Maneig genètic i nous processos industrials

1990/11/01 Ugalde, U.O. | Dickson, R.C. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Biokimika

Processos biotecnològics

Planxa de sèrum.

Els beneficis que l'ésser humà ha obtingut a través dels processos biològics sempre han generat un interès especial en la societat, tant pel seu misteri com pel seu caràcter artesanal. Aquests descobriments es basen en l'anàlisi dels resultats de fenòmens naturals comuns i propis. Per tant, l'ésser humà no ha "produït" aquests processos, sinó que ha manejat les condicions naturals perquè aquests processos es produeixin per si mateixos o millor dit de manera natural.

Es diu que el descobriment de la cervesa es va produir quan els fenicis transportaven la farina en grans recipients i es van adonar que quan es mullava la farina es produïa una sèrie de processos i es produïa alcohol (cervesa). Era obra de Llevat. El descobriment inicial ha estat manipulat al llarg dels anys fins a aconseguir el procés que coneixem en l'actualitat. L'ordi se senti alerta, és a dir, es maltea "", alliberant més sucre abans de la fermentació amb llevat.

Altres processos de transformació biològica com el formatge, el vi i els antibiòtics han evolucionat de manera paral·lela.

En tots aquests processos cal diferenciar clarament dos elements ben diferents: el mitjà o substrat i el microorganisme que ha produït l'alteració.

El mitjà necessita dels components químics adequats per a la seva assimilació i transformació. La seva concentració, temperatura, pH, etc. tenen una influència fonamental en el progrés del procés. D'altra banda, el microorganisme pot considerar-se un catalitzador molt complex, coordinant un gran grup de reaccions. El potencial del microorganisme és molt variable i depèn de les condicions de reacció.

Podem posar com a exemple el cas de la cervesa abans esmentat. La presència o absència d'oxigen durant el procés condiciona el resultat final que s'obtindrà, és a dir, si el llevat produeix una síntesi de material cel·lulòsic o alcohol.

Tenint en compte aquests dos elements principals (el mitjà i el microorganisme), i malgrat la gran complexitat d'un d'ells, l'home ha aconseguit dominar els processos biològics. No obstant això, a pesar que l'ésser humà ha sabut realitzar microbiologia, ha recollit aquests processos amb gran misteri i no ha conegut fins fa poc el perquè i el nucli d'aquests.

Al llarg d'aquest segle, s'han descobert molts misteris sobre aquests organismes. Les reaccions en la base dels metabolismes energètics es van diluir en la dècada de 1930. En 1940 es va descobrir la naturalesa química de la molècula i la informació cel·lular que aquesta conté, denominada ADN. Posteriorment, aviat es va desxifrar el codi genètic i el seu mecanisme de devolució a les funcions cel·lulars. Encara estem lluny de conèixer exactament la complexitat d'aquesta funció cel·lular, però és cert que l'ésser humà està donant grans i ràpids passos per a aconseguir aquest objectiu espectacular.

Camí del maneig

No fa més de quinze anys que es van descobrir enzims bacterians per a tallar selectivament seqüències molt concretes de l'ADN. Era un sistema per a defensar-se dels virus que ataquen. Cada bacteri té un munt d'enzims, conegudes com endonucleasa de tall com a sistema immunitari.

Fora d'aquestes troballes es troben els enzims capaços d'unir i reparar les parts de l'ADN afectades. Aquests enzims es denominen ligases.

Un altre de les troballes de gran importància ha estat el dels plasmidis. Aquests són fragments rodons d'ADN que, a part dels cromosomes, es troben en grups dins de la cèl·lula. Per això i al no estar en el nucli se'n diu ADN satèl·lit.

Les endonucleasas de tall, ligases i plasmidos són tres eines bàsiques per al maneig genètic d'un organisme.

L'ADN d'un organisme, mitjançant una endonucleasa de tall, pot dividir-se en petits fragments. El nombre de fragments dependrà de les seqüències de 4-6 bases conegudes per cada tipus d'enzim. Si les parts tenen suficient longitud, poden contenir un o diversos gens.

