Tema 46.1

Tema 46. Microbiología Industrial

1. Microbiología Industrial y Biotecnología1. Microbiología Industrial y Biotecnología

2. Microorganismos utilizados en la Microbiología industrial: mejora de cepas

3. Crecimiento de microorganismos en ambientes controlados: medios de cultivo. Fermentaciones industriales . Metabolitos

i i d iprimarios y secundarios

4. Principales productos de la Microbiología Industrial: antibióticos, aminoácidos ácidos orgánicos biopolímeros biosurfactantesaminoácidos, ácidos orgánicos, biopolímeros, biosurfactantes

5. Procesos de bioconversión

6 Microbiología de los alimentos fermentados: Yogourt quesos6. Microbiología de los alimentos fermentados: Yogourt, quesos, bebidas alcoholicas

7. Biodegradación y biorremediación7. Biodegradación y biorremediación

8. Bioaumento

9 Microorganismos como productos: nanobacterias biosensores9. Microorganismos como productos: nanobacterias, biosensores, biopepticida


1. Microbiología Industrial. Biotecnología microbiana

Disciplina que se ocupa de la utilización de microorganismos, generalmente en crecimiento a gran escala con el fin de obtener

g g

generalmente en crecimiento a gran escala, con el fin de obtener productos de interés comercial.

Componentes:Microorganismo Sustrato Producto ResiduoComponentes:

BiotecnologíaUso de seres vivos o de componentes o sistemas biológicos para laUso de seres vivos o de componentes o sistemas biológicos para la

obtención de productos útiles.

I t bi í i bi l í l l i i í i i ltidi i li• Integra bioquímica, biología molecular e ingeniería ciencia multidisciplinar• Se sirve habitualmente de organismos genéticamente modificados (GMOs)


1. Microbiología Industrial. Biotecnología microbiana

Aéreas de aplicación de la biotecnologíaINDUSTRIA ALIMENTARIA: bebidas alcoholicas productos lácteosINDUSTRIA ALIMENTARIA: bebidas alcoholicas, productos lácteos fermentados, pan, proteinas unicelulares…….

INDUSTRIA FARMACEÚTICA: antibióticos hormonas vacunasINDUSTRIA FARMACEÚTICA: antibióticos, hormonas, vacunas, interferones, factores antihemofílicos…

INDUSTRIA QUÍMICA: acetona, butanol, acético, aminoácidos, vitaminas,INDUSTRIA QUÍMICA: acetona, butanol, acético, aminoácidos, vitaminas, esteroides …….

AGRICULTURA: Biofertilización, biocontrol …….AGRICULTURA: Biofertilización, biocontrol …….

MEDIO AMBIENTE: Biodegradación de productos tóxicos, tratamiento de aguas…..aguas…..


Tipos de productos obtenidos a partirTipos de productos obtenidos a partir de microorganismos

BioconversiónBioconversiónSustratoCélulas

ProductoLevadura (bioconversiónde esteroides)

P d t d l Cél l

Levadura

Productos de las Células

Enzimas(Glucosa

I )ProductosQuímicosIsomerasa)

Antibióticos(Penicilina) Aditivos

Alcohol

Químicos(ácido cítrico)

(Penicilina) AditivosAlimenticios

(aminoácidos)


2. Microorganismos de interés industrial: Mejora de cepasg j pCaracterísticas

1. Alta velocidad de metabolismo

2. Gran variabilidad del metabolismo

Propiedades deseables

• De metabolismo conocido

• De rápido crecimiento

C lt di i t• Con alto rendimiento

• No patógeno

• Capaz de crecer en sustratos sencillos en medio liquidop q

• De fácil separación del medio de cultivo y de sus productos

•Estable genéticamente, susceptible de ser modificado ………..


2. Microorganismos de interés industrial: Mejora de cepas

Manipulación genética de microorganismos

g j p

Utilizada para producir microorganismos con nuevas y mejores características

•Mutación

•Fusión de protoplastos

•Inserción de secuencias cortas de ADN: mutagénesis dirigida

•Transferencia de información genética

•Modificación de la expresión génica


Expresión de genes de otros organismos para mejorar procesos yExpresión de genes de otros organismos para mejorar procesos y productos


Producción de vacuna recombinante


Modificación de la expresión de los genesp g

• Estrategia que permite el aumento de la producción de un producto o la producción de mas de un producto por elproducto o la producción de mas de un producto por el mismo microorganismos, o la síntesis de productos modificados

• Arquitectura de vías metabólicas– Análisis, diseño y modificación de las rutas bioquímicas

i t l fi i i d lpara incrementar la eficiencia del proceso– Ingeniería de rutas metabólicas (MPE)

Alteración intencional de la r ta por inacti ación de• Alteración intencional de la ruta por inactivación de genes específicos

– Ingeniería de control metabólicoIngeniería de control metabólico• Alteración de los mecanismos de control de genes

específicos


Ej. Ingeniería metabólica para la obtención de antibióticos modificados


3. Las fermentaciones. Metabolitos primarios y secundarios.

ó

p y

Tanques de fermentación aeróbicos y anaeróbicos: birreactores, fermentadores

Fermentación

En microbiología industrial: se llama fermentaciónEn microbiología industrial: se llama fermentacióna cualquier proceso microbiano a gran escala, sea ono una fermentación en el sentido bioquímico de lapalabrapalabra.

