BIOTRANSFORMACIÓN


DEFINICIÓN

Por biotransformación o biocatálisis se entiende todo proceso por el que una sustancia se transforma en otra mediante reacción o conjunto de reacciones. La necesidad de la industria farmacéutica de obtener moléculas quirales más complejas ha propiciado el desarrollo de nuevos procesos combinados con tecnologías de ingeniería bioquímica.



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Proceso mediante el cual una enzima específica o un pequeño grupo de ellas, cataliza una determinada reacción en condiciones de trabajo adecuadas, por tanto, es una aplicacion de la Biotecnología Industrial.
 Figura N° 1: Representación De BioTransformación
Figura N° 1: Representación De BioTransformación

Estos procesos se diferencian sustancialmente de la biosíntesis, en la cual se producen sustancias complejas a partir de moléculas simples y de la biodegradación en la cual sustancias complejas son degradadas enzimáticamente a moléculas sencillas.


Los microorganismos tienen la capacidad de modificar químicamente una amplia variedad de compuestos orgánicos de una forma específica. Un compuesto orgánico es modificado en una o varias reacciones que forman parte de procesos biológicos. Por ejemplo, algunas vitaminas, antibióticos, aminoácidos y hormonas esteroides se obtienen por procesos de biotransformación. A veces la síntesis química se combina con la síntesis biológica originando lo que se denomina procesos de semisíntesis.

Los procesos de biotransformación pueden ser diseñados en bioreactores específicos para cada requerimiento, algunos procesos se llevan a cabo mediante enzimas solubles o inmovilizadas en un soporte, lo cual permite realizar procesos en continuo, en ocasiones también se utilizan células procariotas o eucariotas, ya sea en crecimiento o en reposo, en suspensión o inmovilizadas. Los procesos de biotransformación pueden ser muy útiles para reciclar sustancias de desecho de las industrias y originar productos de mayor valor añadido.


ENZIMAS DE LAS BIOTRANSFORMACIONES
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Figura N° 2: Enzimas utilizadas para BioTransformaciones


TEMAS IMPORTANTES SOBRE LAS ENZIMAS



A continuacion una presentacion sobre Biotransformacion










MECANISMO DE ACCIÓN DE LAS ENZIMAS














CARACTERÍSTICAS DE LAS BIOTRANSFORMACIONES


  • Especificidad del substrato: normalmente una enzima cataliza una etapa específica de reacción solamente.

  • Especificidad del sitio (regioespecificidad): si existen en la molécula varios grupos funcionales de un tipo determinado se afecta solo a una posición específica.

  • Estereoespecificidad: cuando se utiliza una mezcla racémica como material de partida, solamente es convertido un enantiómero. Si aparece un centro de asimetría como resultado de la reacción enzimática, el producto de reacción normalmente es óptimamente activo.

  • Condiciones de reacción: las reacciones enzimáticas no causan la destrucción de los substratos sensibles debido a las suaves condiciones de conversión. Varias reacciones pueden ser combinadas bien en una etapa de fermentación utilizando un microorganismo con un adecuado sistema de enzimas o mediante conversiones escaladas utilizando diferentes microorganismos. Las reacciones causan menos daño al ambiente ya que tienen lugar principalmente en agua.

REQUERIMIENTOS PARA UNA BIOTRANSFORMACIÓN



  1. El cultivo debe contener las enzimas necesarias para la transformación del precursor al producto.
  2. El producto debe ser formado más rápido que su metabolismo degradativo.
  3. El cultivo debe tolerar la adición de precursores y el aparecimiento del producto.
  4. El substrato debe ser capaz de introducir a la célula el producto de preferencia independientemente del medio.

TIPOS DE REACCIONES DE BIOTRANSFORMACIÓN




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VENTAJAS DE LOS PROCESOS DE BIOTRANSFORMACIÓN



  • Las biotransformaciones logradas por las células vegetales o sus respectivas enzimas purificadas son estereoespecíficas, en contraste con muchos de los productos de la síntesis química.

  • La posibilidad de producción de compuestos de novo, que no se encuentran en la planta progenitora, muchos de los cuales pueden presentar actividad biológica importante. Según Stockigt se han detectado aproximadamente 140 nuevos compuestos, en estudios de biotransformación realizados con células vegetales.

