INTRODUCCIÓN Grupo 1

INTRODUCCIÓN
Grupo 1
Las enzimas son proteínas que actúan como aceleradores de las reacciones químicas, de síntesis y
degradación de compuestos, éstas se encuentran en todos los seres vivos y son piezas esenciales en su
funcionamiento.Èstas tienen muchas aplicaciones en diversos tipos de industrias, entre las que se
destaca la alimenticia, por ejemplo en la obtención de yogurt, o la producción de cerveza o de vino, ya
que el proceso de fermentación se debe a las enzimas presentes en los microorganismos que
intervienen en su producción. Sin embargo, para mejorar los procesos de producción, pueden utilizarse
enzimas aisladas, sin incluir a los microorganismos que las producen. Desde hace unas décadas se
dispone de enzimas relativamente puras extraídas industrialmente de bacterias, hongos, plantas y
animales, con una gran variedad de actividades, pero hoy en día se han desarrollado mas fuentes para la
producción de enzimas que permiten su aplicación en diversos procesos, lo cual ha originado un área
interdisciplinaria llamada ingeniería enzimática, como nuevo enfoque de la biotecnología.
En la actualidad se ha logrado obtener enzimas más puras, con varias ventajas: acción más especifica en
su función catalítica; actividad predecible y controlable, uso de concentraciones más elevadas del
sustrato.
Justificación
La implementación de microorganismos en los diversos procesos biotecnológicos ha incrementado
progresivamente, debido a que éstos pueden complementar, y en algunas ocasiones reemplazar los
procesos anteriormente usados, causando un menor impacto negativo en la naturaleza y
proporcionando más ventajas, ya que representan una disminución en los costos de producción y mayor
rendimiento. Son muchas las aplicaciones de los microorganismos, sin embargo, el presente blog está
encaminado a la producción de enzimas, actividad de gran importancia en la optimización los procesos
que necesitan ser catalizados y en el control de enfermedades por deficiencia enzimática, por ello, es
preciso ampliar el conocimiento acerca de dicha acción microbiana en los procesos biotecnológicos de la
industria y la salud. La información contenida en éste artículo busca dar a conocer el papel de los
microorganismos en la producción de enzimas con la intención de motivar a todas aquellas personas
interesadas en el tema a profundizar en este proceso que despierta gran interés en la actualidad.
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1. Importancia de la producción de enzimas a partir de microorganismos
Grupo 2
La sustitución de los procesos químicos, por naturales, es el principio básico de la biotecnología, la cual
busca reducir el impacto negativo de dichos procesos en el medio ambiente, ya que además de requerir
gran inversión de capital, demandan condiciones especiales para la obtención de productos de gran
interés como las enzimas; para remediar esta situación la investigación científica ha desarrollado nuevas
fuentes de los productos mencionados anteriormente de origen microbiológico para contribuir en el
desarrollo sostenible.
La necesidad de acelerar los procesos con baja velocidad generó la búsqueda de alternativas para
agilizarlos, dando como resultado la utilización de enzimas, principalmente obtenidas a partir de
microorganismos, las cuales permiten la realización de un proceso más sencillo, la optimización del
producto al generar, mayor calidad, mayor utilidad en su aplicación, mayor rentabilidad, y la obtención
de un producto diferente o en mayor cantidad que sirva para compensar su reducida disponibilidad.
Los procesos en los cuales son necesarias las enzimas generalmente comprenden baja concentración e
inestabilidad de los productos formados y obtención de mezclas complejas que impiden conseguir el
producto deseado, por lo cual éste debe ser recuperado; por ello, el aislamiento de microorganismos,
como recursos renovables, para su uso en la producción de enzimas es muy usual en la industria y la
salud, debido a los beneficios que éstos ofrecen como estabilidad, especificidad y la aplicación general
viable. El uso de enzimas microbianas proporciona grandes ventajas en actividades necesarias como en
la biorremediación del agua, en la industria alimentaria y en la producción de antibióticos.
La actividad biocatalítica de los microorganismos hace que éstos, como seres unicelulares, sean usados
de forma eficaz como enzimas extracelulares, las cuales facilitan su aislamiento y purificación, generan
mayor volumen, son más puras y estables, porque poseen puentes disulfuro. También se pueden
obtener enzimas intracelulares, pero es un proceso más complejo, ya que se debe provocar una lisis
celular, separar sus restos y purificar el extracto de la enzima.
