Es posible redirigir, mediante los estímulos adecuados, el metabolismo de cualquier microorganismo, tanto de procariotas (bacterias) como de eucariotas (protozoos, algas microscópicas o microalgas, hongos), para la obtención de productos de alto valor añadido.
La obtención de productos de alto valor añadido no es el único uso potencial que se podría dar a los microorganismos, sino que también pueden ser utilizados para el tratamiento de efluentes industriales de diversa tipología; de hecho una posibilidad muy interesante, es el utilizar precisamente estos "residuos" como materia prima del proceso de biosíntesis.
Los estímulos de los que se habla, van desde la adición al medio de cultivo de determinados compuestos o sustancias hasta la carencia de los mismos, pasando por un amplio rango variables como la incidencia de campos magnéticos y eléctricos (este punto será desarrollado posteriormente), presencia de luz de determinadas longitud de onda (en especial en organismos fotosintéticos), estímulos físicos, como vibraciones o presión ambiental, etc., así como todas aquellos fenómenos que pudieran de algún modo alterar cualquier condición del medio, tanto externo (extracelular) como interno (citoplasma).
Adicionalmente, los medios de cultivo existentes se pueden alternar si se tiene en cuenta la capacidad de adaptación que presentan ciertos microorganismos. Por ejemplo, la Pseudomonas aeruginosa, entre sus miles de vías de síntesis, se puede emplear para la biosíntesis de compuestos de interés de tipo tensioactivo, para lo que se alternan diversos medios de cultivo según el objetivo. Vease Medio de cultivo para la obtención de células de Pseudomonas aeruginosa 42A2.
Medio de cultivo para la obtención de células de Pseudomonas aeruginosa 42A2
El medio de cultivo para la obtención de células contiene (g/l): KCl: 0.1; KH2PO4: 1; K2HPO4: 1; CaCl2; 0.01; MgSO4•7H2O: 0.5; FeSO4•7H2O: 0.012; NaNO3: 7; H3BO3: 0.0019; CuSO4•5H2O: 0.0049; MnSO4•H2O: 0.0385; NaMO4•2H2O: 0.000045 y ZnSO4•7H2O: 0.0129. Se preparan por separado y se esterilizan a 121 ºC durante 30 min a 1 atm de presión.
Cabe destacar que ciertos mecanismos codificados en el genoma de determinadas especies de microorganismos han mostrado una resistencia destacable a estas alteraciones externas, activando o desactivando rutas metabólicas para la supervivencia celular en condiciones de citoplasma similares y con resultados globales de producción de metabolitos equivalentes a lo que podríamos considerar sus condiciones ambientales habituales.(*)1
Sin embargo, la gran mayoría de microorganismos desarrollan rutas metabólicas que desembocan en metabolitos significativamente diferentes en estructura, con propiedades de resistencia superiores y funciones mejoradas, siendo capaces, por ejemplo, de trabajar en rangos de salinidad muy superiores a los que habituales o trabajar a temperaturas por encima de las que en principio serían viables para la supervivencia del organismo.
En multitud de estudios realizados en universidades y centros de investigación se han obtenido resultados prometedores sobre la posibilidad de "dominar" la expresión de ciertos genes interesantes que codifican proteínas clave para la síntesis de compuestos de muy alto interés industrial.
Pero para entender un poco mejor de todo lo que estamos hablando, hagamos un repaso de como se expresa el ADN.
Expresión del ADN
La obtención de productos de alto valor añadido no es el único uso potencial que se podría dar a los microorganismos, sino que también pueden ser utilizados para el tratamiento de efluentes industriales de diversa tipología; de hecho una posibilidad muy interesante, es el utilizar precisamente estos "residuos" como materia prima del proceso de biosíntesis.
Los estímulos de los que se habla, van desde la adición al medio de cultivo de determinados compuestos o sustancias hasta la carencia de los mismos, pasando por un amplio rango variables como la incidencia de campos magnéticos y eléctricos (este punto será desarrollado posteriormente), presencia de luz de determinadas longitud de onda (en especial en organismos fotosintéticos), estímulos físicos, como vibraciones o presión ambiental, etc., así como todas aquellos fenómenos que pudieran de algún modo alterar cualquier condición del medio, tanto externo (extracelular) como interno (citoplasma).
Adicionalmente, los medios de cultivo existentes se pueden alternar si se tiene en cuenta la capacidad de adaptación que presentan ciertos microorganismos. Por ejemplo, la Pseudomonas aeruginosa, entre sus miles de vías de síntesis, se puede emplear para la biosíntesis de compuestos de interés de tipo tensioactivo, para lo que se alternan diversos medios de cultivo según el objetivo. Vease Medio de cultivo para la obtención de células de Pseudomonas aeruginosa 42A2.
