polimeros bacterianos

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MICROORGANISMOS UTILIZADOS EN LA PRODUCCIÓN DE BIOPOLÍMEROS POLIMEROS BACTERIANOS: BIOSINTESIS, MODIFICACIONES Y APLICACIONES

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Page 1: POLIMEROS BACTERIANOS

MICROORGANISMOS UTILIZADOS EN LA

PRODUCCIÓN DE BIOPOLÍMEROS

POLIMEROS BACTERIANOS:

BIOSINTESIS, MODIFICACIONES Y

APLICACIONES

Page 2: POLIMEROS BACTERIANOS

INTRODUCCION

Nuevos productos con aplicaciones industriales y médicas.

HISTORICAMENTE:

Louis Pasteur descubre el dextran como producto microbiano del vino

Van Tieghem identifica Leuconostoc mesenteriodes: formación del dextran

En 1886: la celulosa es producida por bacterias (exopolisacáridos)

Primer polímero de reserva en cianobacterias: poliamida cianoficina

Alrededor de 1920 se identifica la producción de polyester polihuidroxibutirato

por Bacillus megaterium

Entre 1970 y 2000 las tecnicas de clonación de genes y secuenciación de ADN

hacen posible la identificación de los genes involucrados en al biosíntesis. Ej:

cyanophycin synthetase gene (cphA)58

Clusters de genes como el genoma de Pseudomonas aeruginosa

Estos avances aun no han evidenciado por completo el papel funcional de

algunos genes, los mecanismos de acción de enzimas claves (sintasas

sintetasas y polimerasas) y sus funciones de copolimerización

Page 3: POLIMEROS BACTERIANOS

Las bacterias sintetizan solo unos cuantos polímeros intracelulares sin embargo

las posibilidades de síntesis extracelular es extensa

Existen cuatro clases principales de polímeros producidos por bacterias:

POLISACARIDOS

POLIESTERES

POLIAMIDAS

POLIANHIDROS INORGANICOS (POLIFOSFATOS)

FUNCIONES:

RESERVA

ESTRUCTURAS DE PROTECCIÓN

Estos polímeros se producen como consecuencia de un estímulo externo de lo cuál

depende la composición , propiedades y el control de la biosíntesis

INTRODUCCION

Page 4: POLIMEROS BACTERIANOS

PRODUCCION INDUSTRIAL

Producidos por fermentación, a nivel comercial van de

media a gran escala:

2,000 Ton Dextran

100,000 Ton Xantano

100,000 Poliéster

Estos biopolímeros, cuando se exponen a la presencia de

flora microbiana, son completamente degradados y

mineralizados a H2O y CO2 por medio de enzimas de-

polimerasas e hidrolasas

Debido a su composición natural no tóxica, son

considerados inertemente-biocompatibles

Page 5: POLIMEROS BACTERIANOS

ESTRUCTURAS QUIMICAS REPRESENTATIVAS DE

POLIMEROS BACTERIANOS

Page 6: POLIMEROS BACTERIANOS

CLASES DE POLIMEROS BACTERIANOS Y

SUS CARACTERISTICAS

Page 7: POLIMEROS BACTERIANOS

CLASES DE POLIMEROS BACTERIANOS Y SUS

CARACTERISTICAS

Page 8: POLIMEROS BACTERIANOS

CLASES DE POLIMEROS BACTERIANOS Y SUS

CARACTERISTICAS

Page 9: POLIMEROS BACTERIANOS

VIA DE BIOSINTESIS DE POLIMEROS

BACTERIANOS

Page 10: POLIMEROS BACTERIANOS

ORGANIZACIÓN GENÉTICA DE GENES Y OPERONES

CLAVE DE LA BIOSÍNTESIS

Page 11: POLIMEROS BACTERIANOS

ESTRATEGIAS DE PRODUCCIÓN

DE BIOPOLIMEROS MODIFICADOS

PARA MEJORAR SUS

PROPIEDADES

In vitro:

a) Sintesis in vitro usando enzimas

o enzimas modificadas

expuestas para seleccionar

sustrato

b) Biopolímeros aislados pueden

ser enriquecidos por exposición

a enzimas o modificaciones

químias

In Vivo:

