Fábricas de microbios: uso de bacterias para producir compuestos específicos
Suplementos vitamínicos
No debería sorprendernos saber que las células de los organismos vivos tienen que producir o consumir todo lo que necesitan para sobrevivir. Dado que evolucionó para necesitar vitamina B12, puede estar seguro de que debe producirse en alguna parte. Pero no por ti, tus verduras para ensalada o la carne en tu bistec. No, la vitamina B12 solo es producida por unas pocas especies de bacterias y arqueas. Eso significa que tienes que comer estos microbios o, mejor aún, tener unos pocos viviendo en tu intestino, si quieres un sistema nervioso saludable mejorado con vitamina B12.
Por otra parte, simplemente podría comprar suplementos de vitamina B12 y terminar con su dependencia de los microbios. Sin embargo, el problema con la vitamina B12 es que es una molécula grande y compleja. Echa un vistazo a esta bestia:
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Sintetizar una molécula con tal volumen paso a paso puede llevar mucho tiempo y resultar caro. ¿No sería bueno si pudiéramos conseguir que esas bacterias y arqueas lo hicieran por nosotros? Ya han desarrollado un proceso de producción eficiente. Todo lo que tenemos que hacer es cosechar el producto terminado. De hecho, eso es exactamente lo que sucede.
Microbiano Factories
Volveremos a la vitamina B12 en un minuto. Primero, analicemos el concepto de fábrica de microbios. Sabemos qué son los microbios: organismos diminutos que incluyen bacterias, arqueas, hongos y protozoos. Sabemos lo que es una fábrica: un edificio donde se fabrican productos. Entonces, se deduce que una fábrica de microbios está utilizando un microbio para fabricar un producto. En este caso, ¡el edificio de la fábrica es la célula microbiana! Y los productos a los que nos referimos incluyen antibióticos, vitaminas, hormonas, proteínas, vacunas, enzimas e innumerables otros compuestos orgánicos pequeños. Los productos potenciales son casi ilimitados. Y también lo son las ventajas de utilizar microbios.
Veamos nuevamente la vitamina B12, vista arriba. Esta molécula es grande con una estructura muy compleja y específica. Cambia la ubicación de un átomo o enlace y destruyes la funcionalidad de la vitamina. Para producir químicamente vitamina B12, tendría que averiguar cada paso individualmente, colocarlos en un orden muy específico y asegurarse de poder purificar la vitamina B12 de todos los catalizadores químicos que agregó y de todos los subproductos no deseados. . Y algunos de esos catalizadores son invariablemente compuestos de metales pesados, reactivos y tóxicos que realmente no desea que se incluyan en su multivitamínico diario.
La bacteria Pseudomonas denitrificans , nuestra fábrica microbiana, ya se ha ocupado de todos estos problemas. Esta bacteria ya sabe cómo producir vitamina B12, sin cometer errores en la estructura final. No hay subproductos tóxicos porque dañarían a las bacterias. No se requieren ácidos o bases industriales fuertes, solventes o metales pesados porque estos tendrían que ser producidos por la bacteria y probablemente terminarían dañándola. Todo lo que nos queda es la vitamina B12 producida de manera más eficiente de la que es capaz la Pseudomonas .
Pero ese no es el final. ¿Has oído hablar de la ingeniería genética? Si no es así, hay una gran lección titulada ¿Qué es la ingeniería genética? es posible que desee ver. En pocas palabras, la ingeniería genética es el proceso mediante el cual los científicos modifican el genoma de un organismo. Mediante la ingeniería genética, podemos modificar el genoma de nuestra Pseudomonas para que produzca cantidades muy grandes de vitamina B12, a menudo hasta 20.000 veces más de lo normal, o segregue la B12 fuera de la célula para que sea más fácil de recolectar. Puede ver cómo el uso de bacterias para producir vitamina puede hacer que un proceso muy tedioso sea mucho más fácil, seguro, eficiente y, la palabra mágica, más económico.
Hosts de fábrica microbiana
Este ejemplo de vitamina B12 es muy sencillo. Encontramos una especie bacteriana segura que ya fabrica nuestro producto deseado y lo explotamos. Pero rara vez funciona tan bien. No todas las bacterias producen las cosas que queremos; algunos incluso producen subproductos y toxinas muy mortales que definitivamente no queremos. Para colmo, hay algunos compuestos que los organismos superiores, como los humanos, producen que las bacterias no producen. Necesitamos una forma de personalizar nuestra fábrica para hacer exactamente lo que necesitamos, hacerlo correctamente y hacerlo seguro para el uso humano.
