Geles y plásticos hechos bajo diseño por fermentación bacteriana

Dr. Carlos Peña-Malacara / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México, campus Morelos.
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Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México, campus Morelos.
Archivo: Biotecnología

Existen en la naturaleza un gran número de microorganismos que representan una fuente inagotable de nuevos productos, los cuales son de gran utilidad para diferentes propósitos. Tal es el caso de Azotobacter vinelandii, una bacteria que vive en el suelo sobre la hojarasca a la sombra de los árboles y que produce dos polímeros de interés industrial: un polisacárido llamado alginato, y un poliéster denominado poli-β-hidroxibutirato (PHB). Ambos polímeros presentan un gran potencial en diversas aplicaciones, tanto en la industria de alimentos como en la química y farmacéutica.
         El alginato tiene la capacidad de alterar el comportamiento de flujo del agua (por ejemplo, haciendo soluciones viscosas o formando geles). Con base en estas propiedades es ampliamente usado en industrias como la de alimentos, farmacéutica, textil y química. Por ejemplo, este polímero se usa en la preparación de helados, para conferirle un aspecto cremoso y suave y en pastelería se usa como relleno, gracias a sus características gelificantes. En la industria textil se usa en el teñido de telas, como espesante para la pasta que contiene la tinta, para mejorar la fijación, el brillo y el rendimiento de los colorantes. Pero sin duda, son sus aplicaciones en el campo de la medicina las que principalmente llaman la atención en la actualidad. Por ejemplo, se ha propuesto su uso como agente para atrapar o “inmovilizar” células de diferentes órganos, como el páncreas y el hígado, para el tratamiento de enfermedades como la diabetes. El alginato con una alta proporción de residuos manuronato (uno de los 2 constituyentes de este polímero), es capaz de estimular la respuesta inmunológica en el hombre. Además, se ha observado que los oligoguluronatos (moléculas de menor tamaño derivadas del alginato), son capaces de modificar la estructura del moco que se forma en órganos como los pulmones cuando se presentan algunas infecciones bacterianas, mejorando la eficacia de los medicamentos que se suministran a los pacientes con padecimientos de las vías respiratorias.
         Por su parte, el PHB es un poliéster natural que algunas bacterias como Azotobacter producen y acumulan como material de reserva de carbono y energía. Este biopolímero tiene un gran potencial industrial, pues tienen propiedades termoplásticas similares a las de los plásticos derivados del petróleo, por lo que se puede usar para producir bioplásticos, con la ventaja de ser completamente biodegradable y de producirse a partir de recursos renovables. Más recientemente y basados en su biocompatibilidad (el PHB al estar en contacto con los tejidos no produce reacciones de rechazo), se han propuesto nuevas aplicaciones en el campo de la medicina. Por ejemplo, se usa en el manejo de heridas, especialmente como material de sutura, mallas quirúrgicas, hisopos, etc. Debido a su alta biocompatibilidad el PHB es usado también en la fabricación de soportes para el desarrollo de tejidos como el cartílago, soportes para huesos y regeneración de meniscos, así como sistemas de reparación de nervios y de esta manera restaurar las funciones motoras y sensoriales que se pierden cuando hay daño nervioso severo, por mencionar algunos ejemplos.
La producción de ambos polímeros a partir de “Azotobacter” se realiza mediante el cultivo de la bacteria en caldos nutritivos, en recipientes llamados fermentadores o biorreactores, en los que se adiciona aire filtrado para que las bacterias respiren. Una de las ventajas de usar este tipo de recipientes es que permiten manipular y controlar las condiciones de cultivo que influyen en el crecimiento de la bacteria, en la producción y en la calidad del alginato y el PHB. Al ser “Azotobacter” una bacteria que requiere oxígeno para su crecimiento, el control del oxígeno disuelto en el medio juega un papel muy relevante en la síntesis del alginato y PHB. Por ejemplo, cuando la cantidad de oxígeno disuelto es muy baja, la bacteria acumula cantidades importantes de PHB; mientras que al incrementar la cantidad de oxígeno en el caldo en donde se está cultivando, el microorganismo produce más alginato. Las condiciones de cultivo de la bacteria no sólo afectan la concentración de ambos polímeros, ya que además influyen en la composición de éstos y por lo tanto repercuten en la calidad del producto.
          Gracias a estudios minuciosos de nuestro grupo de investigación, sabemos que tanto el tamaño de la molécula (peso molecular) como su composición (tipo de azúcares y acetilación), pueden ser manipulados por la cantidad de oxígeno disuelto en el medio y la tasa de crecimiento específico de la bacteria. Además, la manipulación de los componentes del caldo de cultivo influye en el grado de acetilación del polímero. Este conocimiento abre muchas posibilidades para el diseño de procesos para producir alginatos diseñados a la medida. En el caso del PHB, los esfuerzos se han dirigido principalmente en la reducción de los costos de producción mediante la utilización de materias primas de bajo costo y a través del desarrollo de nuevos procesos de fermentación. Por ejemplo, se sabe que las fuentes de carbono no refinados, como el jarabe de maíz, melaza de caña o extracto de malta, favorecen la formación de PHB con altos rendimientos, comparables o incluso mejores que los que se obtienen usando azúcares refinados. Por otra parte, se sabe que la adición de una ácido graso como el valerato (que proviene de la raíz de la valeriana), durante el cultivo de la bacteria en melaza de caña permite la producción sostenida de un copolímero del PHB, llamado PHB-UV, el cual presenta una resistencia superior a la que se logra con los plásticos sintéticos.
Es importante señalar que una estrategia que hemos usado para mejorar la producción de ambos polímeros y lograr productos con características químicas específicas, es el uso de técnicas de ingeniería genética para la creación de nuevas variedades de la bacteria. Estas bacterias son diseñadas por genetistas, especialistas en el diseño de cepas recombinantes, las cuales se usan como fuentes de producción de alginato y PHB en fermentadores de diversas escalas. Mediante este tipo de estrategias se han podido sintetizar polímeros con un peso molecular muy alto, por arriba del que comúnmente tienen los materiales comerciales actuales. Los anteriores son sólo algunos ejemplos de lo que es posible hacer con el conocimiento generado en el campo de la producción de polímeros usando bacterias y abre nuevas posibilidades para diseñar procesos para la síntesis de alginatos y PHB hechos a la medida, y por lo tanto de alta calidad y valor agregado.


El Dr. Daniel Segura González es Biólogo egresado de la Facultad de Ciencias de la UNAM. Realizó estudios de Maestría en Biotecnología en el Instituto de Investigaciones Biomédicas de la UNAM, y de Doctorado en Biotecnología en el Instituto de Biotecnología, también de la UNAM. Realizó un posdoctorado en el Departamento de Microbiología de la Universidad de Massachusetts, Estados Unidos. Actualmente es Investigador Titular A en el Departamento de Microbiología del IBT de la UNAM, y miembro del Sistema Nacional de Investigadores (Nivel 1).


El Dr. Carlos Peña-Malacara, realizó estudios de Maestría y Doctorado en Biotecnología en el Instituto de Biotecnología de UNAM. Ha realizado estancias posdoctorales de investigación en la Facultad de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente de la Universidad de Oviedo en España y la RWTH-Aachen University en Alemania. Actualmente es investigador Titular en el Departamento de Ingeniería Celular y Biocatálisis del Instituto de Biotecnología y miembro del Sistema Nacional de Investigadores (Nivel 2).