Igual que l'endonucleasa és capaç de fragmentar l'ADN, un plasmido circular pot "obrir-se" i convertir-se en ADN lineal, però en afegir una ligasa es pot "tancar" de nou aquest ADN, reformant l'estructura circular del plasmido. Si aquesta reparació del plasmidi es produís enfront de les parts d'ADN que hem esmentat en l'últim paràgraf, alguns plasmidos es veurien tancats per la captació d'una o diverses parts de l'ADN lineal i, per tant, dels seus gens. En introduir aquest nou plasmidi a l'interior de la cèl·lula, pot posar de manifest el nou gen que conté, afegint a la cèl·lula una nova funció amb fermesa.

Mitjançant aquesta tècnica és possible donar noves característiques als organismes d'interès industrial. Finalment, encara que només teòricament, podem afirmar que en l'actualitat podem controlar el procés fisiològic, tant a través de les condicions externes com a través del potencial funcional de l'organisme que utilitzem.

Un procés industrial

Fa cinc anys comencem en Donostia la producció de proteïna cel·lular a partir del sèrum de la llet. Aquest subproducte es genera en el procés de formatgeria. En ser molt contaminant planteja problemes.

El nostre objectiu era aconseguir una biomassa amb alt contingut en proteïnes mitjançant la generació de diferents llevats que consumeixin lactosa del sèrum. Però aviat ens trobem amb un problema de gran importància.

L'augment de llevat està relacionat amb l'energia que es genera en el seu metabolisme. Per tant, aquesta energia pot invertir-se en la fabricació del material cel·lular, és a dir, en el seu creixement.

La molècula que serveix per a transferir aquesta energia del lloc de generació al consum final és ATP.

Quan la molècula de sucre (glucosa) entra en la cèl·lula, se segueix una cadena de 10 reaccions que s'oxida formant dues molècules d'àcid piruvico i dos d'ATP. Si la cèl·lula conté oxigen, l'àcid pirúvic es continua oxidant fins a donar CO 2 i genera altres 36 molècules d'ATP. Si no té oxigen, el piruvat no s'oxida. Es redueix per a produir etanol (Recordem el procés de la cervesa).

Pel que hem dit abans, el lector pot concloure que les cèl·lules quan porten oxigen s'aprofiten millor que quan els falta, i per tant creixen més. Això ens obliga a dissenyar reactors de fermentació amb ventilació forçada per a produir llevat.

Dipòsits de fermentació per a la producció d'àcid glutàmic i lisina.

No obstant això, també en presència d'oxigen hem vist que la fermentació del sèrum produeix alcohol. Quan definim l'estudi, descobrim que en les grans concentracions de sucre en sèrum (40-60 g l -1), la primera reacció produeix piruvat a gran velocitat. Aquest flux de producció de piruvat és molt alt comparat amb el que consumeixen les reaccions que contenen oxigen, la qual cosa produeix un efecte "desbordament" quan es produeix alcohol com a addició.

En aquest problema apliquem una solució senzilla: diluïm el sèrum per a reduir la concentració de sucre. Avui dia tenim models matemàtics per a alimentar al reactor amb sèrum i hem tingut bones conseqüències. No obstant això, existeix una altra possibilitat, que també resulta més beneficiosa des del punt de vista pràctic i científic.

Abans de metabolizarse a l'interior de la cèl·lula, el sucre del sèrum es transporta a l'interior mitjançant una proteïna especial denominada permeasa.

El sistema de transport de la lactosa amb la permeasa augmenta la seva capacitat a mesura que augmenta la concentració de sucre, per la qual cosa a altes concentracions de sucre s'afegeixen molècules de permeasa per a transportar la lactosa a l'interior de la cèl·lula. Aquest és l'efecte de desbordament del piruvat abans esmentat. S'ha aïllat el gen de la permeasa de lactosa i una de les nostres seqüències (R. C. Dickson) ho ha desxifrat. El nostre següent objectiu és introduir alguns canvis: manejar la síntesi de la molècula de permeasa (per a donar una resposta més baixa amb altres captacions de sucre, evitant l'efecte de desbordament) al marge de la recollida de sucre que porta el sèrum. Una vegada aconseguit aquest objectiu, entrarem a l'interior del llevat perquè el nou gen prevalgui i no el seu.

D'aquesta forma aconseguirem una gran quantitat de biomassa rica en proteïnes, evitant els mecanismes convencionals i utilitzant un tipus de control específic propi del microorganisme. Sens dubte, estem a l'inici dels nous dissenys de processos biotecnològics, i d'aquí sorgiran novetats interessants i una gran quantitat d'informació de gran valor per al futur.