MICROORGANISMOS DE INTERES INDUSTRIAL

INGENIERIA DE BIOPROCESOSDEPARTAMENTO DE INGENIERIA

UNIV. JORGE TADEO LOZANO

ING. YINETH PIÑEROS

BIOLOGIA MODERNA

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PRINCIPIOS BIOLOGÍA MODERNA

• Todos los organismos están formados por células.Celula ----tejidos.

• Todos los organismos obedecen a las leyes de la física y la química

• Todos los organismos requieren energíaLeyes de la termodinámica: “La energía ....” “Todo cuerpo tiende al desorden, aumentar su entropía”. Los seres vivos son expertos en conversión de energía

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Principios de la Biología

Propiedades de los seres vivos:- Altamente organizados

- Homeostáticos

- Reproducción

- Crecen y se desarrolla

- Toman energía y la transforman

- Responden a estímulos

- Adaptación

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ORIGEN DE LA VIDA

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MOLÉCULAS PREBIÓTICAS PEQUEÑAS

• Hace unos 3500 millones de años, tierra primitiva sin vida.

• Modelo científico: corteza caliente compuesta de roca primitivabañada por mares en continua ebullición y en equilibrio connubes cargadas de lluvia y electricidad estática que sedescargaba en forma de violentas tormentas.

• Década de los 30 Oparin en Rusia y Haldane en Inglaterra, laatmósfera inicial de la tierra era reductora y contenía agua,nitrógeno, hidrógeno, metano y anhídrido carbónico.

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• Condiciones altas temperaturas + energía eléctrica:N+H: NH3 CO2 + N2 moléculas de ácido cianhídrico yotros ácidos orgánicos simples que luego sedisolvieron en el agua.

• Disminución de la temperatura: formación de lasprimeras moléculas capaces de autoreproducción:formato, aspartato, lactato, glicina, ribosa, adenina yglucosa.

• En 1953, Stanley Miller, experimentos, publicados en Science. presumieron, de acuerdo con Oparin y Haldane, que la atmósfera terrestre primitiva estaba compuesta principalmente de NH3, H2O, CH4 y H2.

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• Al cabo de una semana, tomó muestras del agua y encontrando glicina y alanina, los dos aminoácidos más simples y ácido a- amino butírico. En menor cantidad encontró a- amino isobutírico, valina, norvalina, isovalina,a. aspártico, sarcosina, a. glutámico, prolina, a. pipecólico, b- alanina y a. g- amino butírico.

La mayor parte de estos compuestos son aminoácidos que hacen parte de proteínas.

Experimento de Stanley Miller

(1953)

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• Juan Oró, 1961

• ++ácido cianhídrico y amoníaco al agua ------mezcla de aminoácidos y adenina en abundancia. Más tarde añadió a su mezcla básica formaldehído y encontró ribosa y desoxirribosa.

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• Cyril Ponnamperuma, Ruth Mariner y Carl Sagan

• ++++ adenina a una solución de ribosa y en presencia de luz ultravioleta consiguieron la formación adenosina.

• +++ácido orto fosfórico en la mezcla, ¡obtenían el nucleótido completo!

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• En 1968, Sánchez, Kimble y Orgel encontraron que uno de los productos importantes de una descarga eléctrica a través de una mezcla de CH 4 y N2 es el cianoacetileno que fácilmente se convierte en las pirimidinas citosina y uracilo.

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• Durante un período de más de 2000 millones de años, solamente existieron

estas formas celulares, por lo que se puede pensar que se adaptaron a vivir en todos los ambientes posibles y ensayando todos los

posibles mecanismos para realizar su metabolismo.

• La evolución celular se produjo en estrecha relación con la evolución de la atmósfera y

de los océanos.

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METABOLISMO

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METABOLISMO

Concepto Etimológico.-

Voz griega metabolé = cambio, transformación.

Cuáles son las fuentes de materia y energía?

carbohidratos, proteínas, grasas, sufren transformaciones para ayudar a los organismos a

cumplir sus funciones vitales.

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Metabolismo

• Conjunto de reacciones y procesos físico-químicosque ocurren en una célula. Estos complejos procesos interrelacionados son la base de la vidaa nivel molecular, y permiten las diversas actividades de las células: crecer, reproducirse, mantener sus estructuras, responder a estímulos, etc.

