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Ingeniería metabólica de las bacterias del ácido láctico para la producción de
compuestos de importancia industrial.
Las bacterias del ácido láctico (LAB) están recibiendo una mayor atención para su uso como fábricas celulares para la producción de metabolitos con un amplio uso por parte de las industrias farmacéutica y alimentaria. La disponibilidad de herramientas eficientes para la modificación genética de LAB durante la última década permitió la aplicación de estrategias de ingeniería metabólica a niveles tanto del metabolismo primario como del metabolismo secundario más complejo. Los desarrollos recientes en el área con un enfoque en la producción de metabolitos industrialmente importantes se discutirán en esta revisión. Las bacterias del ácido láctico (LAB) son microbios de importancia industrial que se utilizan en todo el mundo en una variedad de fermentaciones industriales de alimentos. Su contribución consiste principalmente en la rápida formación de ácido láctico a partir de la fuente de carbono disponible que resulta en la acidificación de la materia prima alimenticia, que es un parámetro crítico en la conservación de estos productos. Sin embargo, además de su capacidad de formación de ácido láctico, los LAB también tienen la capacidad de contribuir a otras características del producto como sabor, textura y nutrición. En las últimas décadas se han desarrollado varias herramientas genéticas elegantes y eficientes para LAB. Varias revisiones ofrecen una visión general de los sistemas de expresión génica tanto controlados como constitutivos que están disponibles para L. Lactis y otros LAB. LAB genera ATP por fermentación de carbohidratos acoplados a la fosforilación a nivel de sustrato. Las dos vías principales para el metabolismo de las hexosas son la vía glicolítica, siendo el ácido láctico el principal producto final (metabolismo homofermentativo), y la vía de la fosfoquinasa, en la que otros productos finales como el ácido acético, el ácido propiónico, el CO2, el etanol y otros. Se forman además del ácido láctico (metabolismo heterofermentativo). La construcción de un L-lactato sobreproductor de L. lactis. La cepa por mutagenización UV fue reportada por Bai y colaboradores. La sobreproducción de L-lactato en ese caso fue a través de una reducción de la actividad de la NADH oxidasa y el aumento de la tasa de absorción de glucosa. Figura 1. Glicólisis (vía Embden- Meyerhof). La secuencia de reacciones enzimáticas en la conversión de glucosa a piruvato y, finalmente, a productos de fermentación. En letras azules, están las enzimas involucradas. Se destacan los componentes intercambiados entre las reacciones de oxidación o reducción. El número de las moléculas producidas se resaltan en rojo.
Figura 2. La vía de la fosfocetolasa. El diacetilo es producido naturalmente por LAB, especialmente L. lactis biovar. diacetilactis, a partir de citrato en co-fermentación con lactosa. El producto intermedio del α-acetolactato de fermentación, es el precursor químico del diacetilo al cual se puede convertir a través de una reacción de descarboxilación oxidativa. Los LAB que utilizan citratos producen diacetilo durante la fermentación de la leche en la producción de mantequilla, suero de leche y varios quesos, mientras que el diacetilo genera el aroma típico de la mantequilla en estos productos. El acetaldehído, un importante compuesto aromático en los productos lácteos, puede ser producido por LAB a través de varias vías. Un importanteFigura 2. La vía de la fosfocetolasa.Ingeniería metabólica de las bacterias del ácido láctico. La L-alanina se usa como edulcorante de alimentos y en aplicaciones farmacéuticas. Su producción eficiente por L. lactis es un ejemplo de la introducción exitosa de una vía heteróloga en este organismo para la producción de nuevos productos interesantes. La conversión de piruvato en alanina tiene lugar en diversas bacterias anaeróbicas e implica una única etapa enzimática catalizada por alanina deshidrogenasa. El manitol, un alcohol de azúcar de seis carbonos, se produce comercialmente por hidrogenación catalítica a partir de mezclas de glucosa / fructosa y se usa en las industrias farmacéutica y alimentaria, así como en medicina. El sorbitol, al igual que el manitol, es un alcohol de azúcar de seis carbonos con aplicaciones en las industrias alimentaria y farmacéutica. La producción de EPS por bacterias del ácido láctico con un amplio uso por parte de la industria láctea, como Lactococcus y Streptococcus, es un tema atractivo de la ingeniería metabólica. El aumento en la producción de folato de vitaminas B y riboflavina (B2) por parte de LAB ha sido otra área objetivo de la ingeniería metabólica. Estas vitaminas son cofactores esenciales en importantes actividades metabólicas de la célula productora (y en todas las células vivas), como la biosíntesis de aminoácidos y ácidos nucleicos, y son producidas por varias LAB y bacterias ácido propiónicas a menudo en grandes cantidades y enriquecen los alimentos fermentados.
