La microbiología industrial es una rama de la biotecnología que aplica las ciencias microbianas para crear productos industriales en cantidades masivas, a menudo utilizando fábricas de células microbianas . Hay múltiples formas de manipular un microorganismo para aumentar los rendimientos máximos del producto. La introducción de mutaciones en un organismo se puede lograr introduciéndolos a mutágenos. Otra forma de aumentar la producción es mediante la amplificación genética, esto se hace mediante el uso de plásmidos y vectores. Los plásmidos y / o vectores se utilizan para incorporar múltiples copias de un gen específico que permitiría que se produzcan más enzimas que eventualmente causen un mayor rendimiento del producto. [1] La manipulación de organismos para producir un producto específico tiene muchas aplicaciones en el mundo real, como la producción de algunos antibióticos, vitaminas, enzimas, aminoácidos, solventes, alcohol y productos diarios. Los microorganismos juegan un papel importante en la industria, con múltiples formas de uso. Medicinalmente, los microbios se pueden utilizar para crear antibióticos para tratar infecciones. Los microbios también se pueden utilizar para la industria alimentaria. Los microbios son muy útiles para crear algunos de los productos producidos en masa que consumen las personas. La industria química también utiliza microorganismos para sintetizar aminoácidos y disolventes orgánicos. Los microbios también pueden emplearse en aplicaciones agrícolas como biopesticidas en lugar de utilizar productos químicos peligrosos o inóculos para favorecer la proliferación de las plantas.
La aplicación médica de la microbiología industrial es la producción de nuevos fármacos sintetizados en un organismo específico para fines médicos. La producción de antibióticos es necesaria para el tratamiento de muchas infecciones bacterianas. Algunos antibióticos y precursores naturales se producen mediante un proceso llamado fermentación . Los microorganismos crecen en un medio líquido donde se controla el tamaño de la población para obtener la mayor cantidad de producto. En este entorno, también se controlan los nutrientes, el pH, la temperatura y el oxígeno para maximizar la cantidad de células y hacer que no mueran antes de la producción del antibiótico de interés. Una vez producido el antibiótico, debe extraerse para obtener un ingreso.
Las vitaminas también se producen en cantidades masivas ya sea por fermentación o biotransformación . [2] La vitamina B 2 (riboflavina), por ejemplo, se produce de ambas formas. La biotransformación se utiliza principalmente para la producción de riboflavina, y la fuente de carbono inicial para esta reacción es la glucosa. Hay algunas cepas de microorganismos que fueron diseñados para aumentar el rendimiento de la riboflavina producida. El organismo más común utilizado para esta reacción es Ashbya gossypii . El proceso de fermentación es otra forma común de producir riboflavina. El organismo más común utilizado para la producción de riboflavina a través de la fermentación es Eremothecium ashbyii . Una vez que se produce la riboflavina, debe extraerse del caldo, esto se hace calentando las células durante una cierta cantidad de tiempo, y luego las células pueden filtrarse de la solución. La riboflavina luego se purifica y se libera como producto final. [3]
La biotransformación microbiana se puede utilizar para producir medicamentos esteroides. Los esteroides se pueden consumir por vía oral o por inyección. Los esteroides juegan un papel importante en el control de la artritis. La cortisona es un fármaco antiinflamatorio que combate la artritis, así como varias enfermedades de la piel. [ cita requerida ] Otro esteroide utilizado es la testosterona, que se produce a partir de la dehidroepiandrosterona utilizando la especie Corynebacterium [4] .