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Catabolismo

• Las reacciones catabólicasliberan energía; un ejemplo es la glucólisis, un proceso de degradación de compuestos como la glucosa, cuya reacción resulta en la liberación de la energía retenida en sus enlaces químicos.

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Anabolismo

• Las reacciones anabólicas, en cambio, utilizan esta energíaliberada para recomponer enlaces químicos y construir componentes de las células como lo son las proteínasy los ácidos nucleicos

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M E TA B O L I S M O

P R I M A R I O

M E TA B O L I S M O

S E C U N D A R I O

C r e c im ie n t o y

d e s a r r o l l o

R O L I n t e r a c c ió n c o n e l

a m b ie n t e y o t r o s

o r g a n is m o s

U n iv e r s a l

U n i f o r m e

C o n s e r v a d o

C A R A C T E R Í S T I C A S U n ic o

V a r ia d o

E s e n c ia l S U P E R V I V E N C I A E N E L

E C O S I S T E M A

E s e n c ia l

Los productos son resultado del metabolismo primario y/o secundario

Crecimiento y desarrollo

Universal

Conservado

Escencial

Interacción con el medio ambiente y otros organismos

Único

Variado

Escencial

ROL

CARACTERISTICAS

SUPERVIVENCIA EN EL

ECOSISTEMA

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ESPECIES BIOLOGICAS

Factores que Afectan el

Crecimiento de los Microorganismos

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Un microorganismoes un ser vivo muypequeño. Tanpequeño que nopuede ser visto asimple vista.

Microorganismos

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Si las bacterias fueran de un centímetro de longitud

Entonces un hombre mediría 10.5 millas (17 km) de altura

¿Qué tan grandes son los microorganismos?

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FACTORES QUE AFECTAN EL CRECIMIENTO MICROBIANO

• Factores Intrínsecos – Son aquellos factores que forman parte del sustrato

• Contenido de nutrientes

• Acidez (pH )

• Actividad Acuosa (aw)

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Nutrientes-AlimentoLos productos alimenticios (ejem. carne, leche, frutas, vegetales, etc.) contienen un alta cantidad de nutrientes como proteínas, carbohidratos, grasas, fósforo, minerales y agua.

Los productos alimenticios son una excelente fuente de nutrientes que permiten el crecimiento microbiano

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Rangos de pH para el crecimiento microbiano en los alimentos:

Bacterias 5 - 6Levaduras 4 - 4.5Hongos < 4

pH

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Hidrógeno...

• La concentración de iones de hidrógeno en términosde pH tiene mucha importancia. Cada especie tieneun pH definido de crecimiento y un pH óptimo:

• Tipo pH óptimo• Acidófilos entre 1.1 y 5.5• Neutrófilos entre 5.5 y 8.0

• Alcalinófilos entre 8.5 y 11.5

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Hidrógeno...

• Bacterias son consideradas neutrófilas, hongos en ambientes ligeramente ácidos (pH 4-6). pH interno s e mantiene cercano a la neutralidad.

•Ej. Organismos acidófilos como Thiobacillus ferrooxidansque vive en ambientes de pH 2 y tiene un pH interno de 6.0.

•La bacteria utiliza la gradiente electroquímica crea da a nivel de membrana por esta diferencia de pH, para l a síntesis de ATP

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Agua..y sales.

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Agua...

• Todos los microorganismos requieren deagua para sobrevivir. El grado dedisponibilidad de agua se expresacuantitativamente como AW.

• Los microorganismos viven en actividad de agua de 0.63 a 0.99.

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Actividad Acuosa (aw)

• Medición del agua disponible “libre” para el crecimiento microbiano

• Medidas: 0=nada de agua) a 1.0=mucha agua)

aw mínima para el crecimiento microbiano

Bacterias 0.90

Levaduras 0.87

Hongos 0.70

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• Factores Extrínsecos

– Son aquellos factores que son externos al alimento (factores ambientales)

• Temperatura

• Cantidad de oxígeno

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Requerimientos físicos

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Requerimientos físicos

• Mesófilos, en animales de sangre caliente yen entornos terrestres y acuáticos, enlatitudes templadas y tropicales. Psicrófilos ytermófilos, se encuentran en entornosexcepcionalmente fríos o calientes. En losmanantiales calientes se encuentrantermofílicos extremos, así como en losgéiseres y en las aberturas de los maresprofundos.

