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MICROORGANISMOS UTILIZADOS EN LA
PRODUCCIÓN DE BIOPOLÍMEROS
POLIMEROS BACTERIANOS:
BIOSINTESIS, MODIFICACIONES Y
APLICACIONES
INTRODUCCION
Nuevos productos con aplicaciones industriales y médicas.
HISTORICAMENTE:
Louis Pasteur descubre el dextran como producto microbiano del vino
Van Tieghem identifica Leuconostoc mesenteriodes: formación del dextran
En 1886: la celulosa es producida por bacterias (exopolisacáridos)
Primer polímero de reserva en cianobacterias: poliamida cianoficina
Alrededor de 1920 se identifica la producción de polyester polihuidroxibutirato
por Bacillus megaterium
Entre 1970 y 2000 las tecnicas de clonación de genes y secuenciación de ADN
hacen posible la identificación de los genes involucrados en al biosíntesis. Ej:
cyanophycin synthetase gene (cphA)58
Clusters de genes como el genoma de Pseudomonas aeruginosa
Estos avances aun no han evidenciado por completo el papel funcional de
algunos genes, los mecanismos de acción de enzimas claves (sintasas
sintetasas y polimerasas) y sus funciones de copolimerización
Las bacterias sintetizan solo unos cuantos polímeros intracelulares sin embargo
las posibilidades de síntesis extracelular es extensa
Existen cuatro clases principales de polímeros producidos por bacterias:
POLISACARIDOS
POLIESTERES
POLIAMIDAS
POLIANHIDROS INORGANICOS (POLIFOSFATOS)
FUNCIONES:
RESERVA
ESTRUCTURAS DE PROTECCIÓN
Estos polímeros se producen como consecuencia de un estímulo externo de lo cuál
depende la composición , propiedades y el control de la biosíntesis
INTRODUCCION
PRODUCCION INDUSTRIAL
Producidos por fermentación, a nivel comercial van de
media a gran escala:
2,000 Ton Dextran
100,000 Ton Xantano
100,000 Poliéster
Estos biopolímeros, cuando se exponen a la presencia de
flora microbiana, son completamente degradados y
mineralizados a H2O y CO2 por medio de enzimas de-
polimerasas e hidrolasas
Debido a su composición natural no tóxica, son
considerados inertemente-biocompatibles
ESTRUCTURAS QUIMICAS REPRESENTATIVAS DE
POLIMEROS BACTERIANOS
CLASES DE POLIMEROS BACTERIANOS Y
SUS CARACTERISTICAS
CLASES DE POLIMEROS BACTERIANOS Y SUS
CARACTERISTICAS
CLASES DE POLIMEROS BACTERIANOS Y SUS
CARACTERISTICAS
VIA DE BIOSINTESIS DE POLIMEROS
BACTERIANOS
ORGANIZACIÓN GENÉTICA DE GENES Y OPERONES
CLAVE DE LA BIOSÍNTESIS
ESTRATEGIAS DE PRODUCCIÓN
DE BIOPOLIMEROS MODIFICADOS
PARA MEJORAR SUS
PROPIEDADES
In vitro:
a) Sintesis in vitro usando enzimas
o enzimas modificadas
expuestas para seleccionar
sustrato
b) Biopolímeros aislados pueden
ser enriquecidos por exposición
a enzimas o modificaciones
químias
In Vivo:
Cepas de producción con rendimiento
mejorado
MODIFICACION DE BIOPOLIMEROS Y SU
IMPACTO EN LAS PROPIEDADES INDUSTRIALES
BIOPOLIMEROS HECHOS A LA MEDIDA
La secuenciación del genoma, la genómica funcional, la
clonación y la caracterización de genes de la biosíntesis han
llevado al descubrimiento de nuevos polímeros bacterianos.
La producción recombinante de polímeros menos complejos
como PHA, CGP , HA y PGA en hospederos heterólogos no
productores con mayor poder de desarrollo constituyen la
innovación en la industria
Ejemplo: Producción a gran escala de PHA por fermentación
de E. coli recombinante
E. coli produce el Polihidroxibutirato (PHB) a $0.0025 dólares
gramo que es 5 a 10 veces menos costoso que la producción
derivada de petróleo
RALSONIA EUTROPHA
Utilizada en la producción de PHA compuesta de:
(R)-3-hydroxybutyrate
(R)-3-hydroxyvalerate y/o
(R)-3-hydroxyhexanoate
Estos polímeros muestran propiedades de elasticidad y brillo que se buscan en las producciones industriales
E. COLI
Utilizada en la producción de polímeros no-naturales:
Politioesteres y poliésteres basados en lactato
Producción directa de ácido poliláctico mediante
fermentación de ácido láctico y la polimerización química
GRANULOS DE PHA
La síntesis in vitro del bioplástico PHB requiere de un
precursor, (R)-3-hydroxybutyryl-CoA y ser purificado por PHB
sintasa: Costo = 286,000 por gramo
Producción de PHB bacteriano en grandes escalas se estima
en $0.0025 por gramo, costo que es 5 a 10 veces menor que
la vía de petróleo.