  • El mejoramiento de la estabilidad de las drogas existentes, mediante la inclusión de grupos protectores y el incremento de la actividad terapéutica al realizar modificaciones estructurales, que propicien una mejor afinidad entre los receptores de las células objetivo y el medicamento biotransformado.

  • La posibilidad de utilizarlas en procesos con múltiples reacciones, lo cual ampliaría considerablemente las aplicaciones de las biotransformaciones por medio de los cultivos celulares.




BIOPROCESOS INDUSTRIALES
El termino biotransformación se aplica además a procesos que han sido diseñados para la producción de compuestos empleando un organismo completo o un sistema enzimático. Muchos productos químicos y farmacos son dificiles de obtener por síntesis quimica, sin embargo, resultan sencillos de producir al momento de utilizar microorganismos o enzimas de estos. Los bioprocesos estan involucrados en la obtención de varios componentes de gran importanca para la industria como lo muestra el siguiente esquema:

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Esquema N°1: Productos que se obtienen en bioprocesos



DESARROLLO DE BIOPROCESOS INDUSTRIALES
El desarrollo de bioprocesos en general se compone de cuatro etapas que son:
  • Selección del organismo
  • Ensayos primerios en cajas petri o erlenmeyers
  • Escalado primario en reactores piloto
  • Escalado en bioreactores industriales

Selección del organismo


Todo proceso industrial empieza con la selección del organismo a cultivar,este debe tener un interés económico para que el estudio se justifique; como por ejemplo el contenido de metabolitos secundarios en plantas o la extracción de fármacos en microrganismos.

En el siguiente diagrama se muestran los distintos grupos de organismos que suelen utilizarse en procesos industriales en biorreactores.

Ensayos primarios en cajas petri o erlenmeyers
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Esquema N°2: Microorganismos usados en Bioreactores

Ensayos primarios en cajas petri o erlenmeyers


La segunda etapa consiste en ensayos primarios en cajas petri o erlenmeyers con el fin de conocer el comportamiento del microorganismo mediante determinación de la velocidad de crecimiento, liberación al medio de productos, optimización de medio de cultivo, requerimientos de oxigeno, pH y temperatura, etc.

Escalado primario en reactores piloto


La tercera etapa comprende el escalado primario en reactores piloto de poca capacidad volumétrica para la producción de precursores, elicitación, liberación y remoción in situ de productos. Esta etapa se caracteriza por el estudio reológico del medio de cultivo, determinación de viscosidad, tipo de fluido, transferencia de cantidad de movimiento, factores que afectan a la viscosidad, mecanismo de mezcla.

En el siguiente esquema se muestran las adaptaciones para la extracción in situ del producto elaborado en un reactor de agitación mecánica modificado en el laboratorio.
Elementos:
1: Tanque
2: Malla inoxidable para inmovilizar células
3: Sensor de oxígeno
4: Malla acero inoxidable
5: Medidor DO
6: Agitador
7: Lana de vidrio
8: Resina XAD-2
9: Filtro de vidrio
10: Generador de aire
11: Condensador
12: Marco de la malla

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Esquema N°3: Adaptaciones realizadas a un bioreactor con agitación mecánica para la extracción de un producto in situ

Escalado en bioreactores industriales


Finalmente la cuarta fase es el escalado en bioreactores industriales de mayor capacidad volumétrica, seguido de la extracción y purificación del producto obtenido. En esta etapa se busca replicar las condiciones óptimas obtenidas en los reactores piloto, desafortunadamente esto es muy difícil de conseguir en la práctica debido a la relación existente entre el tiempo de mezcla y consumo de potencia.
Conforme se aumenta el volumen del recipiente se aumentan los recorridos del flujo para la circulación del fluido, por lo que es inevitable que los tiempos de mezcla aumenten con la escala.

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Figura N° 3: Factores a considerar durante escalado de bioreactores


Normalmente en el cambio de escala se produce una reducción de productividad y rendimiento como consecuencia de la menor eficacia de mezcla y de la alteración consiguiente del ambiente físico.El escalado presenta grandes inconvenientes con respecto al mezclado y mantenimiento de las condiciones de asepsia del proceso, y se dificulta debido a la tendencia a formar agregados de las células vegetales en cultivo, la formación de merengue y el lento crecimiento celular por lo que también la eficiencia del proceso disminuye considerablemente.


