La biotecnología microbiana es el desafío de la industria
Las vitaminas y compuestos relacionados, como las provitaminas, los biopigmentos y los antioxidantes, pertenecen a esos pocos químicos que resultan atractivos para la mayoría de las personas, pero la biotecnología ha estado avanzando tanto que no nos damos cuenta de lo que hoy tenemos o tendremos mañana a nuestro alcance. Estos términos suenan sinónimo de vitalidad, buena salud y fortaleza mental, incluso para el ego cada uno de nosotros necesita su ingesta diaria de provitaminas y antioxidantes, normalmente proporcionados por una dieta equilibrada y variada.
Sin embargo, los hábitos o preferencias actuales de los alimentos, las disponibilidades de los alimentos, así como las metodologías y tecnologías de procesamiento, conservación o cocción de los alimentos, no siempre aseguran un suministro diario provitamínico natural suficiente y equilibrado para una persona sana, y más aún para personas estresadas o ser humano enfermo. Hoy en día, la sociedad moderna rara vez se enfrenta a las notorias avitaminosis del pasado y en parte gracias a la biotecnología, pero todavía ocurren con frecuencia en regiones superpobladas, asoladas por la guerra, con hambre o hambrunas en nuestro planeta, así como para grupos poblacionales sorprendentemente grandes en países desarrollados.
Además de sus funciones nutricional-fisiológicas in vivo como factores de crecimiento esenciales y coenzimas para el hombre, los animales, las plantas y los microorganismos, las vitaminas y los compuestos relacionados a la biotecnología se están introduciendo cada vez más como alimento y como aditivos para alimentos, como agentes terapéuticos médicos, como ayudas para la salud. Hay una impresionante cantidad de alimentos procesados, alimentos, cosméticos, farmacéuticas y formulaciones químicas contienen vitaminas o compuestos relacionados con vitaminas (extra) añadidas, y las preparaciones únicas y multivitamínicas se suelen tomar o recetar.
Retos y desarrollos futuros en la suplementación
Las rutas de biosíntesis detalladas (y su regulación metabólica y controles) utilizadas por esos microorganismos se han dilucidado en el campo de la biotecnología para varias provitaminas, biopigmentos, antioxidantes y compuestos de salud similares, pero esto solo se realizó gradualmente durante las últimas décadas, principalmente mediante el estudio del modelo microbiano cepas y/o microorganismos productores, tales como:
- Bacterias (Escherichia coli, Serratia, Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas, Gluconobacter, Sinorhizobium, Agrobacterium).
- Hongos/Setas (Blakeslea, Ashbya, Mortierella, Mucor, Monascus).
- Microalgas verdes (Dunaliella, Euglena, Haematococcus).
- Dinoflagelados marinos no fotosintéticos (Crypthecodinium) y Thraustochytrid (C).
Resultó que las vías involucradas y sus regulaciones metabólicas son muy complejas y, a menudo, muy difíciles de desregular para llegar a los niveles de sobreproducción de los compuestos deseados. Para algunas de las vitaminas, biopigmentos y antioxidantes y otros factores de la salud, la sobreproducción microbiana mediante la biotecnología para alcanzar niveles industrialmente relevantes sigue siendo un desafío, aunque en los últimos años todo ha alcanzado límites ni siquiera soñado por la industria hace diez años.
Los avances científicos en metodologías relacionadas a la biotecnología en el cribado de alto rendimiento, en genética molecular de cepas microbianas industriales, en biología de sistemas (micro), en evolución dirigida, ingeniería metabólica y modelación, pero igualmente en ingeniería celular y enzimática han permitido avanzar hacia realizaciones industriales de vitaminas y la producción de compuestos similares a vitaminas.
Un ejemplo sorprendente de la biotecnología es la producción por fermentación de vitamina B2 utilizando la Ashbya gossypii; la productividad de las cepas industriales iniciales desarrolladas mediante técnicas de mutagénesis clásicas se ha mejorado enormemente mediante una combinación de ingeniería metabólica, análisis comparativo de genoma y transcriptoma y enfoques de modelado metabólico genómico (Karos et al., 2004; Ledesma ‐ Amaro et al., 2014, 2015).
El éxito de este programa de biotecnología de mejora de la cepa permitió el reemplazo a nivel industrial del proceso químico de la vitamina B2 por el utilizado actualmente en base a la fermentación microbiana. La implementación del proceso biotecnológico redujo los costos de producción y protección ambiental en un 43% en relación con el proceso de fabricación química, además, la emisión de CO2 se redujo alrededor de un 30%. Como resultado de su paso principal único, la fermentación tiene ahorros sustanciales de costos en comparación con el proceso químico de múltiples etapas (Wenda et al., 2011).
Además, la combinación de la evolución dirigida en biotecnología y el diseño racional de proteínas utilizando herramientas computacionales se ha vuelto significativa para crear incluso enzimas novedosas, expandiendo su potencial de aplicación en el campo de las provitaminas y la biosíntesis química de microfiltrado relacionada. La biocatálisis asimétrica con células y enzimas microbianas ahora ha logrado una alta eficiencia, enantioselectividad y rendimiento, de manera tal que, para una amplia variedad de productos quirales, incluidas las provitaminas, biopigmentos, antioxidantes y compuestos relacionados, la biocatálisis se ha convertido en una alternativa de producción preferida en los alimentos y suplementos orgánicos.
Las tecnologías nutricionales desde la concepción de los nutrientes
Las nuevas técnicas en biotecnología sobre el cultivo, el muestreo rápido y las metodologías de sensores, el diseño mejorado de biorreactores y el procesamiento posterior, contribuirán al creciente interés en utilizar en la industria los procesos industriales basados en microbiología y biotecnología.
- La ingeniería basada en el diseño de cepas microbianas industriales todavía se ve obstaculizada por el conocimiento incompleto de la bioquímica celular, la regulación metabólica y la biología celular.
- Los avances en tecnologías de biología de sistemas y en biología sintética (micro) ahora también pueden contribuir a llenar este vacío.
Especialmente una combinación de todos estos avances en biotecnología permitirá que se construyan cepas microbianas de alto rendimiento que sean adecuadas para la producción industrial (basada en microbios) de (pro) vitaminas, biopigmentos, antioxidantes y compuestos para la salud relacionados. En el futuro, el advenimiento de la biología sintética llevará a la construcción a medida de cepas productoras de provitaminas microbios, antioxidantes y otros factores de salud de alto rendimiento.
