Capítulo 6 |
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Formación de productos | Productos finales del metabolismo energético | Productos intermedios de metabolismo primario | Productos de metabolismo secundario | Lecturas recomendadas |
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La diversidad de productos formados por los distintos tipos de microorganismos es sumamente amplia, desde moléculas muy simples como el etanol hastan las muy complejas como pueden serlo una enzima o un antígeno. Formalmente se puede entonces clasificar los productos como:
La industria química "compite con los microorganismos" tan sólo en la obtención de algunos productos de bajo peso molecular como por ejemplo el etanol o el butanol, siendo los demás de dominio exclusivo de los microorganismos y, por otra parte, la única fuente disponible para el hombre. Cualquiera sea el producto que se desee obtener, son varios los aspectos que deben considerarse. Estos según Pirt, pueden resumirse como:
En el capítulo anterior se vio que la formación de biomasa y de producto son procesos contrapuestos, lo cual, si bien es cierto, podría conducir al error de suponer que el único objetivo en la formación de un producto es maximizar Y p/s. Por otra parte el producto es una consecuencia de la actividad de los microorganismos; luego la presencia de éstos también es importante. Este concepto puede resumirse del siguiente modo: si qp es la velocidad específica de formación de producto podemos poner:
La ec. (2) indica que tanto la concentración celular como la capacidad biosintética de la misma (qp) son importantes en la obtención de un producto. El concepto que resume ambos aspectos el es de productividad, esto es la cantidad de producto obtenido dividido el tiempo necesario para obtenerlo, la que puede ser mejorada entonces aumentando X, qp o ambos. Puede ocurrir que un aumento de X cause disminución de qp, siendo necesario en tal caso encontrar una solución de compromiso; es decir una combinación que haga máxima la productividad. La clasificación dada al comienzo de este capítulo, no pasa de ser una mera enunciación de todos los productos que se pueden obtener de los microorganismos. Es más útil, al menos para los productos de bajo peso molecular, clasificar los según que función cumplan dentro del metabolismo. Se pueden distinguir así tres grupos:
I. Productos finales del metabolismo energético
Son ejemplos de este grupo el etanol, ácido láctico, acético, butírico, butanol, y otros compuestos asociados a procesos anaerobios. Su formación es consecuencia directa de la degradación de la fuente de carbono para obtener energía. Hemos visto en el capítulo anterior que la energía se emplea tanto para crecimiento como para mantenimiento celular, por lo que en este tipo de productos la velocidad de formación tendrá dos contribuciones:
El primer término del segundo miembro expresa la velocidad de formación de producto debida al crecimiento, y el segundo la debida al mantenimiento. La estrategia para la obtención de estos productos consiste en contar con una concentración celular elevada sometida a condiciones tales que el mantenimiento sea grande, lo cual puede lograrse, como hemos visto, aumentando la tonicidad del medio y también modificando la temperatura. Existe otra alternativa que consiste en limitar el cultivo en nitrógeno de modo tal que las células se vean impedidas de duplicarse al no poder sintetizar más componentes estructurales, y la fuente de carbono se derive, principalmente vía mantenimiento, hacia la formación de producto. Por ejemplo la obtención del etanol por levadura puede dividirse en dos etapas: en la primera el proceso es aerobio y el medio de cultivo contiene una relación de fuente de carbono a fuente de nitrógeno apropiada para obtener un buen crecimiento. La segunda etapa se realiza en condiciones anaerobias y en un medio con escasa concentración de fuente de nitrógeno y elevada concentración de fuente de carbono, la cual es convertida prácticamente en un 90% en etanol y CO2 . En este caso la tolerancia de la levadura al etanol es un aspecto importante a considerar. II. Productos intermedios de metabolismo primario
treonina (ver fig. 13). Además la enzima deshidroxipicolinato sintetasa no es inhibida por lisina. Esta conjuntamente con la treonina ejercen inhibición concentrada sobe la Aspartatoquinasa de modo tal que aún en este mutante no se acumulará lisina si en el medio de cultivo hay treonina libre. La estrategia para obtener lisina consiste en realizar el cultivo en condiciones tales que la concentración de treonina libre sea mínima, lo cual se consigue alimentando el cultivo con este aminoácido y tratando de mantener su concentración en valores muy pequeños. Así se evita la inhibición concertada, con lo cual la lisina, al no ejercer retroinhibición sobre la dihidroxipicolinato sintetasa, se acumula en el medio de cultivo. El ejemplo visto es demostrativo de la importancia que tiene el conocimiento del metabolismo y su regulación en el momento de seleccionar los mutantes apropiados, como así también la elección de una técnica de cultivo adecuada en el momento de la producción. En general, y a diferencia de los productos pertenecientes al primer grupo, no existe una relación directa entre la generación de energía y la síntesis de los productos de este grupo. Volviendo al ejemplo de la lisina, por cada mol formado se forman cuatro de NADH y se consume uno de ATP, por lo que la formación de lisina está asociada en una formación neta de ATP si se tiene en cuenta el poder reductor acumulado. La cinética de formación de estos productos es más compleja que los del grupo 1, y no existe hasta el momento ninguna expresión simple que abarque a todos, si bien Roels y Kossen han propuesto la siguiente ecuación para ser ensayada con este tipo de productos.
