante el proceso de fermentación y el uso de E. coli recombinante o levadura para producir insulina humana, también llamada Humulina .
Aplicación agrícola
La demanda de productos agrícolas aumenta constantemente debido a la necesidad de diversos fertilizantes y pesticidas. Existen efectos a largo plazo por el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas químicos. Debido al uso excesivo de fertilizantes químicos y pesticidas, el suelo se vuelve infértil y un uso insuficiente para los cultivos. Por eso, los biofertelizantes, los bioplaguicidas y la agricultura ecológica vienen al rescate.
El biopesticida es un pesticida derivado de un organismo vivo o de sustancias naturales. Los pesticidas bioquímicos también se pueden producir a partir de sustancias naturales que pueden controlar las poblaciones de plagas en una materia no tóxica. [6] Un ejemplo de pesticida bioquímico son los insecticidas a base de ajo y pimienta, que funcionan al repeler los insectos del lugar deseado. Los pesticidas microbianos, generalmente virus, bacterias u hongos, se utilizan para controlar las poblaciones de plagas de una manera más específica. [6] El microbio más utilizado para la producción de bioplaguicidas microbianos es Bacillus thuringiensis , también conocido como Bt. Esta bacteria formadora de esporas produce delta-endotoxinas en las que hace que el insecto o plaga deje de alimentarse del cultivo o planta porque la endotoxina destruye el revestimiento del sistema digestivo.
Aplicación química
La síntesis de aminoácidos y disolventes orgánicos también se puede realizar utilizando microbios. La síntesis de aminoácidos esenciales como la L-metionina, L-lisina, L-triptófano y el aminoácido no esencial ácido L-glutámico se utilizan hoy en día principalmente para las industrias de piensos, alimentos y farmacéutica. La producción de estos aminoácidos se debe a Corynebacterium glutamicum y a la fermentación. C. glutamicum fue diseñado para poder producir L-lisina y ácido L-glutámico en grandes cantidades. [7] El ácido L-glutámico tuvo una gran demanda de producción porque este aminoácido se usa para producir glutamato monosódico (MSG), un agente aromatizante de alimentos. En 2012, la producción total de ácido L-glutámico fue de 2,2 millones de toneladas y se produce mediante una técnica de fermentación sumergida inoculada con C. glutamicum. La L-lisina se produjo originalmente a partir del ácido diaminopimélico (DAP) por E. coli , pero una vez que se descubrió la C. glutamicum para la producción de ácido L-glutámico. [7] Este organismo y otros autótrofos fueron posteriormente modificados para producir otros aminoácidos como lisina, aspartato, metionina, isoleucina y treonina. [7] La L-lisina se usa para la alimentación de cerdos y pollos, así como para tratar la deficiencia de nutrientes, aumentar la energía en un paciente y, a veces, se usa para tratar infecciones virales. El L-triptófano también se produce por fermentación y por Corynebacterium y E. coli, aunque la producción no es tan grande como el resto de los aminoácidos, todavía se produce con fines farmacéuticos, ya que se puede convertir y utilizar para producir neurotransmisores. [7]
La producción de disolventes orgánicos como acetona, butanol e isopropanol a través de la fermentación fue una de las primeras cosas que se produjeron mediante el uso de bacterias, ya que lograr la quiralidad necesaria de los productos se logra fácilmente mediante el uso de sistemas vivos. [8] La fermentación por solvente utiliza una serie de especies bacterianas de Clostridia . Al principio, la fermentación con disolventes no era tan productiva como se utiliza hoy en día. La cantidad de bacterias requerida para producir un producto fue alta y el rendimiento real de producto fue bajo. Posteriormente se descubrieron avances tecnológicos que permitieron a los científicos alterar genéticamente estas cepas para lograr un mayor rendimiento de estos solventes. Estas cepas de clostridios se transformaron para tener copias genéticas adicionales de las enzimas necesarias para la producción de solventes, además de ser más tolerantes a concentraciones más altas del solvente que se produce, ya que estas bacterias tienen una gama de productos en los que pueden sobrevivir antes de que el ambiente se vuelva tóxico. [9] Producir más cepas que pueden usar otros sustratos también fue otra forma de aumentar la productividad de estas bacterias. [9]
Referencias
- ^ "Producción industrial de antibióticos [en: Sección - Productos microbianos en la industria de la salud]". Microbiología . LibreTexts: Curación y revisión proporcionada por Boundless.com. Enero de 2021. p. 17.2A. Libro (página) ID: 8622; CC BY-NC-SA 3.0CS1 maint: posdata ( enlace )
- ^ Vandamme, EJ (1 de enero de 1992). "Producción de vitaminas, coenzimas y bioquímicos relacionados mediante procesos biotecnológicos". Revista de tecnología química y biotecnología (Oxford, Oxfordshire: 1986) . 53 (4): 313–327. doi : 10.1002 / jctb.280530402 . ISSN 0268-2575 . PMID 1368195 .
- ^ "Producción microbiana de vitaminas: una visión general" . Discusión de biología . 2015-09-21 . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
- ^ "Especies de Corynebacterium | Guía ABX de Johns Hopkins" . www.hopkinsguides.com . Consultado el 11 de noviembre de 2019 .
- ^ a b Singhania, Reeta Rani; Patel, Anil Kumar; Pandey, Ashok (1 de enero de 2010). Soetaert, Wim; Vandamme, Erick J. (eds.). Biotecnología industrial . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. págs. 207 –225. doi : 10.1002 / 9783527630233.ch5 . ISBN 9783527630233.
- ^ a b EPA, OCSPP, OPP, EE. UU. "¿Qué son los bioplaguicidas?" . www.epa.gov . Consultado el 12 de marzo de 2017 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ a b c d Zafar, Alam; Mahmood, Mahmood (2015). "Producción de aminoácidos microbianos (Descarga PDF disponible)" . ResearchGate . doi : 10.13140 / 2.1.2822.2245 .
- ^ Chen, Jiann-Shin; Zidwick, Mary Jo; Rogers ∗, Palmer (1 de enero de 2013). Rosenberg, Eugene; DeLong, Edward F .; Lory, Stephen; Stackebrandt, Erko; Thompson, Fabiano (eds.). Los procariotas . Springer Berlín Heidelberg. pp. 77 -134. doi : 10.1007 / 978-3-642-31331-8_386 . ISBN 9783642313301.
- ^ a b "La ingeniería genética de la producción de solventes microbianos - ScienceDirect" (PDF) . ac.els-cdn.com . Consultado el 17 de marzo de 2017 .