Nutricion

Regulación de la expresión bacteriana por factores del entorno

En la expresión de una célula, ya sea bacteria, hongo o célula animal celular intervienen dos tipos de efectores: efectores intracelulares y extracelulares.

a) efectores intracelulares: se refiere a la información genética que posee el microorganismo. La misma puede ser modificada por el agregado o extracción de genes.

b) efectores extracelulares: son los factores del entorno que pueden modificar la expresión. Estos se dividen en físicos y químicos

fisicoquímicos: son los relacionados con las características del sistema de cultivo como agitación, aeración, formación de espuma, nutrientes del medio de cultivo, pH, presión osmótica, estado redox y los parámetros físicos como temperatura y presión.

A través de factores del entorno se puede optimizar o modificar la expresión de una célula logrando el aumento de producción de biomasa o de algún producto en particular. Algunos ejemplos:

 En un cultivo de levaduras manejando el suministro de O2 (efector externo químico) puede optimizarse o bien la producción de biomasa (levaduras de panificación) o la producción de alcohol etílico.

 Los cultivos de Aspergillus niger no deben estar limitados en Fe ni Mn para ser utilizados en la producción de ácido acético.

 En la obtención de penicilina se logran altos niveles de de dicho antibiótico cuando se utiliza ácido fenil acético como inductor.

 Algunas bacterias (patógenas) expresan determinados antígenos según la T, la presión osmótica, el pH y la composición del medio de cultivo.

célula

efectores externos DNA efectores internos

fisicoquímicos introducción de

genes que codifi-

T, pH quen para la pro-

Agitación, presión osmótica ducción del com-

componentes puesto de interés

del medio de cultivo

expresión mejorada o

modificada

o mejoramiento de la producción de algún componente de interés

o aumento de la velocidad de producción

o evitar producción de inhibidores

NUTRICION MICROBIANA

La preparación de medios para el desarrollo de procesos de fermentación es una etapa fundamental para asegurar la productividad de los mismos.

Los componentes de los medios constituyen los efectores externos de naturaleza química que desempeñan un rol esencial en los procesos ya que deben cumplir con los requerimientos del crecimiento y de formación de productos y además suministrar energía para biosíntesis y mantenimiento celular.

No obstante que los microorganismos varían considerablemente respecto de los nutrientes que pueden necesitar es posible efectuar la distinción de las siguientes categorías de componentes: a) Macronutrientes, agregados en cantidades de gramos por litro (> 10 –4 M) que están representados por las fuentes de C, H, N, O, S, P, K y Mg; b) Micronutrientes o elementos trazas (< 10 –4 M) representados por las sales de Fe, Mn, Mo, Ca, Zn y Co que se agregan a los medios en cantidades de miligramos o microgramos por litro; y c) Factores de crecimiento, que son generalmente componentes orgánicos suministrados en baja concentración y que no son sintetizados ni metabolizados por las células, sino incorporados a estructuras celulares y de función metabólica especifica, como vitaminas, algunos aminoácidos, ácidos grasos no saturados, etc..

Los medios pueden clasificarse, considerando la naturaleza química de los componentes, en 1) medios sintéticos o medios químicamente definidos, tanto en cantidad como en calidad y 2) medios complejos en cuya composición intervienen sustancias de origen animal o vegetal como peptonas, extracto de levadura, macerado de maíz, harina de soja, etc. que aportan las sustancias fundamentales ya mencionadas, pero que son químicamente indefinidas y de composición variable.

También se pueden clasificar en medios mínimos, que contienen únicamente los nutrientes esenciales y medios ricos, que consisten en medios que contienen los nutrientes esenciales suplementados con otros nutrientes que puede actuar como fuentes alternativas de elementos (aminoácidos, vitaminas, precursonres de ácidos nucleicos)

En el estudio de los medios de cultivo es conveniente considerar en primer lugar el diseño para tratar a continuación la formulación y optimización de los mismos.

Diseño

El diseño de un medio de fermentación tiene como finalidad la elección de los componentes necesarios para lograr el crecimiento y la formación de productos correspondientes al proceso a desarrollar. Con tal objeto se debe tener en cuenta todos aquellos aspectos relacionados con el microorganismo, el proceso y los sustratos a ser empleados como son los requerimientos nutricionales del microorganismo y algunos específicos del proceso, la disponibilidad real de los componentes y consideraciones sobre las materias primas. Otros aspectos que son también importantes se refieren a todos los procesos y operaciones previos y posteriores a la etapa de fermentación y al conocimiento de los mecanismos bioquímicos que regulan la formación de algunos productos.