Metabolismo y características bioquímicas de las bacterias del yogur
Se discuten diferentes vías propuestas para el metabolismo de los carbohidratos, así como estudios moleculares y genéticos recientes de las enzimas involucradas. El acetaldehído es el principal compuesto aromático en el yogur, por lo que se describen brevemente las diferentes vías de su formación. Estudios recientes se han centrado en la aldolasa de treonina, que cataliza la síntesis de acetaldehído por las bacterias del yogur. Los polisacáridos exocelulares producidos por bacterias del ácido láctico mejoran la textura de los yogures batidos y líquidos. El yogur y productos lácteos fermentados similares han sido muy populares durante mucho tiempo en los países mediterráneos (los Balcanes, África del Norte), en el centro y sureste de Asia (Mongolia, Turquía, Irak, Irán, Siria) y en Europa central. En muchos de estos países, el yogur todavía se fabrica utilizando procedimientos tradicionales. Salivarius subsp thermophllus: Está aislado exclusivamente del entorno lácteo, fermenta solo pocos carbohidratos, es decir, lactosa, sacarosa, glucosa y, a veces, galactosa, y se caracteriza por su termo resistencia y una temperatura de crecimiento bastante alta que puede alcanzar los 50-52 "C. Ningún antígeno específico del grupo ha sido encontrado. Garvie y Farrow (1981) habían colocado previamente estas cepas estreptocócicas en el mismo grupo, basándose en la homología entre su ADN y el ARN ribosomal de la cepa tipo de Streptoeoccus bovis (esta cepa ahora pertenece a la especie Streptoeoccus equinus; Schleifer y Kilpper-Bâlz , 1987), pero en diferentes criterios. Además, la hibridación molecular ADN-ADN entre varias cepas de S thermophi / us y S salivarius solo ha producido una homología del 60% en condiciones óptimas y del 30% en condiciones de hibridación rigurosas (Schleifer y Klllper-Bâlz, 1987). Delbrueckii subsp bulgaricus: L delbrueekii subsp bulgarieus es homofermentativo, fermenta pocos carbohidratos, es decir, glucosa, lactosa, fructosa y, a veces, galactosa o manosa, y tiene una alta temperatura de crecimiento (hasta 48 o 50 OC). Su ADN mol G + C varía de 49 a 51% (Kandler y Weiss, 1986). Recientemente se ha desarrollado una sonda de ADN específica para L delbrueekii, que permite diferenciar esta especie de otros lactobacilos, lactococos y propionibacterias. El papel de los estreptococos y los lactobacilos en la fabricación de yogur se puede resumir de la siguiente manera: acidificación de la leche, síntesis de compuestos aromáticos, desarrollo de la textura y viscosidad. La evaluación de las propiedades de acidificación es difícil debido a la alta capacidad amortiguadora de la leche y la falta de un procedimiento estándar. La evaluación de la formación del aroma se basa generalmente en la producción de acetaldehído, un compuesto aromático principal del yogur, mientras que el carácter espesante se basa en las mediciones de la viscosidad de la leche.
Desde 1980, muchos estudios sobre S. thermophilus y L bulgaricus han conducido a una mejor comprensión de algunos aspectos metabólicos y bioquímicos de estas bacterias que controlan su crecimiento, especialmente en cultivos mixtos. Por ejemplo, el metabolismo de la lactosa y la galactosa se han estudiado mucho a nivel bioquímico y molecular. Además, se han investigado algunas enzimas involucradas en la producción de compuestos aromáticos. La producción de polisacáridos exo celulares por bacterias del yogur está ahora bien establecida y algunos de estos polímeros han sido estudiados.
