Papel de la biotecnologia industrial

UNA FUTURA PERSPECTIVA SOBRE EL PAPEL DE LA BIOTECNOLOGÍA INDUSTRIAL PARA LA PRODUCCIÓN DE PRODUCTOS QUÍMICOS

John M. Woodley a Michael Breuer b ,Daniel Mink c

Centro de Ingeniería de Procesos y Tecnología, Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica de la Universidad Técnica de Dinamarca, DK-2800 Lyngby, Dinamarca b BASF SE químicos puros y biocatálisis Investigación GVF / E - A030, D-67056 Ludwigshafen, Alemania c DSM Chemtech Center, 6160 MD Geleen, Países Bajos

RESUMEN

El desarrollo de la tecnología del ADN recombinante, la necesidad de materias primas renovables y un perfil verde, sostenible para futuros procesos químicos han sido los principales conductores de la aplicación de la biotecnología industrial. El uso de la biotecnología industrial para la producción de productos químicos está bien establecida en la industria farmacéutica, pero se mueve hacia abajo la cadena de valor hacia productos químicos a granel. Los ingenieros químicos tendrán un papel esencial en el desarrollo de nuevos procesos en los que la necesidad es para los nuevos métodos de diseño para la implementación efectiva, tanto como las nuevas tecnologías. Lo más interesante es que el diseño de estos procesos se basa en un enfoque integrado de biocatalizador e ingeniería de procesos.

Palabras Clave: La biotecnología industrial; Biocatálisis; Ingeniería de proteínas; Diseño de procesos

1. INTRODUCCIÓN:

Este año la Federación Europea de Ingeniería Química (EFCE) celebra sesenta años de contribuciones a la industria química y las universidades (técnicas) que apoyan esa industria. Los últimos sesenta años se ha producido enormes avances en la industria química y la disciplina de la ingeniería química, como se refleja en los demás artículos de este número especial, y Europa ha tenido un papel importante que desempeñar en estos desarrollos. Por extraña coincidencia este año también marca el sexagésimo aniversario del descubrimiento de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN) (la doble hélice) por Watson y Crick en Cambridge (Reino Unido). Es este descubrimiento (para el que fueron galardonados conjuntamente con el Premio Nobel en 1962, junto con Maurice Wilkins) que, más que ningún otro, ha llevado al desarrollo de una nueva rama de la ingeniería química. Hoy en día, la biotecnología industrial es una importante industria global y los ingenieros químicos no sólo han contribuido a este asombroso desarrollo, pero será cada vez más involucrado en el futuro también. Curiosamente bioprocesamiento es un área de innovación que conduce no sólo a la mejora de los procesos de los productos existentes, sino también una amplia gama de productos completamente nuevos. Desde el descubrimiento de la estructura del ADN, tomó otros veinte años para que los biólogos moleculares para desarrollar el conjunto de herramientas que hoy se refiere a la tecnología de ADN recombinante como. Estas herramientas permiten el acceso a nuevos huéspedes de expresión, la sobreexpresión de genes, la sobreproducción de proteínas y manipulación vía, así como el diseño de proteínas con nuevas propiedades (Tabla 1).Es este desarrollo que ha sido un gran conductor de este tipo para la biotecnología industrial permitiendo nuevas rutas a los productos químicos a través de biocatalizadores más baratos y hechos a medida (ya sea en el crecimiento celular, descansando aislado formato enzima celular o). Un segundo conductor es la necesidad de sustituir los recursos fósiles y con el tiempo paso a materias primas renovables. Un creciente reconocimiento de que tenemos recursos de materias primas alimenticias a base de fósiles, metales y otros reactivos limitado significa que una nueva ola de procesos se está desarrollando en base a azúcar y los aceites vegetales, así como los aceites usados ​​y grasas. Tales materias primas alimenticias están muy bien adaptadas a los métodos de procesamiento de base biológica, ya que las moléculas están ya altamente funcionalizados. El tercer conductor es la necesidad de procesos verdes (limpio), donde los residuos mínimo se produce así como el uso eficiente se hace de la energía utilizada en la producción del producto.

Los tres pilotos (es decir, la tecnología ADNr, cambio de materias primas y de impacto ambiental) contribuyen en última instancia, a la economía general del proceso, y por lo tanto el producto. Obviamente, por lo general será la solución más económica a un problema dado sintética que será implementado. De hecho una ruta con pocos pasos y de bajo impacto ambiental tiene la mayor posibilidad de éxito, no importa que la tecnología empleada. En este breve artículo, la motivación para el desarrollo de la biotecnología industrial para la producción de productos químicos se discutirá junto con una descripción de la función específica que debe desempeñar ingenieros químicos.[pic 1]

