Todos los Conceptos microbiología industrial

CONCEPTOS MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL

Tema 1: INTRODUCCIÓN

1. Microbiología Industrial: Uso de microorganismos en la producción de sustancias comerciales y en la prestación de servicios.

1. Pasteur: Fundador de la MI y el primero en estudiar de manera científica los procesos industriales en los que intervienen microorganismos.

1. Weizmann: Fue el primero en desarrollar una fermentación propiamente industrial, al poner a punto la producción de acetona a gran escala aprovechando el metabolismo de la bacteria Clostridium acetobutylicum.

1. Etapas Upstream: Primeras etapas de un proceso típico en MI que son: crecimiento del microorganismo productor, preparación de materias primas para el medio de cultivo y fermentación (referido al cultivo a gran escala del microorganismo).

1. Etapas Downstream: purificación del producto deseado, preparación del mismo para la comercialización y tratamiento de efluentes y residuos generados.

1. Trofofase: Etapa de crecimiento activo del microorganismo.
2. Idiofase: Etapa en la que el microorganismo deja de crecer.

1. Metabolismo primario: Engloba al conjunto de reacciones catabólicas y anabólicas que intervienen en la producción de energía y de estructuras en el microorganismo. Es el que tiene lugar durante la trofofase.

1. Metabolismo secundario: Conjunto de reacciones metabólicas que no participan ni en la producción de energía ni estructuras ni en el crecimiento del organismo. Tiene lugar durante la idiofase.

1. Medio de cultivo: debe contener todos los nutrientes necesarios y adecuados para cada microorganismo (fuentes de carbono y energía, nitrógeno, fósforo…etc). Suelen emplearse materiales de desecho de otras industrias o procesos, que deben ser baratos pero a la vez proporcionar lo necesario al microorganismo.

1. Fermentación: Normalmente se lleva a cabo en reactores o tanques de gran capacidad y con agitación, para introducir el oxígeno necesario para los microorganismos aerobios y para mantener la mezcla homogénea. En este caso se refiere a un cultivo a gran escala no en el sentido fisiológico.

1. Termolábil: Dícese de la sustancia que se destruye o pierde sus propiedades a una temperatura determinada.

Los productos obtenidos mediante fermentaciones industriales pueden clasificarse en:

1. Gran Volumen/Bajo Precio: productos alimenticios y bebidas, combustibles, enzimas industriales…etc.

1. Pequeño Volumen/Alto precio: Productos farmacéuticos, enzimas y proteínas para investigación.

Tema 2: Biología de los Microorganismos Industriales (I): ESTRUCTURA

1. Membrana plasmática: Membrana lipídica que rodea a los elementos vitales de los microorganismos celulares y que sirve como elemento delimitador además de actuar como superficie de contacto con el medio exterior.

1. Organismo celular: Aquel que dispone de membrana celular y poseen, como ácidos nucleicos, tanto DNA como RNA. Pertenecen a este grupo las bacterias (procariotas) y las algas, protozoos y hongos (eucariotas).

1. Organismo acelular: Entidades biológicas no formadas por células, que se comportan como parásitos obligados de aquellos organismos que tienen organización celular, pues ellos mismos carecen de metabolismo. Son los virus, viroides y priones.

1. Procariota: Organismos unicelulares, normalmente menores de 5μm de diámetro, cuyas estructuras internas no están contenidas en orgánulos membranosos, por lo que tienen cierta desorganización interior. La característica más definitoria de los procariotas es la carencia de núcleo verdadero. Forman parte de este grupo las arqueas y eubacterias.

1. Eucariota: con un núcleo celular verdadero que contiene el material genético, incluyen a organismos unicelulares móviles (protozoos), plantas, animales y hongos.

1. Bacteria: Microorganismo unicelular y procariota y se agrupan en:

1. Proteobacterias: que incluyen a las Gram (-) con varias subdivisiones y un gran número de especies que son muy empleadas en la industria: Escherichia coli, Pseudomonas…etc.
2. Eubacteria Gram (+): donde se incluyen dos grupos: de bajo C+G en su DNA (Bacillus, Clostridium, Lactobacillus) y de alto C+G en su DNA (Streptomyces, Mycobacterium)

1. Archaea: (Arqueas) Engloba a aquellos procariotas que son habituales de ambientes extremos, es decir, alta presión (profundidades marinas), alta temperatura (zonas volcánicas) o elevada salinidad. Se caracterizan por presentar modificaciones estructurales y fisiológicas que les permiten adaptarse a estas condiciones. Son un grupo muy interesante para la obtención de nuevos productos industriales.

1. Virus: Microorganismos acelulares en los que se distinguen tres partes: una región central que contiene el material genético que está rodeado y protegido por una  cubierta de proteínas (denominada cápside) y en algunos también se puede encontrar una bicapa lipídica que los rodea cuando se encuentran fuera de la célula (denominada envoltura vírica).

1. Nucleoide: Región de las células procariotas, que carece de membrana nuclear, donde se encuentra el material genético de las mismas. Suele estar formado por una aglomeración de DNA circular.

