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MicrobiologíaMicrobiología
Industrial
Dr. Marcelo Baeza Cancino
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Microbiología Industrial
La microbiología industrial y la biotecnología involucran el uso de
microorganismos para lograr metas específicas, creando nuevos productos con
E di d d ll d l i i i
valor monetario o mejorando el ambiente.
Estudio de todos aquellos aspectos de los microorganismos que tienen
una aplicación industrial:
i) Transformación de productos empleados en la alimentacióni) Transformación de productos empleados en la alimentación.
ii) Producción de sustancias: antibióticos, vitaminas, enzimas, así como
en la obtención de masa microbiana (proteína unicelular vacunasen la obtención de masa microbiana (proteína unicelular, vacunas,
fertilizantes microbianos, biopesticidas).
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Desarrollo Histórico
Empírico(El arte de la fermentación) Científico
Ingeniería Genética
1973: transferencia deinformación genética de
L i i
información genética deun organismo a otro.
Los microorganismos proporcionaron alimentos y
bebidas durante más de 8000 años, sin que se tuviera noción
d i t i
La fermentación pasa de ser un arte (resultados
imprevisibles) a ser una ciencia
Capacidad para crear(más que aislar) cepas“SUPERPRODUCTORAS”.
de su existencia. a ser una ciencia (resultados previsibles).
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Fermentación: una palabra con muchos significados para losb lmicrobiólogos.
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 Producción de bebidas alcohólicas5. Producción de bebidas alcohólicas.
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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 CO H
Bacterias entéricas (Aerobacter, Serratia)etanol, CO2, H2 Serratia)
Acido buritico Acido burítico, ácido acético, CO2, H2 Algunos clostridios (Clostridium butyricum)
Acetona – butanol Acetona, butanol, etanol Algunos clostridios (ClostridiumAcetona butanol Acetona, butanol, etanol Algunos clostridios (Clostridium acetobutylicum)
Acido propiónico Acido propiónico Propionibacterium
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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 servivo crecer.Mientras mas complejo sea el ser vivo, mayor requerimiento para crecer menor
De ahí que siempre que se puede se utilizan microorganismos No obstante existen una serie
Mientras mas complejo sea el ser vivo, mayor requerimiento para crecer menorrendimiento del producto deseado.
De ahí que siempre que se puede se utilizan microorganismos. No obstante existen una seriede productos que no pueden ser sintetizados por los microorganismos se recurre primeroa las plantas y sino a los animales.
Obtención de productos
i d i l
1°. Síntesis química
2°. Microorganismos
industriales 3°. Plantas
4°. Animales
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MicrobiologíaMicrobiología Industrial
BienesBienesServicios
alimentos, bebidas, productos
medicinales, etc.,purificación; tratamiento, , tratamiento
(tabla 1 guía)( g )
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Productos de interés industrial
Las células microbianaspropiamente tal.
1
Levaduras para panadería o industria cervecera.
2
Conversiones biológicas: conversión de uncompuesto en otro estructuralmenterelacionado por intervención de uno orelacionado por intervención de uno ovarias enzimas aportados por las células.
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3Productos
derivados de Macromoléculas que sintetizan (enzimas).
d d b li
3las células
Productos de su metabolismo:
Primario compuestos esenciales para su crecimiento
Enzimas(glucosa Químicos esenciales para su crecimiento.
Secundario compuestos no esenciales para su desarrollo
)(glucosa
isomerasa)Químicos
(ácido cítrico)
esenciales para su desarrolloAntibióticos(ampicilina) Alcoholes
(etanol)
Aditivos alimentos(aminoácidos)(aminoácidos)
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Tipos de metabolitos
Metabolito Primario
Idiofase
Trofofase
Metabolito Secundario
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Tipos de metabolitos
Sustrato de crecimiento
Sustrato de crecimiento
Sustrato de crecimiento
Células CélulasMetabolito
Células
Metabolito Primario
PrimarioMetabolito Primario
Las cels. y metabolitos se producen mas/menos
simultáneamente Metabolito
Metabolito Secundario
Metabolito Secundario
Después de producidas lascels estas convierten el
Después de producidas las cels., elsustrato se convierte en unmetabolito secundario durante un cels., estas convierten el
metabolito primario en unosecundario.
posterior crecimiento.