La fermentación es una reacción en la que el azúcar se puede convertir en un gas, alcohol o ácido. La fermentación ocurre de forma anaeróbica, lo que significa que los microorganismos que pasan por la fermentación pueden funcionar sin la presencia de oxígeno. Las levaduras y las bacterias se utilizan comúnmente para producir en masa múltiples productos. El alcohol para beber es un producto que producen las levaduras y las bacterias. El alcohol que se puede consumir también se conoce como etanol, y el etanol se utiliza para impulsar automóviles como fuente de combustible. El alcohol para beber se produce a partir de azúcares naturales como la glucosa. El dióxido de carbono se produce como un producto secundario en esta reacción y se puede utilizar para hacer pan, y también se puede utilizar para carbonatar bebidas. Fermentación del vino: Las bebidas alcohólicas como la cerveza y el vino son fermentadas por microorganismos cuando no hay oxígeno presente. [ cita requerida ]
En este proceso, una vez que hay suficiente alcohol y dióxido de carbono en el medio, la levadura comienza a morir debido a que el medio ambiente se vuelve tóxico para ella. Hay muchas cepas de levaduras y bacterias que pueden tolerar diferentes cantidades de alcohol en su entorno antes de que se vuelva tóxico, por lo que se pueden obtener diferentes niveles de alcohol en la cerveza y el vino, simplemente seleccionando una cepa microbiana diferente. La mayoría de las levaduras pueden tolerar entre el 10 y el 15 por ciento de alcohol, pero hay algunas cepas que pueden tolerar hasta el 21 por ciento de alcohol. Los productos lácteos como el queso y el yogur también se pueden elaborar mediante fermentación utilizando microbios. El queso se produjo como una forma de preservar los nutrientes obtenidos de la leche, a través de la fermentación, alargando así la vida útil del producto. Los microbios se utilizan para convertir los azúcares de lactosa en ácido láctico a través de la fermentación. Las bacterias utilizadas para dicha fermentación suelen ser de las familias Lactococci , Lactobacilli o Streptococci . A veces, estos microbios se añaden antes o después del paso de acidificación necesario para la producción de queso. Estos microbios también son responsables de los diferentes sabores del queso, ya que tienen enzimas que descomponen los azúcares y las grasas de la leche en múltiples componentes básicos. Algunos otros microbios, como el moho, pueden introducirse deliberadamente durante o antes del envejecimiento del queso, con el fin de darle un sabor diferente. [ cita requerida ]
La producción de yogur comienza con la pasteurización de la leche, donde se reducen o eliminan los microbios no deseados. Una vez que la leche se pasteuriza, está lista para ser procesada para reducir el contenido de grasa y líquido, por lo que lo que queda es principalmente contenido sólido. Esto se puede hacer secando la leche para que el líquido se evapore o agregando leche concentrada. Aumentar el contenido sólido de la leche también aumenta el valor nutricional ya que los nutrientes están más concentrados. Una vez que se logra este paso, la leche está lista para la fermentación, donde se inocula la leche con bacterias en recipientes de acero inoxidable higiénicos y luego se monitorea cuidadosamente la producción de ácido láctico, la temperatura y el pH. [ cita requerida ]
Las enzimas se pueden producir a través de la fermentación, ya sea por fermentación sumergida y/o por fermentación en estado sólido. [5] La fermentación sumergida se refiere a cuando los microorganismos están en contacto con el medio. En este proceso, el contacto con el oxígeno es esencial. Los biorreactores/fermentadores que se utilizan para hacer esta producción masiva de producto pueden almacenar hasta 500 metros cúbicos de volumen. La fermentación en estado sólido es menos común que la fermentación sumergida, pero tiene muchos beneficios. Hay menos necesidad de que el entorno sea estéril ya que hay menos agua, hay una mayor estabilidad y concentración para el producto final. [5] La síntesis de insulina se realiza a través del proceso de fermentación y el uso de E. coli recombinante o levadura para fabricar insulina humana también llamada Humulina .
La demanda de productos agrícolas aumenta constantemente debido a la necesidad de diversos fertilizantes y pesticidas. El uso excesivo de fertilizantes y pesticidas químicos tiene efectos a largo plazo. Debido al uso excesivo de fertilizantes y pesticidas químicos, el suelo se vuelve infértil y no se puede utilizar para el cultivo. En este sentido, los biofertilizantes, los biopesticidas y la agricultura orgánica vienen al rescate.