1. Ribosoma: Complejo molecular en el que tiene lugar la síntesis de proteínas a partir de la información genética que les llega desde el DNA en forma de RNA mensajero. Los ribosomas se elaboran en el núcleo pero desempeñan su función de síntesis en el citosol. Están formados por ARN ribosómico (ARNr) y por proteínas. Estructuralmente, tienen dos subunidades.
2. Pared celular: Pared externa a la membrana plasmática que sirve de soporte mecánico a la célula así como de soporte de elementos externos como los flegelos y pelos y, al mismo tiempo, sirve de protección contra agentes externos.

1. Peptidoglicano: Es un polisacárido y es el constituyente básico de la pared celular de las bacterias. Es el responsable de la rigidez en la pared y proporciona resistencia frente a la lisis osmótica.

1. Flagelo: es un apéndice movible con forma alargada que está  presente en muchos organismos unicelulares. Usualmente, son usados para el movimiento, aunque algunos organismos pueden utilizarlos para otras funciones. Existen tres tipos de flagelos: eucarióticos, bacterianos y arqueanos con estructuras diferentes en cada uno de ellos.
2. Pelo: son estructuras en forma de pelo, más cortas y finos que los flagelos, que se encuentran en la superficie de muchas bacterias. Los términos fimbria y pilis son a menudo intercambiables, pero fimbria se suele reservar para los pelos cortos que utilizan las bacterias para adherirse a las superficies mientras que pilis suele referir a los pelos ligeramente más largos que se utilizan en la conjugación bacteriana para transferir material genético. Algunas bacterias los usan para el movimiento.

1. Cápsula bacteriana: capa formada por una serie de polímeros orgánicos que, en las bacterias, se deposita en el exterior de la  pared celular. Generalmente contiene glicoproteínas y un gran número de polisacáridos. La cápsula actúa como cubierta protectora resistiendo la fagocitosis y también se utiliza como depósito de alimentos así como lugar de eliminación de sustancias de desecho. Evita el ataque de los bacteriófagos y permite la adhesión de la bacteria a las células animales del hospedador.

1. Gram +/-: Grupos en los que se pueden clasificar los organismos procariotas en función de su comportamiento frente a la tinción de Gram. La pared Gram (-) está constituida por una fina capa de peptidoglicano con un amplio espacio periplásmico y por una membrana lipopolisacarídica externa. Se visualizan de color rosa o rojo tras la tinción. La pared Gram (+) posee una gruesa capa de peptidoglicano, con un espacio periplásmico reducido y carece de membrana externa. Se tiñen de color morado tras la tinción.

1. Fisión binaria: Método de reproducción de los organismos procariotas que consiste en la “división” del organismo madre que da lugar a dos células aparentemente del mismo tamaño.

1. Euryarchaeota: Uno de los subgrupos en los que se organizan las Archaeas. A él pertenecen algunas procariotas metanógenas como Methanobacterium y halófilas extremas como Halobacterium.

1. Crenarchaeota: reino de las Arqueas que incluye a microorganismos termófilos y barófilos (arqueas que viven en las profundidades marinas). Alguna de estas arqueas son: Pyrodictium o Thermoproteus.

1. Korarchaeota: Aún no se han conseguido cultivar en el laboratorio.

1. Núcleo: Estructura membranosa especial que presentan las células eucariotas y que contiene el material genético.

1. Levadura:  hongos microscópicos unicelulares que son importantes por su capacidad para realizar la descomposición mediante fermentación de diversos cuerpos orgánicos, principalmente los azúcares o hidratos de carbono, produciendo distintas sustancias. Se reproducen por gemación o fisión binaria y suele emplearse para la producción de bebidas alcohólicas, pan y derivados. La más importante: Saccharomyces cerevisiae.

1. Hongos filamentosos: Son habituales en el suelo y en el agua y participan en la descomposición de la materia orgánica. En la industria se emplean para la producción de antibióticos. Pertenecen a este grupo: Aspergillus, Penicillium…etc.

1. Hifas: Estructuras fibrilares, que describen los hongos filamentosos, en las que las nuevas células formadas permanecen unidas entre sí.

1. GRAS: (Generally Regarded As Safe) calificación que deben conseguir los microorganismos que se emplean en la obtención de sustancias que serán consumidas, posteriormente, por el hombre, los animales o las plantas de cultivo.

1. Liofilización: Método usado más habitual para la conservación de microorganismos a largo plazo (años). Los cultivos en crecimiento activo se mezclan con leche descremada estéril (15-20%) o sacarosa estéril (12%), se introducen en ampollas de vidrio y se congelan rápidamente. Después, se conectan a una fuente de vacío lo que provoca la sublimación del agua. Posteriormente, sin romper el vacío, las ampollas se sellan a la llama. Pueden mantenerse a temperatura ambiente.

Tema 2-(II): NUTRICIÓN Y FISIOLOGÍA

1. Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas y procesos físico-químicos que suceden de forma simultánea y coordinada en los seres vivos (entre ellos los microorganismos) que permiten que se lleven a cabo las diferentes actividades de las células: crecer, reproducirse, mantener su estructura biológica…etc.

1. Catabolismo: conjunto de reacciones metabólicas que se llevan a cabo para la obtención y almacenamiento de la energía (en forma de ATP) que se libera, al transformar moléculas complejas en otras más sencillas, mediante la ruptura de sus enlaces.

