La biotecnología

3. Aplicaciones de la biotecnología

 
3.1. Microbios útiles para la industria

 

Los microorganismos y la biotecnología tradicional

La biotecnología tradicional se define como el empleo de microorganismos para la obtención de un producto útil para la industria. El término “microorganismos” incluye a un grupo variado de organismos, relacionados entre sí por su tamaño microscópico. La gran mayoría son unicelulares, y viven en forma solitaria o formando colonias, aunque hay otros que son pluricelulares. El grupo abarca tanto a procariontes (bacterias) como a eucariontes (protozoos, algas y hongos).

A los microbios se los conoce sobre todo por las enfermedades que causan a las personas, animales y plantas. Sin embargo, son esenciales para la elaboración de alimentos, medicamentos y otros productos de interés industrial. Entre los microbios útiles se destacan las levaduras, que producen el alcohol para la elaboración del vino y el dióxido de carbono para “levantar” la masa del pan, y las bacterias ácido lácticas, que aportan el ácido láctico en los productos lácteos, cárnicos y vegetales fermentados. En muchos productos de la industria alimenticia, los microorganismos están presentes durante el proceso de producción, pero ausentes como células viables en el producto final. En otros, los microorganismos vivos están en el producto final, como en el caso de los microorganismos probióticos, y su presencia en los alimentos estaría asociada con efectos beneficiosos para la salud. Hay hongos filamentosos que también se emplean en la elaboración de alimentos, como ciertas cepas de Penicillum, que le otorgan las propiedades tan características a los quesos del tipo Roquefort y Camembert.

Cuaderno para docentes Nº 7: biotecnología tradicional y alimentación

Además de la industria alimenticia, hay otras industrias que se benefician de los productos de los microorganismos, entre ellas, la farmacéutica. Hay bacterias que producen una variada gama de antibióticos, como ciertas cepas del género Streptomyces (estreptomicina, tetraciclina, eritromicina), y también hongos filamentosos, como Penicillium, del cual se obtiene la penicilina.

Cuaderno para docentes Nº 51: biotecnología y producción de antibióticos

 

3.1.1. Las levaduras y el etanol: bebidas, combustibles y un poco de historia

 

Los descubrimientos de Pasteur

Los hombres utilizan las fermentaciones para su provecho desde la prehistoria. El pan fermentado se conoce desde hace varios miles de años. Los jeroglíficos y otras representaciones gráficas demuestran que el hombre fabricaba bebidas alcohólicas ya varios milenios antes de Cristo. Al preparar el pan, vino o la cerveza, los hombres empleaban, sin saberlo, unos microorganismos muy útiles: las levaduras. Son hongos unicelulares capaces de transformar azúcares en alcohol. Este proceso se denomina fermentación alcohólica y fue descubierto y descrito por Luis Pasteur recién en 1856.

En la época de Luis Pasteur, las teorías científicas reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, pero estas levaduras eran consideradas como un producto de la fermentación. Luis Pasteur demostró que las células viables de levaduras causan fermentación en condiciones anaeróbicas (baja concentración de oxígeno); durante dicha fermentación el azúcar de la uva es convertido en etanol y CO2. Sus ilustraciones claramente muestran auténticas levaduras vínicas y en sus escritos él las diferenciaba claramente de otros componentes.

En 1856, M. Bigo, un fabricante de alcohol en el norte de Francia, sufría repetidos fracasos en la obtención de sus productos. El proceso involucraba la fermentación de la caña de azúcar para producir alcohol etílico, pero frecuentemente el contenido de los recipientes se agriaba. M. Bigo le solicitó a Pasteur que investigara el caso, y éste accedió. Primero, analizó químicamente el contenido agrio de los recipientes y concluyó que contenían una considerable cantidad de ácido láctico en lugar de alcohol. Después comparó los sedimentos de diferentes recipientes, observó que en aquellos donde había ocurrido la fermentación alcohólica se veía una gran cantidad de levaduras, mientras que en las que había ácido láctico se veían "glóbulos mucho más pequeños que los de la levadura". Este hallazgo indicaba que se encontraba frente a dos tipos de fermentaciones (en este caso alcohólica y láctica), que involucraban a dos tipos de microorganismos (en este caso, levaduras y bacterias, respectivamente).

