¿A quién y para qué?
Recursos humanos
Los recursos humanos utilizados para la realización de este blog son:
Profesora de sistemas: Catalina Calle
Profesora de Introducción a MIA: Auxilio Ramírez
Autoras del blog:
Marìa Teresa Peñate
Yhaneth León Quinchoa
Lorena Correa Restrepo
Paola Erazo Hinestroza
Recursos físicos
Los recursos físicos usados para la realización del blog son:
Computadores
Libros, revistas y artículos
Objetivos específicos
- Establecer las ventajas de la producción enzimática a partir de microorganismos
- Conocer los microorganismos productores de enzimas más importantes y utilizados en la industria
- Destacar la importancia de la microbiología en el campo industrial
Introducción
1. Importancia de la producción de enzimas a partir de microorganismos
2.1. Aplicación Clínica
2.1.1. Aplicaciones bioquímicas
- Reasociación e hibridación, usando una subunidad inmovilizada de una enzima y las subunidades libres a estudiar.
- Cromatografía de afinidad, para aislar inhibidores enzimáticos y péptidos marcados, por afinidad con determinado sustrato, separándolos.
- Simular acciones bioquímicas de forma más acelerada, por ejemplo, Storelli utilizó un complejo de la enzima sacarasa-isomaltasa y la unió a una mezcla de fosfolípidos, que formaron una bicapa lipídica, para simular el transporte activo de la membrana celular, dando como resultado un proceso igual, pero de mayor velocidad.
2.1.2. Aplicaciones en análisis
Las propiedades de las enzimas como su elevada afinidad con el sustrato puede ser la base de dispositivos analíticos sin reactivos que pueden aportar datos sobre la pureza óptica de un compuesto químico, así como de su identidad química y concentración
- La fabricación de electrodos indirectos de enzimas, que implican la detección de un reactante enzimático, mediante un electrodo específico, usualmente selectivo a un ión. Las enzimas están ligadas a un transductor que consiste en una capa de enzimas en contacto con éste. El sustrato se difunde hacia la solución en la que está colocado el electrodo, se produce la reacción y el transductor mide la aparición del producto, por ejemplo los electrodos selectivos de pH y de ión amonio.
- La cuantificación de sustancias, por ejemplo, Hicks y Updike atraparon la enzima lactato deshidrogenasa y la glucosa oxidasa en poliacrilamida para cuantificar lactato y glucosa mediante espectrofotometría de un colorante acoplado. A partir de ello se crearon dispositivos sensores de DBO, biomasa, gastrina, glucosa, NADH, iones sodio, sacarosa, sulfato, bacterias de sífilis y urea, entre otros.
- El análisis de trazas en la determinación de concentración de nitrato, a través de la reducción y oxidación generada por enzimas
- Los dispositivos analíticos basados en enzimas, que se caracterizan por su sensibilidad, tiempo de respuesta y límites de detección, como ocurre al emplear enzimas en el agitador con enzimas inmovilizadas, o en los análisis quimiluminométricos, que usan la enzima luciferasa para analizar reacciones que usan NADH, NADPH o ATP, que al detectar una catalización emite una luz.
Estas aplicaciones se basan en el fenómeno general de que las células enfermas pierden una parte de sus enzimas que ocasionalmente van a parar a la sangre, provocando la elevación de la actividad enzimática del suero, dependiendo de la gravedad de la enfermedad.
- Las enzimas se usan como reactivos para control y seguimiento de enfermedades y para la observación de la respuesta de los pacientes en terapia. Por ejemplo para el análisis del colesterol del suero se usa la enzima colesterol oxidasa, que se obtiene a partir de Pseudomonas fluorescens, que al ser suministrado un inductor, el enzima se acumula en forma intra- y extracelular y se purifica.
- Diagnóstico enfermedades, como ocurre con ELISA.