1. Anabolismo: Conjunto de reacciones metabólicas que tienen como resultado la síntesis de componentes celulares, a partir de moléculas más sencillas, usando la energía almacenada durante las reacciones catabólicas.

1. ATP: (Adenosine Triphosphate) es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Está formado por una base nitrogenada (adenina) unida al carbono 1 de una pentosa, (la ribosa), que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfato. Se produce durante la fotorrespiración y la respiración celular, y es consumido por muchas enzimas en la catálisis de numerosos procesos químicos. Su fórmula molecular es C10H16N5O13P3. [pic 1]

1. Poder reductor: se refiere a la capacidad de ciertas biomoléculas de actuar como donadoras de electrones o receptoras de protones en reacciones metabólicas de oxido-reducción. Durante el catabolismo, las reacciones de oxidación arrancan e- y H+ de los sustratos, que van a parar a ciertos coenzimas que se (se reducen) con ellos. Estos coenzimas reducidos poseen ahora poder reductor, ya que acabarán cediendo sus electrones y protones, proceso imprescindible para generar energía (en forma de ATP en la cadena respiratoria) o para las reacciones anabólicas.

1. Glucólisis: es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas (7 reversibles y 3 irreversibles) que convierten a la glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo. La más común en la ruta EMP (Embden-Meyerhof-Parnas) por la cual, de cada molécula de glucosa se obtiene: 2 piruvatos(C3) + 2 ATP + 2NADH + 2H+.

1. Fosforilación a nivel sustrato: Es la adición de un grupo fosfato a cualquier otra molécula. La más importante para el metabolismo es la fosforilación del ADP, es decir, la adición de un grupo fosfato al ADP para formar ATP. El ATP así formado transporta la energía del enlace convirtiéndose en la moneda de cambio energética del metabolismo.

1. Respiración: es el conjunto de reacciones bioquímicas por las cuales, determinados compuestos orgánicos son degradados (por oxidación) hasta convertirse en sustancias inorgánicas, liberando en ese proceso energía en forma de ATP. Consta de 2 etapas: ciclo de Krebs y cadena transportadora de electrones.

1. Aceptor final de electrones: Compuesto inorgánico final que recibe los electrones procedentes de la cadena transportadora de e-.

1. Respiración aerobia: aquella en la que el aceptor final de electrones es el oxígeno. La llevan a cabo los organismos aerobios estrictos y los anaerobios facultativos.

1. Fermentación: Ruta metabólica alternativa a la respiración que suele darse en condiciones de anaerobiosis (ausencia de oxígeno como aceptor final). En las fermentaciones no se produce ATP, sólo se regeneran las coenzimas oxidadas y se producen moléculas reducidas (derivadas del piruvato) que pueden considerarse como sustancias de desecho pero que tienen una gran aplicación a nivel industrial.

1. Fermentación homo/heteroláctica: La fermentación láctica es aquella en la que el producto final el ácido láctico. Se denomina homoláctica si solo se produce ácido láctico (Lactobacillus casei) y heteroláctica sin se generan otros productos además de ácido láctico como etanol o acetato (Lactobacillus brevis).

1. Fermentación butírica: Aquella en la que se produce ácido butírico y otros compuestos como butanol, acetona, isopropanol…etc. La llevan a cabo bacterias anaerobias estrictas capaces de fermentar aminoácidos y carbohidratos (Clostridium).

1. Fermentación alcohólica: Aquella en la que el producto final es el etanol. La llevan a  cabo las levaduras y ciertos hongos y bacterias.

1. Lípido: son un conjunto de moléculas orgánicas compuestas principalmente por C, H y, en menor medida, oxígeno aunque también pueden contener P, S y N. Tienen comportamiento hidrófobo, es decir, son insolubles en agua pero solubles en disolventes orgánicos (benceno o cloroformo). Cumplen diversas funciones en los organismos entre las que se destacan: estructural, de reserva energética o reguladora.

1. Lipasa: Son enzimas secretadas por el páncreas que se encargan de degradar (mediante una hidrólisis) los lípidos (grasas) en ácidos grasos para facilitar su absorción por el organismo.

1. Proteínas: Moléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos los cuales, a su vez, están formados por enlaces peptídicos. La síntesis de proteínas viene determinada por la información genética y tiene lugar en los ribosomas. Desempeñan funciones tanto plásticas como biorreguladoras (enzimas) y de defensa (los anticuerpos son proteínas).

1. Oligopéptido: Los péptidos son moléculas formadas por la unión de varios aminoácidos por medio de enlaces peptídicos. En el caso de los oligopéptidos están constituidos de 2 a 10 aminoácidos.

1. Proteasa: Son enzimas que rompen enlaces peptídicos de las proteínas usando, para ello, una molécula de agua (hidrolasas).

1. Polisacárido: son biomoléculas formadas por la unión de una gran cantidad de monosacáridos. Se encuentran entre los glúcidos y cumplen diversas funciones, entre las que se destacan, de reserva energética y estructurales.

