La celulosa bacteriana es un compuesto orgánico con la fórmula ( C
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norteproducida por ciertos tipos de bacterias . Si bien la celulosa es un material estructural básico de la mayoría de las plantas, también es producida por bacterias, principalmente de los géneros Komagataeibacter , Acetobacter , Sarcina ventriculi y Agrobacterium . La celulosa bacteriana o microbiana tiene propiedades diferentes a las de la celulosa vegetal y se caracteriza por su alta pureza, resistencia, moldeabilidad y mayor capacidad de retención de agua. [1] En hábitats naturales, la mayoría de las bacterias sintetizan polisacáridos extracelulares , como la celulosa, que forman envolturas protectoras alrededor de las células. Si bien la celulosa bacteriana se produce en la naturaleza, actualmente se están investigando muchos métodos para mejorar el crecimiento de celulosa a partir de cultivos en laboratorios como un proceso a gran escala. Al controlar los métodos de síntesis, la celulosa microbiana resultante se puede adaptar para que tenga propiedades deseables específicas. Por ejemplo, se ha prestado atención a la bacteria Komagataeibacter xylinus debido a las propiedades mecánicas únicas de su celulosa y sus aplicaciones en biotecnología , microbiología y ciencia de materiales .
Históricamente, la celulosa bacteriana se ha limitado a la fabricación de los postres gelatinosos nata de piña y nata de coco , un producto alimenticio filipino . [2] [3] [4] Con los avances en la capacidad de sintetizar y caracterizar la celulosa bacteriana, el material se está utilizando para una amplia variedad de aplicaciones comerciales que incluyen textiles, cosméticos y productos alimenticios, así como aplicaciones médicas. Se han concedido muchas patentes en aplicaciones de celulosa microbiana y varias áreas activas de investigación están intentando caracterizar mejor la celulosa microbiana y utilizarla en nuevas áreas. [1]
La celulosa como material fue descubierta por primera vez en 1838 por Anselme Payen. Payen pudo aislar la celulosa del resto de la materia vegetal y caracterizarla químicamente. En una de sus primeras y más comunes aplicaciones industriales, la celulosa procedente de pulpa de madera se utilizó para fabricar papel. Es ideal para mostrar información en forma impresa debido a su alta reflectividad, alto contraste, bajo costo y flexibilidad. El descubrimiento de la celulosa producida por bacterias, concretamente a partir de la Acetobacter xylinum , fue acreditado a AJ Brown en 1886 con la síntesis de una estera gelatinosa extracelular. [5] Sin embargo, no fue hasta el siglo XX que se realizaron estudios más intensivos sobre la celulosa bacteriana. Varias décadas después del descubrimiento inicial de la celulosa microbiana, CA Browne estudió el material de celulosa obtenido por fermentación del jugo de caña de azúcar de Luisiana y confirmó los resultados de AJ Brown. [6] Otros investigadores informaron sobre la formación de celulosa por otros organismos como Acetobacter pasturianum , Acetobacter rancens , Sarcina ventriculi y Bacterium xylinoides . En 1931, Tarr y Hibbert publicaron el primer estudio detallado de la formación de celulosa bacteriana mediante la realización de una serie de experimentos para cultivar A. xylinum en medios de cultivo. [7]
A mediados del siglo XX, Hestrin et al. demostró la necesidad de glucosa y oxígeno en la síntesis de celulosa bacteriana. Poco después, Colvin detectó síntesis de celulosa en muestras que contenían extracto libre de células de A. xylinum , glucosa y ATP. [8] En 1949, Muhlethaler caracterizó la estructura microfibrilar de la celulosa bacteriana. [9] Otros estudios de celulosa bacteriana han llevado a nuevos usos y aplicaciones para el material.