En la siguiente tabla se muestra una comparacion de celulas microbianas con celulas vegetales y su comporamiento en un bioreactor a gran escala.
Características
Células
microbianas
Células vegetales
diferenciadas
Consecuencias en el
Biorreactor
Tamaño
2-10 um
10-200 um
Rápida sedimentación,
mayor sensibilidad al corte
Células individuales
Pueden
obtenerse
Forman agregados
Rápida sedimentación
Velocidad de
crecimiento
Alta
td 1-2 horas
Baja
td 2-5 días
Largos procesos,
problemas para mantener
esterilidad
Densidad del
inóculo
Pequeño
5-20 %
Problemas de manipuleo.
Dificulta la posibilidad de
Escalado
Sensibilidad al
Esfuerzo cortante
No sensitivo
Sensitivo/tolerante
Disminución de la velocidad de agitación
Aireación
Alta
Baja
Baja demanda de oxígeno,
bajo KLa



VENTAJAS

  • Menos contaminantes que los procesos químicos ya que emplean materias primas biodegradables
  • Especificidad de sustrato: una enzima cataliza una única etapa específica de reacción.
  • Regioespecificidad: afecta sólo a una posición específica de la molécula.
  • Estereoespecificidad: sólo es transformado o sólo se produce un enantiómero.
  • Puede facilitar ambos sentidos de la reacción: de reactivo a producto y de producto a reactivo.
  • Pueden catalizar un amplio espectro de reacciones.
  • Este proceso podría sustituir por completo a la síntesis orgánica y la catálisis convencional.

DESVENTAJAS

  • Las enzimas son producidas en la naturaleza como un solo enantiómero.
  • Requieren parámetros operacionales muy estrechos.
  • Presentan su mayor actividad en medios acuosos.
  • Pueden sufrir procesos de inhibición.
  • Necesidad de purificación de la enzima para eliminar sitios activos no deseados.
  • Velocidades de reacción menores a las deseadas.
  • Estabilidad pobre a largo plazo.
  • Se requiere grandes cantidades de enzimas.

Uno de los procesos más conocidos de biotransformación es el proceso de fermentación, como lo muestra el siguiente video:


























ACCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS BIOTRANSFORMADORES


Los microorganismos tienen la capacidad de modificar químicamente una amplia variedad de compuestos orgánicos de forma específica, por ejemplo, en la biotransformaciòn de biomasa a biofuel por medio de microorganismos, tal como se muestra en la figura:

 Figura N° 4: Obtención de Biofuel por biotransformación
Figura N° 4: Obtención de Biofuel por biotransformación

En lo que se refiere a la bioconversión microbiana de compuestos orgánicos se pueden emplear los siguientes sistemas:

  • Cultivos en crecimiento: Los microorganismos crecen de manera exponencial para obtener la máxima cantidad de biomasa antes de añadir el sustrato. Esta bioconversión se lleva a cabo en condiciones estériles para evitar la formación de falsos productos de transformación o producir la degradación total del sustrato.

  • Células inmovilizadas: Tienen la ventaja de que el proceso puede llevarse a cabo en continuo y las células pueden ser reutilizadas. Se facilita la recuperación del metabolito de interés. Las células bacterianas inmovilizadas que catalizan reacciones de una o múltiples etapas se utilizan actualmente en la producción comercial de ácido aspártico, L-alanina y ácido málico.

  • Enzimas: Se utilizan para evitar reacciones indeseadas como la degradación de productos, permiten incrementar la velocidad de reacción. Además permiten la especificidad de sustrato, ya que las enzimas catalizan las reacciones de manera específicas.

Los productos finales de las reacciones de transformación son normalmente extracelulares y pueden encontrarse disueltos o en suspensión. Para el procesamiento adicional el material celular separado debe ser lavado rápidamente con agua o solventes orgánicos ya que una parte significativa del producto puede estar adsorbida en las células.
Dependiendo de la solubilidad de los productos, la recuperación se lleva a cabo por precipitación, como sal cálcica, por adsorción en intercambiadores iónicos, por extracción con solventes apropiados o en el caso de sustancias volátiles, por destilación directa a partir del medio de cultivo.