1. Rutas amfibólicas: Se dice de aquellas rutas formadas por reacciones reversibles que en un sentido pueden considerarse catabólicas y en el otro anabólicas. El mejor ejemplo de este tipo de rutas es el ciclo de Krebs y la ruta de EMP (glucólisis).

1. Rutas anapleróticas: Rutas alternativas a las rutas amfibólicas que se encargan de generar los compuestos intermediarios que, debido a la dualidad de las reacciones reversibles, están siempre en gran demanda metabólica y es necesario aumentar su producción para que no escaseen.

1. Almidón: Es un polisacárido, más específicamente un homopolisacárido de reserva energética predominante en las plantas, constituido por la unión de grandes cantidades de monómeros de glucosa. Está formado por dos compuestos de diferente estructura: Amilosa: Formada por moléculas de α-D-glucopiranosa unidas mediante enlaces α(1→4) en una cadena sin apenas ramificaciones (25-30%) y amilopectina: Misma composición que la amilasa pero con un gran número de ramificaciones en posiciones α(1→6) cada, aproximadamente, doce monómeros  (70-75%).

1. Glucógeno: Es un polisacárido de reserva energética formado por cadenas ramificadas de glucosa; es insoluble en agua, en la que forma dispersiones coloidales. Abunda en el hígado y en menor cantidad en los músculos y en determinados tejidos.

1. Celulosa: polímero natural, constituido por una larga cadena formada por la unión de moléculas de ß-glucosa a través de enlaces ß-1,4-glucosídico. La celulosa tiene una estructura lineal o fibrosa, en la que se establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas yuxtapuestas de glucosa, haciéndolas muy resistentes e insolubles al agua. De esta manera, se originan fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales, dándoles así la necesaria rigidez.

1. Glicéridos: Constituyen un importante grupo dentro de los lípidos y pueden considerarse, estructuralmente, como producto de la esterificación de ácidos grasos con una molécula de glicerina. Debido a que una molécula de glicerina posee tren grupos alcohólicos, a la misma pueden esterificarse una, dos o tres moléculas de ácidos grasos, formando los mono, di o triglicéridos.

1. Regulación metabólica: Complejos mecanismos que se encargan de controlar y de responder o reaccionar ante cambios (ambientales o internos) que puedan afectar a la continuidad normal del metabolismo con el fin de intentar mantener la homeostasis: conjunto de fenómenos de autorregulación que conducen al mantenimiento de la constancia en la composición y las propiedades del medio interno de un organismo. La regulación ocurre a nivel de la actividad enzimática (bioquímico, más inmediato) y a nivel de la síntesis de las enzimas (genético, más lento).

1. Regulación de la actividad enzimática: Puede llevarse a cabo por varios mecanismos:

1. Separación física: de los diferentes participantes en la reacción: controlando la entrada de sustrato a la célula, por exceso de concentración de sustancias (sustratos y productos de reacción) y enzimas en el interior de la célula que dificulta la unión de sustrato y enzima…etc.
2. Enzimas regulatorias: Regulación alostéricas: Este tipo de regulación ocurre solo en las enzimas alostéricas, que son enzimas que por lo general tienen estructura cuaternaria y además del sitio activo poseen otro capaz de reconocer efectores, que se denomina sitio alostérico. Los efectores son sustancias que pueden modular la actividad de las enzimas, algunos efectores aumentan la actividad enzimática (efectores positivos) y otros tienen efecto inhibitorio (efectores negativos).
3. Marcapasos: Enzimas así denominadas porque se encargan de marcar el ritmo y la velocidad de la ruta metabólica completa. La actividad del marcapasos está controlada, generalmente, por el producto final de la ruta: el producto final posee una estructura similar al sustrato, de modo que se introduce en el sitio activo de la enzima impidiendo la entrada del sustrato y, con ello, frenando la actividad enzimática.

1. Regulación de la síntesis enzimática: Involucra el control a nivel del ADN. El ADN es la molécula que almacena la información para la síntesis de proteínas de manera que, si podemos impedir el pasaje de ADN a ARN (transcripción), impedimos la síntesis de la enzima y por ende no se catalizará la reacción en la que dicha enzima interviene.

1. Fosforilación: Muchas enzimas están reguladas por la unión covalente de grupos fosfato, de modo que, la unión activa o desactiva la enzima.

1. Proteína quinasa: proteína encargada de llevar a cabo la fosforilación.
2. Proteína fosfatasa: proteína encargada de llevar a cabo la desfosforilación.

1. Expresión génica:  es el proceso por medio del cual todos los microorganismos, procariotas y eucariotas, transforman la información codificada por los ácidos nucleicos en las proteínas necesarias para su desarrollo y funcionamiento.

1. Transcripción: Es el primer proceso de la expresión génica en el cual, las secuencias de DNA son copiadas en forma de RNA mediante una enzima denominada RNA polimerasa. Ésta, sintetiza un RNA mensajero que mantiene la información de la secuencia del DNA. De esta manera, la transcripción del ADN también podría llamarse síntesis del ARN mensajero.

1. Traducción: de la secuencia de RNAm, llevada a cabo por los ribosomas, en la cual se producirá la polimerización de los aminoácidos que sintetizarán la proteína determinada por dicha secuencia genética.

