TEMA 1: INTRODUCCION

TEMA 1: INTRODUCCION
I. CONCEPTOS
Microbiología es una Ciencia experimental que se ocupa del estudio de los
microorganismos y de sus interacciones con otros organismos y con el medio
ambiente. Microbiología Industrial estudia todos aquellos aspectos de los
microorganismos que tienen una aplicación industrial, tanto en la transformación
de productos empleados en la alimentación como en la producción de sustancias
tales como antibióticos, vitaminas, enzimas, así como en la obtención de masa
microbiana (proteína unicelular, vacunas, fertilizantes microbianos, biopesticidas).
Fruto del conocimiento de las capacidades que poseen los microorganismos ha
sido, y sigue siendo, su inmediato aprovechamiento para estos fines y, así, a los
métodos tradicionales de producción de sustancias por fermentación se han unido
recientemente las técnicas de manipulación genética de los mismos que han
permitido obtener, de forma masiva, nuevos productos de interés práctico que los
microorganismos normalmente no sintetizan tales como insulina, hormona de
crecimiento humana e interferón. Biotecnología es la aplicación de los principios
científicos y técnicos en el procesamiento de los materiales por agentes biológicos
para obtener bienes y servicios. Actualmente, se denomina Biotecnología
Molecular a la aplicación de las técnicas del DNA recombinante en los seres vivos
para la obtención de productos de interés industrial.
II. OBJETIVOS DE LA MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL
Desde un punto de vista industrial, lo que se pretende es que se obtenga el mayor
rendimiento posible de producto a partir del sustrato utilizado. Estos altos
rendimientos se obtienen en la síntesis química; en la biosíntesis, la energía
obtenida se utiliza no sólo para la obtención del producto deseado sino que se
aplica en todos los procesos metabólicos que van a permitir a ese ser vivo crecer.
Cuanto más complejo sea el ser vivo, más energía requerirá para crecer y por lo
tanto menor rendimiento obtendremos del producto deseado. De ahí que siempre
que se puede se utilizan microorganismos. No obstante existen una serie de
productos que, en la actualidad, no pueden ser sintetizados por los
microorganismos; de ahí que se recurra primero a las plantas y sino a los
animales. Por consiguiente, en la obtención de productos industriales la primera
vía es la síntesis química, si no funciona se recurre a los microorganismos, plantas
y finalmente animales. Los productos de interés industrial producidos por los
microorganismos se encuadran en 7 categorías principales:
1.- Las células microbianas propiamente dichas.
2.- Las macromoléculas que sintetizan, por ejemplo enzimas.
3.- Los productos de su metabolismo, tanto primario (compuestos esenciales para
su crecimiento) como secundario (compuestos no esenciales para su desarrollo).
En términos generales, los metabolitos tienen un peso molecular bastante bajo
(menos de 1500 Daltons) si lo comparamos con el peso molecular de los enzimas
que varía desde 10000 hasta varios millones de Daltons.
4.- Se acude también a las células microbianas para llevar a cabo conversiones
biológicas a través de las cuales un compuesto se transforma en otro
estructuralmente relacionado por intervención de uno o varios enzimas aportados
por las células.
5.- La obtención de los derivados lácteos, cerveza, vino, pan, etc. constituyen
alguno de los procesos biotecnológicos más antiguos donde la intervención de los
microorganismos es crucial.
6.- Ciertos microorganismos se hallan detrás de un proceso metalúrgico que se
remonta, al parecer, hasta la época romana: la lixiviación bacteriana de minas de
bajo contenido para extraer de ellas metales. En la actualidad se utilizan
microorganismos, Thiobacillus, para extraer hierro, cobre y zinc de minas sin
contaminar la atmósfera.
7.- La actividad microbiana se aplica también a la detoxificación y degradación de
las aguas residuales y desechos industriales. Las mareas negras y el vertido de
lastres y aguas de lavado de los petroleros son otros tantos problemas que
plantean los residuos, cuya solución quizás esté en manos de la Microbiología ya
que se han aislado muchos microorganismos capaces de consumir componentes
del petróleo.