Las bacterias que producen celulosa incluyen especies de bacterias Gram negativas como Acetobacter , Azotobacter , Rhizobium , Pseudomonas , Salmonella , Alcaligenes y especies de bacterias Gram positivas como Sarcina ventriculi . [10] Los productores de celulosa más eficaces son A. xylinum , A. hansenii y A. pasteurianus . De estos, A. xylinum es el microorganismo modelo para estudios básicos y aplicados sobre celulosa debido a su capacidad para producir niveles relativamente altos de polímero a partir de una amplia gama de fuentes de carbono y nitrógeno. [11]
La síntesis de celulosa bacteriana es un proceso de varios pasos que involucra dos mecanismos principales: la síntesis de uridina difosfoglucosa (UDPGIc), seguida de la polimerización de glucosa en cadenas largas y no ramificadas (la cadena de glucano β-1→4) por la celulosa sintasa . Los detalles específicos sobre la síntesis de celulosa se han documentado ampliamente. [12] [13] El primer mecanismo es bien conocido, mientras que el segundo aún necesita ser explorado. La producción de UDPGIc comienza con compuestos de carbono (como hexosas , glicerol , dihidroxiacetona , piruvato y ácidos dicarboxílicos ) que ingresan al ciclo de Krebs , la gluconeogénesis o el ciclo de las pentosas fosfato, dependiendo de la fuente de carbono disponible. Luego pasa por la fosforilación junto con la catálisis, seguida de la isomerización del intermedio y un proceso conocido como pirofosforilasa UDPGIc para convertir los compuestos en UDPGIc, un precursor de la producción de celulosa. Se ha planteado la hipótesis de que la polimerización de la glucosa en la cadena de glucano β-1→4 implica un intermediario lipídico [14] o no implica un intermediario lipídico, [12] aunque los estudios de enzimología estructural y los experimentos in vitro indican que la polimerización puede ocurrir por Transferencia enzimática directa de una fracción glucosilo desde un azúcar nucleotídico al polisacárido en crecimiento. [15] A. xylinum generalmente convierte compuestos de carbono en celulosa con alrededor del 50% de eficiencia. [14]
La producción de celulosa depende en gran medida de varios factores como el medio de crecimiento , las condiciones ambientales y la formación de subproductos. El medio de fermentación contiene carbono , nitrógeno y otros macro y micronutrientes necesarios para el crecimiento de las bacterias. Las bacterias son más eficientes cuando se les suministra una fuente abundante de carbono y una fuente mínima de nitrógeno. [16] La glucosa y la sacarosa son las fuentes de carbono más comúnmente utilizadas para la producción de celulosa, mientras que se han probado la fructosa , la maltosa , la xilosa , el almidón y el glicerol . [17] A veces, se puede utilizar etanol para aumentar la producción de celulosa. [18] El problema con el uso de glucosa es que se forma ácido glucónico como subproducto que disminuye el pH del cultivo y, a su vez, disminuye la producción de celulosa. Los estudios han demostrado que la producción de ácido glucónico puede disminuir en presencia de lignosulfonato . [19] La adición de ácidos orgánicos, específicamente ácido acético , también ayudó a obtener un mayor rendimiento de celulosa. [20] Se han estudiado estudios sobre el uso de medio de melaza en un fermentador de jarra [21] , así como componentes agregados de melaza de caña de azúcar [22] en ciertas cepas de bacterias, con resultados que muestran aumentos en la producción de celulosa.
La adición de nitrógeno adicional generalmente disminuye la producción de celulosa, mientras que la adición de moléculas precursoras como aminoácidos [23] y metionina mejoró el rendimiento. La piridoxina , el ácido nicotínico , el ácido p-aminobenzoico y la biotina son vitaminas importantes para la producción de celulosa, mientras que el pantotenato y la riboflavina tienen efectos opuestos. [24] En los reactores donde el proceso es más complejo, se añaden polisacáridos solubles en agua como agar , [25] acetano y alginato de sodio [26] para evitar la aglutinación o la coagulación de la celulosa bacteriana.