1. Dogma central de la biología molecular: concepto que ilustra los mecanismos de transmisión y expresión de la herencia genética tras el descubrimiento de la codificación de ésta en la doble hélice del ADN. Propone que existe una unidireccionalidad en la expresión de la información contenida en los genes de una célula, es decir, que el ADN es transcrito a ARN mensajero y que éste es traducido a proteína, elemento que finalmente realiza la acción celular. El dogma también postula que sólo el ADN puede duplicarse y, por tanto, reproducirse y transmitir la información genética a la descendencia.

1. Expresión constitutiva: algunos genes siempre están activos, es decir, son genes que se expresan en todas las células del organismo y que codifican proteínas que son esenciales para el funcionamiento general de la mismas.

1. Expresión regulada: Genes que alternan etapas de actividad con etapas de silencio. Este control está regulado por el promotor del gen:

1. Inducción: entrada en actividad de un promotor inactivo.
2. Represión: parada de la actividad del promotor del gen.

1. Carga energética de adenilatos: Forma de regulación de la actividad metabólica en función de la acumulación de adenilatos (ATP, ADP y AMP) que determinan la carga energética celular = [ATP] + 0.5[ADP]/[ATP] + [ADP] + [AMP]. De este modo, cuando el valor es próximo a 1 (todos los adenilatos están en forma de ATP), las enzimas de rutas catabólicas son inhibidas mientras que las anabólicas (consumidoras de ATP) son estimuladas.

1. Represión por catabolito: La presencia de glucosa reprime el metabolismo de otras fuentes de energía alternativas y, como consecuencia, los operones que producen enzimas necesarias para obtener energía de otras fuentes son bloqueados. Regulón: el AMP-cíclico controla la transcripción de todos los operones inhibidos por el catabolismo de la glucosa.

1. Crecimiento diaúxico: tipo de crecimiento bifásico que se da cuando hay presentes dos sustratos diferentes que pueden ser empleados como fuente de carbono. El metabolismo del organismo es selectivo: siempre opta por la opción más rápida y más energética y, cuando se agota, metaboliza el otro sustrato.

1. Síntesis extrarribosomal: Llevada a cabo por súper proteínas que son capaces de sintetizar metabolitos secundarios de estructura peptídica, los cuales no pueden ser sintetizados en los ribosomas a partir de una secuencia determinada de RNAm.

1. Crecimiento microbiano: Aumento ordenado de los componentes celulares, que da como resultado un aumento de tamaño y finalmente la división celular.

1. Generación: Cada una de los microorganismos obtenidos en la misma división celular.
2. Tiempo de generación: tiempo transcurrido entre dos divisiones o duplicaciones.
3. Cultivos sincrónicos: Cuando se fuerza una división coordinada de todas las células de un cultivo.
4. Cultivos asincrónicos: Cuando las células presentes en un cultivo en un momento determinado no se dividen simultáneamente observándose que hay diferentes células en diferentes momentos de su ciclo de vida.
5. Cultivo en batch (o discontinuos): Cuando el cultivo se lleva a cabo de forma cerrada, es decir, que tanto el medio de cultivo como las células están presentes desde el primer momento.
6. Cultivo continuo: Sistemas de cultivo abiertos en los cuales, de forma constante, se añade una cierta cantidad de medio fresco y se retira una cantidad equivalente de biomasa, manteniendo el volumen global constante.

1. Fases del crecimiento microbiano: fase de latencia, de crecimiento exponencial, fase estacionaria y fase de muerte.

1. Fase exponencial: Etapa en la cual las células están adaptadas, los nutrientes son abundantes y los productos de desecho (que podrían inhibir el crecimiento) están poco concentrados por lo que las células pueden incrementar su biomasa y dividirse hasta alcanzar su máxima velocidad de crecimiento.

1. Velocidad de multiplicación: Se define como la inversa del tiempo de generación o, lo que es lo mismo, como el número de generaciones por unidad de tiempo.

[pic 2]

1. Velocidad específica de multiplicación: μ=0.693R

1. Quimiostato: tanque de producción que mantiene el crecimiento bacteriano en la fase de crecimiento exponencial.

1. Turbidostato: En este caso, el crecimiento no está limitado por ninguno de los nutrimentos ya que todos se agregan en exceso. El control se ejerce en base a la turbidez que provoca la presencia de microorganismos en el cultivo: si el sistema detecta un aumento de la turbidez, se activa una señal que acciona las bombas de entrada de medio de cultivo y la salida del caldo de fermentación.

1. Valoración del crecimiento microbiano: La metodología para determinar la cantidad de biomasa o número de células en cultivo es variada y debe considerarse cuál es la óptima al tipo de cultivo y al tipo de microorganismo a cultivar.

1. Recuento de viables: Sirve para determinar el número de células viables en el cultivo. Se basa en hacer diluciones seriadas de una muestra de cultivo y sembrar volúmenes conocidos en las placas de cultivo. Tras la incubación, se cuenta el numero de colonias presentes (asumiendo que cada colonia procede de una sola célula) y se extrapola al cultivo original.

1. Turbidimetría: (densidad óptica): se basa en el uso de espectrofotómetros que determinan la oposición, de las células en suspensión, al paso de un haz de luz a través de un volumen conocido de cultivo.