En los años siguientes, Pasteur identificó y aisló los microorganismos responsables de la fermentación en la producción del vino, cerveza y vinagre. Demostró, además, que si calentaba el vino, la cerveza y la leche por unos minutos, podía matar a los microorganismos y así esterilizar el producto (pasteurización).

El descubrimiento de la fermentación por Luis Pasteur representó un paso gigante para la ciencia. En esa época, la ciencia estaba dominada por las leyes de los químicos (el propio Pasteur lo era), quienes suponían que el alcohol se producía por vibraciones que hacían inestables a los azúcares al punto de degradarlos a moléculas más pequeñas. Aunque reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, las consideraban productos o catalizadores de la fermentación. Pasteur demostró, nada más ni nada menos, que las levaduras eran la causa de la fermentación y que los microorganismos podían realizar reacciones químicas complejas.

Por sus trabajos sobre el origen de los microorganismos, la fermentación y otros (pasteurización, producción de vacunas, etc.), Luis Pasteur es considerado el creador de la microbiología experimental.

 

Producción de bebidas alcohólicas

Las bebidas alcohólicas se producen a partir de diferentes sustratos, dependiendo de la región geográfica. Las materias primas de partida pueden ser azúcares simples, como los presentes en el jugo de uva (para el vino) o de alto peso molecular, como el almidón de los granos de cebada (para la cerveza). Para la obtención de las bebidas se emplean levaduras del género Saccharomyces, las que en condiciones anaeróbicas (muy baja concentración de oxígeno) metabolizan estos azúcares convirtiéndolos en etanol. Este proceso se conoce como fermentación alcohólica.

Existen dos tipos de bebidas alcohólicas: aquellas que se obtienen directamente por fermentación de los diferentes sustratos y las destiladas, producidas por destilación del producto de la fermentación. Ejemplos de sustratos que se emplean en la fermentación alcohólica para la obtención de bebidas alcohólicas:

Sustratos
Bebidas

cebada y otros cereales

cerveza

arroz

sake

jugo de manzana

sidra

jugo de uva

vino

cebada

whisky escocés*

malta, trigo, centeno, avena

whisky irlandés*

maíz

whisky americano bourbon)*

caña de azúcar

ron*

granos triturados, con saborizantes de semillas de enebro, anís, etc.

ginebra*

grano o papa, aromatizado con semillas de alcaravea

aquavit*

grano o papa, sin saborizantes

vodka*

jugo del cactus Agave tequilana

tequila*

uvas blancas de Cognac, Francia

coñac*

frutas variadas

brandy*

jugo de cerezas

kirsch*

*Bebidas destiladas
Fuente: Alan Wiseman. 1980. Principles of Biotechnology. Surrey University Press.

 

La cerveza: una larga historia

Cuaderno para docentes Nº 22: la biotecnología tradicional y la historia del vino

 

El alcohol como combustible

El etanol presenta varias ventajas sobre los derivados del petróleo para ser empleado como combustible:

  • Se produce a partir de cultivos agrícolas, que son fuentes renovables de energía
  • Puede obtenerse a partir de cultivos propios de una región, permitiendo la producción local del biocombustible
  • Permite disponer de combustible independientemente de las políticas de importación y fluctuaciones en el precio del petróleo
  • Produce mucho menos emisiones nocivas para los seres vivos, el agua y el aire
  • La producción podría realizarse en un futuro a partir de desechos agrícolas, forestales, industriales o municipales.

 

Actualmente el alcohol se produce principalmente a partir de caña de azúcar o a partir de maíz (en algunos casos el maíz es mezclado con un poco de trigo o cebada), cuyos hidratos de carbono son fermentados a etanol por las levaduras del género Saccharomyces. La caña de azúcar es sin duda la fuente más atractiva para la producción de etanol, ya que los azúcares que contiene son simples y fermentables directamente por las levaduras.