Otras fuentes de enzimas son las plantas y animales, pero es preferible usar las originadas por
microorganismos, ya que poseen diversas actividades catalíticas, se pueden obtener en gran cantidad,
son económicas, se producen de forma regular, son más estables y su proceso de producción es más
factible y seguro, debido a que son fáciles de cultivar por sus simples exigencias nutritivas y su tiempo
de generación es más reducido. Además, las plantas no son fuentes satisfactorias de enzimas porque
acumulan productos de desecho en las vacuolas que inactivan la acción enzimática.
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2. Aplicación de las enzimas producidas por microorganismos
Grupo 3
2.1.3. Aplicaciones en la medicina
Estas aplicaciones se basan en el fenómeno general de que las células enfermas pierden una parte de
sus enzimas que ocasionalmente van a parar a la sangre, provocando la elevación de la actividad
enzimática del suero, dependiendo de la gravedad de la enfermedad.
- Las enzimas se usan como reactivos para control y seguimiento de enfermedades y para la observación
de la respuesta de los pacientes en terapia. Por ejemplo para el análisis del colesterol del suero se usa la
enzima colesterol oxidasa, que se obtiene a partir de Pseudomonas fluorescens, que al ser suministrado
un inductor, el enzima se acumula en forma intra- y extracelular y se purifica.
- Diagnóstico enfermedades, como ocurre con ELISA.
- Las técnicas enzimáticas también se utilizan en la detección de drogas, análisis de antibióticos,
detección de antígenos o anticuerpos o en la detección de enzimas y metabolitos en los fluidos
intracelulares y son usualmente más rápidas, especificas y económicas que otras pruebas.
-- En el tratamiento de enfermedades, por ejemplo, las enzimas tripsina o colagenasa, que se usan para
eliminar los tejidos muertos de heridas, quemaduras, etc, para acelerar el crecimiento de nuevos tejidos
e injertos de piel e inhibir el crecimiento de organismos contaminantes.
2.2. Aplicación industrial
- En la fabricación de jarabes de maltosa, que se usa en mermeladas y en pastelería por su resistencia a
la aparición de color, por no ser absorbente y no cristalizar tan fácilmente como los jarabes de glucosa;
también se usa en la cervecería y panadería porque su contenido de azúcar fermentable es alto y se
mantiene estable durante el almacenamiento, por ejemplo, se usan enzimas como la pulalanasa.
- La hidrólisis enzimática de celulosa a glucosa, a través de la celulasa, obtenida del Trichoderma viride,
que sirve como endulzante, como fuente de energía o para transformarla en productos valiosos como el
etanol. Las aplicaciones comerciales son como auxiliar de alimentos vegetales y degradador de desechos
domésticos.
- Fermentación alcohólica, recientemente se han añadido enzimas bacterianas para suplementar
enzimas endógenas asociadas con el almidón, para disminuir la viscosidad del almidón; en la elaboración
de cerveza se usan enzimas para el remojo y acondicionamiento, degradando el almidón de la cebada y
dando lugar al mosto de cerveza, formando azúcares fermentables y dextrinas límites que no fermentan
y permanecen en la cerveza aumentando su valor calórico; también hacen que resista la refrigeración,
alargue su vida útil y para filtrar la levadura.
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3. Microorganismos productores de enzimas
Grupo 4
A pesar de los avances biotecnológicos en la elección de enzimas, aún hace falta explorar ambientes
nuevos o exóticos para encontrar microorganismos que desarrollen enzimas con propiedades
excepcionales. La mayoría de las enzimas microbianas se producen a partir de aproximadamente 25
organismos, sin embargo, solo alrededor del 2% de los microorganismos se han ensayado como fuente
de enzimas. A pesar de la multiplicidad de los microorganismos, un número limitado se usa como fuente
de enzimas, frecuentemente porque es más fácil llevar a cabo la purificación de varias enzimas a partir
de un microorganismo, para reducir costos.
Los microorganismos adecuados para la producción de enzimas deben ser estables y aceptados por las
autoridades de control, tener facilidad y rapidez de crecimiento con nutrientes sencillos y relativamente
baratos, producir una enzima de alto rendimiento, que sea fácil de aislar, purificar y concentrar sin
contaminantes o tóxicos. Tradicionalmente, el objetivo es maximizar la velocidad de formación de la
enzima para minimizar los costos de producción de la enzima. En los microorganismos, el rendimiento es
igual a la masa de células obtenida, multiplicada por el volumen, por ello, lo adecuado es combinar de la
mejor manera la cepa seleccionada, las condiciones de de recuperación y fermentación y el equipo más
apropiado.