Cepas de producción con rendimiento

mejorado

Page 12: POLIMEROS BACTERIANOS

MODIFICACION DE BIOPOLIMEROS Y SU

IMPACTO EN LAS PROPIEDADES INDUSTRIALES

Page 13: POLIMEROS BACTERIANOS

BIOPOLIMEROS HECHOS A LA MEDIDA

La secuenciación del genoma, la genómica funcional, la

clonación y la caracterización de genes de la biosíntesis han

llevado al descubrimiento de nuevos polímeros bacterianos.

La producción recombinante de polímeros menos complejos

como PHA, CGP , HA y PGA en hospederos heterólogos no

productores con mayor poder de desarrollo constituyen la

innovación en la industria

Ejemplo: Producción a gran escala de PHA por fermentación

de E. coli recombinante

E. coli produce el Polihidroxibutirato (PHB) a $0.0025 dólares

gramo que es 5 a 10 veces menos costoso que la producción

derivada de petróleo

Page 14: POLIMEROS BACTERIANOS

RALSONIA EUTROPHA

Utilizada en la producción de PHA compuesta de:

(R)-3-hydroxybutyrate

(R)-3-hydroxyvalerate y/o

(R)-3-hydroxyhexanoate

Estos polímeros muestran propiedades de elasticidad y brillo que se buscan en las producciones industriales

E. COLI

Utilizada en la producción de polímeros no-naturales:

Politioesteres y poliésteres basados en lactato

Producción directa de ácido poliláctico mediante

fermentación de ácido láctico y la polimerización química

Page 15: POLIMEROS BACTERIANOS

GRANULOS DE PHA

La síntesis in vitro del bioplástico PHB requiere de un

precursor, (R)-3-hydroxybutyryl-CoA y ser purificado por PHB

sintasa: Costo = 286,000 por gramo

Producción de PHB bacteriano en grandes escalas se estima

en $0.0025 por gramo, costo que es 5 a 10 veces menor que

la vía de petróleo.

Formados al interior de las células recombinantes como

micro o nano gotas a las cuáles se pegan proteínas

Aplicaciones en bioseparaciónes de alta afinidad,

inmobilización de enzimas, liberación de antígenos

Page 16: POLIMEROS BACTERIANOS

LOS CUELLOS DE BOTELLA EN LA PRODUCCIÓN

INDUSTRIAL

El rendimiento es proporcional a la fuente de carbono

requerida y por lo tanto de ello depende el costo, así como

del uso al que este destinado

En el caso de los polímeros intracelulares como PHA se

requiere lisis y consecuentemente numerosos procesos de

separación

Costo beneficio si el uso es médico

Dependiendo de la escala de producción, la inversión es:

1 millón USD / kg a 10-100 millones por tonelada

Page 17: POLIMEROS BACTERIANOS

El capital de equipamiento esta determinado por:

Volumen de cultivo requerido (dimensiones del biorreactor)

Procesos de transformación

Separación de biomasa y sobrenadante generalmente por filtración

Procesos de separación específica (3micro o nanofiltración,

extracción por solventes, precipitación, cromatografía o

cristalización)

Proceso biotecnológico contra vías químicas:

Reducción en capital de equipamiento

Reducción en costos de operación

Resíduos de menor impacto y costo

No se utilizan catalizadores metálicos tóxicos

Page 18: POLIMEROS BACTERIANOS

MODELING AND OPTIMIZATION OF BIOPOLYMER

(POLYHYDROXYALKANOATES) PRODUCTION FROM ICE CREAM

RESIDUE BY NOVEL STATISTICAL EXPERIMENTAL DESIGN

(APPLIED BIOCHEMISTRY AND BIOTECHNOLOGY VOL. 133, 2006).