1. Peso seco: Se emplea para medir la cantidad de biomasa en cultivos de microorganismos filamentosos o poco homogéneos. Se separan las células del cultivo sobrante por filtración y, después, se secan para eliminar el agua restante hasta que el peso se mantenga constante.

Tema 2-(III): Genética y diversidad de Microorganismos Industriales

1. Nucleótido: Unidades elementales que constituyen los ácidos nucleicos (DNA, RNA) y que están formados por una pentosa (desoxirribosa en DNA o ribosa en RNA), unida a una base nitrogenada (adenina, guanina, citosina y timina/uracilo)

1. Ácidos nucleicos: Son grandes polímeros formados por la repetición de unidades elementales, denominados nucleótidos, unidos entre sí por enlaces de tipo fosfodiester. Los ácidos nucleicos almacenan la información genética de los organismos vivos y son los responsables de la transmisión hereditaria. Existen 2 tipos básicos: DNA Y RNA.

1. DNA/RNA: Ácido desoxirribonucleico (DNA): ácido nucleico que contiene instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos (a excepción de algunos virus) y, además, es el responsable de la transmisión hereditaria. El ADN se presenta como una doble cadena de nucleótidos, en la cual, las hebras están unidas entre sí por medio de puentes de hidrógeno que se establecen entre las distintas bases nitrogenadas (C-G y T-A).  Ácido ribonucleico (RNA): Formado por una cadena de ribonucleótidos (en vez de timina, uracilo) y está presente tanto en células procariotas como eucariotas y constituye el único material genético de algunos virus. El ARN celular el lineal y de una sola hebra mientras que, en algunos virus, es de doble hebra.

1. Gen: Secuencia de bases del DNA que llevan información para la síntesis de una determinada proteína.

1. Genoma: Conjunto de todo el material genético de un organismo, cuya secuencia puede determinarse mediante técnicas apropiadas.

1. Código genético: es el conjunto de reglas que define la traducción de una secuencia de nucleótidos (en el ARN) en una secuencia de aminoácidos (de una proteína) en todos los seres vivos. Define la relación entre secuencias de tres nucleótidos (denominado codones) con los aminoácidos, de forma que cada codón se corresponde con un aminoácido específico.

1. Promotor de un gen: Es la región de DNA que controla la iniciación de la transcripción de dicho gen a RNA. Esta región está compuesta por una secuencia específica de DNA y está localizado justo donde se encuentra el punto de inicio de la transcripción y contiene la información necesaria para activar o desactivar el gen que regula. El promotor está presente tanto en procariotas como en eucariotas. .

1. Genoma procariótico: Formado por una o varias y largas moléculas de DNA de doble cadena, casi siempre circulares. Se encuentran densamente empaquetados y poseen pocas, pero importantes zonas no codificantes en su secuencia, ya que contienen a los promotores de los genes.

1. Genoma eucariótico: Compuestos de varias moléculas lineales que, en determinados momentos, aparecen con una estructura especialmente organizada: los cromosomas. Los genes de eucariotas están más dispersos que los de procariotas y poseen grandes regiones intergénicas no codificantes, donde se incluyen los promotores y las zonas regulatorias para la expresión especializada de esos genes.

1. Intrón: Regiones intergénicas, de la secuencia de DNA, no codificantes, es decir, son transcritas a RNA pero luego son eliminadas de los RNAm definitivos antes de la traducción a proteínas.

1. Plásmido: Pequeños fragmentos de material genético extracromosómico, circulares o lineales, que llevan información para ciertas características del organismo y que suelen ser fácilmente manipulables in vitro.

1. Recombinación génica: es el proceso por el cual una hebra de material genético (ADN o ARN) se corta y luego se une a otra molécula de material genético diferente. Esto es lo que ocurre durante la meiosis (en eucariotas) en la cual, el nuevo cromosoma que se forma, es el resultado del entrecruzamiento de una porción de cromosoma de cada uno de sus padres. En biología molecular, “recombinación” también se refiere a la recombinación artificial y deliberada de piezas de ADN distintas, a menudo de diferentes microorganismos, creando lo que se llama ADN recombinante, que contiene características útiles de dos microorganismos en uno solo.

1. Mutación génica: Las mutaciones son el resultado de los cambios físicos que se producen en el DNA ya sea por sustitución, inserción o translocación de uno o más nucleótidos. Pueden ocurrir de forma natural o ser provocadas artificialmente (mediante agentes físicos como UV, rayos X o radiación gamma o por agentes químicos como el etil metano sulfonato EMS) y son cambios que el organismo es incapaz de reparar por lo que se hacen permanentes y pasan de generación en generación.

1. Ensayo biológico (en selección de mutantes): Procedimiento por el cual se busca la detección de aquellas cepas mutantes que hayan mejorado sus característica con el fin de aislarlas. Suele seguirse un proceso de escrutinio o screening adecuado para el objetivo deseado.

1. Ingeniería genética: Son las técnicas que permiten un acceso más preciso al genoma y a la fisiología de los microorganismos industriales. Con estas técnicas se pueden obtener, modificar y expresar genes que codifican información de interés para la industria para mejorar los rendimientos finales. Suelen ser modificaciones que se realizan in vitro y permiten concentrar un gran número de propiedades deseables (dispersas en varios microorganismos) en uno solo, aprovechando los beneficios de todas ellas.