Medio de cultivo para la obtención de células de Pseudomonas aeruginosa 42A2
El medio de cultivo para la obtención de células contiene (g/l): KCl: 0.1; KH2PO4: 1; K2HPO4: 1; CaCl2; 0.01; MgSO4•7H2O: 0.5; FeSO4•7H2O: 0.012; NaNO3: 7; H3BO3: 0.0019; CuSO4•5H2O: 0.0049; MnSO4•H2O: 0.0385; NaMO4•2H2O: 0.000045 y ZnSO4•7H2O: 0.0129. Se preparan por separado y se esterilizan a 121 ºC durante 30 min a 1 atm de presión.
La cepa 42A2 acumula un ácido grasos hidroxilado (E)7, 10,dihydroxy-8-octacecenoico a partir del ácido oleico que tienen prodiedades de tensioactivo y el (E)10, hydroxy-8- octacecenoico.
Se ha estudiado la cinética de producción a través de estrategias diferentes (células libres e inmovilizadas).
Sin embargo, la gran mayoría de microorganismos desarrollan rutas metabólicas que desembocan en metabolitos significativamente diferentes en estructura, con propiedades de resistencia superiores y funciones mejoradas, siendo capaces, por ejemplo, de trabajar en rangos de salinidad muy superiores a los que habituales o trabajar a temperaturas por encima de las que en principio serían viables para la supervivencia del organismo.
En multitud de estudios realizados en universidades y centros de investigación se han obtenido resultados prometedores sobre la posibilidad de "dominar" la expresión de ciertos genes interesantes que codifican proteínas clave para la síntesis de compuestos de muy alto interés industrial.
Pero para entender un poco mejor de todo lo que estamos hablando, hagamos un repaso de como se expresa el ADN.
Expresión del ADN
Imagen 1. Flujo o transmisión de la información genética.
El proceso de transmisión de la información genética incluye la transcripción, traducción y maduración. Este proceso de transmisión se produce constantemente como parte de la actividad normal del ente ante los estímulos del entorno.
Generalidades del proceso de transcripción
1. Transcripción
La transcripción es un proceso selectivo y regulado que consiste en en la síntesis de una molécula de ARN catalizada por la ARN polimerasa utilizando una cadena de ADN como molde. La finalidad de la transcripción es dar lugar a una "producto génico" (ARNm, ARNr, ARNt, ARNsn (small nuclear).
A diferencia de la replicación del ADN, que se produce cuando la célula se duplica, y que afecta a todo el genoma, la transcripción es un proceso más selectivo, de manera que en un momento dado solo se transcribe un determinado conjunto de genes.
Por tanto, necesitaremos de secuencias reguladoras de iniciación (promotores) y terminación de la transcripción, que determinarán el fragmento de DNA que se ha de transcribir así como, cuál de las dos cadenas de DNA se ha de utilizar como molde dado que las dos cadenas pueden codificar productos génicos.
2. Traducción
El proceso de traducción, como su nombre indica, es un paso en el que se traduce el ARN a proteína.
3. Maduración
Durante este paso, la proteína sufre modificaciones estructurales y adquiere su estructura funcional.
Un ejemplo de lo explicado sobre redirigir el metabolismo es el caso los biotensioactivos, donde alterando las composiciones del medio de cultivo se pueden obtener diversidad de compuestos con funciones similares pero estructuras completamente diferentes. Ver presentación y proyecto.
Imagen 2. Flujo de la información genética en eucariotas.
1. Transcripción
La transcripción es un proceso selectivo y regulado que consiste en en la síntesis de una molécula de ARN catalizada por la ARN polimerasa utilizando una cadena de ADN como molde. La finalidad de la transcripción es dar lugar a una "producto génico" (ARNm, ARNr, ARNt, ARNsn (small nuclear).
Imagen 3. Flujo o transmisión de la información genética.
A diferencia de la replicación del ADN, que se produce cuando la célula se duplica, y que afecta a todo el genoma, la transcripción es un proceso más selectivo, de manera que en un momento dado solo se transcribe un determinado conjunto de genes.
Imagen 4. Flujo o transmisión de la información genética.
Por tanto, necesitaremos de secuencias reguladoras de iniciación (promotores) y terminación de la transcripción, que determinarán el fragmento de DNA que se ha de transcribir así como, cuál de las dos cadenas de DNA se ha de utilizar como molde dado que las dos cadenas pueden codificar productos génicos.
Imagen 5. Posibilidades de transcripción.
