IV. LOS MICROBIOS AL SERVICIO DEL HOMBRE

Los microbios �tiles para el hombre constituyen solamente una proporci�n muy peque�a de la amplia variedad de especies que existe en la naturaleza. El papel que desempe�an algunos de ellos en la fabricaci�n de la cerveza, el pan y el vino fue descubierto en forma accidental hace mucho tiempo. Por ejemplo, la transformaci�n que sufre el jugo de uva y la masa para hacer el pan, hoy en d�a se sabe que se debe a las levaduras. Microorganismos bien conocidos tambi�n lo son las bacterias que acidifican la leche o los hongos microsc�picos que le confieren su car�cter tan particular a los quesos. A estos tres grupos de microorganismos hay que agregar los actinomicetos, que son hongos filamentosos que viven en la tierra y que se han utilizado para la producci�n de antibi�ticos a partir del decenio de los a�os 40 del presente siglo.

Es dif�cil clasificar a los microorganismos en �tiles y no �tiles, o en buenos y malos, ya que todos participan en el reciclaje de las mol�culas del mundo org�nico y tambi�n en la conservaci�n de una parte de la ecolog�a; de tal forma que los microbios no s�lo son �tiles sino indispensables para la vida como la conocemos actualmente. Algunos son nocivos para los animales o plantas pero, en proporci�n, son muy pocos.

Existe un buen n�mero de microorganismos que est� siendo utilizado en la industria. Esto se debe a que producen un compuesto de alto valor que no puede ser obtenido de una manera tan sencilla o tan econ�mica por las t�cnicas qu�micas usuales. En algunos otros casos, los microorganismos son cultivados por su valor intr�nseco, como es el caso de la levadura de panader�a. Sin embargo, en la mayor�a de los casos la sustancia buscada es un producto de su metabolismo, como es el caso del alcohol o alg�n antibi�tico, por ejemplo.

Figura 17 (a) Los hongos y las levaduras son microorganismos que forman estructuras visibles y en ocasiones muy coloridas. Varios de estos microorganismos producen sustancias de inter�s en la industria, como la cerveza, el sake y hasta colorantes biol�gicos

 

Figura 17 (b) Hongos: 1. Penicillium chrysogenum 2. Monascus purpurea 3. Penicillium notatum 4. Aspergillus niger 5. Aspergillus oryzae. Levaduras: 1. Saccharomyces cerevisiae 2. Candida utilis 3. Aureobasidium pullulans 4. Trichosporon cutaneum 5. Saccharomycopsis capsularis 6. Saccharomycopsis lipolytica 7. Hanseniaspora guilliermondii 8. Hansenula capsulata 9. Saccharomyces carlsbergensis 10. Saccharomyces rouxii 11. Rhodotorula rubra 12. Phaffia rhodozyma 13. Cryptococcus laurentii 14. Metschnikowia pulcherrima 15. Rhodotorula pallida.

IV.1 LA VIDA CON O SIN OX�GENO

Los microorganismos se pueden dividir en tres grupos dependiendo del ambiente que necesitan para vivir. El primer grupo lo forman los organismos aer�bicos estrictos, que son aquellos que no pueden tener actividad metab�lica ni crecer m�s que en presencia de ox�geno. El segundo grupo re�ne a los organismos anaer�bicos estrictos, que llevan a cabo su actividad metab�lica y crecimiento en ausencia total de ox�geno atmosf�rico. El tercer grupo est� constituido por los organismos aer�bicos facultativos, los cuales presentan actividad metab�lica en presencia de ox�geno (respiraci�n) y en ausencia de ox�geno (fermentaci�n) dependiendo del medio en el que se encuentren.

De los microorganismos aer�bicos estrictos podemos mencionar a los estreptomicetos, que son hongos microsc�picos productores de antibi�tico. Tambi�n son aer�bicos la mayor�a de los hongos filamentosos, como el Penicillum notatum, productor de la penicilina.

Los organismos anaer�bicos estrictos est�n representados por las bacterias del g�nero Clostridium, como Clostridium botulinum, fuente de la toxina productora de la enfermedad conocida como botulismo. Otro ejemplo es la Salmonella tryphi, causante de muchas infecciones intestinales en el ser humano.