1. TIPOS DE BIOPROCESOS

Por supuesto, hay muchas formas de clasificar la gama de procesos químicos y bioquímicos de uso potencial en la industria de fabricación de hoy para producir la enorme diversidad de productos disponibles y útiles para la sociedad. Sin embargo, una clasificación instructiva es analizar la naturaleza de la alimentación stock, catalizador de la reacción y el producto. Fig. 1 ilustra la gama de procesos conceptuales convencionales y nuevos posibles. Procesos convencionales utilizan materias primas alimenticias a base de fósiles y catalizadores químicos para producir productos químicos. Fig. 1 también muestra que los productos químicos se pueden hacer con catalizadores químicos, pero el uso de nuevas rutas desde materias primas alimenticias renovables. Esta es un área cada vez más importante de la tecnología, aunque más allá del alcance de este artículo. Sin embargo, con un catalizador biológico (ya sea usando biocatálisis o fermentación) las opciones se incrementan. Por ejemplo, la alimentación de valores puede ser a base de fósiles, pero puede ser alternativamente renovable. Así mismo, el producto puede ser un producto químico o, alternativamente, una biomolecula más grande (una enzima, proteína, anticuerpo o péptido). Estos llamados «productos biológicos» (incluidos biofarmacéutica, biológicos y productos biosimilares) tienen un mercado importante, pero el alcance de este documento será exclusivamente de productos químicos. Curiosamente, el proceso para producir algunos productos se pueden clasificar en más de un concepto. Por ejemplo biodiesel (el alquil éster de ácido graso  resultante de la tras esterificación de aceite vegetal) se considera un producto químico de base biológica. La materia prima de alimentación stock para la fabricación de biodiesel puede provenir de recursos altamente renovables (como el aceite de los residuos o algas), hasta llegar a los aceites vegetales refinados (en competición a veces con alimentos - renovable pero no sostenible). Además, el catalizador de la reacción puede ser enzimática, química (alcalina) o una combinación. Incluso el alcohol co-sustrato (metanol o etanol) podría, en el caso del etanol ser de una fuente renovable (es decir, bio-etanol a través de la fermentación de azúcar o lignocelulosa) (Severson et al., 2013) .Este ejemplo ilustra bien la complejidad de la clasificación de tales sistemas. Sin embargo, es instructivo para hacer algún tipo de clasificación. En el futuro será cada vez más importante con el fin de entender los controladores para el cambio de los sistemas convencionales. Muchos de estos controladores para el cambio será establecer la agenda para la próxima generación de procesos de fabricación. En este trabajo el alcance es solamente acerca de los conceptos 3 y 4 (Fig. 1).

3. CONDUCTORES PARA EL CAMBIO

3.1. TECNOLOGÍA DE ADN RECOMBINANTE

El desarrollo de la tecnología del ADN recombinante (ADNr) permite varias posibilidades para la explotación real de biocatalizadores en el pleno sentido de la palabra. En primer lugar se ha proporcionado una forma barata de producir un biocatalizador dado. La enzima deseada (o enzimas) pueden ahora ser significado en exceso que representa una fracción mucho más grande de la proteína disponible en la célula. Esto no sólo reduce la escala requerida de la fermentación (y por consiguiente el stock de alimentación y la energía necesaria, así como los residuos producidos) pero para aplicaciones enzima aislada también reduce la carga de aguas abajo antes de la catálisis. En segundo lugar un gen dado puede ser expresado in vivo sólo en un pobre huésped para la producción (por ejemplo, el anfitrión tal vez patógeno o crece sólo bajo condiciones muy lejos de los utilizados para la aplicación). Tal situación se puede superar mediante ingeniería genética a través de la optimización de codones y la posterior clonación del gen deseado en un nuevo organismo huésped más apropiado. Hosts típicas en un entorno industrial son por ejemplo Bacillus subtilis, Escherichia coli, Aspergillus niger o Pichia pastoris, ya que están creciendo rápidamente (superar el riesgo de contaminación) y la genética se entienden bien, aunque se utilizan otros, depende de la aplicación. En algunos casos la secreción de la proteína es posible (por ejemplo, de Aspergillus niger). Cada uno de estos acontecimientos ha ayudado a revolucionar la industria de la biotecnología, ya que permiten a las proteínas y biocatalizadores que se deben proporcionar a un costo razonable. La capacidad de crecer las células a una alta concentración ("densidad" de alta celular) con base en los perfiles de alimentación fed-batch sofisticados también ha tenido un gran impacto. Tecnología de ADN recombinante también puede permitir a una alteración de las propiedades del biocatalizador. Para las células que esto puede implicar la alteración de las vías (que bloquean rutas no productivas) y el aumento de flujo metabólico o incluso la creación de vías de-novo (Jones Prather y Martin, 2008; Meyer et al, 2007) .Hoy biología sintética es un área muy emocionante de la biotecnología industrial que desarrollará enteramente nuevas rutas a los productos químicos. Ya se trate de llevarse a cabo dentro o fuera de la célula es todavía una cuestión abierta. En algunos casos la compartimentación es útil y en otros casos no. Para las enzimas, la capacidad de intercambiar los aminoácidos, ya sea en el sitio activo o incluso en posiciones remotas de la proteína se ha encontrado capaz de alterar y controlar repertorio sustrato, estabilidad de la enzima, la actividad (velocidad de reacción) y la selectividad. Hoy en día, los ingenieros de proteínas utiliza habitualmente llamada "evolución dirigida", así como las estrategias racionales basadas en información de la estructura de proteínas para optimizar proteínas (Strohmeier et al, 2011;. Reetz, 2013). En el futuro esto será aplicado en los procesos a escala completa. Ya existen ejemplos pero está claro que es un área muy emocionante que se desarrollará enormemente en las próximas décadas. La entrada de los ingenieros químicos y bioquímicos es muy importante aquí, porque sólo ellos pueden establecer la agenda de la proteína [pic 2]ingenieros, dependiendo de los requisitos del proceso.

...