Habitualmente los microbios se sumergen en fermentadores bien agitados y aireados o en
fermentadores sólidos o semisólidos, por ejemplo, los que producen lactasa, a-amilasa, proteasa, entre
otros. Lo más adecuado es usar enzimas termostables, que a mayor temperatura, producen mayor
velocidad de reacción, menor viscosidad del sustrato, mayor solubilidad del reactivo y menor
contaminación. Además, para liberar más rápido la enzima se añaden surfactantes al medio de cultivo
que aceleran la liberación. Las reacciones enzimáticas se llevan a cabo por numerosas enzimas con
distintas funciones, por ello, una pequeña cantidad de enzimas son necesarios, inclusive a escala
industrial; los preparados enzimáticos necesitan poco espacio de almacenamiento y las reacciones son
controladas de forma sencilla y pueden detenerse cuando se ha alcanzado el grado deseado de
conversión de sustrato.
3.1. Hongos productores de enzimas
Frecuentemente las enzimas fúngicas tienen un pH ácido o neutro y no son termoestables. Los más
usados son: Penicillium lilacinum, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae
3.2. Bacterias productoras de enzimas
Las enzimas bacterianas tienden a tener un pH alcalino o neutro y con frecuencia son termoestables. Las
más usadas son: Bacillus subtilis ,B. mesentericus, B. natto
4. Avances en la producción de enzimas a partir de microorganismos
Grupo 5
4.2. Descubrimientos importantes respecto al uso de enzimas
4.2.1. Dos tipos de bacterias producen energía a partir de restos de comida
El hidrógeno tiene más energía potencial que el petróleo, lo que le denomina el combustible con mayor
contenido energético. Se ha empleado el uso de bacterias para su producción debido a la dificultad de
los asuntos energéticos.
En Reino Unido, en la Universidad de Birmingham, la Unidad de Bionanomateriales Funcionales ha
montado dos biorreactores que recrean las condiciones ideales para que dos bacterias, la cimógena y la
púrpura, produzcan hidrógeno a partir de desperdicios orgánicos; el proceso consiste en que las
bacterias cimógenas usan carbohidratos para producir hidrógeno y ácidos por fermentación, cuando no
hay oxígeno; mientras que la bacteria púrpura utiliza la luz para producir energía a través de la
fotosíntesis y fabrican hidrógeno para ayudarlas a romper moléculas como las de los ácidos. Estas dos
reacciones se complementan, ya que la bacteria púrpura puede utilizar los ácidos producidos por la
bacteria cimógena.
Las enzimas hidrogenasas de las bacterias sobrantes pueden recuperar metales de los catalizadores y
ayudar en la fabricación de celdas de combustible. Así no se desperdicia biomasa y se convierte la
basura en fuente de energía.
4.2.2. Enzimas que convierten cualquier sangre en tipo O
Henrik Clausen, de la Universidad de Copenhague de Dinamarca y sus colaboradores de ZymeQuest
probaron más de 2500 tipos bacterias y hongos, buscando enzimas más eficientes para encontrar
enzimas capaces de cambiar el tipo de sangre. Finalmente encontraron una enzima producida por el
bacteroides fragilis que elimina el antígeno B y otra producida por elizabethkingia meningosepticum que
elimina el antígeno tipo A. Las enzimas son glicosidasas, que son muy eficientes depues de ser
purificadas. La combinación de las dos enzimas convierte cualquier grupo sanguíneo en grupo O, la cual
puede ser la clave para producir sangre tipo O a partir de los grupos A, B y AB, para evitar la escasez de
este tipo de sangre, que a pesar de ser la más común, presenta déficit debido a su carácter de donante
universal y receptor sólo del mismo tipo.
4.2.3. Obtenciòn de celulosa sin contaminacion secundaria
La contaminación provocada por la industria del papel puede ser reducida por el uso de enzimas
producidas por hongos que degradan naturalmente madera. La producción de celulosa genera desechos
muy contaminantes, lo cual implica la implementación de procesos muy costosos para reducir
contaminantes en el agua. Para obtener la celulosa, principal componente de la madera, ésta se debe
separar de la lignina, que le proporciona rigidez al árbol, usando tratamientos químicos muy tóxicos, un
nuevo método que reduce dicha contaminación es la utilización de enzimas ligninolíticas, sintetizadas
por los hongos de pudrición blanca, que degradan la lignina de forma natural, no provocan daño
ambiental, pueden extraer la lignina de distintos tipos de árboles y tienen un costo menor.