Los otros factores ambientales principales que afectan la producción de celulosa son el pH, la temperatura y el oxígeno disuelto. Según estudios experimentales, la temperatura óptima para una máxima producción estaba entre 28 y 30 °C. [27] Para la mayoría de las especies, el pH óptimo estaba entre 4,0 y 6,0. [17] Controlar el pH es especialmente importante en cultivos estáticos, ya que la acumulación de ácido glucónico, acético o láctico disminuye el pH mucho más bajo que el rango óptimo. El contenido de oxígeno disuelto se puede variar con la velocidad del agitador, ya que es necesario para cultivos estáticos donde los sustratos deben transportarse por difusión. [28]
Los cultivos estáticos y agitados son formas convencionales de producir celulosa bacteriana. Tanto los cultivos estáticos como los agitados no son factibles para la producción a gran escala, ya que los cultivos estáticos tienen un largo período de cultivo, así como una mano de obra intensiva, y los cultivos agitados producen mutantes negativos a la celulosa junto con sus reacciones debido al rápido crecimiento. [29] Por lo tanto, los reactores están diseñados para reducir el tiempo de cultivo e inhibir la conversión de cepas bacterianas productoras de celulosa en mutantes negativos para celulosa. Los reactores comunes utilizados son el reactor de disco giratorio, [30] el contactor rotatorio de biopelícula (RBC), [29] un biorreactor equipado con un filtro giratorio, [31] y un reactor con una membrana de silicona . [32]
Como material orgánico más común de la Tierra , la celulosa se puede clasificar en celulosa vegetal y celulosa bacteriana, las cuales se encuentran de forma natural. La celulosa vegetal, que forma las paredes celulares de la mayoría de las plantas, es una masa resistente en forma de malla en la que las fibrillas de celulosa son los principales elementos arquitectónicos. Si bien la celulosa bacteriana tiene la misma fórmula molecular que la celulosa vegetal, tiene propiedades y características macromoleculares significativamente diferentes. [8] En general, la celulosa microbiana es químicamente más pura, no contiene hemicelulosa ni lignina , tiene una mayor capacidad de retención de agua e hidrofilicidad , una mayor resistencia a la tracción resultante de una mayor cantidad de polimerización y una arquitectura de red ultrafina. Además, la celulosa bacteriana se puede producir en una variedad de sustratos y se puede cultivar prácticamente en cualquier forma debido a la alta moldeabilidad durante la formación. [33] Además, la celulosa bacteriana tiene una estructura más cristalina en comparación con la celulosa vegetal y forma microfibrillas características en forma de cinta . [1] Estas microfibrillas delgadas, un sello distintivo de la celulosa microbiana, son significativamente más pequeñas que las de la celulosa vegetal, lo que hace que la celulosa bacteriana sea mucho más porosa. [9]
La celulosa está compuesta de carbono , oxígeno e hidrógeno , y se clasifica como polisacárido , lo que indica que es un carbohidrato que exhibe características poliméricas. La celulosa está compuesta de polímeros de cadena lineal, cuyas unidades básicas de glucosa se mantienen unidas mediante enlaces beta. El papel estructural de la celulosa en las paredes celulares se ha comparado con el de las hebras de fibra de vidrio o con las varillas de soporte del hormigón armado. [ cita necesaria ] Las fibrillas de celulosa son altamente insolubles e inelásticas y, debido a su configuración molecular, tienen una resistencia a la tracción comparable a la del acero. [ cita necesaria ] En consecuencia, la celulosa imparte una combinación única de resistencia química y soporte mecánico y flexibilidad a los tejidos en los que reside. [34] La celulosa bacteriana, producida por especies de Acetobacter , muestra propiedades únicas, que incluyen alta resistencia mecánica, alta capacidad de absorción de agua, alta cristalinidad y una estructura de red de fibras ultrafina y altamente pura. [35] Una de las características más importantes de la celulosa bacteriana es su pureza química. Además, la celulosa bacteriana es estable frente a productos químicos y a altas temperaturas. [36] Se ha sugerido que la celulosa bacteriana tiene una construcción como una "jaula" que protege a la célula de materiales extraños e iones de metales pesados, al mismo tiempo que permite que los nutrientes se suministren fácilmente por difusión . [2] [37] Louis Pasteur describió la celulosa bacteriana como "una especie de piel húmeda, hinchada, gelatinosa y resbaladiza". Aunque la porción sólida del gel es inferior al uno por ciento, es celulosa casi pura que no contiene lignina ni otras sustancias extrañas. [2] Aunque la celulosa bacteriana se obtiene en forma de un gel muy hinchado, la textura es bastante única y diferente de los geles típicos. La celulosa tiene una red de fibras muy hinchada como resultado de la presencia de estructuras de poros y túneles dentro de la película húmeda . La retención de agua de la celulosa vegetal tiene un valor del 60%, mientras que la celulosa bacteriana tiene un valor de retención de agua del 1000%. [33] La formación de la película de celulosa se produce en la superficie superior de la película sobrenadante . Una gran superficie es importante para una buena productividad. La formación de celulosa se produce en la interfaz aire/película de celulosa y no en la interfaz medio/celulosa. Por tanto, el oxígeno es un factor importante para la producción de celulosa. [1]Después de un período inductor y de crecimiento rápido, el espesor aumenta constantemente. Las fibrillas no parecen ser necesariamente lineales, pero contienen algunos "puntos de ramificación de tres vías" a lo largo de su longitud. Se considera que este tipo de ramificación está relacionada con las características únicas de este material y se produce a partir de puntos de ramificación producidos por fisión binaria . [38]
El material en forma de lámina preparado a partir de celulosa bacteriana tiene propiedades mecánicas notables. Según Brown, la película de celulosa bacteriana era "muy dura, especialmente si se intentaba rasgarla a lo largo de su plano de crecimiento". [2] Se ha informado que el módulo de Young para la celulosa bacteriana es de hasta 15 GPa en todo el plano de la lámina, mientras que los valores más altos alcanzados en el pasado por películas u láminas poliméricas son < 10 GPa como máximo. El alto módulo de Young de la lámina se ha atribuido a la estructura supermolecular única en la que las fibrillas de origen biológico se conservan y unen firmemente mediante enlaces de hidrógeno . Este módulo de Young no varía con la temperatura ni con el proceso de cultivo utilizado. El módulo de Young tan elevado de este material debe atribuirse a su estructura supermolecular. [37] [38]
Esta propiedad surge de cadenas de glucano alineadas adyacentes que participan en enlaces de hidrógeno entre e intracadenas. [34] Las subfibrillas de celulosa bacteriana se cristalizan en microfibrillas que se agrupan para formar haces, que luego forman "cintas". Estas fibras son dos órdenes de magnitud más delgadas que las fibras de celulosa producidas al hacer pulpa de madera. [8] Hoy en día, se sabe que la película comprende un conjunto aleatorio de fibrillas (< 130 nm de ancho), que están compuestas por un haz de microfibrillas mucho más finas (de 2 a 4 nm de diámetro). También se sabe que la película forma una película o lámina cuando se seca si se restringe la contracción a lo largo del plano. [38] Las cintas ultrafinas de celulosa microbiana forman una estructura reticulada densa, estabilizada por extensos enlaces de hidrógeno. La celulosa bacteriana también se distingue de su homóloga vegetal por un alto índice de cristalinidad (superior al 60%). Dos formas cristalinas comunes de celulosa, denominadas I y II, se distinguen mediante rayos X , resonancia magnética nuclear (RMN), espectroscopia Raman y análisis de infrarrojos . [8] La celulosa bacteriana pertenece cristalográficamente a la Celulosa I, común a la celulosa natural de origen vegetal, en la que dos unidades de celulosa están dispuestas paralelas en una celda unitaria . [2] [40] El término Celulosa I se utiliza para esta disposición paralela, mientras que las fibrillas cristalinas que llevan cadenas de poliglucano antiparalelas surgen formando la Celulosa II termodinámicamente estable. [34] La disposición molecular en la lámina, confirmada por difracción de rayos X , era tal que el eje de la cadena molecular quedaba aleatoriamente perpendicular al espesor, de modo que el plano (1 1 0) estaba orientado paralelo a la superficie. [38]
