Download microbiologia industrial o el empleo de microorganismos

MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL:
EMPLEO DE MICROORGANISMOS COMO UNIDADES DE
PRODUCCIÓN, DE CONTROL O DE DIAGNOSTICO
VENTAJAS DE LOS MICROORGANISMOS COMO UNIDADES DE PRODUCCIÓN
• Rapido crecimiento debido a la favorable relación área/ volumen
• Diversidad metabólica
• Estabilidad genetica
• Crecimiento en gran escala y separacion facil 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
* Habilidad para sintetizar enantiómeros específicos.
* Tecnologias limpias
Los microorganismos pueden emplearse como :
• Productores de metabolitos primarios y secundarios
• Productores de biomasa y sus constituyentes (Proteínas y aminoacidos,
Vitaminas, Acidos Nucleicos, Polímeros de H de C y esteres, Biomasa)
• Huespedes para la expresion de genes homologos y heterologos
• Unidades de Biotransformacion
METABOLITOS PRIMARIOS
1- Componentes esenciales y productos formados por los microorganismos:
proteinas, acidos nucleicos, polisacaridos (dextranos, alginatos, gelanos,
xantanos) y poliesteres (PHB y plasticos), acidos grasos (saturados e
insaturados), esteroles (ergosterol)
2- Derivados del metabolismo intermedio: azucares (fructosa, ribosa,
sorbosa), ácidos organicos (gluconico, ácido láctico, cítrico, acetico,
propionico, succinico, fumarico), alcoholes (xilitol, etanol, glicerol,
sorbitol, butanol), aminoacidos (Lys, Thr, Glu, Trp, Phe), vitaminas
(carotenos, B2, B12), nucleotidos saborizantes (acidos inocinico y
guanilico), polisacaridos y poliesteres de reserva.
Microorganismos productores: bacterias, levaduras y hongos.
Etanol
Producido por :
1- Levaduras
* Saccharomyces (a partir de hexosas)
* Kluyveromyces fragilis (a partir de
lactosa)
* Cándida o Pichia (a partir de
pentosas)
2- Bacterias* Clostridium (a partir de celulosa)
(termófilos, anaerobios)
* Zymomonas
3- RecombinantesE.coli recombinante: Introducción de los
genes Alcohol deshidrogenasa y piruvato
decarboxilasa de Zymomonas.
Pir
acetaldehido
etanol
Aminoácidos
Principales productores:
Bacterias
de
los
géneros
Corynebacterium y Brevibacterium
* Mutantes auxotrofas y regulatorias
* Mutantes alteradas en la secrecion
* Cepas recombinantes
Principales productos:
Acido glutámico 600,000
U$S 915 milliones
Lisina
U$S 500 milliones
Fenilalanina U$S 200 millones
Aspartato U$S 43 milliones
Toneladas/ año
Vitaminas
Vitamina B12Microorganismos productores: Bacterias de
los generos Propionibacterium shermani y
Pseudomonas denitrificans.
Producción: 150 mg/ L.
BiotinaMicroorganismo productor: cepas
modificadas (mutantes) de Serratia
marcescens.Producción: 150-600 mg/ L.
Vitamina B2 (Riboflavina)Microorganismos productores: -hongos
(Eremothecium ashby y Ashbya gossypii)
Candida sp
Bacillus subtilis recombinante
Producción: 20 -30 g/ L
PRODUCCION DE METABOLITOS SECUNDARIOS
• Los metabolitos secundarios funcionan en los
organismos que los producen como:
Reguladores del crecimiento
Ionoforos
Defensa frente a otros microorganismos
(antibióticos, toxinas, pesticidas)
Agentes de simbiosis
Efectores de diferenciación
Respuesta a Stress
ANTIBIOTICOS
Desde 1940 se han introducido una gran
variedad de moléculas con actividad
antibiótico para su uso en medicina y
agricultura.