La selección de un sistema para la bioconversión es importante; sin embargo, la elección del microorganismo a utilizar es indispensable en el bioproceso. Existen una serie de características que comparten todos los microorganismos y que suponen ciertas ventajas para su uso en la industria; es por ello que deberíamos considerar los siguientes aspectos:

  • El tamaño y características fenotípicas del microorganismo (relación superficie-volumen).
  • Condiciones ambientales favorables para el microorganismo.
  • El microorganismo industrial crece rápidamente y produce el producto deseado en un corto período de tiempo.
  • Si los microorganismos son fáciles de separar del medio de cultivo.

Un ejemplo claro donde existe biotransformación es en un biorreactor, el mismo que lo podemos considerar como un recipiente donde se realiza el cultivo. Su diseño debe asegurar un ambiente óptimo para los microorganismos. Sus funciones principales son: mantener las células uniformemente distribuidas; mantener constante y homogénea la temperatura; minimizar los gradientes de concentración de nutrientes; suministrar oxígeno y asegurar un ambiente estéril.

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Figura N° 5: Funcionamiento de un Biorreactor

Para un buen rendimiento, los procesos a escala de laboratorio deben ser bajo condiciones bien definidas y donde los parámetros no dependan de una posición local.

A continuación se muestra un esquema general de la biotransformación:

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Figura N° 6: BioTransformaciones

Muchos han sido los esfuerzos realizados para lograr controlar o predecir el comportamiento de biorreactores con el fin de mejorar la productividad y calidad del producto final; sin embargo, las principales dificultades que presentan son: los numerosos factores que influyen en los modelos, los que son altamente no lineales y variables en el tiempo, las cambios en sus parámetros que se modifican debido a variaciones metabólicas y fisiológicas, ausencia de instrumentos baratos y confiables para medir las variables en tiempo real.

A continuación se presenta una explicación acerca del diseño de un Biorreactor donde se produce biotransformación:








Video acerca del mecanismo de biotransformación de los fármacos:









Y en este otro video se explica de manera más detallada este proceso, repasando los conceptos analizados en toda esta sección:









OTRAS APLICACIONES BIOTECNOLÓGICAS

PRODUCCIÓN DE HORMONAS ESTEROIDES

Se aplica el procedimiento denominado bioconversión o biotransformación, en el que se añade al fermentador una sustancia que el microbio transforma en la sustancia buscada, como por ejemplo cortisona, hidrocortisona, andrógenos y estrógenos. En principio se utilizaba levadura para fabricarla, pero su precio era muy elevado porque la producción era muy escasa.
En 1952 se sustituyó por el moho del pan Rhizopus nigrans y Rhizopus arrhizus, capaz de transformar la progesterona en cortisona, antiinflamatorio. También se obtiene hormonas anticonceptivas.

PRODUCCIÓN DE INTERFERÓN


El interferón fue descubierto en 1957 en Londres por Isaacs y Linderman, al descubrir que los pacientes que padecían alguna infección vírica, raramente eran infectados por más virus. Ello se debía a que producían que la denominaron INTERFERÓN. Es una proteína fabricada por células somáticas como respuesta a una infección vírica (defensa antiviral). También tiene otros efectos, como inhibidor del crecimiento antitumoral, regulación del sistema inmune e inhibición del crecimiento celular.

En la actualidad se conocen unos doce tipos de interferones y se utilizan para el tratamiento de enfermedades como las hepatitis B y C, algunas leucemias, el sarcoma de Kaposi, etc. Hasta que no fueron clonados los genes correspondientes y su producción a gran escala con bacterias, no se pudieron obtener cantidades suficientes para estos tratamientos.

DOPING GENÉTICO

Es el uso no terapéutico de genes, elementos genéticos o de modulación de la expresión de genes que tienen la capacidad de mejorar la capacidad deportiva.


En que consiste ?

Consiste en la transformación de un virus que contenga genes productores de factores de crecimiento como IGF-1 que ayuda a que las células musculares se fortalezcan y haya una mayor producción de glóbulos rojos, dándoles a los deportistas nuevas herramientas para sobrepasar a sus adversarios.






EN LA PRÁCTICA

BIOGAS CASERO













REFERENCIAS: