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Producción de ácido hialurónico microbiano

La producción de ácido hialurónico microbiano se refiere al proceso mediante el cual los microorganismos , como las bacterias y las levaduras , se utilizan en la fermentación para sintetizar ácido hialurónico (AH). [1] El AH se utiliza en una amplia gama de productos médicos, cosméticos y biológicos debido a sus altas cualidades de retención de humedad y viscoelasticidad . [2] El AH se había extraído originalmente de crestas de gallo en cantidades limitadas. [3] Sin embargo, desafíos como bajos rendimientos, altos costos de producción y cuestiones éticas asociadas con el AH de origen animal han impulsado el desarrollo de métodos de producción microbiana para el AH. [4]

Aunque existen otros métodos, como la síntesis y modificación química, la síntesis quimioenzimática y la síntesis enzimática, se ha preferido la fermentación microbiana para producir HA debido a sus ventajas económicas. [5]

Producción bacteriana

Algunas bacterias, como Streptococcus , desarrollan una cápsula extracelular que contiene HA. Esta cápsula funciona como un imitador molecular para eludir el sistema inmunológico del huésped durante el proceso de infección , además de proporcionar adherencia y protección. [6] Streptococcus zooepidemicus se utilizó para la primera fermentación comercial de HA, y es la bacteria más utilizada ya que proporciona altos rendimientos a pesar de ser un microorganismo patógeno. [7]

La codificación de la producción de HA se lleva a cabo mediante los genes hasA, hasB, hasC, hasD y hasE en S. zooepidemicus . [8]

Se desarrollaron productores genéticamente modificados como Kluysveromyces  lactis , [14]  Lactococcus lactis , [15] Bacillus subtilis , [16] Escherichia coli , [17]   y Corynebacterium glutamicum [18] [19] debido a la patogenicidad de S. zooepidemicus .

Proceso biológico

Factores intracelulares

Metabolismo

Los intermediarios se utilizan a partir de vías esenciales para apoyar el crecimiento celular, como la producción de ácidos orgánicos,  polisacáridos durante la producción de HA. [20] HA no es un metabolito esencial y compite con otros metabolitos para asistir al flujo de carbono en la célula. [4] El potencial de reducción de S. zooepidemicus puede tener un papel en la producción de ácido hialurónico, porque 2 NAD + se consumen durante la síntesis de un monómero. Aunque NAD + no controla la síntesis de HA cuando la NADH oxidasa se sobreexpresa, [21] tiene un papel importante en la formación de biomasa .

Algunos estudios han demostrado que una concentración intracelular equilibrada de precursores y sus flujos equilibrados proporciona un mayor peso molecular, como la concentración de UDP-acetilglucosamina. [22] [23] Las enzimas como la hialuronidasa , [24] β-glucuronidasa [25] de S. zooepidemicus disminuyen el rendimiento de HA. La concentración de HA aumenta con la eliminación de genes asociados a estas enzimas. [24] [25]

Por otro lado, algunas enzimas inducen la producción de HA como la sacarosa-6-fosfato hidrolasa, [26] y la hialuronano sintasa. [27] El uso de enfoques combinados con estos dos tipos de enzimas es una buena estrategia para la producción de HA de alto rendimiento. [20]

Membrana

El HA se produce alrededor de la célula y actúa como barrera contra el sistema inmunológico del huésped por parte de las bacterias. Solo el 8 % del HA permanece adherido a la célula cuando las células llegan a la fase estacionaria . Se utilizan biosurfactantes como el dodecil sulfato de sodio (SDS) para obtener este producto. [28] La hialuronano sintasa , que es una enzima que se une a la membrana, es uno de los factores que reduce la producción de HA. La hialuronano sintasa limita la producción de ácido hialurónico al afectar la morfología celular. [28]

Factores ambientales

pH

Los ácidos orgánicos formados durante la producción de HA por S. zooepidemicus hacen que el pH disminuya [20]. Aunque la producción de HA sin control del pH es más barata, es preferible ya que proporciona altos rendimientos de ácido hialurónico. [29] [30]

Temperatura

La producción de HA se ve afectada en términos de rendimiento y peso molecular por la temperatura. [31] La producción de HA aumenta cuando las células bacterianas crecen por encima de los 37 °C. Sin embargo, el rendimiento de HA disminuye cuando el peso molecular es mayor con la fermentación por debajo de los 32 °C. [30]

Aireación

Aunque S. zooepidemicus es un anaerobio aerotolerante , la producción de ácido hialurónico se ve afectada por el oxígeno porque el equilibrio NADH/NAD + de las células cambia con la cantidad de oxígeno. El control del oxígeno durante el cultivo mediante la tasa de agitación proporciona un aumento tanto del rendimiento de HA como del peso molecular. [32]

Componentes de los medios de cultivo

La fuente de carbono es uno de los componentes del medio que tiene efectos en la producción de HA microbiano. [20] Aunque la glucosa [33] [34] es la más utilizada como fuente de carbono para la producción de HA; la melaza , [35] la sacarosa , [36] y la maltosa [32] se utilizan para la producción microbiana.

La producción de HA también necesita muchos aminoácidos en el medio de cultivo, por lo tanto, la concentración de la fuente de nitrógeno es clave. [37]

Véase también

Referencias

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