GENERALIDADES SOBRE EL PROCESO DE FERMENTACIÓN METANOGÉNICA
(grupo 6)
La fermentación metanogénica o biometanogénesis es un medio antiguo de transformación
energética de la biomasa descubierto en 1776 por Volta, que encontró metano en el gas de los
pantanos. Es un proceso de degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno el cual
genera metano, dióxido de carbono y otros compuestos e implica la realización de una serie de
reacciones bioquímicas, en las cuales participa una gran variedad de microorganismos (Guevara
Vera, 1996).
Para que el proceso de fermentación sea normal se necesita la acción conjunta de bacterias que
producen metano y de aquellas que no lo producen. El exceso o falta de una de las dos tienden a
destruir el equilibrio cinético, lo que lleva a la anormalidad o incluso al fracaso del proceso de
fermentación (Guevara Vera, 1996).
Se han encontrado en aislamiento cuatro grupos de bacterias que poseen diferentes funciones
catabólicas sobre el carbono, en el proceso de degradación de la materia orgánica hasta el metano:
Grupo I: Bacterias hidrolíticas, las cuales catabolizan sacáridos, proteínas, lípidos y otros constituyentes
menores de la biomasa.
Grupo II: Bacterias acetogénicas, productoras de hidrógeno, catabolizan ciertos ácidos grasos y
productos finales neutros.
Grupo III: Bacterias homoacetogénicas, catabolizan compuestos monocarbonados, y/o hidrolizan
compuestos multicarbonados hacia la producción de ácido acético.
Grupo IV: Bacterias metanogénicas, catabolizan acetato, compuestos monocarbonados para producir
metano; contemplándose solo cuatro géneros: Metanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum y
Methanosarcina, basado en la clasificación taxonómica propuesta por Balch.
3.1.1. Microorganismos metanogénicos y su acción.
Algunas de las características de los organismos metanogénicoses que son sensibles al oxígeno y a los
óxidos. Además, sólo pueden usarse como sustrato los compuestos orgánicos e inorgánicos más
sencillos en condiciones de cultivo puro y por tal razón el crecimiento y reproducción de este tipo de
microorganismos es muy lento.
Proceso de fermentación metanogénica
Grupo 7
Desde el punto de vista bioquímico, la fermentación metanogénica es, de hecho, un tipo de
respiración anaerobia, en el que los electrones procedentes de sustratos orgánicos terminan
produciendo dióxido de carbono, que se reduce a continuación a metano. Además de los diversos
sustratos orgánicos (como el acetato), el hidrógeno que es producido por diversos tipos de
bacterias anaerobias, actúa como donador de electrones para las metanobacterias.
El metano puede obtenerse de compuestos aromáticos, en condiciones de anaerobiosis estricta.
Probablemente, este proceso es muy frecuente en la naturaleza, sobre todo en el tratamiento de las
aguas servidas y de los efluentes, así como en la transformación de algunos biocidas. Existen varias
especies de bacterias que intervienen en las distintas etapas de la degradación de los ciclos aromáticos
hasta llegar al acetato, que es uno de los sustratos de las metanobacterias, su deshidrogenación libera
los electrones necesarios para la reducción del dióxido de carbono en metano. En el proceso de
producción de gas metano por fermentación anaeróbica existen cuatro fases:
1) Fase de hidrólisis, se rompen los enlaces para dar lugar a la formación de compuestos más sencillos.
2) Fase de acidificación, se forman ácidos orgánicos de cadena corta.
3) Fase acetogénica, se da la formación de acetato a partir de los ácidos orgánicos.
4) Fase metanogénica, se da la formación de metano por bacterias metanogénicas a partir de acetato,
hidrógeno y dióxido de carbono.
Hidrólisis
En esta fase los compuestos insolubles como celulosa, proteínas y lípidos son convertidos en
monómeros por exoenzimas (hidrolasa) producidas por los microorganismos anaeróbicos estrictos y
facultativos. Los enlaces covalentes son rotos por las reacciones químicas en fase acuosa. La
hidrólisis de los carbohidratos toma lugar en unas cuantas horas, la hidrólisis de proteínas y lípidos
en días. En cambio la lignocelulosa y lignina son degradadas lentamente y muchas veces esta
transformación es incompleta