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Oxígeno...

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ASPECTOS NUTRICIONALES

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NUTRICION

• Elementos químicos básicos vienen del exterior, transformados por la propia célula en los constituyentes característicos

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NUTRIENTES

•Las células también necesitan de energía para otras funciones tales como movimiento celular (motilidad) y transporte de nutrientes y para reconstituirse

•Como otros nutrientes, la energía se obtiene también del medio exterior celular de tal manera que se pueden usar dos fuentes de energía:

•1. Luz•2. Compuestos químicos

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TIPOS NUTRICIONALES

• Clases metabólicas dependiendo de la fuente deenergía que utilicen.

• Todos los términos utilizados para describir estasclases emplean la terminación “trofo” (significaalimentarse).

• Los microorganismos pueden ser agrupados enclases nutricionales de acuerdo a cómo satisfacensus requerimientos de: energía, H+ / e- y carbono.

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Fuente energía Tipo

Luz Fotótrofo

Oxidación de compuestos químicos

(Comp. orgánicos e inorgánicos)

Quimiótrofos

Donador de e - / H+ Tipo

Moléculas inorgánicas reducidas

Litótrofos

Moléculas orgánicas Organótrofos

Fuente de carbono Tipo

CO2 Autótrofo

Moléculas orgánicas reducidas, preformadas, de

otros organismos

Heterótrofo

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Tipos nutricionales Características

FOTOLITOTRÓFICOAUTÓTROFO

También llamado fotoautótrofo, usa energía luminosacomo fuente de energía y CO2 como fuente decarbono.Las algas y las cianobacterias emplean H2O como

donadores de e- y liberan O2.Las bacterias púrpuras y verdes del azufre nopueden oxidar el agua, pero extraen e- de donadoresinorgánicos como H+, H2S y azufre elemental

FOTOLITOTRÓFICOHETERÓTROFO

Grupo menos abundanteUtiliza la luz como fuente de energía, donadores dee- inorgánicos y moléculas orgánicas simples comofuente de carbonoEj. Bacterias fotosintéticas púrpuras no sulfúreas yalgunas verdes del azufre que normalmente habitanen lagos contaminados y afloramientos naturales delagua.

TIPOS NUTRICIONALES

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QUIMIO-HETETROTROFICO

es el grupo nutricional más numeroso enrepresentantesUtilizan compuestos orgánicos como fuente deenergía, de carbono, de hidrógeno y de e-Por lo general, el mismo nutriente orgánico satisfacetodos estos requerimientosSus representantes son la mayoría de bacterias nofotosintéticas y los hongosTodos los microorganismos patógenos pertenecen aeste grupo

QUIMIOLITOTRÓFICOAUTÓTROFO

Grupo que oxida compuestos inorgánicos reducidoscomo Hierro, nitrógeno o moléculas de S paraobtener energía y e- para biosíntesisEl CO2 es la fuente de carbonoSus representantes cumplen un rol ecológico deimportancia y son las bacterias azufre-oxidantes, lasbacterias del hidrógeno, las del hierro y nitrificantes

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• Un microorganismo puede pertenecer a uno de los cuatrogrupos metabólicos, sin embargo, algunas presentan unaflexibilidad metabólica, como respuesta a cambiosmedioambientales marcados.

•Ejemplo: Muchas bacterias púrpuras no sulfúreas actúancomo fotolitótrofas heterótrofas en ausencia de O2, perooxidan compuestos orgánicos como quimiótrofos en nivelesnormales de oxígeno � MIXOTRÓFICAS (Combinación demetabolismo autótrofo y heterótrofo).

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REQUERIMIENTOS NUTRICIONALES

• Los nutrientes pueden ser divididos en dosclases:

1) Macronutrientes.- Requeridos engrandes cantidades

2) Micronutrientes.- Requeridos enpequeñas cantidades

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Macronutriente Función

Carbono Necesario para formar el esqueleto carbonado de las moléculas orgánicas, contribuyen también con átomos de O2 e H2. Puede utilizarse en su forma inorgánica como CO2 en microorganismos autótrofos donde éste constituye la única fuente de carbono

Nitrógeno

Después del carbono, el segundo elemento más abundante en la célula es el nitrógeno. Una bacteria típica contiene aproximadamente el 12 % de N2 y a su vez el nitrógeno es un componente mayoritario de proteínas, ácidos nucleicos. El nitrógeno se encuentra en la naturaleza tanto en forma orgánica como inorgánica. Sin embargo, la globalidad del nitrógeno utilizable está en forma inorgánica (bien como NH3, NO-3 o N2).

