Resumen de Fundamentos y Técnicas de Biotecnología
Fundamentos y Técnicas de Biotecnología: Guía Completa
Introducción
La biotecnología industrial integra procesos biológicos para producir compuestos de interés (etanol, antibióticos, enzimas, vacunas, agua para procesos, etc.) a escala industrial. En este material revisaremos cómo se diseñan y controlan bioprocesos, las fases de crecimiento celular, producción de metabolitos, control de proceso y la gestión del agua en la industria biotecnológica.
Definición: Un bioproceso es una secuencia controlada de operaciones físicas, químicas y biológicas que utiliza organismos o sus componentes para obtener un producto de valor.
1. Fases de crecimiento celular en cultivos
1.1 Resumen de las fases
- Fase lag: adaptación del inóculo al medio, síntesis de macromoléculas y preparación para dividirse. Duración variable según condición del inóculo y facilidad de acceso a nutrientes.
- Fase exponencial (trofofase): crecimiento con tasa máxima; alta actividad metabólica y consumo energético. Producción principal de metabolitos primarios.
- Fase estacionaria (idiofase): crecimiento neto cero por agotamiento de nutrientes o acumulación de inhibidores; energía destinada al mantenimiento; inicio de senescencia y muerte celular.
- Declive: disminución del número de células por muerte celular.
Definición: Metabolitos primarios son compuestos sintetizados durante la fase de crecimiento activo y están ligados al crecimiento celular (p. ej. etanol, glicerol, ácido láctico). Metabolitos secundarios son compuestos producidos en fases estacionarias o por estrés y normalmente no son esenciales para el crecimiento inmediato (p. ej. antibióticos, antifúngicos).
1.2 Producción de metabolitos según la fase
- Trofofase: producción de metabolitos primarios (etanol, butanol, acetona, glicerol, ácido láctico, polisacáridos, aminoácidos, nucleótidos, vitaminas, carotenos).
- Idiofase: producción de metabolitos secundarios asociados a estrés nutricional o ambiental (antibióticos beta-lactámicos, factores de crecimiento vegetal, antifúngicos).
Tabla comparativa: metabolitos
| Característica | Metabolitos primarios | Metabolitos secundarios |
|---|---|---|
| Fase típica | Trofofase | Idiofase |
| Relación con crecimiento | Directa | Indirecta |
| Ejemplos | Etanol, ácido láctico, glicerol | Antibióticos, antifúngicos |
| Objetivo en bioprocesos | Mantener producción durante crecimiento | Inducir estrés controlado para producción |
2. Estrategias de cultivo y optimización
- Mantener trofofase por suplementación de sustrato para prolongar producción de metabolito primario.
- Inducir idiofase (estrés nutritivo o ambiental) para estimular producción de metabolitos secundarios.
- Selección de condiciones de pH, temperatura y aireación para maximizar productividad y rendimiento.
3. Selección y mejora de microorganismos
- Búsqueda en ambientes ricos en el sustrato deseado (residuos agroindustriales, suelos post-cosecha).
- Cribado en placas con sustratos específicos (p. ej. celulosa como única fuente de carbono) y selección por halo de lisis o mayor productividad.
- Aislamiento de microorganismos que toleren amplios rangos de pH y temperatura y altas concentraciones de sustrato.
- Mejora posterior mediante selección de mutantes sobreproductores o clonación de genes que confieran propiedades útiles (p. ej. termoestabilidad); esto permite expresar proteínas con características especiales en hospedadores industriales.
Ejemplo práctico: aislamiento de Paecilomyces sp. que fermenta xilosa, glucosa, manosa, galactosa y arabinosa con rendimientos superiores a levaduras co
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Bioprocesos y Control
Klíčové pojmy: Fases de crecimiento: lag, exponencial (trofofase), estacionaria (idiofase) y declive., Metabolitos primarios se producen en trofofase; secundarios en idiofase., Mantener trofofase por suplementación puede maximizar producción de metabolitos primarios., Screening de microorganismos requiere medios selectivos y cribado por actividad (p. ej. halo de lisis)., Transferencia de oxígeno es factor limitante en procesos aeróbicos; mejorar con burbujas pequeñas y aumento de pO2., En frascos, usar $10\%$–$20\%$ de volumen para optimizar transferencia por agitación., Controles de producto incluyen integridad (PAGE), cuantificación (espectrometría) y ensayos biológicos., Controles de inocuidad: esterilidad, toxicidad y ausencia de agentes viables residuales., Agua para bioprocesos tiene calidades: potable, desmineralizada, destilada/WFI., Diseño de biorreactores debe optimizar $k_La$ mediante sparger y agitación., Mejora de microorganismos: selección de mutantes sobreproductores y clonación de propiedades útiles., Los metabolitos secundarios suelen inducirse por estrés nutricional o ambiental.