Requerimientos nutricionales

Los requerimientos nutricionales están determinados por el tipo de metabolismo celular, ya sea autotrófico, que corresponde a los microorganismos que obtienen el carbono del CO2 como las algas y algunas bacterias, ó heterotrófico que lo poseen organismos que necesitan compuestos orgánicos como fuente de carbono. Otro factor esencial esta determinado por las condiciones del cultivo, si es aerobio o anaerobio. E1 O2 es el oxidante mas común en el metabolismo energético. En la ausencia de éste, el NO3-- ó SO42- son utilizados como aceptores de electrones por algunas bacterias. Otras protistas obtienen su energía, en condiciones anaerobias por reacción de oxido-reducción realizadas sobre compuestos orgánicos. Las fuentes de carbono cumplen también el rol de ser fuente de energía.

Otro requerimiento nutricional esta constituido por las fuentes de nitrógeno que pueden ser de naturaleza inorgánica u orgánica. E] nitrógeno es utilizado para la biosíntesis de proteínas, ácidos nucleicos y polímeros de la pared celular. Para la síntesis de proteína se requieren en general L-aminoacidos, aunque también son necesarios algunos aminoácidos de la serie D como D-alanina y D-aspártico para su incorporación a la pared de la células. En algunos casos se requieren también peptidos de histidina.

Los requerimientos de otros macronutrientes como el P y el S son suministrados en forma de fosfatos y sulfatos (ó aminoácidos azufrados). E1 fósforo se incorpora en ácidos nucleicos, y polímeros celulares. El S es asimilado para la síntesis de aminoácidos azufrados, y además se necesita para la biotina, coenzima A, tiamina y otros componentes.

Los requerimientos de K y Mg son también esenciales. Una parte importante del primero esta unida al RNA de manera que los requerimientos de K aumentan con los factores que influyen en el aumento del RNA de las células, como la velocidad de crecimiento. El ion K actúa como coenzima y probablemente actúa como catión en la estructura aniónica de varios componentes celulares. El ion Mg es esencial para la estabilidad de los ribosomas y actúa como cofactor en numerosas reacciones del metabolismo. Tanto el K como el Mg se incorporan a los medios en forma de sales como fosfato y sulfato.

Con respecto a los micronutrientes se distinguen 2 categorías: a) Los que son frecuentemente esenciales para el crecimiento como Ca, Mn, Fe, Co, Cu y Zn y b) los que son raramente esenciales como B, Na, Al, Si, Cl, V, Cr, Ni, As, Se, Mo, etc.. En general los requerimientos de trazas de elementos son conocidas cualitativamente. A veces es difícil demostrar un requerimiento de un micronutriente porque generalmente está presente en suficiente cantidad como impureza de los componentes principales. Los requerimientos de estos compuestos pueden aumentar varias veces cuando el cultivo ha estado sujeto a "strees", como por ejemplo por aumento de temperatura por encima de un valor óptimo.

Los requerimientos de factores de crecimiento comprenden ciertos aminoácidos y vitaminas del grupo B como tiamina, riboflavina, ácido pantotetico, niacina, etc., que representan para muchas bacterias y levaduras factores esenciales en los medios sin los cuales no se produce crecimiento celular. La mayor parte de las vitaminas son constituyentes de co-enzimas. Otros factores de crecimiento son las purinas, poliaminas, putrescinas, etc..

En algunos procesos existe la necesidad de efectuar otros agregados, aparte de los nutrientes requeridos por los microorganismos y que representan los requerimientos específicos del proceso considerado.

Un ejemplo es el caso de los precursores que constituye la base de una molécula que debe ser sintetizada por el microorganismo, como el ácido fenil acético para la producción de penicilina. Otro ejemplo es el agregado de cloruros o bromuros en el caso de algunos antibióticos como cloro y bromotetraciclinas producidas por el Streptomyces aureofaciens. El agregado de sulfito, en el proceso de fermentación alcohólica, que favorece la formación de glicerol, es otro ejemplo de un requerimiento especifico.

El diseño correcto tiene que ver con las características bioquímicas propias y evolución de los parámetros de cada proceso.

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