1. Conjugación: Tiene lugar cuando los plásmidos presentes en determinados microorganismos son capaces de transferirse a otro organismo, que carece de ellos, haciendo que las características del mismo se desarrollen en la cepa receptora.

1. Transducción: Fenómeno de transferencia que tiene lugar cuando un virus bacteriano “secuestra” genes de su hospedador y los transfiere a otros individuos.

1. Transposón: Elementos genómicos móviles que pueden ser transferidos por conjugación o transducción y arrastrar fragmentos de un genoma a otro.

1. Transformación genética: En organismos procariotas, existe el fenómeno de transformación natural por el cual, fragmentos de DNA desnudo (procedente de la lisis de unos individuos, pueden entrar en otros individuos y pasar a formar parte de su genoma.

1. Estado competente (o de competencia): estado en el cual la bacteria es capaz de incorporar ADN del medio e integrarlo al cromosoma bacteriano. Depende de varios factores (como la densidad celular del cultivo, la temperatura, pH, nutrientes…etc.) y es diferente para cada especie bacteriana. Las bacterias pueden llegar al estado de "competencia" cuando se acercan al final de la fase de crecimiento exponencial y entran en la fase estacionaria.

1. Sexualidad microbiana: En eucariotas, la recombinación natural puede ocurrir por unión de individuos de tipos sexuales diferentes.

1. Parasexualidad microbiana: frecuente en hongos filamentosos, en este fenómeno las células de dos tipos diferentes unen sus paredes y membranas y se transfieren núcleos completos formando los heterocariontes: Dos tipos de núcleos conviven en las mismas células sin fusionarse pero expresando sus propias características diferenciales.

1. Fusión de protoplastos: Un protoplasto es una célula vegetal a la cual se elimina su pared celular mediante la digestión enzimática de la misma. La fusión de protoplastos permite obtener plantas hibridas (con características de dos organismos diferentes), mediante un proceso denominado hibridación somática.

1. Enzima de restricción: Es aquella que puede reconocer una secuencia característica de nucleótidos dentro de una molécula de ADN y cortar en ese punto concreto, denominado sitio o diana de restricción. 

1. Vector génico: Estructuras genéticas simples que se emplean como “transportadores” del nuevo material genético creado in vitro (DNA recombinante) hasta la célula hospedadora.

1. Glicosilación de proteínas: Proceso de adición de carbohidratos a una proteína. El destino de estas proteínas a las que se les añadió una cadena de glúcidos es ser secretadas o formar parte de la superficie celular.

1. Modificación postranscripcional: diferentes mecanismos que regulan la expresión genética después de que esta haya sido transcrita al ARNm. Este ARNm modificado se traducirá en los ribosomas en proteínas, ocurriendo nuevas modificaciones, como cambios en su estructura, y fosforilación.

1. Modificación postraduccional: Es la modificación química de una proteína después de su traducción. Se puede transformar la estructura de la misma adicionándole un grupo funcional (acetato, fosfato…etc.), cambiando la naturaleza de sus aminoácidos o cambiar su estructura por puentes bisulfuro o romperla por la acción de una enzima.

1.  Expresión homóloga/heteróloga:

1. Homóloga: tiene lugar cuando hay gran similitud entre ambos ADN, el donado y el receptor. Este tipo de recombinación se efectúa por inversión específica de sitios (Cuando el segmento de ADN presenta secuencias invertidas, repetidas y cortas) y por conversión genética (cuando la bacteria posee múltiples genes en su cromosoma que controlar una característica específica).
2. Heteróloga: Resultado de la introducción de genes nuevos en un replicón. Puede que el segmento añadido sea similar al del receptor, de forma que se obtiene ADN híbrido (recombinación generalizada) o puede introducirse un segmento totalmente diferente mediante un fago (recombinación en un sitio) el cual puede ser hidrolizado antes de que pueda formar parte del replicón.

1. Ingeniería metabólica: se puede definir como la tecnología que se ocupa de la manipulación del ADN que dé como resultado la variación de rutas metabólicas, ya sea añadiendo nuevos intermediarios a las rutas preexistentes, modificar la regulación de las mismas o crear nuevas rutas.

1. Minería de datos: Debido a la gran cantidad de información biológica acumulada es posible llevar a cabo búsquedas informatizadas de genes de interés, cuyos productos pueden ser analizados virtualmente antes de ser probados de forma real en el laboratorio. Esto es lo que se conoce como minería de datos (data mining).

