Bioransformaciones y sus aplicaciones industriales

Dr. J.V. Sinisterra GagoBiotransformations group. Facultad de Farmacia.

Universidad ComplutenseMadrid. España

www.biotransformaciones.com

BIOTECNOLOGIA: REALIZACIONES Y PRESPECTIVAS

BIOTECNOLOGÍA. Ciéncia Interdisciplinar que se basa en laUtilización de enzimas, orgánulos, células, tejidos, animales o

plantas para la producción de substancias de interés industrial,para mejorar la calidad de vida o para preservar el Medio Ambiente

La Fermentación se conoce desde hace tiempo v.g.:fermentación alcohólica. En ella, el producto obtenido es el resultado de un proceso metabólico del microorganismo vivo. Como principales características del proceso, cabe citar:

a)Se necesitan células en crecimientob)Se obtienen productos naturalesc)Se necesitan fuentes de Carbono, de Nitrógeno y de

nutrientes en general para favorecer el crecimiento celular.

La transformación Microbiana, verdadero proceso Biotecnológico, no necesita que la célula esté viva durante el proceso en cuestión. Sólo se necesita que esté viva a la horade producir la enzima a partir del DNA- generalmenteinsertado vía vector. En este proceso las células pueden

trabajar con substratos no naturales, siendo las células quiescentes o inviables, y estando además generalmente inmovilizadas.

Proceso ProcesoCondiciones de reacción Biotecnológico Químico

Temperatura Fisiológica AltaPresión Atmosférica VariableOrigen de la Energía de Cambio conform. Térmica

Activación de la Reacción de la enzimaDisolvente Agua(org) Agua(Org.)Especificidad de substrato Alta BajaEstereospecificidad Alta BajaRegiospecificidad Alta BajaConcent. substrato Baja AltaConcent. productos Baja Alta

Comparación entre un proceso quimico y uno biotecnológico

Distribución de empresas biotecnológicas por sectores

Química e Industria Oct-Nov. 2006, pp 14-38

Química e Industria Oct-Nov. 2006, pp 14-38

Distribución de las empresas Biotecnológicas en España

-Hacking MAPJ; Wegmaaan M.A.; ROPS J.; van Rantwijk F. y Sheldon R.A.- Enantioselectivesynthesis of aminoacid amines via enzymatic ammoniolysis of amino acid esteres- J.Mol.Catal.B:Enzymatic 5:155-157(1998)

Gotor V.-Pharmaceuticals through enzymatic transesterification and enzymatic aminolysis reactions.- Biocatalysis & Biotrans.2000,18,87-103

ON

S

COOH

NH

O

HH2N6-APA

Penicilil G acilasa

CONH2

H2N H

t BuOHCAL/NH3

H2N COOR

Detergentes Biológicos

Proteasas: hierba, sangre, sudor etc

Lipasas.- rojo de labios, grasas de comidas, mantequilla, aceite, salsas, manchas de cuellos y puños

Amilasas.- pastas, puré de patatas, natillas, salsas, chocolote.-

Efecto de las amilasas es el aumento del color y mejor aspecto despues del lavado

Entorno I+D+I

1.- España dispone de una oferta científico-tecnológica de calidad comparable a la media europea. No tiene masa critica

2.-La mayor concentración de recursos humanos y técnicos se dan en la universidades y en al CSIC, peor no en las empresas

Universidades CSIC

1.- UCM 1.-Centro de Biotecnología

2.-Autónoma de Barcelona 2.- Centro Investigaciones

3.-Central de Barcelona Biológicas

4.- Navarra

5.-Autónoma de Madrid

Infore ASEBIO 2005

Relación de las Biotransformaciones con la Química sostenibleObjetivos de la QUIMICA SOSTENIBLE

Hacer de manera selectiva procesos queno puede realizar la Química convencional

1) Reducir el numero de pasos de la síntesis2) Evitar la producción de subproductos.-Compuestos homoquirales3) Condiciones suaves de proceso -T ambiente, P atmosférica, Medio acuoso

o disolventes poco contaminantes4) Utilización de catalizadores muy activos y que sean lo mas selectivos posible.-

Biocatalizadores5) Desarrollo de metodologías analíticas que permitan el seguimiento en tiempo real del proceso y el control previo de la posible formación de substancias peligrosas.-

Biosensores

a) Minimización de residuos y lograr el control de efluentesb) Simplificar los procesos de purificación de producto finalc) Obtener buenos rendimientosd) Reducir al mínimo la formación de productos concomitantese) Evitar ó reducir al mínimo el riego de producción de fuegos, explosiones o emisiones

contaminantes.

Ejemplos de aplicaciones industriales

Producción de D- p-hidroxifenilglicina- Penicilinas y cefalosporinas sintéticas

1.- Síntesis química de la hidantoina racémica

2.- Hidrólisis catalizada por D-hidantoinasa (EC 3.5.2.2)de P. putida

3.- Hidrólisis catalizada por D-carbamoilasa de Blastobacter sp.

Ogawa & Shimizu J.Mol.Catal.B: Enzymatic 1997, 2,163-176; TIBTECH 1999, 17, 13- 20

Technical steps in a Biocatalysed process

1) Screening for the most interesting biocatalyst

2) Optimization of the reaction conditions

3) Immobilization – stabilization of the biocatalyst

4) Scale up of the process.

Adenosine production from free and immobilised E. gergoviae whole cells. [uridine]=30mM; [adenine]= 10mM; T=70ºC; Vr=50ml. Catalyst weight in

Experimental Part. [whole cell] = 15,000 cells added.

Microorganism Temperature(ºC) Support Adenosine yield (%)

X. traslucens 60 None 23(4hrs)

S.marcenses 60 None 71(4hrs)

60 Agar a 94(14hrs)

60 Agar b 95(95hrs)

E. gergoviae 70 None 89(1hr)

70 Alginate 80 (3hrs)

70 Agara 87(3hrs)

70 Agarosea 86(3hrs)

70 Polyacrylamidea 99(3hrs)

a Small cubes 0.2 x 0.2 x 0.2 cm.bin small beads (106 μm) S. marcenses CECT 977

immobilized in agarose (2%)

S. Marcenses CECT 977

immobilised in agar from Gracilaria(2%)