Mejora de la producción de metabolitos secundarios en Streptosporangium

Improved secondary metabolite production in the genus
Streptosporangium by optimization of the fermentation
conditions

Christoph Pfefferle, Uwe Theobald, Hanne Gürtler, Hans-Peter Fiedler

Journal of Biotechnology 80 (2000) 135–142

Artículo original

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168165600002492

Comentario realizado por:

Marina Serrano Maciá

Alicia Serrano Alcalá

María Dolores Olivares Vicente

Patricia Ros Tárraga

Adrián Cabezas Fuster

INTRODUCCIÓN: ESTADO ACTUAL DEL TEMA

La obtención masiva de metabolitos secundarios como antibióticos se necesaria debido al aumento de patógenos resistentes, a la aparición de enfermedades nuevas y a la toxicidad de los compuestos utilizados actualmente. Por lo tanto, se han utilizado varias estrategias para encontrar nuevos fármacos bioactivos y para explotar la producción de los ya conocidos en géneros no tan bien estudiados..

Para ello se ha trabajado con dos géneros estrechamente relacionados: Streptomyces y Streptosporangium. Streptomyces  debido al hecho de que sólo una pequeña parte de su capacidad biosintética se utiliza hoy en día y Streptosporangium (perteneciente al grupo de los actinomicetos raros), debido a que es un género desconocido y por su escasa producción de antibióticos y baja productividad.

HIPÓTESIS DE TRABAJO

¿Es Streptosporangium un candidato para producir metabolitos secundarios de interés bajo las condiciones de fermentación de Streptomyces?

DISEÑO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS

Ø  En primer lugar se cultivaron cepas de Streptosporangium partiendo de las condiciones óptimas de Streptomyces en fermentaciones discontinuas:

·         Agitación a 500 rpm

·         Volumen de aireación 1  (volumen gas partido volumen de líquido de trabajo y minuto)

·         Turbina de Rushton

Aquí podemos observar que, manteniendo la presión de oxígeno constante durante el proceso, el crecimiento celular comienza a partir de las 50 horas y, tras 5 días (120h), alcanza la fase estacionaria, donde comienza a producir el metabolito secundario. Finalmente se observa que la concentración final de producto es muy baja.

Ø  En los siguientes experimentos se variaron las condiciones de fermentación para maximizar la productividad, que fueron la velocidad de agitación de 500 a 750 rpm y diferentes volúmenes de aireación.

El pH, la presión de oxígeno y el crecimiento celular se mantienen constantes (por ello no se representan en la gráfica), pero la producción de metabolito secundario experimenta un máximo a 4  y va disminuyendo a valores superiores.

Ø  A continuación se utilizaron diferentes sistemas de agitación (750 rpm, 4  y presión de oxígeno constante).

Aquí podemos observar que se obtiene una mayor producción con la turbina marina que con la turbina Rushton, empleada en los experimentos anteriores. Este resultado se confirma con los dato de la siguiente tabla:

A partir de la tabla se puede apreciar que se consigue 18 veces más de producto al optimizar:

-          Velocidad de agitación

-          Volumen de aireación

-          Sistema de agitación

Ø  A continuación se llevó a cabo un experimento adicional para comprobar si realmente era el oxígeno el gas que influía en la producción de una mayor cantidad  de metabolito secundario (porque los gases en general pueden afectar a la variabilidad del metabolito).

En la gráfica se observa que la mayor producción de metabolito secundario se produce con el mayor suministro de oxígeno.

Ø  Finalmente, se realizó un experimento con una cepa de Streptomyces utilizando las mismas condiciones óptimas de Streptomyces, pero utilizando diferentes volúmenes de aireación.

En la gráfica se observa un máximo de producción a 0.5  (bajas tasas de aireación). 
Se pretenden confirmar las condiciones óptimas de Streptomyces y confirmar que son completamente diferentes a las del género Streptosporangium, pudiéndose observar que Streptomyces tiene producción óptima a bajos volúmenes de aireación; mientras que Streptosporangium la tiene a elevados volúmenes (en este caso fue a 4). 

CONCLUSIÓN

Para mejorar la formación de metabolito secundario es necesaria la optimización de las condiciones de fermentación.

Se demostró que el oxígeno tiene un gran impacto sobre el rendimiento de producción de metabolito secundario variando la velocidad y sistema de agitación y el volumen de aireación que mejoraban su transferencia y suministro hacia las células, por lo que se concluyó que el tamaño de la burbuja influía en la producción de metabolitos secundarios. Además, mediante los experimentos realizados se obtuvieron las condiciones óptimas de Streptosporangium, que eran una velocidad de 750 rpm de agitación, una turbina marina que disminuía el efecto de cizallamiento sobre las células en suspensión y un volumen de aireación de 4 . En estas condiciones se obtiene 18 veces más de producto que utilizando las condiciones iniciales correspondientes a Streptomyces, que son totalmente diferentes, como se demuestra en el último experimento.

            Por otra parte, debido a la optimización de las condiciones de fermentación, se consiguieron aislar nuevos metabolitos secundarios en diversos géneros de Streptomyces.

            El proceso de optimización sirve para aumentar la producción de los metabolitos ya conocidos de ambos géneros y permitir el descubrimiento de nuevos, ya que previamente su producción basal era tan baja que no se podía detectar su presencia.

            Una vez obtenidos se procederá a su estudio para conocer su utilidad, por ejemplo, como fármaco.