Aplicaciones biotecnológicas de los microorganismos

Ostos-Ortíz, Olga Lucía; Rosas-Arango, Sonia Marcela; González-Devia, Johanna Lizeth; Ostos-Ortíz, Olga Lucía; Rosas-Arango, Sonia Marcela; González-Devia, Johanna Lizeth

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Print version ISSN 1794-2470

Nova vol.17 no.31 Bogotá Jan./June 2019

Articulo de revisión

Aplicaciones biotecnológicas de los microorganismos

Biotechnological applications of microorganisms

Olga Lucía Ostos-Ortíz¹^*

Sonia Marcela Rosas-Arango¹

Johanna Lizeth González-Devia¹

^¹Unidad de Investigación Universidad Santo Tomás Bogotá, Colombia. ORCID OLOO: https://orcid.org/0000-0002-6477-9872 ORCID SMRA: https://orcid.org/0000-0002-4798-1753 ORCID JLGD: https://orcid.org/0000-0003-4162-6678

Resumen

La biodiversidad de los microorganismos así como la naturaleza única y las capacidades biosintéticas en condiciones ambientales específicas hacen que los microorganismos sean los probables candidatos para resolver problemas de escases de alimentos, contro de plagas, biodegradación de los xenobióticos, descomposición de la basura, las pilas de desechos producidas, entre otros.

Los microorganismos ofrecen un gran potencial para la exploración de moléculas y procesos, y el conocimiento de las especies no convencionales, especialmente dentro del grupo Archaea, ha estimulado la investigación molecular de genes de interés. Estos nuevos genes pueden incorporarse mediante tecnología recombinante en especies biológicamente conocidas, como E. coli y S. cerevisiae, para la síntesis a gran escala de productos.

La microbiología tecnológica tiene grandes potenciales para explorar y obstáculos por superar. Por lo tanto, solo la investigación en esta área resulta prometedora para científicos en todo el mundo.

En la presente revisión se presentan las aplicaciones más significativas de los microorganismos en la industria de alimentos, la agricultura, compuestos químicos, combustibles, farmacología y materiales.

Palabras clave: biotecnología; microbiología de alimentos; biocombustibles; vacunas; biopolímeros; biosensores; microbiología ambiental; biofábricas

Abstract

The biodiversity of microorganisms as well as the unique nature and biosynthetic capabilities in specific environmental conditions make microorganisms the likely candidates to solve problems of food shortages, pest control, biodegradation of xenobiotics, decomposition of garbage, batteries of produced waste, among others.

Microorganisms offer great potential for the exploration of molecules and processes, and knowledge of non-conventional species, especially within the Archaea group, has stimulated the molecular investigation of genes of interest. These new genes can be incorporated by recombinant technology into biologically known species, such as E. coli and S. cerevisiae, for the large-scale synthesis of products.

Technological microbiology has great potentials to explore and obstacles to overcome. Therefore, only research in this area is promising for scientists around the world.

In this review we present the most significant applications of microorganisms in the food industry, agriculture, chemical compounds, fuels, pharmacology and materials.

Keywords: biotechnology; food microbiology; biofuels; vaccines; biopolymers; biosensors; environmental microbiology; biofactories

Introducción

A través de la historia las aplicaciones biotecnológicas de los microorganismos han sido documentadas ¹^-⁸, tabla 1.

Tabla 1 Aplicaciones biotecnológicas de microorganismos en la historia de la humanidad.

Microorganismos en la industria de alimentos

La humanidad enfrenta un crecimiento poblacional que tiene como consecuencia un aumento de la demanda alimentos en todo el mundo.

La posibilidad de utilizar microorganismos para obtener alimentos, aditivos alimentarios o incluso biomasa microbiana ha generado nuevas posibilidades, desde la generación de nuevos sabores, texturas y aromas, hasta el descubrimiento de nuevos alimentos.

La aplicación de técnicas biotecnológicas en la industria de alimentos se da en la década de 1970. Actualmente se utilizan microorganismos modificados genéticamente, enzimas, colorantes y otros compuestos obtenidos con el objetivo de mejorar sus características organolépticas, funciones nutricionales, productividad, entre otros.

