Manejo genético y nuevos procesos industriales

1990/11/01 Ugalde, U.O. | Dickson, R.C. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Biokimika

Procesos biotecnológicos

Plancha de suero.

Los beneficios que el ser humano ha obtenido a través de los procesos biológicos siempre han generado un interés especial en la sociedad, tanto por su misterio como por su carácter artesanal. Estos descubrimientos se basan en el análisis de los resultados de fenómenos naturales comunes y propios. Por lo tanto, el ser humano no ha "producido" estos procesos, sino que ha manejado las condiciones naturales para que esos procesos se produzcan por sí mismos o mejor dicho de forma natural.

Se dice que el descubrimiento de la cerveza se produjo cuando los fenicios transportaban la harina en grandes recipientes y se dieron cuenta de que cuando se mojaba la harina se producía una serie de procesos y se producía alcohol (cerveza). Era obra de Levadura. El descubrimiento inicial ha sido manipulado a lo largo de los años hasta alcanzar el proceso que conocemos en la actualidad. La cebada se sienta alerta, es decir, se "maltea", liberando más azúcar antes de la fermentación con levadura.

Otros procesos de transformación biológica como el queso, el vino y los antibióticos han evolucionado de forma paralela.

En todos estos procesos hay que diferenciar claramente dos elementos bien distintos: el medio o sustrato y el microorganismo que ha producido la alteración.

El medio necesita de los componentes químicos adecuados para su asimilación y transformación. Su concentración, temperatura, pH, etc. tienen una influencia fundamental en el progreso del proceso. Por otra parte, el microorganismo puede considerarse un catalizador muy complejo, coordinando un gran grupo de reacciones. El potencial del microorganismo es muy variable y depende de las condiciones de reacción.

Podemos poner como ejemplo el caso de la cerveza antes mencionado. La presencia o ausencia de oxígeno durante el proceso condiciona el resultado final que se obtendrá, es decir, si la levadura produce una síntesis de material celulósico o alcohol.

Teniendo en cuenta estos dos elementos principales (el medio y el microorganismo), y a pesar de la gran complejidad de uno de ellos, el hombre ha conseguido dominar los procesos biológicos. Sin embargo, a pesar de que el ser humano ha sabido realizar microbiología, ha recogido estos procesos con gran misterio y no ha conocido hasta hace poco el porqué y el núcleo de los mismos.

A lo largo de este siglo, se han descubierto muchos misterios sobre estos organismos. Las reacciones en la base de los metabolismos energéticos se diluyeron en la década de 1930. En 1940 se descubrió la naturaleza química de la molécula y la información celular que ésta contiene, denominada ADN. Posteriormente, pronto se descifró el código genético y su mecanismo de devolución a las funciones celulares. Todavía estamos lejos de conocer exactamente la complejidad de esta función celular, pero es cierto que el ser humano está dando grandes y rápidos pasos para lograr ese objetivo espectacular.

Camino del manejo

No hace más de quince años que se descubrieron enzimas bacterianas para cortar selectivamente secuencias muy concretas del ADN. Era un sistema para defenderse de los virus que atacan. Cada bacteria tiene un montón de enzimas, conocidas como endonucleasa de corte como sistema inmunitario.

Fuera de estos hallazgos se encuentran las enzimas capaces de unir y reparar las partes del ADN afectadas. Estas enzimas se denominan ligasas.

Otro de los hallazgos de gran importancia ha sido el de los plásmidos. Estos son fragmentos redondos de ADN que, aparte de los cromosomas, se encuentran en grupos dentro de la célula. Por eso y al no estar en el núcleo se les llama ADN satélite.

Las endonucleasas de corte, ligasas y plasmidos son tres herramientas básicas para el manejo genético de un organismo.

El ADN de un organismo, mediante una endonucleasa de corte, puede dividirse en pequeños fragmentos. El número de fragmentos dependerá de las secuencias de 4-6 bases conocidas por cada tipo de enzima. Si las partes tienen suficiente longitud, pueden contener uno o varios genes.