•En el mercado hay 160 antibióticos en uso
por un valor de 23,000 millones de U$S.
•Se han descripto 6,000 antibióticos de los
cuales 4,000 se han aislado de Actinomycetes,
y se describen alrededor de 500 antibióticos
nuevos por año. Una sola cepa de
Streptomyces
hygroscopicus
produce
aproximadamente 200 antibióticos.
•Muchos nuevos antibioticos se obtienen por
semi-sintesis, es decir, por modificacion de
antibioticos existentes
INHIBIDORES ENZIMATICOS
•Ej. Estatinas y acido zaragozico
•Inhibidores competitivos de
la
HMGCo A reductasa y escualeno
ciclasa, por lo cual se emplean como
anti- colesterolemicos.
• Microorganismo productor:
Aspergillus terreus (hongos)
•Ej. Acido clavulanico (inhibe
penicilasas)
•Ej. Acarbosa: Inhibidor de la
glucosidasa intestinal. Disminuye la
hiperglucemia y también la síntesis de
triglicérido en los tejidos adiposos, el
hígado y las paredes intestinales de
individuos obesos, diabéticos o con
trastornos de la lipemia.
•Microorganismo productor:
Actinoplanes (actinomycetes)
BIOPESTICIDAS
Se aislaron en un principio como
agentes antibióticos y luego, en las
sucesivas investigaciones, surgieron
nuevos usos o usos mas específicos.
Fungicidas: kasugamycin, polyoxins,
anfotericina
Insecticidas: toxina de Bacillus
thuringiensis
Herbicidas: bialaphos
 antihelminticos: avermectinas
Reguladores del crecimiento de plantas:
giberellinas
Inmunosupresores: ciclosporinas
Agentes antitumorales: mitomycin,
bleomycin
 Antivirales: inhibidores de la
transcriptasa reversa y de la proteasa de
HIV (ritonavir, nevirapine, etc)
EMPLEO DE LOS MICROORGANISMOS COMO VECTORES
DE GENES HETEROLOGOS
Los principales huespedes que se emplean para la produccion de proteinas
recombinantes son E. coli, B. subtilis, S. cerevisiae, Pichia pastoris,
Hansenula polimorpha y Aspergillus niger.
 Quimosina recombinante (Clonado del gen de la quimosina
bovina en una levadura). Se emplea para la coagulacion de la
caseina, en la obtencion de quesos.
 Insulina humana (en E.coli)
 Hormona de crecimiento humana (en E.coli y
levaduras)
 Vacuna Hepatitis (en levaduras )
 Farmacos (interferon 2 alfa)
EMPLEO DE PLANTAS TRANSGENICAS CON GENES
BACTERIANOS CLONADOS (bt)
•MAIZ Y ALGODON “BT”
Uso de Microorganismos en biotransformaciones
Reacciones Quimicas realizadas por microorganismos:
Oxidaciones
* Hidroxilacion : introduccion de grupos HO con regio y estereo especificidad.
Ej obtencion de esteroides
Produccion de 11OH derivados y eliminacion de cadena lateral (cortisol,
prednisolona, testosterona, etc)
* Epoxidaciones
* Desaturaciones
* Rupturas oxidativa de anillos
Reducciones
Reacciones hidroliticas
Condensaciones
Resolution of b-amino acid esters using P. cepacia lipase.
Resolution of pipecolic acid by oxidation with D-amino acid oxidase and
recycling of the achiral oxidation product.
Overexpression
in E.coli
Ingenieria metabolica: ruta artificial para la
obtencion de hidrocortisona en levaduras
Artificial pathway for the
biosynthesis of the
hydrocortisone as
rebuilt in yeast
•
The enzymes in red
come from human,
bovine and plant
organisms and their
genes were engineered
before introduction in
yeast cells.
•
Those in blue are
original yeast enzymes
whose genes were
modified to change their
expression levels.