III. DESARROLLO HISTORICO
1.- Empírico
El arte de la fermentación, definido técnicamente en su sentido más amplio como
la transformación química de compuestos orgánicos con la ayuda de enzimas
(sobre todo los producidos por microorganismos), es muy antiguo. La capacidad
de las levaduras para producir alcohol en forma de cerveza la conocían ya los
Sumerios y Babilonios antes del año 6000 a.c. Más tarde, aproximadamente hacia
el año 4000 a.c., los Egipcios descubrieron que el CO2 generado por la acción de
las levaduras (Saccharomyces) podía fermentar el pan. Referencias al vino, otro
antiguo producto de fermentación, se hallan en el Génesis, donde consta que Noé
consumía algo más de lo debido. Hacia el siglo XIV d.c., la destilación de bebidas
alcohólicas a partir de grano fermentado, práctica originaria de China, era común
en muchas zonas del mundo (Francia-Brandy; Escocia-Whisky). Los
microorganismos proporcionaron alimentos y bebidas durante más de 8000 años,
sin que se tuviera noción de su existencia. Leeuwenhoek, en el siglo XVIII, fue la
primera persona que los describió en detalle al observar, a través de su propio
microscopio simple, el sedimento de vinos. Sin embargo, estas observaciones no
condujeron a ninguna investigación acerca de las posibles actividades de los
microorganismos descritos. El papel de las levaduras como agentes
fermentadores no fue reconocido hasta mediados del siglo XIX por Pasteur que
descubrió que las levaduras transforman el azúcar en alcohol en ausencia de aire.
A este proceso anaerobio se le conoce como fermentación alcohólica. A finales del
siglo XIX y gracias al desarrollo de las técnicas de cultivos puros, sé aisla y
distribuye la primera cepa de levadura vínica, la Steinberg 92, para su uso
comercial en la producción del vino. Anteriormente, en 1883, Emil Christian
Hansen obtuvo el primer cultivo puro de levadura cervecera que denominó
Saccharomyces carlsbergensis. Con estos trabajos y los de Pasteur, la
fermentación pasa de ser un arte (resultados imprevisibles) a ser una ciencia
(resultados previsibles).
2.- Científico
Los progresos realizados en investigación bioquímica básica partir del
descubrimiento de los enzimas por Buchner en 1897 fue considerable, pero no
comenzaron a aplicarse en la fermentación industrial hasta la primera guerra
mundial (1914).En el lado alemán, la obtención de glicerol para la fabricación de
explosivos se convirtió en una necesidad urgente. El bloqueo marítimo británico
cortó la importación de aceites vegetales, la materia prima tradicional en la
producción de glicerol. Pero algunos años antes, el bioquímico alemán Carl
Neuberg había vuelto a considerar cierta observación de Pasteur: en la
fermentación alcohólica se solían originar pequeñas cantidades de glicerol
(fermentación gliceropirúvica -----> lágrima del vino). Avanzando en su estudio,
Neuberg descubrió que la adición de bisulfito sódico al tanque de fermentación
favorecía la producción de glicerol a expensas de la de alcohol. Este
descubrimiento fue desarrollado rápidamente por los alemanes en una
fermentación industrial que producía 1000 toneladas de glicerol al mes.
Los ingleses, por su parte, andaban escasos de acetona para la fabricación de
municiones. Dificultad de la que salió al paso un químico de origen ruso, Chain
Weizmann. Weizmann desarrolló la fermentación butanol-acetona que depende de
la bacteria anaerobia Clostridium acetobutylicum. El descubrimiento de Weizmann
jugó un papel determinante en el desarrollo de la guerra. Al finalizar ésta, rehusó
todos los honores que le propuso el gobierno Británico. Sin embargo, utilizó su
influencia para que el gobierno Británico ayudará a establecer el estado Judío en
Palestina. En 1949, Weizmann fue elegido el primer presidente de Israel.