Las dos cadenas llevan mensajes diferentes. En el ejemplo de la imagen 4 los genes codificados en la cadena de arriba es transcriben de izquierda a derecha; sin embargo, los genes codificados en la cadena de abajo es transcriben de derecha a izquierda.
Tal y como se ha indicado, la transcripción se realiza solo de una de las cadenas que conforman la hélice del ADN, por lo se produce una sola cadena de ARN.
Imagen 6. Reacción de la ARN polimerasa.
En la reacción de la ARN polimerasa:
- La cadena molde es leída en sentido 3' a 5'.
- Cataliza la formación de un enlace fosfodiéster sintetizando la molécula de ARN en sentido 5' a 3'.
- Sigue los emparejamientos dictados por Watson y Crick.
- Los precursores activos son los ribonucleósidos trifosfato (NTPs).
- Comienzan la síntesis sin necesidad de un cebador o primer.
- Buscar los lugares del genoma donde se ha de iniciar la transcripción; tienen la capacidad de reconocer específicamente las secuencias de los promotores de los genes.
- Abrir la doble hélice del ADN con el objetivo de crear un molde de ADN de cadena simple de donde copiar.
- Catalizar la reacción de síntesis del ARN; las ARN polimerasas tienen un alto rendimiento de manera que una molécula completa de ARN es sintetizada por una única molécula de ARN polimerasa.
- Detectar las señales específicas que especifican el final de la síntesis.
- Interaccionar con otras entidades moleculares reguladoras de la tasa de transcripción (activadores o represores transcripcionales).
Tipología de ARN:
- ARN en células eucariotas
- ARNm
- ARNt
- ARNr
- ARNsn
- ARN en células procariotas
- ARNm
- ARNt
- ARNr
El proceso de traducción, como su nombre indica, es un paso en el que se traduce el ARN a proteína.
3. Maduración
Durante este paso, la proteína sufre modificaciones estructurales y adquiere su estructura funcional.
Un ejemplo de lo explicado sobre redirigir el metabolismo es el caso los biotensioactivos, donde alterando las composiciones del medio de cultivo se pueden obtener diversidad de compuestos con funciones similares pero estructuras completamente diferentes. Ver presentación y proyecto.
En el genoma de cualquier microorganismo están codificadas las proteínas que se expresan en el medio celular característico y que tras madurar actuarán como enzimas en las reacciones metabólicas que permiten el desarrollo de la unidad vital (célula).
La mayoría de estudios a escala de laboratorio que se realizan en los centros de investigación de base biotecnológica se focalizan en determinar la enzima responsable de la producción de la sustancia de interés mediante técnicas como el knock-out, entre otros.
Una vez se ha identificado el gen se podría plantear el realizar una inserción del mismo en algún otro microorganismo que tuviese un metabolismo más acelerado; como en el caso de la insulina, cuyo gen se insertó en el ADN de la bacteria E. coli.
Esta inserción no siempre es posible, dado que el ADN posee mecanismos de autopreservación que tienden a eliminar estas inserciones o bien son silenciadas químicamente. No debemos olvidar que las moléculas de ADN de las diversas especies son estructuras que ha evolucionado a lo largo de millones de años, por lo que a efectos prácticos se comporta como un ser vivo que responde según el entorno en el que se encuentra y es capaz de desarrollar diversas respuestas según los estímulos que recibe como input.
Existen muchos productos que se podrían obtener y que presentan mejores propiedades que sus equivalentes sintéticos, sin embargo, la normativa actual bloquea que muchos de estos productos puedan ser llevados al mercado.
(*)1 . Se entiende por condiciones ambientales habituales aquellas en las que el microorganismo fue descubierto; sin embargo, tal y como se ha comentado y, debido a la flexibilidad metabólica de la que el genoma dota al ente, es posible encontrar el mismo microorganismo en ambientes con condiciones ambientales distintas a las denominadas habituales.
Referencias bibliográficas
- [1] Eshrat Gharaei-Fathabad. Biosurfactant in Pharmaceutical Industry: A mini Review, 2011. American Journal of Drug Discovery and Development 1 (1), 58-69.
- [2] Guerrero A., Casals I., Busquets M., León Y., Manresa A. Oxidation of oleic acid to (E)-10-hydroperoxy-8-octadecenoic acid and (E)-10-hydroxy-8-ocatadecenoic acids by Pseudomonas sp. 42A2, 1997. Biochim. Biophys. Acta 1347: 75–81.
- [3] I. M. Banat. Biosurfactants production and posible uses in microbial enhanced oil recovery and oil pollution remediation: A review, 1995. Bioresource Technology 51 (1), 1-12.
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