Aunque la celulosa forma una estructura cristalina distinta, las fibras de celulosa en la naturaleza no son puramente cristalinas. Además de las regiones cristalinas y amorfas , las fibras de celulosa contienen varios tipos de irregularidades, como torceduras o torsiones de las microfibrillas, o huecos como microporos superficiales, grandes hoyos y capilares . Por tanto, el área superficial total de una fibra de celulosa es mucho mayor que el área superficial de una fibra idealmente lisa de la misma dimensión. El efecto neto de la heterogeneidad estructural dentro de la fibra es que las fibras se hidratan al menos parcialmente con agua cuando se sumergen en medios acuosos, y algunos microporos y capilares son suficientemente espaciosos para permitir la penetración. [37]
La microscopía electrónica de barrido de un borde fracturado ha revelado un montón de capas muy finas. Se sugiere que estas fibrillas en capas están unidas a través de enlaces de hidrógeno interfibrilares, al igual que en la pulpa de papel, pero la densidad de los enlaces de hidrógeno interfibrilares debe ser mucho mayor ya que las fibrillas son más finas y, por lo tanto, el área de contacto es mayor. [38]
La celulosa bacteriana tiene una amplia variedad de aplicaciones actuales y potenciales en el futuro. Debido a sus numerosas propiedades únicas, se ha utilizado en la industria alimentaria, el campo médico, productos comerciales e industriales y otras áreas técnicas. La celulosa bacteriana es un material estructural versátil, lo que permite darle formas de diversas formas para adaptarse a diferentes usos. Se han emitido varias patentes para procesos que involucran este material. [41] . Se propusieron películas de celulosa bacteriana como sustituto temporal de la piel en caso de quemaduras humanas y otras lesiones dérmicas. [42]
El uso más antiguo conocido de la celulosa bacteriana es como materia prima de la nata de piña , un postre dulce tradicional de Filipinas . Se incorporaron varios pigmentos de colores naturales (oxicarotenoides, antocianinas y antioxidantes relacionados y eliminadores de radicales libres) en cubos de celulosa bacteriana para hacer que el postre fuera más atractivo. [43] La celulosa bacteriana también se ha utilizado como espesante para mantener la viscosidad en los alimentos y como agente estabilizante. Debido a su textura y contenido de fibra, se ha agregado a muchos productos alimenticios como fibra dietética . Un ejemplo específico es Cellulon ®, que es un agente de volumen utilizado como ingrediente alimentario para actuar como espesante, texturizador y/o reductor de calorías. [44] La celulosa microbiana también se ha utilizado como aditivo en bebidas dietéticas en Japón desde 1992, específicamente en la kombucha , una bebida de té fermentada. [9]
La celulosa bacteriana también tiene amplias aplicaciones en las industrias comerciales. En la fabricación de papel, se utiliza como papel ultrarresistente y como una red de fibras finas reticuladas con características de recubrimiento, aglutinación, espesamiento y suspensión. [35] Debido a su alta velocidad sonora y baja pérdida dinámica, la celulosa bacteriana se ha utilizado como membrana acústica o de filtro en altavoces y auriculares de alta fidelidad comercializados por Sony Corporation . [2] La celulosa bacteriana también se utiliza como aditivo en la industria cosmética . Además, se está probando en la industria textil, con la posibilidad de fabricar prendas a base de celulosa. [35]
En aplicaciones más modernas, la celulosa microbiana ha cobrado relevancia en el sector médico . Ha sido probado y utilizado con éxito como apósito para heridas , especialmente en casos de quemaduras. Los estudios han demostrado que las quemaduras tratadas con cubiertas de celulosa microbiana sanaron más rápido que los tratamientos tradicionales y dejaron menos cicatrices. Las aplicaciones tópicas de celulosa microbiana son efectivas debido a la capacidad de retención de agua y la permeabilidad al vapor de agua de la celulosa. La alta capacidad de retención de agua proporciona una atmósfera húmeda en el sitio de la lesión, lo cual es fundamental para la curación, mientras que la capacidad de absorción permite eliminar la filtración de la herida del sitio. Además, la celulosa microbiana se amolda muy bien a la superficie de la piel , proporcionando