Formados al interior de las células recombinantes como
micro o nano gotas a las cuáles se pegan proteínas
Aplicaciones en bioseparaciónes de alta afinidad,
inmobilización de enzimas, liberación de antígenos
LOS CUELLOS DE BOTELLA EN LA PRODUCCIÓN
INDUSTRIAL
El rendimiento es proporcional a la fuente de carbono
requerida y por lo tanto de ello depende el costo, así como
del uso al que este destinado
En el caso de los polímeros intracelulares como PHA se
requiere lisis y consecuentemente numerosos procesos de
separación
Costo beneficio si el uso es médico
Dependiendo de la escala de producción, la inversión es:
1 millón USD / kg a 10-100 millones por tonelada
El capital de equipamiento esta determinado por:
Volumen de cultivo requerido (dimensiones del biorreactor)
Procesos de transformación
Separación de biomasa y sobrenadante generalmente por filtración
Procesos de separación específica (3micro o nanofiltración,
extracción por solventes, precipitación, cromatografía o
cristalización)
Proceso biotecnológico contra vías químicas:
Reducción en capital de equipamiento
Reducción en costos de operación
Resíduos de menor impacto y costo
No se utilizan catalizadores metálicos tóxicos
MODELING AND OPTIMIZATION OF BIOPOLYMER
(POLYHYDROXYALKANOATES) PRODUCTION FROM ICE CREAM
RESIDUE BY NOVEL STATISTICAL EXPERIMENTAL DESIGN
(APPLIED BIOCHEMISTRY AND BIOTECHNOLOGY VOL. 133, 2006).
Bacterial Strain and Stock Culture: Ralstonia eutropha (Gram
negativa)
Fuente de carbono: Helado pretratado por centrifugación para
eliminar particulado
Método gravimétrico para medir PHA
BIOSÍNTESIS MICROBIANA DE ACIDO POLI GLUTÁMICO Y
APLICACIONES EN INDUSTRIA FARMACÉUTICA, BIOMEDICA Y
ALIMENTOS
EL ácido Poliglutámico (PGA) es usado en su forma libre,
hidrogel o nanopartículas
Generalmente se utilizan cepas de Bacillus subtilis que utilizan
como substrato Acido glutámico D o L en la síntesis de γ -PGA
Bacillus anthracis produce poli-γ-D-PGA en altas concentraciones de CO2 para formar una cápsula alrededor de la célula
PGA es secretado al medio como un polímero libre en la fase logarítmica
tardía y estacionaria temprana.
“¿Limitantes de esta producción?”
SINTESIS DE
PGA EN
BACILLUS
RECUPERACION Y ANALISIS DE PGA
1. PRECIPITACION: Por formación de complejos
2. PRECIPITACION: Reducción de actividad de agua (Adición de Etanol)
3. FILTRACION
En todos los casos primero se remueve la biomasa por centrifugación o filtración
Forma complejos con: Cu+2, Al+3, Cr +3 y Fe+3
Para aplicaciones industriales es deseable un peso molecular mayor a 106 kDa
Se utiliza como suplemento, fertilizante, jugos y otras bebidas, ingrediente de
panes y pastas
Conservador de enzimas, microorganismos y alimentos debido a sus ropiedades
anticongelantes
Se utiliza como hidrogel para biosensores, diagnóstico, bioseparaciones,
liberación de fármacos
OTROS USOS
Terapia génica: Como vectores para transportar el ADN y protegerlo de Dnasas
Vacunas: Anticuerpos anti γ-D-PGA como vacuna contra el ántraz
Ingeniería de tejidos: Bloques de construcción como soporte para el crecimiento celular
Sustituto de heparina en células de mamífero
Adhesivo médico
γ –PGA es utilizado en la
liberación de paclitaxel
(Taxol) como droga
conjugada
• Cepa: E. coli K4 serotype O5:K4:H4
• Polisacárido capsular idéntico a la condroitina obtenida de tejidos
animales
• La concentración de carbono afecta la producción del polisacárido
• La concentración de nitrógeno es limitante en la producción del
polisacárido
• La estrategia de lote alimentado genera un máximo rendimiento de 1.4
g/L del polisacárido
Nueva cepa de Enterobacter produce por excreción un
biopolimero de poliglucosamina
Cultivo por lote alimentado determinado por los cambios de
pH
Alimentado por soluciones de acetato para mantener el
cultivo a pH 8
Rendimiento de 1.15 g/L de poliglucosamina
Producción biotecnológica de proteínas
recombinantes de seda de araña
La información de la proteína recombinante es
insertada en una bacteria hospedera,
La estrategia de producción es utilizada por la
empresa AMSilk GmbH (Martinsried, Germany)
Producida por fermentación y las proteínas de seda
son sometidas a extrusión para darle la forma
comercial.
Exopolisacárido floculante producido por Azotobacter indicus
ATCC 9540 strain
Estabilidad a alta temperatura
Alta eficiencia en la floculación de efluentes contaminados
Reducción en la DBO(38–80%), DQO(37–79%) y sólidos
suspendidos (41–68%).
