COMPORTAMIENTO DE LOS HONGOS EN LA FERMENTACIÓN EL ESTRÉS Y LOS HONGOS: EL LADO POSITIVO

COMPORTAMIENTO DE LOS HONGOS EN LA FERMENTACIÓN

Para los hongos en fermentadores, se han encontrado que la viscosidad del caldo es una función de la forma del hongo (generalmente en forma de agregados, constituidos por largas células llamadas hifas) y que estas estructuras pueden ser dañadas por la acción de los elementos de agitación. En consecuencia, nuestras investigaciones han permitido establecer, por ejemplo, los valores máximos a los que se puede agitar un sistema, sin dañar las células del hongo, pero manteniendo una alta productividad del producto que nos interese (por ejemplo un antibiótico o un aroma frutal).

EL ESTRÉS Y LOS HONGOS: EL LADO POSITIVO

Todo organismo vivo colocado fuera de su hábitat natural experimenta condiciones ambientales que limitan su crecimiento. Un caso particular es el cultivo de células en biorreactores, donde las condiciones de cultivo no son necesariamente homogéneas (dentro del biorreactor) ni constantes (a través del tiempo). Durante el cultivo de células en biorreactores se producen cambios en el medio ambiente en cuanto a la temperatura, daños mecánicos debidos a la agitación, pH, concentración de oxígeno y nutrientes, etc. Todos estos cambios dentro del biorreactor “estresan” a las células que necesitan adaptarse a dichos cambios para poder reproducirse. De manera general, se puede decir que todo factor que influye negativamente en la capacidad de reproducción de las células puede considerarse como estrés. Durante un cultivo, las células consumen nutrientes para poder reproducirse. Cuando la concentración de alguno o varios nutrientes disminuye de tal forma que la velocidad de reproducción de las células también disminuye, hablamos de un estrés de tipo nutricional. Dependiendo de la magnitud y la duración del estrés, éste puede considerarse como subletal, cuando las células son capaces de reproducirse, aunque a una menor velocidad, éste puede considerarse como  letal, La gran mayoría de los metabolitos de origen fúngico de uso industrial son metabolitos secundarios; es decir, se producen una vez que el crecimiento celular disminuye o cesa. Así, los factores de estrés son herramientas muy importantes para el bioingeniero ya que le permiten controlar tanto el crecimiento como la producción de metabolitos secundarios y, en consecuencia, la productividad de los cultivos de hongos filamentosos.

El crecimiento de los hongos se lleva a cabo en forma de largas cadenas celulares que forman una red tridimensional compleja llamada micelio (similar a la que podemos observar en las raíces de plantas). Por esta razón los hongos cultivados en medio líquido, donde se utiliza agitación mecánica, pueden sufrir ruptura celular si la energía introducida por la agitación es mayor que la resistencia del micelio. A este tipo de estrés se le conoce como hidrodinámico. En vista de que las condiciones hidrodinámicas (es decir la velocidad y la dirección con que el medio de cultivo es mezclado) dentro del biorreactor juegan un papel muy importante en el crecimiento y el metabolismo de los cultivos de hongos, hemos estudiado el efecto de este estrés (generado por la agitación) sobre el crecimiento y la producción de 6PP por Trichoderma harzianum.

ESTRÉS HIDRODINAMICO

Los cultivos sumergidos siempre están sometidos a las fuerzas asociadas a la dinámica del fluido que lo contiene. En esta revisión se presentan las bases del estrés hidrodinámico en sistemas agitados de cultivo sumergido, partiendo de la definición de eddy de microescala, esfuerzo de corte y velocidad de deformación.

La referencia típica a estrés hidrodinámico está frecuentemente asociada a muerte celular en bioprocesos agitados y aireados (como se cita en (Trujillo Roldan & Valdez Cruz, 2006) a Thomas, 1990). Es más, esta referencia es usada aun cuando los experimentos no están diseñados para demostrar este efecto y algunos resultados, son difícilmente explicados por las variables manipuladas en los experimentos. Son muchos los reportes en la literatura que hablan sobre el efecto de la agitación, aireación y oxígeno disuelto en cultivos celulares. Sin embargo, la mayoría no separan los efectos hidrodinámicos, de aquéllos causados por fenómenos de transferencia de masa (principalmente de oxígeno) y calor.

Los efectos del estrés hidrodinámico sobre las células pueden ser clasificados en daños letales y subletales (Prokop y Bajpai 1992; Joshi et al. 1996; Henzler 2000 como se cita en (Trujillo Roldan & Valdez Cruz, 2006)). Los efectos subletales pueden ser considerados como parte de un mecanismo hipotético basado en la respuesta de las células al estrés por cizalla (rozamiento) o a otros tipos de estrés, como por ejemplo aquéllos causados por cambios de temperatura o estrés oxidativo. La mayoría de los trabajos en esta línea han sido encaminados a explicar los efectos letales (lisis o apoptosis) en los cultivos celulares. Sin embargo, los efectos subletales pueden llegar a tener mayor relevancia que aquéllos letales.

EQUIPOS DE MEDICIÓN DE ESTRÉS HIDRODINÁMICO

Existen dos formas definidas de entender los efectos del estrés hidrodinámico en cultivos celulares, estos son el uso de sistemas de cultivos convencionales (matraces y biorreactores) y sistemas modelo (viscosímetros y micro manipuladores).

 La aproximación del uso de sistemas convencionales presenta la ventaja de que se evalúa la respuesta biológica del cultivo a largo plazo, como la velocidad específica de crecimiento, la velocidad de producción de metabolitos, los rendimientos y los cambios en las características morfológicas (Joshi et al. 1996). Sin embargo, la principal desventaja de estos sistemas (principalmente los de escala industrial), es que la velocidad de deformación, que determina el estrés hidrodinámico y que actúa sobre las partículas biológicas, no es constante en todo el tanque, debido a las variaciones irregulares en el flujo en todas las coordenadas y en el tiempo.

Además, estos estudios tienden a ser altamente específicos, por la configuración particular del biorreactor empleado y por las características propias de cada especie estudiada (Rodríguez-Monroy y Galindo, 2003).

La segunda estrategia usada en la medición de los efectos del estrés hidrodinámico, es aquélla donde se expone a la partícula biológica a un ambiente con un flujo bien definido y controlado (sistemas modelo). Este tipo de flujo puede ser generado en varios tipos de viscosímetros, normalmente usados para determinar las propiedades reológicas de los fluidos (Prokop y Bajpai, 1992; Sahoo et al. 2003, Sahoo et al. 2004, Sahoo et al. 2006), como también el uso de sistemas de micro manipulación. Sin embargo, estos equipos normalmente miden los efectos de las células en corto plazo y en un número muy limitado de células. A través de la micromanipulación es posible capturar, prensar o estirar células individuales y registrar con micro-sensores la cantidad de energía suministrada .Se han reportado trabajos de micro manipulación en levaduras células vegetales y células animales. (Zhang et al. 1991; Thomas et al. 1994).

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