Los cultivos como el maíz son ricos en almidón, un hidrato de carbono complejo que necesita ser primero transformado en azúcares simples. Este proceso se denomina sacarificación, e introduce un paso más en la producción, con el consecuente aumento en los costos.

Las materias primas ricas en celulosa, como los desechos agrícolas y forestales, son las más abundantes y baratas; sin embargo, la conversión de la celulosa en azúcares fermentables es un proceso complejo y costoso que hace que la obtención de etanol a partir de desechos no sea rentable, al menos por ahora.

Los principales productores de alcohol como combustible son Brasil, Estados Unidos y Canadá. Brasil lo produce a partir de la caña de azúcar y lo emplea como “hidro-alcohol” (95% etanol) o como aditivo de la gasolina (24% de etanol). Estados Unidos y Canadá lo producen a partir de maíz (con un poco de trigo y cebada) y lo utilizan en diferentes formulaciones que van desde el 5% al 85% de etanol.

Cuaderno para docentes Nº 58: los biocombustibles

 

Algo más sobre las levaduras

Además de su papel protagónico en la producción de alimentos, la levadura de cerveza, Saccharomyces cerevisiae, es también una especie modelo para estudios biológicos y genómicos, y ha resultado una herramienta poderosa para el entendimiento de los genes de organismos eucariontes superiores, como los humanos.

La simplicidad de manipulación genética de la levadura permite que sea utilizada convenientemente para analizar la función de los productos génicos de organismos eucariontes superiores. En cuanto a su utilización biotecnológica como fábrica de moléculas recombinantes, la levadura es de gran utilización para la preparación de proteínas recombinantes de uso comercial. La importancia de esta levadura en la producción de productos por ingeniería genética puede verse en la primera vacuna recombinante aprobada para humanos (contra la hepatitis B), y el primer producto alimenticio recombinante aprobado, la renina (o quimosina) utilizada en la fabricación de queso, que fueron producidos en sistemas de levaduras. Con 12.000.000 de pares de bases y 6.000 genes en 16 cromosomas, Saccharomyces cerevisiae fue, en 1997, el primer organismo eucarionte en tener su genoma secuenciado.

 

3.1.2. Las bacterias ácido-lácticas en la industria alimenticia

Las bacterias ácido lácticas se vienen empleando para fabricar alimentos desde hace al menos 4 mil años. Su uso más corriente se relaciona con la producción de productos lácteos fermentados, como el yogurt, el queso, la manteca, la crema de leche, el kefir y el kumis. Constituyen un gran grupo de microorganismos benignos que producen ácido láctico como producto final del proceso de fermentación. Se encuentran en grandes cantidades en la naturaleza y también en nuestro sistema digestivo. Aunque se las conoce sobre todo por sus aplicaciones en la industria láctea, también se las usa para curar pescado, carne y embutidos.

Las bacterias ácido lácticas transforman la lactosa de la leche en ácido láctico, el que modifica la estructura de las proteínas de la leche (cuajan). De esta manera se modifica la textura del producto, aunque existen otras variables, como la temperatura y la composición de la leche, que influyen en las cualidades de los distintos productos resultantes. El ácido láctico le confiere a la leche fermentada ese sabor ligeramente acidulado, y otros derivados de la fermentación producen a menudo otros sabores o aromas. El acetaldehído, por ejemplo, da al yogurt su aroma característico, mientras que el diacetilo confiere un sabor de manteca a la leche fermentada. Pueden agregarse levaduras a la fermentación, como es el caso del kefir, el kumis y el leben (variedades de yogurt), donde el alcohol y el dióxido de carbono producidos por la levadura dan una frescura y una textura características. Entre otras técnicas empleadas cabe mencionar las que consisten en eliminar el suero o añadir sabores, que permiten crear una variada gama de productos.