- Las técnicas enzimáticas también se utilizan en la detección de drogas, análisis de antibióticos, detección de antígenos o anticuerpos o en la detección de enzimas y metabolitos en los fluidos intracelulares y son usualmente más rápidas, especificas y económicas que otras pruebas.
- El uso de enzimas microbianas en la cuantificación de drogas quimioterapéuticas toxicas en el suero, como en el análisis colorimétrico.
- En el tratamiento de enfermedades, por ejemplo, las enzimas tripsina o colagenasa, que se usan para eliminar los tejidos muertos de heridas, quemaduras, etc, para acelerar el crecimiento de nuevos tejidos e injertos de piel e inhibir el crecimiento de organismos contaminantes.
- Actividad antitumoral, como la enzima pterin-desaminasa desamina la pterina, el ácido pteroico y el ácido fólico.
- Antiinflamatorio, como la enzima superóxido dismutasa.
- En la fabricación de jarabes de maltosa, que se usa en mermeladas y en pastelería por su resistencia a la aparición de color, por no ser absorbente y no cristalizar tan fácilmente como los jarabes de glucosa; también se usa en la cervecería y panadería porque su contenido de azúcar fermentable es alto y se mantiene estable durante el almacenamiento, por ejemplo, se usan enzimas como la pulalanasa.
- Refinado de azúcar, para ello se usa la rafinosa que se obtiene del moho Mortierella vinacea raffinosutilizer o laa- amilasa producida por B. licheniformis.
- La hidrólisis enzimática de celulosa a glucosa, a través de la celulasa, obtenida del Trichoderma viride, que sirve como endulzante, como fuente de energía o para transformarla en productos valiosos como el etanol. Las aplicaciones comerciales son como auxiliar de alimentos vegetales y degradador de desechos domésticos.
- Fermentación alcohólica, recientemente se han añadido enzimas bacterianas para suplementar enzimas endógenas asociadas con el almidón, para disminuir la viscosidad del almidón; en la elaboración de cerveza se usan enzimas para el remojo y acondicionamiento, degradando el almidón de la cebada y dando lugar al mosto de cerveza, formando azúcares fermentables y dextrinas límites que no fermentan y permanecen en la cerveza aumentando su valor calórico; también hacen que resista la refrigeración, alargue su vida útil y para filtrar la levadura.
- Panadería, las enzimas catalizan el abultado y maduración del pan , aumentado su volumen; la harina se suplementa con enzimas como la a-amilasa y la proteasa, para elevar la velocidad de fermentación y reducir la viscosidad, mejorando el volumen y textura del producto y generando azúcares que mejoran el sabor y la calidad.
- En la industria láctea, en la hidrólisis de la lactosa en glucosa y galactosa, para que pueda ser consumida por personas con intolerancia a la lactosa; para evitar la pérdida de nutrientes en el suero del queso, éstos problemas se pueden eliminar o reducir con la hidrólisis enzimática de la lactosa por medio de la enzima galactosidasa inmovilizada, obtenida principalmente de Saccharomyces lactis y Escherichia coli. Para el cuajo de la leche se emplean enzimas provenientes de Mucor pusillus. También algunas enzimas producen un olor y sabor que identifica el producto, y aceleran la maduración del queso, como el Bacillus spp y lipasas para generar aromas agradables en productos como la mantequilla.
- Aminoácidos, para suplementar los alimentos, enzimas como la aminoácido acilasa ayudan a su apropiada producción; la enzima aspartasa del E. coli ayuda en el proceso de producción de ácido aspártico.
- Antioxidantes; la oxidación de productos genera la pérdida de valor nutritivo y calidad y formación de toxinas, para solucionarlo, algunas enzimas con propiedades antioxidantes son: la glucosa oxidasa, la superóxido dismutasa, la catalasa la glutatión peroxidasa y la colesterol oxidasa.
- Detergentes; dado que la proteasa derivada de Bacillus subtillis, tolera un medio alcalino, se emplea para hidrolizar los residuos alimentarios que contienen proteínas y almidón.