Al igual que la endonucleasa es capaz de fragmentar el ADN, un plasmido circular puede "abrirse" y convertirse en ADN lineal, pero al añadir una ligasa se puede "cerrar" de nuevo dicho ADN, reformando la estructura circular del plasmido. Si esta reparación del plásmido se produjera frente a las partes de ADN que hemos mencionado en el último párrafo, algunos plasmidos se verían cerrados por la captación de una o varias partes del ADN lineal y, por tanto, de sus genes. Al introducir este nuevo plásmido en el interior de la célula, puede poner de manifiesto el nuevo gen que contiene, añadiendo a la célula una nueva función con firmeza.

Mediante esta técnica es posible dar nuevas características a los organismos de interés industrial. Por último, aunque sólo teóricamente, podemos afirmar que en la actualidad podemos controlar el proceso fisiológico, tanto a través de las condiciones externas como a través del potencial funcional del organismo que utilizamos.

Un proceso industrial

Hace cinco años comenzamos en Donostia la producción de proteína celular a partir del suero de la leche. Este subproducto se genera en el proceso de quesería. Al ser muy contaminante plantea problemas.

Nuestro objetivo era conseguir una biomasa con alto contenido en proteínas mediante la generación de diferentes levaduras que consuman lactosa del suero. Pero pronto nos encontramos con un problema de gran importancia.

El aumento de levadura está relacionado con la energía que se genera en su metabolismo. Por tanto, esta energía puede invertirse en la fabricación del material celular, es decir, en su crecimiento.

La molécula que sirve para transferir esta energía del lugar de generación al consumo final es ATP.

Cuando la molécula de azúcar (glucosa) entra en la célula, se sigue una cadena de 10 reacciones que se oxida formando dos moléculas de ácido piruvico y dos de ATP. Si la célula contiene oxígeno, el ácido pirúvico se sigue oxidando hasta dar CO 2 y genera otras 36 moléculas de ATP. Si no tiene oxígeno, el piruvato no se oxida. Se reduce para producir etanol (Recordemos el proceso de la cerveza).

Por lo que hemos dicho antes, el lector puede concluir que las células cuando llevan oxígeno se aprovechan mejor que cuando les falta, y por tanto crecen más. Esto nos obliga a diseñar reactores de fermentación con ventilación forzada para producir levadura.

Depósitos de fermentación para la producción de ácido glutámico y lisina.

Sin embargo, también en presencia de oxígeno hemos visto que la fermentación del suero produce alcohol. Cuando definimos el estudio, descubrimos que en las grandes concentraciones de azúcar en suero (40-60 g l -1), la primera reacción produce piruvato a gran velocidad. Este flujo de producción de piruvato es muy alto comparado con el que consumen las reacciones que contienen oxígeno, lo que produce un efecto "desbordamiento" cuando se produce alcohol como adición.

En este problema aplicamos una solución sencilla: diluimos el suero para reducir la concentración de azúcar. Hoy en día tenemos modelos matemáticos para alimentar al reactor con suero y hemos tenido buenas consecuencias. Sin embargo, existe otra posibilidad, que también resulta más beneficiosa desde el punto de vista práctico y científico.

Antes de metabolizarse en el interior de la célula, el azúcar del suero se transporta al interior mediante una proteína especial denominada permeasa.

El sistema de transporte de la lactosa con la permeasa aumenta su capacidad a medida que aumenta la concentración de azúcar, por lo que a altas concentraciones de azúcar se añaden moléculas de permeasa para transportar la lactosa al interior de la célula. Este es el efecto de desbordamiento del piruvato antes mencionado. Se ha aislado el gen de la permeasa de lactosa y una de nuestras secuencias (R. C. Dickson) lo ha descifrado. Nuestro siguiente objetivo es introducir algunos cambios: manejar la síntesis de la molécula de permeasa (para dar una respuesta más baja con otras captaciones de azúcar, evitando el efecto de desbordamiento) al margen de la recogida de azúcar que lleva el suero. Una vez conseguido este objetivo, entraremos en el interior de la levadura para que el nuevo gen prevalezca y no el suyo.

De esta forma conseguiremos una gran cantidad de biomasa rica en proteínas, evitando los mecanismos convencionales y utilizando un tipo de control específico propio del microorganismo. Sin duda, estamos al inicio de los nuevos diseños de procesos biotecnológicos, y de aquí surgirán novedades interesantes y una gran cantidad de información de gran valor para el futuro.