Los microorganismos pueden tener dos funciones diferentes en la producción actual de alimentos: (1) Iniciadores en las fermentaciones, en los que no se utilizan microorganismos modificados genéticamente, (2) Fabricación de ingredientes en la industria alimentaria, se utilizan microorganismos modificados genéticamente y la participación en procesos de fermentación se hace mediante uso de metabolitos o aditivos (participación indirecta).

Se han dado importantes descubrimientos en este tema. Anupama y Ravindra, 2000 ³³ informan la proteína unicelular - SCP, proteína extraída de la biomasa microbiana cultivada que se puede usar para la suplementación de proteínas en dietas básicas, reemplazando las fuentes convencionales y aliviando el problema de la escasez de proteínas.

Adedayo et al., 2011 ³⁴ documentan como el SCP se ha utilizado ampliamente como fuente de proteínas en alimentos para animales y humanos. Las levaduras más utilizadas para obtener SCP son: Saccharomyces, Candida y Rhodotorula. Cepas bacterianas de Bacillus, Hydrogenomonas, Methanomonas, Methylomonas, y Pseudomonasse han utilizado como sustrato para la producción de S a escala industrial porque estas bacterias pueden contener aproximadamente un 80% de proteína cruda en el peso seco total.

Los hongos filamentosos para la producción de S más utilizados son Fusarium, Aspergillus y Penicillium, y entre las algas procarióticas, las más utilizadas pertenecen al género Spirulina., con aproximadamente el 65% de su peso seco consistente en proteínas ³⁵. Sin embargo, el cultivo de levaduras es más práctico porque estos microorganismos pueden usar una amplia variedad de sustratos ³⁶; aunque que los SCP obtenidos son insuficientes en aminoácidos que contienen azufre.

Linko y col 1997 ³⁷ informan el uso de la ingeniería genética para modificar las propiedades la levadura natural, mejorando su rendimiento en el proceso de fermentación en variedad de sustratos., mediante variaciones de temperatura y pH.

Takagi y Shima, 2015 ³⁸ informan compuestos implicados en la tolerancia al estrés en levaduras, como la prolina y la trehalosa. Dichos mecanismos han generado que las levaduras sean sometidas a nuevos procesos, como la radiación UV. De la misma forma, Degré et al., 2008; Lipkie et al., 2016 ³⁹^-⁴⁰ han desarrollado alimentos con nuevos atributos nutricionales, como los alimentos con niveles elevados de vitamina D.

En la actualidad se utilizan cepas que no son de Saccharomyces, en el proceso de vinificación para aumentar su complejidad organoléptica, aprovechando la capacidad de las cepas para producir enzimas, metabolitos secundarios: glicerol, etanol y otros compuestos (Padilla et al., 2016) ⁴¹.

Sauer et al., 2008⁴² analizan como la mayoría de los ácidos orgánicos: ácido acético, cítrico, láctico y succínico, son útiles como materias primas para la industria química o alimentaria.

Las levaduras productoras de β-liasas mejoran la liberación de tiol aromático y, en consecuencia, las propiedades sensoriales de los vinos ⁴³, mientras que la selección de levaduras especializadas en ciertos procesos como la floculación puede mejorar la fermentación de vinos especiales, como vinos espumosos ⁴⁴.

Satish et al., 2013 ⁴⁵; Mokoena et al., 2016 ⁴⁶ informan nuevas fuentes de probióticos y el descubrimiento de cepas que pueden mejorar la calidad de los productos fermentados. La industria de los probióticos ha tenido un crecimiento significativo gracias a los estudios en microorganismos de los generos Lactobacillus y Bifidobacterium ⁴⁷. Dichos microorganismos se han vinculado como generadores de beneficios para la salud del huésped ⁴⁸. Enujiugha y Badejo, 2017 ⁴⁹ informan variedades emergentes de bebidas probióticas no lácteas.

El procesamiento de alimentos utiliza preparaciones enzimáticas de origen microbiano que se presentan en la Tabla 2.

Tabla 2 Preparaciones enzimáticas a partir de microorganismos y su utilidad.