Las levaduras industriales son microorganismos facultativos que pueden respirar o fermentar de acuerdo con las condiciones en que se les cultive. El metabolismo anaer�bico, como la fermentaci�n, es menos eficiente que la respiraci�n, ya que la primera no aprovecha toda la energ�a de las mol�culas como los az�cares. Algunos productos, como por ejemplo el alcohol et�lico, son excretados por la levadura como producto de desecho, ya que en ausencia de ox�geno este producto no puede ser aprovechado en su totalidad.

Las v�as bioqu�micas de la fermentaci�n que conducen a la formaci�n de productos �tiles son diversas. Estas v�as son de dos tipos: las homofermentarias, que son las que conducen a un producto principal, y las heterofermentarias que dan dos o m�s productos. As� pues, algunos bacilos son homofermentarios y producen �cido l�ctico a partir de az�cares; por otra parte, existen otros bacilos l�cticos heterofermentarios que producen �cido l�ctico, alcohol et�lico y gas carb�nico por diferentes v�as metab�licas. Otro organismo heterofermentario es el Clostridium aceto butylicum, que transforma la glucosa en una mezcla de acetona, alcohol et�lico, isopropanol y butanol.

Por otra parte, el crecimiento aer�bico que llevan a cabo algunos microorganismos es m�s eficiente para la producci�n de biomasa (n�mero de organismos obtenidos a partir de una cantidad dada de nutrientes), ya que estos organismos degradan completamente las mol�culas nutritivas y les extraen el m�ximo de energ�a. Esto quiere decir que si la meta de la producci�n industrial es mejorar los sistemas de obtenci�n de grandes cantidades de organismos, como es el caso de la levadura destinada a la panader�a, es ventajoso trabajar con el organismo en condiciones aer�bicas ya que de esta forma se utilizan los sustratos al m�ximo por respiraci�n y por lo tanto se obtendr�n muchas m�s levaduras por cantidad de nutrientes.

IV.2 LA MANIPULACI�N GEN�TICA

Una forma de obtenci�n de compuestos org�nicos a partir de organismos aer�bicos es mediante la manipulaci�n gen�tica, esto quiere decir que se pueden modificar, a trav�s de cambios o mutaciones de los genes, los mecanismos por medio de los cuales los organismos transforman los nutrientes en las miles de mol�culas que constituyen una c�lula viviente. En condiciones metab�licas normales, cada uno de los constituyentes necesarios para la c�lula se fabrica en cantidades justas y suficientes. Esta fabricaci�n controlada se lleva a cabo gracias a una serie de mecanismos de regulaci�n gen�tica que detienen la fabricaci�n de intermediarios y de productos finales de una v�a metab�lica dada. Los microbi�logos han seleccionado colonias o cepas de bacterias mutantes en las que esta regulaci�n tan fina se encuentre alterada, de tal forma que convenga para ciertos fines. Por ejemplo, algunos metabolitos primarios, que son necesarios para el crecimiento celular, son producidos en cantidades necesarias para la fabricaci�n de mol�culas utilizadas por la c�lula. Una mutante interesante es Corynebacterium glutamicum, defectuosa en su mecanismo de regulaci�n para la producci�n de lisina, un amino�cido necesario para la s�ntesis de algunas prote�nas, capaz de producir 50 gramos de lisina por litro de medio de cultivo. Este tipo de metabolito es considerado como primario y la mutante lo produce en exceso. Generalmente, las bacterias mutantes se separan de las silvestres haci�ndolas crecer en un medio de cultivo en donde solamente dichas mutantes sobreviven. Para ello se incluyen en el medio antibi�ticos que impiden el crecimiento de las silvestres y no afectan a las mutantes.

Son considerados metabolitos secundarios aquellos que no se requieren en la bios�ntesis celular. Algunos microorganismos los sintetizan en la fase tard�a de su crecimiento por razones hasta el momento oscuras. Uno de los casos m�s conocidos son los antibi�ticos; estos metabolitos secundarios no desempe�an un papel directo en el metabolismo energ�tico de la c�lula o en su crecimiento. Por estas razones se piensa que estas sustancias contribuyen a la sobrevivencia del organismo al inhibir el crecimiento de posibles competidores que podr�an ocupar el mismo nicho ecol�gico. Los organismos que producen este tipo de metabolitos secundarios son sensibles a sus propios antibi�ticos durante la fase inicial de crecimiento, sin embargo, durante la fase en la cual secretan el antibi�tico, son insensibles a su presencia.