La misma posee gran flexibilidad ya que e puede tomar cualquier valor mayor que cero, lo que permite ajustar distintas relaciones entre q p y m. Por ejemplo si e = 1, la relación entre qp y p es directa; sie = 100 se tiene que qp alcanza valores cercanos al máximo aún a valores pequeños de m/mm. En general, y cualquiera sea el producto, se trata siempre de encontrar que tipo de relación existe entre qp y m, ya que éste es uno de los factores a tener en cuenta en el momento de planear la estrategia dé producción. III. Productos de metabolismo secundario
Pertenecen a este grupo los antibióticos, las toxinas, los alcaloides y las giberelinas. Históricamente se ha considerado a los metabolitos secundarios como aquellos que no son indispensables para las funciones vitales del microorganismo, a diferencia de los metabolitos primarios, aunque tal afirmación se encuentre actualmente en revisión. Cualquiera sea el caso, existen algunas características que diferencian a este grupo del anterior. Frecuentemente los precursores específicos para la biosíntesis de estos productos son obtenidos por modificación de metabolitos primarios. Así muchos antibióticos contienen en su molécula aminoácidos infrecuentes como D-aminoácidos, N-metil aminoácidos, b-aminoácidos o iminoácidos; o azucares modificados, bajo la forma de dimetil aminoazúcares. Por otra parte estos precursores suelen ser limitantes de la biosíntesis. Por ejemplo la adición al medio de cultivo de ácido fenil acético estimula la producción de Bencil penicilina, los ácidos a-aminobutírico ya,g-diaminobutírico son limitantes de la biosíntesis de colistina. En estos casos la supresión de los mecanismos de regulación de la síntesis de los precursores puede resultar en un incremento en la producción. Otra característica interesante es que algunas enzimas del metabolismo secundario no posee alta especificidad por el sustrato. Un ejemplo bien conocido es el de la penicilina aciltransferasa del Penicillium chrysogenum, que cataliza el intercambio del resto a-aminoadipil de la penicilina N (amino adipil penicilina), por restos acídicos hidrofóbicos (ver Fig. 14). La enzima es específica para uno de los sustratos, el ácido 6-amino-penicilánico, mientras que es relativamente inespecífica para el precursor de la cadena lateral, el cual debe poseer el grupo -CH2 - COOH terminal para ser incorporado. Finalmente, y ya en relación a la producción, la mayoría de los productos de este grupo comparten la propiedad de formarse cuando los microorganismos crecen a bajos valores de m. Se cree que una de las causas sería el fenómeno conocido como represión catabólica ya comentado, por el cual estaría reprimida la biosíntesis de las enzimas asociadas al metabolismo secundario cuando el crecimiento ocurre a valores de m altos, mientras que se desreprimiría a valores de m bajos. Durante años, se utilizó lactosa como fuente carbonada para la obtención de penicilina porque daba mejores rendimientos que la glucosa. La diferencia radicaba en que la lactosa era metabolizada lentamente por el hongo, y la glucosa rápidamente. En la actualidad se emplea esta última como fuente carbonada, pero suministrándola lentamente al cultivo a fin de regular m a valores compatibles con la síntesis de penicilina. El cultivo continuo y el bath alimentado, ya mencionados en el capítulo 2 y que se estudiarán en el capítulo 7, son sistemas de cultivo que permiten regular la velocidad de crecimiento, y por tanto muy apropiados para obtener este tipo de productos.
Los productos de este grupo comparten con el anterior la necesidad de un adecuado suministro de oxígeno para su formación. Cuando este requisito no es satisfecho los rendimientos disminuyen.
1. Primary Products of Metabolism. Ed. A.H. Rose. Academi Press, 1978. 2. Secondary Products of Metabolism. Ed. A.H. Rose. Academic Press, 1979. 3. Biotechnology Vol. 1. Microbial Fundamentals. Ed. H.J.Reh m and G. Reed. Verlagh- Chemie, 1981. 4. Comprehensive Biotechnology, Vol. 1. The Principles of Biotechnology: Scientific Fundamentals. Ed. Murray Moo-Young, Alan T. Bull, Howard Dalton. Pergamon Press 1985. 5. Principles of Microbe and Cell Cultivation. S.J.Pirt. Blackwell Scientific Publications, 1975. 6. Principios de Microbiologia Industrial. A. Rhodes y D.L.Fletcher. Editorial Acribia, 1969. |