El primer paso es elegir un host para nuestro producto. El anfitrión debe ser muy conocido, fácil de usar, seguro y fácilmente modificado genéticamente. Posiblemente los dos organismos más estudiados de la historia son la bacteria Escherichia coli y la levadura Saccharomyces cerevisiae . La gran mayoría de las fábricas de microbios se basan en uno de estos dos caballos de batalla. Se ajustan a todos los criterios. La mayoría de las cepas son inofensivas para los humanos (excluyendo algunas E. coli que causan intoxicación alimentaria desagradable ), son fáciles de cultivar y crecen muy rápido en un laboratorio. Finalmente, y quizás lo más importante, se entienden tan bien que la ingeniería genética con estos dos se ha convertido en algo común, predecible y muy exitoso.
Plásmidos
Antes de que pueda comenzar a producir insulina, por ejemplo, hay un pequeño problema: la E. coli normalmente no produce insulina. Afortunadamente, con nuestro vasto conocimiento de E. coli , este es solo un pequeño problema. Todos los organismos tienen genes que codifican ADN, que forman el genoma, que dirige todos los procesos dentro de la célula. Además de un cromosoma grande, algunas bacterias tienen plásmidos , que son pequeños círculos de ADN, separados del cromosoma principal. Estos plásmidos pueden contener de forma natural genes para la reproducción sexual, la resistencia a los antibióticos o la producción de toxinas. O pueden contener genes para cualquier producto que queramos E. coli¡para producir! En la actualidad, es bastante fácil insertar el gen que codifica la insulina humana en un plásmido, insertar ese plásmido en E. coli y permitir que la bacteria produzca grandes cantidades de la hormona. Una vez que una E. coli se ha dividido en miles de millones, cada una de las cuales bombea insulina, todo lo que necesita hacer es purificar la hormona para deshacerse de las células de E. coli y sus productos de desecho metabólicos.
Productos de fábrica microbianos actuales
La insulina y la vitamina B12 son solo un par de ejemplos de compuestos producidos por fábricas de microbios. Hay muchos que podrían tener un impacto directo en su vida casi a diario. Probablemente ya sepa que la mayoría de los antibióticos, como las cefalosporinas y las penicilinas, provienen de bacterias y hongos. ¿Sabías que varios de los principales aditivos alimentarios son producidos por microbios? Los hongos aspergillus y candida producen la mayor parte del ácido cítrico agregado a los alimentos. La próxima vez que esté en el supermercado, revise algunas etiquetas de alimentos para ver si hay xantano. Este estabilizador de alimentos es producido por la bacteria xanthomonas. Muchas hormonas del crecimiento y esteroides son producidos por microbios. Las levaduras transgénicas son las principales productoras de la vacuna contra la hepatitis B. La lista sigue y sigue, y cada día se agregan nuevos compuestos.
Resumen de la lección
Revisemos.
Una fábrica de microbios utiliza un microbio para fabricar un producto. La bacteria E. coli y la levadura Saccharomyces cerevisiae son los dos microbios más utilizados. Estas especies tienen la ventaja de ser muy conocidas, seguras para el uso humano, de rápida reproducción y fáciles de manipular genéticamente.
Algunas especies pueden producir de forma natural productos comercialmente deseables, como nuestro ejemplo de pseudomonas denitrificans y vitamina B12. Otros compuestos requieren ingeniería genética , que es el proceso mediante el cual los científicos modifican el genoma de un organismo. Los plásmidos , pequeñas piezas circulares de ADN que contienen los genes necesarios para producir un compuesto, como la insulina, se insertan en un microbio huésped. A medida que la bacteria huésped crece y se reproduce, produce insulina. De esta forma, los diabéticos pueden producir, purificar y utilizar grandes cantidades de insulina.
Los resultados del aprendizaje
Una vez que haya completado esta lección, debería poder:
- Explicar qué es una fábrica de microbios y su utilidad para la ciencia.
- Identificar dos de los microbios más utilizados y explicar por qué se utilizan en las fábricas de microbios.
- Proporcionar un ejemplo de un microbio que produce naturalmente un producto comercial.
- Definir plásmidos y describir el proceso de uso de la ingeniería genética para fabricar productos comerciales a partir de bacterias.