- Industria textil, para elevar la resistencia en el tejido, se usa almidón adhesivo y para el tratamiento del cuero, se emplea la tripsina pancreática que solubiliza las grasas y gomas y mejora la absorción del agua. También se usan proteasas para evitar la degradación de elastinas y queratinas y la desnaturalización del colágeno.
3. Microorganismos productores de enzimas
A pesar de los avances biotecnológicos en la elección de enzimas, aún hace falta explorar ambientes nuevos o exóticos para encontrar microorganismos que desarrollen enzimas con propiedades excepcionales. La mayoría de las enzimas microbianas se producen a partir de aproximadamente 25 organismos, sin embargo, solo alrededor del 2% de los microorganismos se han ensayado como fuente de enzimas. A pesar de la multiplicidad de los microorganismos, un número limitado se usa como fuente de enzimas, frecuentemente porque es más fácil llevar a cabo la purificación de varias enzimas a partir de un microorganismo, para reducir costos.
Los microorganismos adecuados para la producción de enzimas deben ser estables y aceptados por las autoridades de control, tener facilidad y rapidez de crecimiento con nutrientes sencillos y relativamente baratos, producir una enzima de alto rendimiento, que sea fácil de aislar, purificar y concentrar sin contaminantes o tóxicos. Tradicionalmente, el objetivo es maximizar la velocidad de formación de la enzima para minimizar los costos de producción de la enzima. En los microorganismos, el rendimiento es igual a la masa de células obtenida, multiplicada por el volumen, por ello, lo adecuado es combinar de la mejor manera la cepa seleccionada, las condiciones de de recuperación y fermentación y el equipo más apropiado.
Habitualmente los microbios se sumergen en fermentadores bien agitados y aireados o en fermentadores sólidos o semisólidos, por ejemplo, los que producen lactasa, a-amilasa, proteasa, entre otros. Lo más adecuado es usar enzimas termostables, que a mayor temperatura, producen mayor velocidad de reacción, menor viscosidad del sustrato, mayor solubilidad del reactivo y menor contaminación. Además, para liberar más rápido la enzima se añaden surfactantes al medio de cultivo que aceleran la liberación. Las reacciones enzimáticas se llevan a cabo por numerosas enzimas con distintas funciones, por ello, una pequeña cantidad de enzimas son necesarios, inclusive a escala industrial; los preparados enzimáticos necesitan poco espacio de almacenamiento y las reacciones son controladas de forma sencilla y pueden detenerse cuando se ha alcanzado el grado deseado de conversión de sustrato.
Las enzimas microbianas se consideran seguras porque son extractos naturales, además las enzimas tóxicas son muy raras. La introducción de nuevas enzimas requiere una demostración de que no son tóxicas. Los microorganismos más comunes usados en el sector comercial son los hongos y bacterias, entre ellos se destacan los Aspergillus niger, A. oryzae y Bacillus subtilis.
En la tabla se muestran los productos obtenidos por enzimas microbianas
3.1. Hongos productores de enzimas
Frecuentemente las enzimas fúngicas tienen un pH ácido o neutro y no son termoestables. Los más usados son:
Penicillium lilacinum
Penicillium funiculosom
Saccharomyces cerevisiae
Aspergillus niger (cepas como: A. awamori, A. foetidus, A. phoenicis, A. saitoi y A. usumii)
Aspergillus oryzae (cepas como: A. sojae y A. effusus)
Mucor javanicus
Rhizopus arrhizus
Rhizopus oligosporus
Kluyveromyces fragilis
Rhizopus oryzae
Kluyveromyces lactis
3.2. Bacterias productoras de enzimas
Las enzimas bacterianas tienden a tener un pH alcalino o neutro y con frecuencia son termoestables. Las más usadas son:
Bacillus subtilis (cepas como: B. mesentericus, B. natto y B. amyloquefaciens)
Leuconostoc oenos
4. Avances en la producción de enzimas a partir de microorganismos
4.1. Principales empresas productoras de enzimas a nivel mundial
El mercado de la producción de enzimas está abarcado por 20 compañías de Europa, Japón y Estados Unidos, principalmente por: Novo Nordisk de Dinamarca, Gist Brocades de Neatherlands y Rhom and Haas de Alemania. En Latinoamérica hay empresas productoras de enzimas en México, Brasil, Argentina y Uruguay, que son subsidiadas por empresas internacionales, como la empresa Pfizer en México y Brasil y Novo en Brasil; pero en Colombia se importan las enzimas debido a que no existe producción a nivel industrial.
