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Procesos biotecnológicos: La salud de los microorganismos si importa

  • 25 junio 2021
  • Por Dr. Guillermo Flores Cosío

Los microorganismos son organismos microscópicos que constituyen una gran parte del material vivo de la tierra y su presencia ha impulsado el desarrollo y mantenimiento del ecosistema. En la naturaleza, los microrganismos deben lidiar con diversas fluctuaciones, como la temperatura, el pH, sustancias químicas tóxicas, falta de nutrientes, entre otros. Sin embargo, han evolucionado para ser excepcionalmente capaces de sobrevivir a cambios repentinos y a menudo severos en su entorno externo.

En un proceso fermentativo los cambios en el entorno externo pueden ocasionar diversas perturbaciones en las células de los microorganismos, lo que altera su sistema interno e interrumpe los procesos normales de la célula. Dichas perturbaciones ocasionan un estrés en el microorganismo que, dependiendo del tipo y grado, puede llegar a ser letal y causar la muerte celular. Un ejemplo de esto se puede observar en la producción del tequila. Para la elaboración del tequila, las piñas de agave son cocidas para liberar los azúcares, como la fructosa, que posteriormente son convertidos a etanol con la ayuda de las levaduras en un proceso conocido como fermentación. Es importante mencionar que, durante el proceso de cocción de las piñas se liberan junto con los azúcares fermentables compuestos tóxicos que estresan a las levaduras, lo que provoca daños celulares y cambios fisiológicos que retrasan y/o detienen el crecimiento, lo que afecta directamente los rendimientos de etanol en la etapa de fermentación.

Para hacer frente a las condiciones adversas, los microorganismos entran en una fase de adaptación y responden rápidamente produciendo moléculas (proteínas, enzimas, metabolitos protectores, etc.) para disminuir o reparar el daño causado por el agente estresante. Por ejemplo, si una levadura se expone de manera abrupta a una concentración alta de compuestos tóxicos (aldehídos de furanos, fenoles, ácidos orgánicos, etc.), esta morirá. Sin embargo, si antes de exponerla a una concentración letal, la levadura es expuesta primero a una concentración baja de compuestos tóxicos por un periodo breve y repetitivo, esta adquirirá la capacidad de sobrevivir a las concentraciones letales de compuestos tóxicos.

Durante el estrés y periodo de adaptación, los microorganismos sufren cambios fisiológicos, que se ven reflejados en la disminución de sus capacidades fermentativas. Es por eso que es importante el estudio de la fisiología celular, ya que es el grupo de variables celulares que contribuyen al cambio de las características de la población en un cultivo celular, lo que permite conocer el “estado de salud” de los microorganismos. La calidad o tipo de estado fisiológico es uno de los parámetros más importantes para obtener excelentes procesos productivos y esta calidad depende en gran medida de la viabilidad del microorganismo. La viabilidad celular es una expresión utilizada para describir la capacidad de las células para crecer, reproducirse e interactuar con su entorno inmediato y generalmente se mide en función del número de células vivas o muertas en una población total.

El monitoreo de la viabilidad en un cultivo microbiano puede ser muy ventajoso sobre todo a nivel industrial, ya que te permite detectar desviaciones en el proceso e identificar fases críticas provocadas por un agente externo al cultivo. Por ejemplo, si en la producción de un antibiótico, el microorganismo sufre afectaciones en la viabilidad por efecto de un cambio brusco en su entorno, este puede dejar de producir el antibiótico de interés y ocasionar perdidas económicas cuantiosas. Por lo que, el monitoreo de la viabilidad de los microorganismos es fundamental durante el avance, mejora y optimización de los bioprocesos productivos. Para lograr un monitoreo eficiente, existen diferentes métodos que permiten determinar la viabilidad de los microorganismos, algunos se basan en la capacidad que tienen los microorganismos para crecer en un medio sólido o líquido en condiciones específicas y bajo el suministro de nutrientes. Un ejemplo de estos métodos es el conteo de unidades formadoras de colonias (UFC), en donde una sola célula se multiplica y forma una sola colonia. Otros métodos se basan en la tinción de partes vitales de las células, utilizando tintes específicos como el azul de metileno que tiñe las células muertas.  Así mismo, existen métodos más sofisticados que se basan en la medición de las propiedades dieléctricas de las células mediante el uso de un sensor (sonda de capacitancia) que aplica un campo eléctrico para detectar células viables con base a la integridad de su membrana celular.

 

Ejemplos de técnicas para determinar la viabilidad de las células

 

 

Dada la importancia de conocer el estado fisiológico o de salud de los microorganismos, un gran número de investigaciones han sido realizadas para tratar de conocer y entender el funcionamiento biológico de los microorganismos cuando se enfrentan a diversos agentes estresantes. Sin embargo, es importante resaltar que a pesar de toda la información disponible en la literatura y de los avances de la ciencia, solo se conoce parcialmente el funcionamiento de algunos de los microorganismos mas importantes para la sociedad, como por ejemplo microorganismos productores de alimentos (Saccharomyces cerevisiae), fármacos (Penicillium notatum), sustancias químicas (Yarrowia lipolytica), etc. por lo que, tanto científicos mexicanos como de todo el mundo, siguen realizando investigaciones para elucidar los comportamientos biológicos de miles de microorganismos que aun no han sido estudiados y que podrían generar enormes beneficios para la humanidad.

 

Monitoreo de la viabilidad de Saccharomyces cerevisiae durante la producción de etanol

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