Otra clase de sustancias importantes para la industria son las enzimas. Hasta la fecha no ha sido posible sintetizar una enzima en el laboratorio y su aislamiento puede ser un trabajo largo y de bajo rendimiento. Por otra parte, los microorganismos dependen de las enzimas para la degradaci�n de las mol�culas complejas. Las bacterias solamente producen la cantidad necesaria de enzimas, de la misma forma que otros productos del metabolismo. Sin embargo, por medio de las t�cnicas de ingenier�a gen�tica se pueden seleccionar microorganismos mutantes que sobreproduzcan alguna enzima en particular.

Un m�todo para incrementar la s�ntesis de una enzima es el de inducci�n. Cada enzima tiene su huella gen�tica en la secuencia de una mol�cula de ADN. A esta secuencia se le denomina gene estructural y, en una bacteria, se encuentra en el �nico cromosoma que �sta posee. Los genes estructurales con la informaci�n para la s�ntesis de una enzima est�n normalmente inactivos en ausencia del sustrato para dicha enzima. Por lo tanto, se dice que est� reprimida la producci�n de una enzima y solamente cuando se agrega el sustrato requerido, o un an�logo, el gene estructural es activado y dicha enzima es sintetizada, proceso al que se denomina desrepresi�n o inducci�n, y a las enzimas que responden se les llama inducibles, para distinguirlas de las que no son afectadas por la presencia del sustrato y que se denominan constitutivas. En algunos casos el inductor puede ser el producto de una reacci�n enzim�tica. Un ejemplo de esta situaci�n es la enzima glucamilasa del hongo Aspergillus niger, la cual se encarga de romper la cadena de az�cares que componen al almid�n en mol�culas de glucosa. Sin embargo, para inducir la s�ntesis de glucamilasa no es necesario que el almid�n se encuentre presente en el medio, ya que algunos an�logos que son malos como sustratos son potentes inductores de la enzima. Gracias a estos m�todos, se ha podido sobreproducir sustancias de gran importancia para la industria y para la medicina.

IV.3 LA INDUSTRIA Y SUS PEQUE�OS ALIADOS

Las levaduras fueron explotadas durante miles de a�os para la elaboraci�n de bebidas alcoh�licas y de pan. Esto ocurri� antes de que se identificara a las levaduras como un microorganismo y de que se conociera la verdadera naturaleza de la fermentaci�n. Antonie van Leeuwenhoek fue el primero en observar la presencia de las levaduras en la fermentaci�n de la cerveza. Casi 200 a�os despu�s, en 1876, Louis Pasteur present� sus ideas sobre la fermentaci�n en una obra cl�sica titulada �tudes sur la Bière ("Estudios sobre la cerveza"), en la cual postula que los microorganismos que viven en condiciones anaer�bicas son capaces de crecer y vivir sustituyendo al proceso de respiraci�n por la fermentaci�n. Este proceso convierte az�cares en alcohol y bi�xido de carbono, y provee a las levaduras con la energ�a necesaria para su subsistencia. Este cient�fico propuso adem�s que cuando se cultivan las levaduras en presencia de ox�geno, el proceso de fermentaci�n se detiene y es sustituido por la respiraci�n o consumo de ox�geno, proceso que s� degrada el az�car hasta CO2 y agua y no produce alcohol. La fermentaci�n es muy importante socialmente, ya que mediante ella se producen las bebidas alcoh�licas que han tenido un papel importante en la historia. El vino, por ejemplo, es el producto de la fermentaci�n del jugo fresco de frutas, de las cuales tal vez la m�s popular sea la uva, aunque tambi�n se usa ocasionalmente la pera, el higo y algunos cereales. Estos jugos son generalmente �cidos (tienen un pH de aproximadamente 5), lo cual es favorable para que se lleve a cabo la llamada fermentaci�n alcoh�lica. La "infecci�n" del jugo ocurre inmediatamente. Pasteur fue el primero en mostrar que hay levaduras en la c�scara de la uva y sobre todo cuando est� pr�xima a madurar. Dichas levaduras forman grandes colonias en los puntos donde se lesiona la fruta y hay salida de jugo. Por otra parte, los insectos son un factor muy importante en este proceso, ya que diseminan las levaduras entre la fruta. Este hecho se conoci� cuando Wortmann observ� c�mo un jugo est�ril no se fermentaba, y no fue hasta que una avispa lo toc� que el jugo empez� a fermentarse.