4.2. Descubrimientos importantes respecto al uso de enzimas
4.2.1. Dos tipos de bacterias producen energía a partir de restos de comida
El hidrógeno tiene más energía potencial que el petróleo, lo que le denomina el combustible con mayor contenido energético. Se ha empleado el uso de bacterias para su producción debido a la dificultad de los asuntos energéticos.
En Reino Unido, en la Universidad de Birmingham, la Unidad de Bionanomateriales Funcionales ha montado dos biorreactores que recrean las condiciones ideales para que dos bacterias, la cimógena y la púrpura, produzcan hidrógeno a partir de desperdicios orgánicos; el proceso consiste en que las bacterias cimógenas usan carbohidratos para producir hidrógeno y ácidos por fermentación, cuando no hay oxígeno; mientras que la bacteria púrpura utiliza la luz para producir energía a través de la fotosíntesis y fabrican hidrógeno para ayudarlas a romper moléculas como las de los ácidos. Estas dos reacciones se complementan, ya que la bacteria púrpura puede utilizar los ácidos producidos por la bacteria cimógena.
Las enzimas hidrogenasas de las bacterias sobrantes pueden recuperar metales de los catalizadores y ayudar en la fabricación de celdas de combustible. Así no se desperdicia biomasa y se convierte la basura en fuente de energía.
4.2.2. Enzimas que convierten cualquier sangre en tipo O
Henrik Clausen, de la Universidad de Copenhague de Dinamarca y sus colaboradores de ZymeQuest probaron más de 2500 tipos bacterias y hongos, buscando enzimas más eficientes para encontrar enzimas capaces de cambiar el tipo de sangre. Finalmente encontraron una enzima producida por el bacteroides fragilis que elimina el antígeno B y otra producida por elizabethkingia meningosepticum que elimina el antígeno tipo A. Las enzimas son glicosidasas, que son muy eficientes depues de ser purificadas. La combinación de las dos enzimas convierte cualquier grupo sanguíneo en grupo O, la cual puede ser la clave para producir sangre tipo O a partir de los grupos A, B y AB, para evitar la escasez de este tipo de sangre, que a pesar de ser la más común, presenta déficit debido a su carácter de donante universal y receptor sólo del mismo tipo.
4.2.3. Obtenciòn de celulosa sin contaminacion secundaria
Citación bibliográfica
1. Wiseman, Alan. Manual de biotecnología de los enzimas. Zaragoza, España : Acribia S.A., 1985.
2. Kelly, Catherine T. Fogarty, William M. Microbial enzymes and biotechnology 2nd edition. England : ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS LTD, 1990.
Citación páginas web
1. Advanced Enzyme Technologies Ltd. (2006). Advanced enzymes. Recuperado el 24 de Septiembre de 2008, de Enzymes: http://www.enzymeindia.com/enzymes/enzymes-spanish.asp
2. College, Occidental. Bio. 130 Intro. to celular chemistry. Translation and Signal Sequence. [En línea] 17 de octubre de 2000. [Citado el: 3 de octubre de 2008.] http://departments.oxy.edu/biology/bio130/lectures_2000/11-17-00_lecture.htm.