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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 crecimiento3. Muy dependiente del medio y condiciones de crecimiento.
con frecuencia es reprimido.
4 P d ió d t t l i d ( tibióti )4. Producción de estructuras relacionadas (antibióticos)
5. Es posible obtener una superproducción de estos, contrario a
lo que sucede con metabolitos primarios.
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Metabolito secundario:
1. - Moléculas complejas
2 Requieren gran numero de2. Requieren gran numero de reacciones
3. Derivan del metabolismo primario
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Selección de Microorganismos
para
Microbiología Industrial
y
Biotecnología. g
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T t l d i ti dTotal de especies estimadas y conocidas de diferentes
grupos microbianos
Porcentajes estimados de microorganismos
cultivables en varios ambientescultivables en varios ambientes
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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.
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Aislamiento directo
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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 2,4-diclorofenoxiacetico(2,4-D).
Medio con 2 4 D como única fuente de carbonoMedio con 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.
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Enriquecimiento
Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad decrecimiento específico de 2 microorganismos.
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Mantenimiento de los cultivos.
Objetivos:j
1. Preservar la pureza genética del cultivo sin pérdida deninguna de sus propiedades bioquímicasninguna de sus propiedades bioquímicas.
2. Preservar los niveles de su productividad inicial.
3. Lograr que el cultivo pueda ser transportado y manejadocon facilidad.
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Los métodos de preservación mas usados
1. Subcultivos.
2. Mantenimiento bajo capa de aceite.33.4. Congelación (- 70 a 80 ºC), crioprotector.
5 Cultivos en tierra5. Cultivos en tierra.
6. Preservación en celulosa.
7. Liofilización
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Mejoramiento de Microorganismos Industriales.
i) Selección natural: Mutaciones espontáneas varía entre 10-6 a 10-9) pmutaciones por genoma y por generación.
tratamiento de la población con el mutágeno
ii) Mutación inducida
selección.
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Agentes Mutagénicos
Físicos:
UV l = 200 a 300 nm ; t = 0,5 y 20 min % muerte 90 y 99,9%.
Q í iQuímicos:
Ácido nitroso (HNO2): transiciones, AT GC ; GC AT
Análogos de base: Producen transiciones, como el 5-bromuracilo y la 2-aminopurina.aminopurina.
N-metil-N'-nitro-N-nitrosoguanidina (NTG): es uno de los mutágenos máspotentes, produciendo una alta tasa de mutación con bajo porcentaje de
t d d R i d j t id dmortandad. Requiere de un manejo sumamente cuidadoso.
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Mutágenos estructurales: como la proflavina o naranja acridina que no son incorporadoscovalentemente al DNA, sino que actúan como agentes de intercalado en la estructura,promoviendo adiciones o escisiones durante la síntesis.
Proflavina
Naranja de acridina
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Obtención de mutantes de X. dendrorhous para la producción de pigmentos mediante mutagénesis (NTG)
wt
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Recombinación genéticaRecombinación genética.
Reagrupar las potencialidades de distintas variantes con el objeto deseleccionar la mejor combinación de genes responsables de codificar laj g pproducción de determinado metabolito.
1977: Hopwood recombinación genética cualquier proceso quegenere nuevas combinaciones de genes los cuales estaban originalmenteen individuos diferentes.
P l ió i él l iParasexuales: procesos no meióticos en células vegetativas organismos procariontes y eucariontes.
Virus intercambio material genético entre cepas heterogénicasVirus intercambio material genético entre cepas heterogénicas
Bacterias recombinación conjugación, transducción, ytransformacióntransformación.
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I1
I1 I1
Problemas y soluciones básicas mediante ingeniería metabólica
S I1 I1 I1 PEtapa limitante
S I1 I1 I1 P
PN PN-I
XProducto no S I1 I1 I1 Pdeseado
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S I1 I1 I1 P
Producto secundario deseado en baja
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S1Sustrato
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