Figura 18. Las levaduras que son microorganismos con n�cleo han sido aliados importantes para la alimentaci�n del hombre a lo largo de su historia.

En la superficie de las uvas se encuentra la levadura conocida como Saccharomyces, que es el principal g�nero responsable de la fermentaci�n. Durante la fermentaci�n alcoh�lica las levaduras convierten en alcohol la dextrosa y la fructosa, dos az�cares que se encuentran en el jugo de la fruta. La concentraci�n que alcanza el alcohol es de 14%, ya que a esta concentraci�n tanto la fermentaci�n como el crecimiento de la levadura se detiene. De esta manera, el vino contiene una concentraci�n limitada de alcohol; por otra parte, su sabor y aroma se deben principalmente al contenido de amil-alcohol, �cido ac�tico, �cido l�ctico y acetato et�lico, siendo todas estas sustancias importantes en la calidad del producto.

Los az�cares m�s com�nmente utilizados por las levaduras durante su crecimiento son la glucosa y la fructosa, que contienen 6 �tomos de carbono. Sin embargo, existen otros compuestos con mayor o menor n�mero de �tomos de carbono y que son de inter�s en algunas industrias. Estos az�cares diferentes pueden a su vez ser metabolizados por algunas levaduras. Por ejemplo, la levadura Candida utilis, la cual se emplea en la industria alimentaria, puede crecer metabolizando az�cares de cinco �tomos de carbono (pentosas); esto permite que crezcan en un producto colateral de la industria del papel que es precisamente un az�car de cinco �tomos de carbono. Otra levadura, Saccharomycopsis lipolytica, puede romper cadenas lineales de hidrocarburos de 10 a 16 �tomos de carbono; existe una instalaci�n piloto que ha logrado hacer crecer esta levadura con buenos resultados en presencia de una fracci�n purificada de petr�leo, el cual, como se sabe, es un hidrocarburo. Esta levadura, al crecer, produce �cido c�trico como producto de desecho, el que a su vez es utilizado en otra serie de procesos industriales. Asimismo, una variedad limitada de levaduras puede crecer en presencia de metanol (un alcohol con un solo �tomo de carbono), esto es posible ya que tales levaduras llevan a cabo un proceso metab�lico novedoso que involucra unos organelos especializados llamados microcuerpos. Lo anterior se ha aprovechado, ya que el cultivo utilizando metanol es muy barato y la producci�n de biomasa de las levaduras es tan abundante que se utiliza como complemento para la alimentaci�n de animales.

Otra levadura que ha sido �til desde tiempos remotos es la cepa denominada Saccharomyces cerevisiae. Esta ha sido utilizada en la elaboraci�n de vino, sake, cerveza y, hoy en d�a, para la producci�n industrial de alcohol.

Una aplicaci�n interesante es la que se le est� dando a otra especie, Phaffia rhodozyma, que produce un pigmento especial llamado astaxantina. Esta mol�cula est� siendo probada para a�adirla en forma complementaria al alimento de las truchas y salmones de criadero. Como estos peces pierden el color rosado que presenta su carne cuando crecen en su h�bitat natural, la astaxantina da a la carne de estos peces nuevamente su color rosado.

Otros tipos de productos metab�licos de los cuales se obtienen grandes vol�menes a partir de cultivos de microorganismos son el dextr�n y la goma x�ntica. El dextr�n es una cadena de mol�culas de glucosa que se utiliza como complemento del plasma en enfermos graves o bien como mallas moleculares al entrecruzar sus cadenas para separar compuestos en el laboratorio con base en su tama�o. La goma x�ntica, que es adecuada para el consumo humano, se agrega en algunos productos alimenticios como estabilizador. Tambi�n tiene uso en la impresi�n de textiles, en la excavaci�n de pozos, como aditivo y en la elaboraci�n de cosm�ticos y productos farmac�uticos.