una cobertura conformal incluso en lugares normalmente difíciles de vendar las heridas, como áreas de la cara. Esta técnica ha tenido tanto éxito que se han desarrollado productos comerciales de celulosa microbiana, como Biofill ®. [1] Otro producto de tratamiento comercial de celulosa microbiana es XCell producido por Xylos Corporation, que se utiliza principalmente para tratar heridas por úlceras venosas . [45] También se han realizado estudios en los que los apósitos de gasa tradicionales se tratan con un biopolímero de celulosa microbiana para mejorar las propiedades de la gasa. Además de aumentar el tiempo de secado y la capacidad de retención de agua, los medicamentos líquidos pudieron ser absorbidos por la gasa recubierta de celulosa microbiana, lo que les permitió actuar en el lugar de la lesión. [46]
La celulosa microbiana también se ha utilizado para tratamientos internos, como injertos óseos y otros tipos de ingeniería y regeneración de tejidos. Una capacidad clave de la celulosa microbiana para aplicaciones médicas es que se puede moldear fácilmente en varias formas manteniendo todas sus propiedades útiles. Al moldear la celulosa microbiana en tubos largos y huecos, se pueden utilizar como estructuras de reemplazo para varias áreas diferentes, como el sistema cardiovascular , el tracto digestivo , el tracto urinario o la tráquea . Una aplicación reciente de la celulosa microbiana ha sido la de vasos sanguíneos sintéticos y stents . La celulosa también se puede modelar en membranas de malla que se pueden usar para estructuras de reemplazo internas, como la membrana externa del cerebro, la duramadre . Además del reemplazo, estas estructuras también se han utilizado como injertos para interactuar con el material biológico interno existente. La celulosa microbiana también se ha utilizado en la regeneración tisular guiada . [45] Bioprocess ® y Gengiflex ® son algunos de los productos de celulosa microbiana de marca registrada común que ahora tienen amplias aplicaciones en cirugía e implantes dentales. Un ejemplo implica la recuperación de tejidos periodontales separando las células epiteliales orales y los tejidos conectivos gingivales de la superficie de la raíz tratada. [1]
Un área de investigación activa sobre la celulosa microbiana es el papel electrónico . Actualmente, la celulosa vegetal se utiliza para producir el grueso del papel tradicional, pero debido a su baja pureza debe mezclarse con otras sustancias como la lignina . Sin embargo, debido a la mayor pureza y la estructura de microfibrillas de la celulosa microbiana, puede resultar un excelente candidato para un sustrato de papel electrónico. La celulosa microbiana se puede transformar en láminas de aproximadamente 100 micrómetros de espesor, aproximadamente el espesor del papel normal, mediante un proceso de síntesis húmeda. La celulosa microbiana produce un sustrato resistente con una estructura de microfibrillas que permite implantar dopantes en el papel . Mediante la aplicación de soluciones al papel de celulosa microbiana, se pueden colocar dopantes conductores y tintes electrocrómicos en la estructura de microfibrillas. Los tintes biestables cambian de claro a oscuro tras la aplicación de los voltajes apropiados , que, cuando se colocan en una estructura de píxeles, permitirían que se formen imágenes. Esta tecnología aún se encuentra en la etapa de investigación y aún no se ha escalado a niveles de producción comercial. Se han realizado más investigaciones para aplicar la celulosa bacteriana como sustrato en dispositivos electrónicos con potencial para usarse como tabletas de libros electrónicos, periódicos electrónicos, papeles de pared dinámicos, mapas reescribibles y herramientas de aprendizaje. [47] Otro posible ejemplo de uso de celulosa bacteriana en la industria electrónica incluye la fabricación de diodos emisores de luz orgánicos (OLED). [35]
Debido al proceso de producción ineficiente, el precio actual de la celulosa bacteriana sigue siendo demasiado alto para hacerla comercialmente atractiva y viable a gran escala. [35] Los métodos de producción tradicionales no pueden producir celulosa microbiana en cantidades comerciales, por lo que se deben lograr mayores avances en la producción basada en reactores para poder comercializar muchos productos de celulosa microbiana. [29]