•
The green pathway is the
main pathway for
hydrocortisone
production, the red one
corresponds to controlled
side reactions and the
yellow one to secondary
biosynthesis pathway
coexisting with the major
green one.
PRINCIPALES ETAPAS DE UN PROCESO DE
PRODUCCION
• Búsqueda y selección de microorganismos (“Screening”)
 Organismos mesofilos
 Organismos extremofilos
SI BIEN LOS MICROORGANISMOS SON BUENOS PORDUCTORES DE UNA
GRAN VARIEDAD DE COMPUESTOS, LOS PRODUCEN EN BAJA
CANTIDAD, POR LO QUE SE REQUIERE :
 Aumentar los rendimientos mediante:
• Obtención de mutantes (tecnicas de mutagénesis, recombinación genética, fusión
de protoplastos)
• Empleo de tecnología de DNA recombinante (para aumento del dosaje genético
de enzimas claves, utilización de nuevos sustratos, etc).
• Diseño y selección de medios de cultivo que maximicen la produccion,
disminuyan los costos o faciliten la recuperacion de productos.
 Diseño y selección de las condiciones y sistemas de cultivo mas convenientes
PRINCIPALES PRODUCTOS
PRODUCTO
ORGANISMO
PRODUCCION
(Ton/año)
Solventes
Etanol
Acetona/butanol
Saccharomyces cerevisiae
Clostridium acetobutylicum
20 millones
2000
Biomasa
Starters para alimentos
Proteina unicelular
Levaduras y bacterias lacticas
Candida utilis
500,000
50,000
Acidos organicos
Acido citrico
Acido gluconico
Acido lactico
Aspergillus niger
Aspergillus niger
Lactobacillus delbrueckii
250,000
50,000
50,000
Aminoacidos
Acido glutamico
Lisina
Fenilalanina
arginina
Corynebacterium glutamicum
Brevibacterium flavum
Corynebacterium glutamicum
Brevibacterium flavum
300,000
30,000
2000
1000
PRODUCTO
ORGANISMO
PRODUCCION
(Ton/año)
Enzimas
Proteasas
Alfa-Amilasas
Glucoa-amilasa
Glucosa isomerasa
Pectinasa
Renina
otras
Bacillus spp
Bacillus amyloliquefasciens
Aspergillus niger
Bacillus coagulans
Aspergillus niger
Mucor o levaduras recombinantes
600
500
500
500
100
50
50
Propionibacterium shermanii
Eremothecium ashbyii
10
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
< 0.1
Claviceps paspali
5
Vitaminas
B12
Riboflavina
Vacunas
Difteria
Tetanos
Pertussis
Polio
Rubéola
Hepatitis B
Alcaloides del ergot
PRODUCTO
ORGANISMO
PRODUCCION
(Ton/año)
Pigmentos
Shikoninas
Beta-carotenos
Lithospermum (plantas)
Levaduras
< 0.1
Proteinas de uso terapéutico
Insulina
Hormona de crecimiento
Eritropoyetina
FactorVIII-C
Activador del plasminogeno
Interferon alfa2
E. coli recombinante
E. coli recombinante o celulas de
mamífero recombinante
celulas de mamífero recombinante
celulas de mamífero recombinante
E. coli recombinante
< 0.1
Antibioticos
Penicilinas
Cefalosporinas
Tetraciclinas
Macrolidos (eritromicina)
Polipeptidicos (gramicidina)
Aminoglicosidos (estreptomicina)
Aromáticos (griseofulvina)
Penicillum chrysogenum
Cephalosporium acremonium
Streptomyces aureofaciens
Streptomyces erythreus
Bacillus brevis
Streptomyces griseus
Penicillum griseofulvum
80,000
15,000
15,000
10,000
2,000
1,000
Insecticidas
Esporas bacterianas
Bacillus thuringiensis
< 0.1
Anticuerpos monoclonales
Celulas de hibridoma
< 0..01