Los hongos microsc�picos tienen una gran importancia econ�mica, tanto por sus beneficios como por el da�o que pueden causar. Una gran parte de la materia org�nica de la tierra es destruida por los hongos. Esta actividad, por ejemplo, es ben�fica, ya que completa el reciclaje de la materia viviente. Los hongos pueden, sin embargo, causar un gran n�mero de enfermedades tanto en las plantas como en los animales: pueden, entre otras cosas, envenenar la comida. Por ejemplo, el hongo Claviceps purpurea produce una serie de sustancias venenosas (alcaloides) y parasita a las plantas que come el ganado. Cuando el ganado consume alimento contaminado se producen abortos en las hembras, enfermedad que se conoce como ergotismo. En el humano la toxina produce alucinaciones y en ocasiones la muerte. Otro tipo de toxinas son las aflatoxinas, que se producen al almacenar el heno o alimento a base de cacahuate en condiciones impropias; el hongo llamado Aspergillus flaws las produce como metabolito secundario y son altamente t�xicas.

Los efectos nocivos de los hongos microsc�picos est�n balanceados por su multitud de usos en la industria. As� se emplean en algunos procesos de fermentaci�n, como por ejemplo el almid�n del arroz que es degradado para producir sake, un licor elaborado principalmente en Jap�n; la fermentaci�n combinada de frijol de soya, arroz y malta da lugar a algunos alimentos orientales como el miso, el shoyu y el tempeh. Algunas enzimas provenientes de ciertos hongos tienen usos comerciales importantes, como por ejemplo: las amilasas (degradan almid�n), las proteasas (degradan prote�nas) y las pectinasas (degradan pectina). Algunas especies de hongos producen agentes antibi�ticos, entre los cuales destaca la penicilina. Esta sustancia marc� una �poca importante para la humanidad, ya que permiti� el control de las enfermedades infecciosas.

Figura 19. Bacillus brevis es un microbio muy �til, produce el antibi�tico conocido como gramicidina S, com�nmente utilizado en el tratamiento de numerosas enfermedades infecciosas

Figura 20. Los hongos tambi�n son productores de antibi�ticos. La foto muestra al hongo Cephalosporium acremonium que produce la cefalosporina.

De gran importancia para la industria alimentaria son algunas levaduras y hongos. Existen varios ejemplos, como la salsa de soya, la cual se obtiene utilizando a la levadura Saccharomyces rouxii; la producci�n de cerveza utiliza la levadura Saccharomyces carlsbergensis y algunos otros tipos de levaduras son utilizadas para la producci�n de vino.

Ejemplos de bacterias importantes en la industria son los que se dan a continuaci�n: la industria alimentaria aprovecha la bacteria Lactobacillus bulgaricus (b�lgaros) o el Streptococcus thermophilus para la elaboraci�n de yoghurt; el vinagre puede ser producido por la bacteria Gluconobacter suboxidans; algunos saborizantes provienen de una bacteria conocida como Connebacterium glutamicum.

La industria qu�mica produce acetona y butanol a partir de la bacteria Clostidium acetobutylicum, algunos polisac�ridos (az�cares) a partir de la bacteria Xanthomonas campestris algunas vitaminas como por ejemplo la B₁₂ es producida por la bacteria Pseudomonas denitrificans o el Propionibacterium. La industria farmac�utica fabrica un buen n�mero de antibi�ticos; Streptomyces, por ejemplo, produce la anfotericina B, la kanamicina, la neomicina, la estreptomicina, las tetraciclinas, entre otras y Bacillus brevis produce la gramicidina S.

Otro caso interesante es el de la producci�n de insecticidas biol�gicos. �stos, los producen dos bacterias, Bacillus thuringiensis y el Bacillus popilliae, y tienen la ventaja de tener menos efectos nocivos que los insecticidas sint�ticos como el DDT. Pueden, entre otros usos, emplearse en los silos donde se almacenan granos.

Otra serie de productos, como la insulina, la hormona de crecimiento y el interfer�n, pueden ser obtenidos mediante t�cnicas de ingenier�a gen�tica utilizando la bacteria Escherichia coli.

As� pues, la industria microbiol�gica se encuentra, al inicio de una era importante en donde se sustituir�n probablemente muchos procesos tradicionales por otros novedosos que ser�n sin duda m�s eficaces y menos costosos.

Figura 21. Una levadura en proceso de divisi�n, vista al microscopio de barrido de electrones.