Con respecto al yogurt, en su elaboración se emplean dos bacterias: Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus, que se caracterizan porque cada una estimula el desarrollo de la otra. Esta interacción reduce considerablemente el tiempo de fermentación y el producto resultante tiene peculiaridades que lo distinguen de los fermentados con una sola cepa de bacteria.

Además de su empleo en la elaboración del yogurt y otros productos, las bacterias ácido lácticas son explotadas como cultivos probióticos, ya que se complementan con las bacterias presentes en nuestra flora intestinal y contribuyen al buen funcionamiento del aparato digestivo. Ante la creciente demanda de los consumidores, cada día más preocupados por la salud, el mercado internacional de estos productos va en aumento.

 

3.1.3. Microorganismos productores de antibióticos

Además de la industria alimenticia, la industria farmacéutica también se beneficia de los productos de los microorganismos. Hay bacterias que producen una variada gama de antibióticos, como ciertas cepas del género Streptomyces (estreptomicina, tetraciclina, eritromicina), y también hongos filamentosos, como Penicillium, del cual se obtiene la penicilina.

Cuaderno para docentes Nº 51: biotecnología y producción de antibióticos

 

3.1.4. Los extremófilos

Los microorganismos extremófilos

Hasta hace no mucho se pensaba que la vida era incompatible con los ambientes extremos tales como la oscuridad absoluta, concentraciones salinas tan altas como la de la salsa de soja, lagos helados o aguas termales. Pero hoy sabemos que existen una gran cantidad de microorganismos que viven y prefieren estos ambientes, y por eso reciben el nombre de “extremófilos” (amantes de lo extremo). Se los encuentra en los lugares menos pensados: en los géiseres del fondo de los océanos, en el Mar Muerto, adentro de los volcanes o en las aguas congeladísimas de la Antártida.

La mayor parte de los extremófilos son bacterias del dominio Archea (o arquibacterias), aunque también hay muchas eubacterias y unas pocas especies de eucariontes que viven en condiciones extremas. A medida que los fueron descubriendo, los científicos comenzaron a estudiar cómo estos organismos podían lidiar con semejantes condiciones tan adversas para la vida. Así descubrieron que los extremófilos tienen enzimas y compuestos diferentes al resto de los organismos vivos, que justamente les permiten hacer lo mismo que hacen todos, pero en condiciones extremas. Esto resultó muy interesante para la industria, ya que hay procesos industriales que ocurren a altísimas temperaturas, o muy bajas, o a altas concentraciones salinas o alta alcalinidad. Por ejemplo, los detergentes en polvo tienen biocatalizadores (enzimas) que quitan las manchas en agua fría. Por su parte, la industria del cuero usa enzimas que degraden proteínas de la piel de los animales en condiciones de alta salinidad. La síntesis química de ciertos productos farmacéuticos debe realizarse a temperaturas bajísimas.

Otra aplicación de las enzimas obtenidas de los extremófilos es la investigación científica. Por ejemplo, en laboratorios de biología molecular se utilizan técnicas que requieren de enzimas estables a altas o bajas temperaturas. Un caso puntual es la técnica conocida como Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR por sus siglas en inglés), en la cual se requiere una enzima (ADN polimerasa) que tolere temperaturas tan altas como 94 ºC. Para lograrlo se utiliza la ADN polimerasa obtenida del termófilo Thermus aquaticus.

Cuaderno para docentes Nº 57: organismos extremófilos

 

3.2. Metabolitos importantes para la industria (aminoácidos, ácidos orgánicos, alcoholes, vitaminas, enzimas y metabolitos secundarios)

 

Metabolitos microbianos importantes para la industria

Los productos de la biotecnología se aplican hoy a un gran número de industrias entre las que cabe mencionar no sólo la alimenticia, sino también la farmacéutica, textil, del papel, de detergentes, etc. Antes del advenimiento de la ingeniería genética ya se obtenían diversos productos (metabolitos) derivados de bacterias, levaduras y hongos filamentosos.