Fósforo Se encuentra en la naturaleza en forma de fosfatos orgánicos o inorgánicos y es requerido por la célula para la síntesis de ácidos nucleicos y fosfolípidos

Azufre Fundamental por ser un elemento estructural en los aminoácidos cisteína y metionina y porque está presente en vitaminas tales como la tiamina, biotina, ácido lipoico así como coenzima A. La mayoría del azufre celular procede de fuentes inorgánicas ya sean sulfatos o sulfuros

Potasio Necesario en todos los organismos. Una gran diversidad de enzimas, incluyendo varias implicadas en la síntesis de proteínas lo requieren específicamente

Magnesio Estabiliza los ribosomas, las membranas celulares, los ácidos nucleicos y se requiere también para la actividad de muchas enzimas

Calcio No es un nutriente esencial para el crecimiento de muchos microorganismos, ayuda a estabilizar la pared celular bacteriana y juega un papel fundamental en la termorresistencia de la endospora.

Sodio Es requerido por algunos, pero no todos, los microorganismos, se debe a la naturaleza química de su hábitat

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MICRONUTRIENTES

• Son tan importantes como los macronutrientes

• Micronutrientes metales influyen sobre actividad enzimática

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FACTORES DE CRECIMIENTO

• Compuestos orgánicos requeridos en muy pequeñas cantidades y sólo poralgunas células. Vitaminas, aminoácidos, purinas y pirimidinas

• Aunque, la mayoría de los microorganismos son capaces de sintetizarestos compuestos, otros requieren tomar uno o más preformados delambiente

• Las vitaminas son los más necesarios. Funcionan como parte decoenzimas.

• Muchos microorganismos son capaces de sintetizar todos los componentesde sus coenzimas, pero, algunos son incapaces

• Las bacterias lácticas, que incluyen los géneros Streptococcus,Lactobacillus, Leuconostoc y otros son reconocidas por su complejorequerimiento de vitaminas, incluso mayores que los humanos

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OTROS• - CO2 (Macronutriente).- Ciertos

microorganismos pueden desarrollar mejorsi se les incrementa la concentración de CO2en la atmósfera.Ej.: Haemophilus, Neisseria, Brucella,Campylobacter requieren para iniciar elcrecimiento al menos 5 a 10 % de CO2 en laatmósfera.

• - Oxígeno.- Los microorganismos querequieren O2 para los procesos metabólicosque producen energía se llaman aerobios.

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Clasificación especies biológicas• “Clasificar es agrupar organismos según su grado de mayor

relación”

• Especie ADN (ARN)

• Especies y género: especie (sp) “es un grupo de individuos capaz de aparearse y tener descendencia viables”. Las sp similares se reúnen en un mismo género, al unir el género con la sp, tenemos el nombre científico:

• Canis lupus (lobo), Canis latrans (coyote) Canis domesticus (perro)

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• LOS CINCO REINOS DE WHITTAKER

• Organización celular, tipos de nutrición• 1 Procariótico (Monera) (bacterias y algas verde azules)• 4 Eucarióticos, Protista (microalgas y protozoos) ,

Hongos (levaduras y hongos), Vegetal (plantas verdes multinucleadas y algas superiores) y Animal (animales multicelulares).

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ÁRBOL FILOGENÉTICO BASADO EN RNA

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Dominios ARCHAEA BACTERIA EUCARYA

Estructura celular procariota procariota eucariota

Cromosomasuno circular con cromatina

uno circular ydesnudo

múltiples lineales concromatina

Composición de la pared celular

glicopéptidos, proteínaso glúcidos

peptidoglicanoglúcidos(celulosa, quitina)

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TECNICAS BÁSICAS MICROBIOLOGIA

https://www.youtube.com/watch?v=-TnHCd4sY24

http://www.youtube.com/watch?v=RU3T1mFXM0U

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