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Microbiología
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
valor monetario o mejorando el ambiente.
E di de
Estudio
d todos
d aquellos
ll aspectos de
d los
l microorganismos
i
i
que tienen
i
una aplicación industrial:
i) Transformación de productos empleados en la alimentación.
alimentación
ii) Producción de sustancias: antibióticos, vitaminas, enzimas, así como
en la obtención de masa microbiana (proteína unicelular,
unicelular vacunas,
vacunas
fertilizantes microbianos, biopesticidas).
Desarrollo Histórico
Empírico
(El arte de la fermentación)
Científico
Ingeniería Genética
1973: transferencia de
información genética de
un organismo a otro.
Los microorganismos
L
i
i
proporcionaron alimentos y
bebidas durante más de 8000
años, sin que se tuviera noción
d su existencia.
de
it i
La fermentación pasa de
ser un arte (resultados
imprevisibles)
a ser una ciencia
(resultados previsibles).
Capacidad para crear
(más que aislar) cepas
“SUPERPRODUCTORAS”.
Fermentación: una palabra con muchos significados para los
microbiólogos.
b l
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
5.
Producción de bebidas alcohólicas.
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 CO2, H2
etanol,
Bacterias entéricas (Aerobacter,
Serratia)
Acido buritico
Acido burítico, ácido acético, CO2, H2
Algunos clostridios (Clostridium
butyricum)
Acetona – 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 ser
vivo crecer.
Mientras mas complejo sea el ser vivo, mayor requerimiento para crecer  menor
rendimiento del producto deseado.
De ahí que siempre que se puede se utilizan microorganismos.
microorganismos No obstante existen una serie
de productos que no pueden ser sintetizados por los microorganismos  se recurre primero
a las plantas y sino a los animales.
1°. Síntesis química
Obtención de
productos
i d
industriales
i l
2°. Microorganismos
3°. Plantas
4°. Animales
Microbiología
Industrial
Bienes
Servicios
alimentos, bebidas,
productos
medicinales,, etc.,,
purificación;
tratamiento
((tabla 1 gguía))
Productos de interés industrial
1
Las
células
microbianas
propiamente tal.
Levaduras para panadería o
industria cervecera.
2
Conversiones biológicas: conversión de un
compuesto en otro estructuralmente
relacionado por intervención de uno o
varias enzimas aportados por las células.
3
Productos
derivados de
las células
Macromoléculas que sintetizan
(enzimas).
Productos
d
de
d su metabolismo:
b li
Enzimas
(glucosa
isomerasa))
Antibióticos
(ampicilina)
Químicos
(ácido cítrico)
Primario  compuestos
esenciales para su crecimiento
crecimiento.
Secundario  compuestos no
esenciales para su desarrollo
Alcoholes
(etanol)
Aditivos alimentos
(aminoácidos)
Tipos de metabolitos
Metabolito Primario
Idiofase
Metabolito Secundario
Trofofase
Tipos de metabolitos
Sustrato de
crecimiento
Células
Sustrato de
crecimiento
Células
Metabolito
Primario
Las cels. y metabolitos
se producen mas/menos
simultáneamente

Sustrato de
crecimiento
Células
Metabolito
Primario
Metabolito
Primario
Metabolito
Secundario
Después de producidas las cels., el
sustrato se convierte en un
metabolito secundario durante un
posterior crecimiento.
Metabolito
Secundario
Después de producidas las
cels estas convierten el
cels.,
metabolito primario en uno
secundario.
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 crecimiento.
3.
crecimiento
con frecuencia es reprimido.
4 Producción
4.
P d ió de
d estructuras
t t
relacionadas
l i d (antibióticos)
( tibióti )
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 de
2.
reacciones
3. Derivan del metabolismo
primario
Selección de Microorganismos
para
Microbiología Industrial
y
Biotecnología.
g
T t l de
d especies
i estimadas
ti d y
Total
conocidas de diferentes
grupos microbianos
Porcentajes estimados de
microorganismos
cultivables 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 2,4diclorofenoxiacetico(2,4-D).

Medio con 2,4-D
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 de
crecimiento específico de 2 microorganismos.
Mantenimiento de los cultivos.
Objetivos:
j
1. Preservar la pureza genética del cultivo sin pérdida de
ninguna de sus propiedades bioquímicas.
bioquímicas
2. Preservar los niveles de su productividad inicial.
3. Lograr que el cultivo pueda ser transportado y manejado
con facilidad.
Los métodos de preservación mas usados
1.
Subcultivos.
2.
3.
4.
Mantenimiento bajo capa de aceite.
5
5.
Cultivos en tierra.
tierra
6.
Preservación en celulosa.
Congelación (- 70 a 80 ºC), crioprotector.
7. Liofilización
Mejoramiento de Microorganismos Industriales.
i)) Selección natural: Mutaciones espontáneas
p
varía entre 10-6 a 10-9
mutaciones 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 i
Químicos:
Ácido nitroso (HNO2): transiciones, AT  GC ; GC  AT
Análogos de base: Producen transiciones, como el 5-bromuracilo y la 2aminopurina.
N-metil-N'-nitro-N-nitrosoguanidina (NTG): es uno de los mutágenos más
potentes, produciendo una alta tasa de mutación con bajo porcentaje de
mortandad.
t d d Requiere
R i de
d un manejo
j sumamente
t cuidadoso.
id d
Mutágenos estructurales: como la proflavina o naranja acridina que no son incorporados
covalentemente 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 genética.
genética
Reagrupar las potencialidades de distintas variantes con el objeto de
seleccionar la mejor
j combinación de g
genes responsables
p
de codificar la
producción de determinado metabolito.
1977: Hopwood  recombinación genética  cualquier proceso que
genere nuevas combinaciones de genes los cuales estaban originalmente
en individuos diferentes.
Parasexuales:
P
l
procesos no meióticos
ió i
en células
él l
vegetativas
i

organismos procariontes y eucariontes.
Virus  intercambio material genético entre cepas heterogénicas
Bacterias  recombinación
transformación.
transformación

conjugación,
transducción,
y
Problemas y soluciones básicas
mediante ingeniería metabólica
I1
I1
I1
Etapa
limitante
S
I1
I1
P
I1
PN
PN-I
X
Producto no
deseado
S
I1
I1
P
I1
EP
Producto
P
d t secundario
d i
deseado en baja
cantidad
S
I1
I1
I1
PSD
P
S1
Sustrato
abundante
pero no
utilizable
EE
S2
I1
I1
I1
P