Un biopesticida es un pesticida derivado de un organismo vivo o de sustancias naturales. Los pesticidas bioquímicos también se pueden producir a partir de sustancias naturales que pueden controlar las poblaciones de plagas de forma no tóxica. [6] Un ejemplo de pesticida bioquímico son los insecticidas a base de ajo y pimienta, que funcionan repeliendo a los insectos de la ubicación deseada. Los pesticidas microbianos, generalmente un virus, una bacteria o un hongo, se utilizan para controlar las poblaciones de plagas de una manera más específica. [6] El microbio más utilizado para la producción de biopesticidas microbianos es Bacillus thuringiensis , también conocido como Bt. Esta bacteria formadora de esporas produce una delta-endotoxina en la que hace que el insecto o la plaga dejen de alimentarse del cultivo o la planta porque la endotoxina destruye el revestimiento del sistema digestivo.
La síntesis de aminoácidos y disolventes orgánicos también se puede realizar utilizando microbios. La síntesis de aminoácidos esenciales como L-metionina, L-lisina, L-triptófano y el aminoácido no esencial ácido L-glutámico se utilizan hoy en día principalmente para las industrias de piensos, alimentos y farmacéutica. La producción de estos aminoácidos se debe a Corynebacterium glutamicum y la fermentación. C. glutamicum fue diseñado para poder producir L-lisina y ácido L-glutámico en grandes cantidades. [7] El ácido L-glutámico tenía una gran demanda de producción porque este aminoácido se utiliza para producir glutamato monosódico (GMS), un agente aromatizante de alimentos. En 2012, la producción total de ácido L-glutámico fue de 2,2 millones de toneladas y se produce utilizando una técnica de fermentación sumergida inoculada con C. glutamicum. La L-lisina fue producida originalmente a partir del ácido diaminopimélico (DAP) por E. coli , pero una vez que se descubrió que C. glutamicum producía ácido L-glutámico. [7] Este organismo y otros autótrofos fueron modificados posteriormente para producir otros aminoácidos como lisina, aspartato, metionina, isoleucina y treonina. [7] La L-lisina se utiliza para la alimentación de cerdos y pollos, así como para tratar la deficiencia de nutrientes, aumentar la energía en un paciente y, a veces, se utiliza para tratar infecciones virales. El L-triptófano también se produce a través de la fermentación y por Corynebacterium y E. coli, aunque la producción no es tan grande como el resto de los aminoácidos, todavía se produce con fines farmacéuticos, ya que se puede convertir y utilizar para producir neurotransmisores. [7]
La producción de disolventes orgánicos como acetona, butanol e isopropanol a través de la fermentación fue una de las primeras cosas que se produjeron mediante el uso de bacterias, ya que lograr la quiralidad necesaria de los productos se logra fácilmente utilizando sistemas vivos. [8] La fermentación con disolventes utiliza una serie de especies bacterianas de Clostridia . La fermentación con disolventes al principio no era tan productiva como se utiliza hoy en día. La cantidad de bacterias necesarias para producir un producto era alta y el rendimiento real del producto era bajo. Más tarde se descubrieron avances tecnológicos que permitieron a los científicos alterar genéticamente estas cepas para lograr un mayor rendimiento de estos disolventes. Estas cepas de Clostridia se transformaron para tener copias adicionales de genes de enzimas necesarias para la producción de disolventes, además de ser más tolerantes a concentraciones más altas del disolvente que se estaba produciendo, ya que estas bacterias tienen una gama de productos en los que pueden sobrevivir antes de que el medio ambiente se vuelva tóxico. [9] La producción de más cepas que puedan utilizar otros sustratos también fue otra forma de aumentar la productividad de estas bacterias. [9]
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