Medio de cultivo.• EconómicoEconómico• Con buenos niveles de minerales (hierro)• Preciso control de condiciones ambientales pH,

t t i l d ítemperatura, niveles de oxígeno..


Fermentador industrial de agitación


Alternativas a losAlternativas a los fermetadorestradicionalestradicionales


Tipos de productos microbianosTipos de productos microbianos

• Metabolitos primariosp– Producidos durante la fase de crecimiento o

trofofase– Aminoácidos, nucleótidos, productos finales de

fermentación y enzimasy• Metabolitos secundarios

Acumulados tras el crecimiento activo Idiofase– Acumulados tras el crecimiento activo. Idiofase– No relacionados directamente con la síntesis

de material celularde material celular – Antibióticos y micotoxinas


Características de los metabolitos secundarios

• Tienden a producirse en la fase estacionaria de

Características de los metabolitos secundarios

e de a p oduc se e a ase estac o a a decrecimiento

• Sintetizados a partir de intermediarios del metabolismo pprimario por enzimas específicos

• No esenciales para el crecimiento o metabolismo.• Dependientes de las condiciones de crecimiento.Generalmente: • Sintetizados como productos muy relacionados

estructuralmente.• Una cepa de Streptomyces produce 32 antibióticos

distintos del tipo antraciclina


Crecimiento microbiano a nivel industrial: Metabolitosprimarios y secundarios.

Células Trofofase IdiofaseTrofofase

Células

Etanol

élul

as

célu

las

o nº

de

cé Penicilina

o nº

de

c

Tiempo

Peso

o

Tiempo

Peso

Metabolito primario: etanol Metabolito secundario: penicilina


Metabolitos Primarios y SecundariosMetabolitos Primarios y Secundarios

Sustrato decrecimiento



MetabolitoCélulasMetabolitoPrimario

Células MetabolitoPrimario

Células

PrimarioCélulas

Las células y el metabolito se producen más o menos

Primario

MetabolitoSecundario

Primario

MetabolitoSecundarioproducen más o menos

simultáneamenteSecundario

Después de producidas las células y el metabolito primario, las células

convierten el metabolito primario en

Secundario

Después de producidas las células el sustrato se convierte en un metabolito

secundario durante un posterior uno secundario crecimiento


4. Principales productos y procesos de interés en la microbiología industrial


AntibioticosAntibioticos


Producción de estreptomicinaProducción de estreptomicina


Producción de antibióticosMetabolitos secundarios típicos

Antibiótico Microorganismo productor

Bacitracina Bacillus licheniformis

C f l i C h l iCefalosporinas Cephalosporium

Cloranfenicol Streptomyces venezuelae

Cicloserina Streptomyces orchidaceusCicloserina Streptomyces orchidaceus

Eritromicina Streptomyces erythreus

Kanamicina Streptomyces kanamycetus

Neomicina Streptomyces fradiae

Penicilina Penicillium chrysogenum

Polimixina Bacillus polymyxa

Estreptomicina Streptomices griseus

Tetraciclina Streptomyces rimosusTetraciclina Streptomyces rimosus


Amino Acidos


A id O á iAcidos Orgánicos


Bi li Bi f t tBiopolimeros• Modifican las

características de los

Biosurfactantes• Para emulsionar y aumentar

la actividad detergentecaracterísticas de los líquidos. Agentes gelificantes

D t t

la actividad detergente , humedectación y dispersión de fases y solubilaciónS i t t– Dextranos y otros

polisacáridos – ciclodextrinas

• Son importantes en biorremediación dispersión de vertidos del petróleo y recuperación de petróleorecuperación de petróleo

• Muchos tienen actividad antibacteriana y antifúngica alg nas inacti an a ir salgunas inactivan a virus envueltos


5. Procesos de bioconversión

• Transformación microbiana o biotransformaciones – Pequeños cambios en moléculas que lo realizan

microorganismos no en crecimiento– Los microorganismos actúan directa o indirectamente

como biocatalalizadores

• Pueden realizarse por enzimas libres o células o por enzimas o célulaspor enzimas o células

V t j• Ventajas– Producen el estereoisómero específico


BIOCONVERSIÓN MICROBIANABIOCONVERSIÓN MICROBIANA

Producción de cortisona utilizando un microorganismo

Ej.: Hidroxilación estereoespecífica de progesterona

Utilidad de cepas tolerantes a altas concentraciones de solventes orgánicosp g

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