Microorganismos con utilidad en agroindustria

En los últimos años, se ha logrado mucho progreso en el desarrollo y comercialización de bionematicidas ⁶⁶. El interés en los microorganismos se ha centrado en compuestos con actividad pesticida, principalmente herbicidas, insecticidas y nematicidas. Especies como Trichoderma y otras especies de bio-control responden a la creciente demanda de prácticas que minimicen los efectos secundarios que dejan los pesticidas, como la resistencia en las poblaciones de plagas, la reducción de la calidad del suelo y del agua y la generación de residuos con efectos nocivos en organismos no objetivo. Tabla 3.

Tabla 3 Aplicaciones biotecnológicas de microorganismos con utilidad en la agroindustria.

Microorganismos en la industria química

Los productos de desecho se convierten en sustratos susceptibles a la acción microbiana ⁸⁷ con el interés de resolver los problemas ambientales que generan el uso de combustibles fosiles y las ventajas que trae el uso de materias primas renovables ⁸⁸.

Microorganismos y biocombustibles

La síntesis de químicos a través de procesos metabólicos microbianos reduce la dependencia de los combustibles fósiles para la generación de energía.

A futuro se espera que al menos el 25% de toda la bioenergía pueda provenir del biogás ⁸⁹. Numerosos estudios buscan optimizar el proceso de metanogénesis mediante técnicas de secuenciación de próxima generación (NGS) ayudarán a conocer la estructura de las comunidades microbianas ⁹⁰^-⁹³.

Los aislamientos que se han logrado son una fuente de nuevos productos y servicios en el futuro ⁹⁴.

Tabla 4 Microorganismos y biocombustibles. Se presentan los productos y servicios, anotaciones clave y la bibliografía donde se reporta.

Tabla 5 Microorganismos y compuestos químicos. Se presentan los compuestos químicos, microorganismos asociasos y la bibliografía donde se reporta.

Microbiología Tecnológica Ambiental

Aunque se han documento un número importante de procesos enzimáticos utilizando enzimas biogegradables para el tratamiento de residuos, se requiere un mayor número de estudios para lograr que las enzimas sean termoestables y resistentes a avariaciones de pH, así como estudios que permitan identificar enzimas aplicables, solo aproximadamente el 2% de los microorganismos del mundo se han probado como fuentes de enzimas ¹¹⁸.

En el futuro, se espera que herramientas genéticas ayuden a aumentar la síntesis enzimática de microorganismos de interés, mejorando las alternativas para la eliminación de los desechos que históricamente se han acumulado en los suelos y cursos de agua.

Tabla 6 Microorganismos y tecnología ambiental. Se presentan los microorganismos, la utilidad asociada a los procesos de tecnología ambiental y la bibliografía donde se reporta.

Microbiología y Tecnológica Médica

La participación de microorganismos en la generación de productos o servicios médicos implica cuatro aspectos distintos: (1) control biológico de enfermedades, (2) producción de vacunas, (3) producción de antibióticos y La participación de microorganismos en la (4) producción de productos bioterapéuticos generación de productos o servicios médicos (hormonas, biomateriales, y otros).

Tabla 7 Microorganismos y tecnología médica. Se presentan los microorganismos, la utilidad asociada a los procesos de tecnología ambiental y la bibliografía donde se reporta.

Vacunas

Técnicas biotecnológicas utilizadas en la producción de los tipos de vacunas actualmente disponibles ¹, Tabla 8.

Tabla 8 Tipos de vacunas y descripción.

Tabla 9 Características de las vacunas inactivadas; vacunas de subunidades, toxoides y carbohidratos.

Tabla 10 Caracteristicas de las vacunas de ADN.

Tabla 11 Características de las vacunas recombinantes.

Tabla 12 Características de los anticuerpos monoclonales.

Microorganismos y productos de interés farmaceútico

El uso de células microbianas recombinantes ha permitido la producción a gran escala de un gran número de productos de interés farmacéutico, como hormonas, anticoagulantes, proteínas de alto valor, anticuerpos o antígenos y otros. Esto ha sido crucial para determinar la relación estructura-función de las proteínas, así como para desarrollar una mejor comprensión de las reacciones del sistema inmune, la biología celular y los eventos de señalización (Bajaj et al., 2012 ¹⁸²; Avendaño et al., 2016 ¹⁸³; Borghese et al., 2016¹⁸⁴.

