Biotecnología industrial de nueva generación basada en bacterias extremófilas

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Biotecnología industrial de nueva generación basada en bacterias extremófilas[pic 6][pic 7]

Guo-Qiang Chen1,2,3 yXiao-RanJiang1,2,3

La biotecnología industrial pretende producir productos químicos a granel, incluidos materiales poliméricos y biocombustibles, a partir del bioprocesamiento de productos agrícolas sostenibles como el almidón, los ácidos grasos y/o la celulosa. Sin embargo, los bioprocesos tradicionales requieren biorreactores de acero inoxidable, una esterilización complicada, procedimientos de separación difíciles y costosos, así como ingenieros bien formados que sean capaces de llevar a cabo el bioprocesamiento en condiciones estériles, lo que reduce la competitividad de los bioproductos. En medio de los continuos bajos precios del petróleo, la biotecnología industrial de nueva generación (NGIB) permite llevar a cabo el bioprocesamiento en condiciones no estériles (abiertas) utilizando biorreactores de cerámica, cemento o plástico de forma continua, debe ser una tecnología que ahorre energía, agua y sustrato con un procedimiento de operación conveniente. La NGIB también requiere una menor inversión de capital y reduce la demanda de ingenieros altamente capacitados. La base de los NGIB simplificados son los microorganismos que resisten a la contaminación por otros microbios, uno de los ejemplos son las bacterias halófilas de rápido crecimiento inoculadas bajo una alta concentración de sal y un pH alcalino. Han sido diseñadas para producir múltiples productos en varias escalas.

Direcciones

1 MOE Key Lab on Bioinformatics, School of Life Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China

2 Centro de Nano y Micromecánica, Universidad de Tsinghua, Pekín 100084, China

3 Centro Tsinghua-Pekín de Ciencias de la Vida, Universidad Tsinghua, Pekín 100084, China

Autor correspondiente: Chen, Guo-Qiang (chengq@mail.tsinghua.edu. cn)

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Introducción

Debido al bajo precio del petróleo, combinado con otras nuevas fuentes de energía como la energía solar, el gas de esquisto, la energía eólica y el hidrato de gas natural, los productos de la biotecnología industrial tradicional, como las pequeñas moléculas

Los productos químicos, los materiales poliméricos y los biocombustibles no pueden competir con los basados en el petróleo [1,2]. Por lo tanto, es muy urgente desarrollar una nueva tecnología, a saber,    la "Biotecnología Industrial de Nueva Generación" o "NGIB", para superar las desventajas de la biotecnología industrial actual [3].

El NGIB debería evitar los problemas de la biotecnología industrial actual que reducen la competitividad, como el gran consumo de agua dulce y energía (para la esterilización, el suministro de oxígeno y la agitación), las frecuentes contaminaciones microbianas, los procesos de producción por lotes en lugar de continuos, la dificultad para reciclar el agua del caldo, la difícil y costosa separación y purificación del producto, el largo desarrollo del proceso de un solo producto a partir de una cepa (sin una cepa de plataforma para múltiples productos), el lento crecimiento de los organismos de producción, la dificultad para desarrollar procesos de producción totalmente automáticos, la baja eficiencia de conversión del subproducto en el producto y la inversión de capital muy costosa en instalaciones y equipos para combatir la contaminación, entre otros (Tabla1) [4-8].

Todas las dificultades de la biotecnología industrial actual podrían atribuirse a que los microorganismos de producción son frágiles a las contaminaciones de otros microbios. Por ejemplo, las cepas industriales comunes, como Escherichia coli, Bacillus spp., Corynebacterium glutamicum, Pseudomo- nas spp. y levaduras, se cultivan en condiciones suaves a un pH débilmente ácido o neutro de 5-7 y 30-37 ◦C suplementado con extracto de levadura, la condición suave permite el crecimiento de la mayoría de los microorganismos en el aire, el agua y los suelos [9]. Las instalaciones de producción tienen que estar selladas y completamente esterilizadas para evitar cualquier invasión microbiana, este procedimiento aumenta drásticamente la complejidad de los bioprocesos, lo que conlleva un alto coste de producción. Por lo tanto, es muy importante contar con un microorganismo de plataforma que sea robusto y resistente a la contaminación. Otras nuevas propiedades de los organismos de plataforma podrían añadirse mediante ingeniería metabólica o enfoques de biología sintética [10].

Este documento revisa los retos, las oportunidades y los recientes avances en el desarrollo de las NGIB para aumentar la competitividad de la biotecnología.

Desafíos

Retos económicos y tecnológicos

Excepto el coste de la mano de obra, el coste de producción de un bioproducto consta de partes anteriores y posteriores: la parte anterior contiene los sustratos, incluidos los pretratamientos de los mismos, la energía del proceso, incluida la esterilización,

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agitación, aireación, refrigeración y calentamiento. Aunque la parte posterior requiere equipos y energía para separar las diminutas células microbianas de su medio de crecimiento, extraer y purificar los productos intracelulares o extracelulares. Cualquier intento de reducir el consumo de energía es beneficioso para la reducción de los costes de producción (Tabla 1). Además, la mayoría de los procesos de fermentación microbiana son propensos a contaminarse durante un largo periodo de tiempo de cultivo, lo que impide que los procesos continuos, más eficientes, sean ampliamente utilizados. Por lo tanto, es importante contar con un microorganismo robusto y resistente a la contaminación para reducir los costes de producción. Esto constituye la base del NGIB para reducir el coste de la bioproducción (Tabla1).

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