Cuando un microorganismo crece en un medio con nutrientes en exceso, consigue completar sus vías metabólicas generando los productos finales del metabolismo energético y todos los compuestos necesarios para su ciclo de vida (aminoácidos, proteínas, nucleótidos, ácidos orgánicos, vitaminas, azúcares, grasas, alcoholes). Estas moléculas se denominan metabolitos primarios y los más importantes, desde el punto de vista comercial, son los alcoholes (especialmente el etanol), los aminoácidos, los ácidos orgánicos, las vitaminas y las enzimas.

Entre las enzimas, se pueden mencionar a las proteasas y lipasas para la fabricación de detergentes en polvo, la celulasa y otras enzimas para la industria textil, y la pectinasa, empleada en la industria alimenticia para la elaboración de jugos de fruta. Además de ser altamente específicas en sus reacciones, la enorme variedad de enzimas disponible permite optar por versiones resistentes al calor, pH bajos, solventes o altas concentraciones salinas. Además, son biodegradables, y reemplazan a procesos físicos o químicos generalmente contaminantes, corrosivos, y que requieren más energía. Cabe mencionar que la mayor parte de las enzimas hoy se producen a partir de bacterias u hongos genéticamente modificados.

Los metabolitos secundarios, en cambio, se producen cuando algún nutriente del medio se encuentra en concentraciones limitantes. Los más importantes comercialmente son los antibióticos, los pigmentos, las toxinas, los inhibidores enzimáticos y los alcaloides.

 

3.3. Las proteínas recombinantes en la industria

 

Aunque muchos metabolitos se obtienen a partir de microorganismos no modificados por ingeniería genética, la incorporación de esta metodología permitió optimizar la eficiencia del proceso de producción y/o la calidad de los productos. Por un lado, fue posible modificar el control de vías metabólicas, por ejemplo, para la sobreproducción de aminoácidos, ácidos orgánicos, vitaminas, etc., y por otro, permitió fabricar proteínas bajo la forma de proteínas recombinantes. Las ventajas que presenta la producción de una proteína como proteína recombinante son varias:

  • Permite obtener proteínas humanas, o de cualquier origen, en organismos fácilmente cultivables.
  • Se obtienen grandes cantidades del producto, de una forma más fácil y sobre todo reproducible, en comparación con el obtenido por extracción a partir de su fuente natural (en el caso de la insulina, se obtenía a partir de páncreas de animales).
  • Se obtienen productos libres de patógenos y otros riesgos potenciales. Esto es particularmente importante en el caso de los productos farmacéuticos, ya que de esta manera se evita el contagio de enfermedades como el SIDA y la hepatitis B o C por empleo de hormonas o factores derivados de sangre u órganos humanos. Por ejemplo, los factores de coagulación o la hormona de crecimiento pueden administrarse libres de contaminación como proteínas recombinantes, en lugar de proteínas purificadas de sangre e hipófisis humanas, respectivamente.
  • Pueden producirse proteínas que no existen en la naturaleza, como los anticuerpos de cadena simple, útiles en el diagnóstico y tratamiento de algunas enfermedades.

Prácticamente todas las enzimas que se emplean en la industria (farmacéutica, alimenticia, textil, papel, química, detergentes, etc.) son recombinantes. Muchas de ellas son microbianas, pero resulta más fácil y reproducible su obtención a partir de microbios bien conocidos y fácilmente cultivables. Por ejemplo, las enzimas resistentes a bajas o altas temperaturas, que se emplean en las diferentes industrias, provienen de microorganismos de laboratorio transformados con genes de extremófilos. Aún más, la ingeniería genética permite modificar al azar o de manera dirigida los genes, creando así variantes de enzimas con nuevas propiedades.

Para producir proteínas recombinantes se usan principalmente bacterias, hongos y células de mamífero genéticamente modificadas. Sin embargo, hay sistemas alternativos que podrían abaratar mucho los costos de producción, como las plantas y los animales transgénicos.