La necesidad de nuevos biomateriales funcionales en fármacos emergentes ha potenciado los estudios de ingeniería metabólica de moléculas a partir de microorganismos (Vázquez y Villaverde, 2013¹⁸⁵; Rodríguez-Carmona y Villaverde, 2010) ¹⁸⁶.

Más de dos millones de personas en los Estados Unidos se ven afectadas anualmente por bacterias resistentes a los antibióticos (Nizet, 2015)¹⁸⁷. Segín el Centro para el Control y la Prevención de Enfermedades Estados Unidos el Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (MRSA) representa aproximadamente 10,000 casos de infecciones en el torrente sanguíneo adquiridas en el hospital, mientras que Clostridium difficile, asociado con diarrea, es la infección más común en los Estados Unidos, con más de 80,000 casos anuales estimados ¹⁸⁸, lo que genera inversión importante para la identificación de nuevos y mejores fármacos con exploración de biofactorías con microorganismos como E. coli y S. cerevisiae ¹⁸⁹.

Las técnicas de ingeniería de proteínas, especialmente la mutagénesis dirigida (SDM), que permite la sustitución, eliminación o inserción de uno o más aminoácidos en la secuencia de una proteína, permite la disponibilidad de biobetadores menos costosos, que son la principal clase creciente de productos biofarmacéuticos ¹⁹⁰^-¹⁹¹.

Tabla 13 Producto biofarmaceutico, utilidad y bibliografía asociada.

Microbiología y Tecnológica de Materiales

La aplicación de técnicas biotecnológicas a la microbiología también ha permitido obtener una gran diversidad de biomateriales y biosensores. Los biomateriales son productos artificiales o naturales, generalmente sintetizados por microorganismos en diferentes condiciones ambientales, que pueden actuar en sistemas biológicos (tejidos u órganos) ¹.

Una familia importante de biomateriales incluye los bioplásticos. Los bioplásticos son poliésteres que se acumulan intracelularmente en microorganismos en forma de gránulos de almacenamiento, con propiedades fisicoquímicas similares a los plásticos petroquímicos, biodegradables y biocompatibles ²⁰².

El bioplástico también puede producirse como un subproducto de la biorrefinería utilizando fermentación acidogénica o pirolisis de biomasa lignocelulósica, así como un subproducto del tratamiento biológico de desechos sólidos o líquidos ²⁰³.

Los bioplásticos se utilizan en la fabricación de materiales médicos de alto valor agregado: mejores propiedades biomecánicas y bioactividad, como películas que funcionan como vehículos para la administración de fármacos ²⁰⁴.

Tabla 14 Biomaterial, microorganismos, utilidad y referencias asociadas.

Biosensores

Los microorganismos como una alternativa en la producción de biosensores se debe principalmente a la capacidad de producirlos masivamente a través del cultivo celular ²¹⁶. Los biosensores integran microorganismos con un transductor físico para generar una señal medible proporcional a la concentración de analitos, lo que permite una detección rápida y precisa de los objetivos de análisis en diversos campos, como medicina, monitoreo ambiental, procesamiento de alimentos y otros ²¹⁶^-²¹⁹.

La técnica de ADN recombinante ha facilitado la disponibilidad de biosensores microbianos, esta técnica consiste en la construcción de cepas microbianas recombinantes que contienen un gen informador (lux , GFP o lac Z), es decir, un gen que genera una señal cuando ocurre la reacción biológica entre un microorganismo y un analito ²¹⁹^-²²⁰.

A pesar del gran avance realizado por la biotecnología, los microorganismos nuevos aún deben evaluarse para determinar su eficacia, aún deben desarrollarse métodos más precisos para inmovilizar células microbianas y las técnicas de inducción deben evaluarse continuamente porque pueden variar en términos de su eficiencia según el analito.

Tabla 15 Biosensor, aplicación y referencias asociadas.

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Declaración de conflicto de interés Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un posible conflicto de intereses.

Recibido: 22 de Octubre de 2018; Aprobado: 27 de Noviembre de 2018

^* Correspondencia: olga.ostos.ortiz@gmail.com

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