1. Screening: Procesos de búsqueda, escrutinio o rastreo que se llevan a cabo para obtener nuevos microorganismos de interés industrial. Se puede proceder de dos formas:

1. Shotgun screening (al azar): Consiste en aislar el mayor número posible de microorganismos diferentes, a partir de muestras tomadas en distintos ambientes, y someterlos a pruebas concretas de producción de sustancias determinadas. Permite obtener gran cantidad de información de muchos organismos muy diferentes fisiológicamente con la cual pueden formarse grandes “librerías de cultivos”, que pueden luego ser sometidos a diversos procedimientos de escrutinio orientado.
2. Objetive screening (de manera objetiva): Se establece desde el principio un criterio de selección estricto, de manera que sólo se conservan los microorganismos que son capaces de superar esa prueba concreta. Aquellos que no la superan no son detectados o son ignorados.
3. Escrutinio primario y secundario: Los tipos de búsqueda anteriores suelen combinarse, de manera que aquellos microorganismos que no superan un determinado escrutinio son archivados para posteriores análisis con criterios diferentes. La búsqueda al azar puede denominarse escrutinio primario y la búsqueda objetiva el escrutinio secundario.

1. Diversidad fisiológica: Con la búsqueda al azar se pretende aislar un gran número de microorganismos con diferentes funciones para después someterlos a pruebas concretas de producción de sustancias determinadas.

1. Diversidad microbiana: Se refiere a aquellos ambientes donde están presentes un gran número de especies microbianas diferentes (suelo, fondos marinos…etc.)

Tema 3: Producción de metabolitos primarios: BIOETANOL

1. Bioetanol: (o etanol) es un compuesto químico obtenido a partir de la fermentación de los azúcares que puede utilizarse como combustible, ya sea solo, o bien mezclado en cantidades variadas con gasolina, y su uso se ha extendido principalmente para reemplazar el consumo de derivados del petróleo.

1. Polímeros lignocelulósicos: Son aquellos polímeros que constituyen la mayor parte de los productos de origen vegetal (maíz, patata, remolacha…) y los residuos derivados de las industrias madereras, de papel y textiles que suelen emplearse para obtener etanol tras su fermentación alcohólica.

1. Saccharomyces cerevisiae: Se trata de un hongo unicelular (una levadura) y es el organismo más empleado para la producción industrial de etanol.

1. Etapas de la producción de bioetanol: Un proceso completo de aprovechamiento de materiales vegetales de diferente origen para la obtención de etanol requiere tres etapas:

1. Pretratamiento (Sacarificación): Tratamiento de los materiales de partida para dejar los polímeros en condiciones de fermentación. Pueden ser procedimientos físicos o químicos o por despolimerización enzimática.  Etapa más condicionante del proceso ya que consume mucha energía y los productos generados no son completamente homogéneos (debido a la propia heterogeneidad de los materiales de partida).
2. Fermentación: de los polímeros anteriores y generación de etanol.
3. Recuperación: del etanol producido y su purificación adecuada al uso final del mismo, generalmente por destilación.

1. Sacarosa: Disacárido formado por un monómero de glucosa unido a otro de fructosa mediante un enlace glucosídico (α-glucosa-1,2-β-fructosa). Es el material de partida menos problemático pues puede obtenerse por maceración mecánica y posterior extracción acuosa de la caña de azúcar y de la remolacha. Es fácilmente asimilable por la S. cerevisiae ya que posee dos formas de la enzima invertasa.

1. Invertasa: (También denominada Sacarasa) es una enzima que se encarga de hidrolizar el enlace glucosídico de la molécula de sacarosa liberando una molécula de glucosa y otra de fructosa.

1. Endoglucanasa/exoglucanasa/celobiosa: Estos tres tipos de enzimas actúan en forma sinérgica (juntas, en forma cooperativa) en la degradación de la celulosa. La endoglucanasa descompone los enlaces internos ß -1,4 y así altera la estructura cristalina de la celulosa y expone las cadenas polisacáridas de celulosa individual. La exoglucanasa parte de 2 o 4 unidades de glucosa desde los extremos de las cadenas expuestas producidas por la endoglucanasa, produciendo  tetrasacáridos o disacáridos como la celobiosa. Finalmente, la celobiasa hidroliza estos productos, obteniendo los monosacáridos individuales de glucosa. 

1. Hemicelulosas: Son polímeros heterogéneos amorfos, formados por un esqueleto fundamental de pentosas (xilosas y arabinosas) y/o hexosas (glucosa, galactosa…etc) al que se unen diversos sustituyentes (grupos metilo, acetilo…etc.). Forman cadenas más cortas que la celulosa y no adoptan estructuras cristalinas sino que forman una matriz amorfa que envuelve a la celulosa. Las hemicelulosas son las que se unen física y covalentemente al otro componente de las paredes, la lignina. Dada su heterogeneidad, requieren para su hidrólisis mezclas todavía más complejas de enzimas (ausentes en levaduras de fermentación) por lo que deben de ser añadidas antes de la fermentación para conseguir su hidrólisis completa hasta los monómeros.

1. Lignina: Componente más complejo de las paredes vegetales y es abundante en los tejidos vasculares, es decir, el tronco (la madera) a los cuales les aporta una elevada resistencia mecánica. Se trata de un polímero constituido por cuerpos fenólicos (conocidos como monolignoles) los cuales polimerizan entre sí estableciendo múltiples enlaces de diferentes tipos, dando lugar a una malla o red de naturaleza compleja. Esta red está unida en diversos puntos a las moléculas de hemicelulosa. Los pretratamientos dados a los materiales lignocelulósicos en conjunto pueden separar la lignina en bloque o unida a hemicelulosas, pero no se emplean enzimas lignolíticas.

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