El proceso alemán de obtención de glicerol desapareció de la escena al final del
conflicto. Destino que no sufrió el proceso butanol-acetona; éste persistió como
fuente de acetona durante muchos años, hasta que al principio de los 50 lo
desplazaron otros procesos que se fundamentan en el petróleo.
La producción de ácido cítrico por microorganismos también tiene su origen en la
primera guerra mundial. Hasta entonces el ácido cítrico se extraía de los cítricos,
siendo Italia el mayor productor. Cuando los hombres fueron llamados a filas, los
cultivos se desatendieron y al final del conflicto la industria estaba en ruina
aumentando el precio del ácido cítrico. Todo esto favoreció la introducción en 1923
de un proceso microbiano para su obtención. El organismo usado para la
obtención de ácido cítrico, Aspergillus niger, es un aerobio obligado, por lo que
debe cultivarse en presencia de oxígeno, justo lo contrario de Clostridium
acetobutylicum.Para ello se desarrollaron los cultivos en superficie y así poder
mantener al microorganismo en contacto con el aire.
En 1928, Alexander Fleming observó que el hongo Penicillium notatum mataba
sus cultivos de la bacteria Staphylococcus aureus. Tras cultivar el hongo en medio
líquido y separar el líquido de las células, encontró que el líquido celular podía
inhibir el crecimiento de muchas especies bacterianas. Llamó al ingrediente activo
del líquido con el nombre de penicilina, aunque no continuó los estudios debido a
que no poseía conocimientos químicos (era médico) para aislarla. En la década de
1930, cierto número de químicos británicos intentaron aislar la penicilina. Pero
fracasaron debido a su inestabilidad. Por último, un estudio comenzado en 1939
en la Universidad de Oxford por Howard Florey, Ernst Chain y colaboradores
condujo a la preparación con éxito de una forma estable de penicilina y a la
demostración de su impresionante actividad antibacteriana, primero en cobayas y
después en el hombre. El primer ensayo clínico con una preparación de penicilina
se llevó a cabo el 12 de febrero de 1941. El paciente era un policía de Oxford que
se estaba muriendo por una infección con Staphylococcus (septicemia). Al
administrarle penicilina se observó un mejoramiento espectacular, pero 5 días
después, cuando se les acabó la penicilina, la infección volvió a emerger y el
paciente murió. Este ensayo clínico falló debido a que no se podía obtener una
producción a gran escala de penicilina. En este punto (1940-1941), los británicos
estaban inmersos en la segunda guerra mundial. Florey y su colega Heatley
consideraron que las condiciones de una Inglaterra en guerra no eran las
adecuadas para el desarrollo de un proceso industrial de producción del
antibiótico. Y así fue como se trasladaron a los Estados Unidos, en 1941, en busca
de apoyo. Con la ayuda del Departamento de Agricultura y de varias compañías
farmacéuticas y Universidades se hizo posible la producción a gran escala de
Penicilina un año después.
Al igual que Aspergillus niger, microorganismo utilizado en la producción de ácido
cítrico, Penicillium notatum es aerobio obligado y por lo tanto debía ser crecido en
cultivos en superficie, lo que favorecía la contaminación y por lo tanto disminuía el
rendimiento de penicilina. La necesidad de utilizar técnicas asépticas llevó al
desarrollo de los fermentadores con agitación que actualmente son los que más se
utilizan para cultivar a gran escala los microorganismos. Las condiciones asépticas
se conseguían esterilizando todo el equipo con vapor antes de la inoculación y
manteniendo la presión del interior del fermentador superior a la atmosférica. El
oxígeno se introducía a través de aire estéril y se distribuía en el medio por
agitación.
Otra contribución al desarrollo de la biotecnología moderna que se realizó dentro
del programa de la penicilina fue el desarrollo de las técnicas de selección de
cepas. El Penicillium notatum original producía 2 mg de penicilina por litro de
cultivo. El muestreo de diferentes Penicillium llevó a la identificación de una cepa
superproductora de Penicilina, Penicillium chrysogenum. Para incrementar el
rendimiento de esta cepa, se sometió posteriormente y de una forma sistemática a
una variedad de agentes mutágenos, de tal manera que los supervivientes
superproductores se seleccionaban y se sometían a otra ronda de mutaciones.