Bacterial Strain and Stock Culture: Ralstonia eutropha (Gram

negativa)

Fuente de carbono: Helado pretratado por centrifugación para

eliminar particulado

Método gravimétrico para medir PHA

Page 19: POLIMEROS BACTERIANOS

BIOSÍNTESIS MICROBIANA DE ACIDO POLI GLUTÁMICO Y

APLICACIONES EN INDUSTRIA FARMACÉUTICA, BIOMEDICA Y

ALIMENTOS

EL ácido Poliglutámico (PGA) es usado en su forma libre,

hidrogel o nanopartículas

Generalmente se utilizan cepas de Bacillus subtilis que utilizan

como substrato Acido glutámico D o L en la síntesis de γ -PGA

Page 20: POLIMEROS BACTERIANOS

Bacillus anthracis produce poli-γ-D-PGA en altas concentraciones de CO2 para formar una cápsula alrededor de la célula

PGA es secretado al medio como un polímero libre en la fase logarítmica

tardía y estacionaria temprana.

“¿Limitantes de esta producción?”

SINTESIS DE

PGA EN

BACILLUS

Page 21: POLIMEROS BACTERIANOS

RECUPERACION Y ANALISIS DE PGA

1. PRECIPITACION: Por formación de complejos

2. PRECIPITACION: Reducción de actividad de agua (Adición de Etanol)

3. FILTRACION

En todos los casos primero se remueve la biomasa por centrifugación o filtración

Forma complejos con: Cu+2, Al+3, Cr +3 y Fe+3

Para aplicaciones industriales es deseable un peso molecular mayor a 106 kDa

Se utiliza como suplemento, fertilizante, jugos y otras bebidas, ingrediente de

panes y pastas

Conservador de enzimas, microorganismos y alimentos debido a sus ropiedades

anticongelantes

Se utiliza como hidrogel para biosensores, diagnóstico, bioseparaciones,

liberación de fármacos

Page 22: POLIMEROS BACTERIANOS

OTROS USOS

Terapia génica: Como vectores para transportar el ADN y protegerlo de Dnasas

Vacunas: Anticuerpos anti γ-D-PGA como vacuna contra el ántraz

Ingeniería de tejidos: Bloques de construcción como soporte para el crecimiento celular

Sustituto de heparina en células de mamífero

Adhesivo médico

γ –PGA es utilizado en la

liberación de paclitaxel

(Taxol) como droga

conjugada

Page 23: POLIMEROS BACTERIANOS

• Cepa: E. coli K4 serotype O5:K4:H4

• Polisacárido capsular idéntico a la condroitina obtenida de tejidos

animales

• La concentración de carbono afecta la producción del polisacárido

• La concentración de nitrógeno es limitante en la producción del

polisacárido

• La estrategia de lote alimentado genera un máximo rendimiento de 1.4

g/L del polisacárido

Page 24: POLIMEROS BACTERIANOS

Nueva cepa de Enterobacter produce por excreción un

biopolimero de poliglucosamina

Cultivo por lote alimentado determinado por los cambios de

pH

Alimentado por soluciones de acetato para mantener el

cultivo a pH 8

Rendimiento de 1.15 g/L de poliglucosamina

Page 25: POLIMEROS BACTERIANOS

Producción biotecnológica de proteínas

recombinantes de seda de araña

La información de la proteína recombinante es

insertada en una bacteria hospedera,

La estrategia de producción es utilizada por la

empresa AMSilk GmbH (Martinsried, Germany)

Producida por fermentación y las proteínas de seda

son sometidas a extrusión para darle la forma

comercial.

Page 26: POLIMEROS BACTERIANOS
Page 27: POLIMEROS BACTERIANOS
Page 28: POLIMEROS BACTERIANOS

Exopolisacárido floculante producido por Azotobacter indicus

ATCC 9540 strain

Estabilidad a alta temperatura

Alta eficiencia en la floculación de efluentes contaminados

Reducción en la DBO(38–80%), DQO(37–79%) y sólidos

suspendidos (41–68%).

Page 29: POLIMEROS BACTERIANOS