Fármacos producidos como proteínas recombinantes

Producto
Sistema de obtención*
Aplicación

Factor de coagulación VIII

C

Hemofilia A

Factor de coagulación IX

C

Hemofilia B

Activador del plasminógeno tisular

C

Infarto de miocardio

Hirudin (anticoagulante)

L

Tratamientos anticoagulantes y prevención de trombosis

Proteína C activada

C

Sepsis severa

Insulina

L, B

Diabetes mellitus

Hormona de crecimiento humana

L, B

Ciertos defectos en el crecimiento

Antagonista de la hormona de crecimiento humana

B

Acromegalia

Hormona folículo-estimulante

C

Infertilidad, anovulación, superovulación

Calcitonina

B

Osteoporosis postmenopáusica

Hormona luteinizante

C

Ciertas formas de infertilidad

Tirotrofina

C

Cáncer de tiroides

Glucagon

L

Hipoglucemia

Eritropoyetina

C

Anemia

Factor estimulante de colonias de granulocitos y monocitos

B

Neutropenia causada por quimioterapia

Factor de crecimiento insulínico tipo-1

B

Deficiencia severa del factor

Interferón alfa

B

Hepatitis B y C, y ciertos tipos de cáncer

Interferón beta

C

Esclerosis múltiple

Interleukina – 1

B

Artritis reumatoide

Interleukina – 2

B

Carcinoma renal

Vacuna hepatitis B

L

Vacunación contra la hepatitis B

Vacuna virus papiloma

L

Vacunación contra la enfermedad causada por el HPV

Vacuna Borrelia burgdorferi

B

Vacunación contra la enfermedad de Lyme

Anticuerpos monoclonales

B

Asma, psoriasis, artritis reumatoide, esclerosis múltiple, linfoma y otros tipos de cáncer – Diagnóstico por imágenes

DNAsa

C

Fibrosis cística 

* B, bacterias (Escherichia coli); L, levaduras (Saccharomyces cerevisiae); C, células de mamífero (CHO, BHK, etc.)
Tabla: Algunos de los fármacos que hoy se producen como proteínas recombinantes. Adaptado de Nature Biotechnology 24, 769-776 (2006).

 

Las enzimas en la industria alimenticia

La siguiente tabla resume algunos ejemplos de enzimas que se emplean en diferentes procesos de la industria alimenticia. La gran mayoría hoy se obtiene de microorganismos genéticamente modificados. 

INDUSTRIA
ENZIMAS
USOS

Láctea

Tripsina. Lactasa

Enmascara el gusto a óxido. Fabricación de leche delactosada, evita la cristalización de leche concentrada.

Quesería

Quimosina (renina). Lactasa. Lipasa

Coagulación de las proteínas de la leche (caseína). Influencia en el sabor y aceleración de la maduración.

Helados

Lactasa. Glucosa-isomerasa

Evita la textura “arenosa” provocada por la cristalización. Permite la utilización de jarabes de alta fructosa.

Cárnicas

Papaína. Fiscina. Bromelina

Ablandamiento de carnes. Producción de hidrolizados.

Panificación

Amilasa. Proteasa. Lipoxidasa. Lactasa

Mejora la calidad del pan. Disminuye la viscosidad de la pasta. Produce una miga muy blanca  Mejora la coloración de la superficie.

Cervecería

Amilasas. Papaína. Pepsina

Usadas para licuar la pasta de malta. Evitan la turbidez durante la conservación de ciertos productos.

Vinificación

Pectinasas. Glucosa-oxidasa

Mejoran la clarificación y extracción de jugos. Evitan el oscurecimiento y los sabores desagradables.

Bebidas no alcohólicas

Pectinasas. Glucosa-isomerasa. Tannasa. Glucosa-oxidasa

Mejoran la clarificación de jugos. Conversión de la glucosa en fructosa (jarabes de alta fructuosa). Aumenta la solubilidad y disminuye la turbidez del té. Evita el oscurecimiento y los sabores desagradables.

 

Cuaderno para docentes Nº 54: enzimas utilizadas en la industria alimenticia

 


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