Combinando las mejoras en la fermentación con el uso de mutantes, hoy en día el
rendimiento se ha incrementado hasta los 20 g/L.
El advenimiento de la penicilina señaló el comienzo de la era de los antibióticos.
Siguieron pronto los descubrimientos de Selman Waksman quien aisló
Streptomyces gryseus que produce estreptomicina. A partir de entonces se hizo
práctica estándar el muestreo de un gran número de aislamientos del suelo,
consiguiéndose obtener numerosos antibióticos nuevos a partir fundamentalmente
de un grupo de bacterias denominadas Actinomicetos.
3.- Ingeniería Genética
Después de la introducción de la fermentación de la penicilina no hubo
prácticamente ningún desarrollo significativo en la microbiología industrial durante
30 años. La mayoría de las compañías se dedicaban a la búsqueda de
microorganismos que produjeran metabolitos o actividades deseadas, para
posteriormente, realizar una selección de cepas superproductoras y desarrollar la
fermentación.
Al final de los 60 se generó cierto revuelo ante las expectativas de utilizarlas
células microbianas (biomasa) como una fuente de proteínas, lo que se denomina
Single Cell Protein (SCP). Sin embargo, la introducción de la SCP no tuvo el éxito
esperado debido a que coincidió con un rápido incremento del precio del petróleo
y con el desarrollo de variedades de cultivos con alto rendimiento con lo que los
países desarrollados no necesitaban SCP y los países subdesarrollados no podían
construir plantas industriales para obtener SCP. El desarrollo en Biotecnología,
como en otras áreas, está sujeto a presiones políticas y económicas (en el mundo
de los negocios existe poco altruismo).
En 1973 Stanley Cohen, Herbert Boyer y sus colaboradores desarrollaron la
metodología necesaria para transferir la información genética (genes) de un
organismo a otro. El desarrollo de la tecnología del DNA recombinante ha
cambiado la naturaleza de la biotecnología ya que la ingeniería genética provee la
capacidad para crear (más que aislar) cepas superproductoras.
El 15 de octubre de 1980, a los 20 minutos de comenzar la sesión en la bolsa de
Nueva York, las acciones de la compañía Genentech subieron de 35$ a 89 $. Fue,
hasta la fecha, la mayor subida de acciones en la historia de la bolsa de Nueva
York. Era la primera vez que esta compañía cotizaba en bolsa. Científicos de esta
compañía, 2 años antes (1978), habían conseguido producir insulina humana en la
bacteria Escherichia coli con lo que podía ser usada por aquellos diabéticos que
eran alérgicos a la insulina disponible hasta la fecha (Insulina de cerdo).
IV. FUTURO
Las perspectivas futuras pueden llevar a los siguientes beneficios:
Diagnóstico, prevención o cura de enfermedades infecciosas y genéticas.
Aumento del rendimiento de cultivos creando plantas resistentes a insectos,
hongos y virus.
Desarrollo de microorganismos que producirán compuestos químicos,
polímeros, aminoácidos, enzimas y varios aditivos de alimentos.
Facilitar la eliminación de contaminantes y residuos tóxicos del medio
ambiente.
Aunque es importante enfatizar los aspectos positivos de los nuevos avances,
también es necesario considerar las consecuencias sociales que pueden derivarse
del uso de esta tecnología:
Puede ser algún organismo modificado genéticamente perjudicial para otros
organismos o el medio ambiente?
Puede el desarrollo y uso de los organismos modificados genéticamente
reducir la diversidad genética natural?
Deben modificarse genéticamente a los hombres?
Los nuevos diagnósticos invadirán la privacidad de las personas?
Deben tener propietario los organismos creados por ingeniería genética?