Bacterias, levaduras y hongos en biotecnología
El pan que comprás en la panadería del barrio, el yogur del desayuno y el vino Tannat de Canelones tienen algo en común: detrás hay microorganismos trabajando. Las bacterias, las levaduras y otros hongos crecen rápido, son baratos de cultivar y se pueden modificar. En esta página vas a ver cómo se reproducen, cómo intercambian genes y por qué la biotecnología los usa. Al final volvemos a una pregunta: ¿por qué una empresa elegiría bacterias o levaduras para fabricar una proteína humana?
Reproducción de las bacterias: la fisión binaria
Las bacterias son procariotas: no tienen núcleo y su ADN suele ser un único cromosoma circular. Se reproducen por fisión binaria, un proceso asexual:
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La bacteria duplica su cromosoma (replicación del ADN).
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La célula se alarga y las dos copias se separan hacia extremos opuestos.
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Se forma un tabique en el medio y la célula se parte en dos.
De una célula madre salen dos células hijas, genéticamente idénticas entre sí (salvo alguna mutación). Eso es una clonación natural.
Crecimiento exponencial
Si cada bacteria se divide cada cierto tiempo (tiempo de generación), la población se duplica en cada ciclo. Después de $n$ divisiones, partiendo de una sola célula, hay $2^n$ bacterias.
Las bacterias se reproducen principalmente por fisión binaria. Describí en qué consiste este proceso y cuántas células hijas se originan a partir de una célula madre.
Las bacterias se reproducen principalmente por fisión binaria. Describí en qué consiste este proceso y cuántas células hijas se originan a partir de una célula madre.
Una bacteria se divide por fisión binaria cada 30 minutos en condiciones ideales. Si se parte de una sola bacteria, calculá cuántas habrá al cabo de 3 horas, suponiendo…
Una bacteria se divide por fisión binaria cada 30 minutos en condiciones ideales. Si se parte de una sola bacteria, calculá cuántas habrá al cabo de 3 horas, suponiendo que ninguna muere. Explicá cómo llegaste al resultado y qué tipo de crecimiento representa.
Transferencia parasexual de genes
La fisión binaria genera clones, pero las bacterias igual pueden incorporar genes de otras. No hay gametos ni fecundación (por eso no es reproducción sexual), pero sí intercambio de ADN: se la llama transferencia parasexual o horizontal, porque pasa material genético sin que haya reproducción. Hay tres mecanismos:
| Mecanismo | Qué pasa | Qué se transfiere |
|---|---|---|
| Conjugación | Dos bacterias se unen por un puente (pili) y una pasa ADN a la otra | Generalmente un plásmido |
| Transformación | La bacteria capta ADN libre del ambiente (de bacterias muertas) | Fragmentos de ADN |
| Transducción | Un virus que infecta bacterias (bacteriófago) lleva ADN de una bacteria a otra | Fragmentos del ADN bacteriano |
Estos mecanismos explican, por ejemplo, cómo se difunde la resistencia a antibióticos entre bacterias, y son la base natural de lo que después se hace en el laboratorio con plásmidos (pequeños ADN circulares extra que sirven de vectores).
Las bacterias no tienen reproducción sexual, pero pueden intercambiar genes. Explicá en qué consisten la conjugación, la transformación y la transducción, y por qué se…
Las bacterias no tienen reproducción sexual, pero pueden intercambiar genes. Explicá en qué consisten la conjugación, la transformación y la transducción, y por qué se las llama mecanismos de transferencia parasexual de genes.
Levaduras: hongos unicelulares
Las levaduras son hongos unicelulares eucariotas. La más famosa es Saccharomyces cerevisiae, la levadura del pan, del vino y de la cerveza. Sin oxígeno, hace fermentación alcohólica:
$$\text{glucosa} \rightarrow \text{etanol} + \text{CO}_2 + \text{ATP}$$-
El CO₂ forma burbujas en la masa del pan: por eso la masa crece. El horno evapora el alcohol.
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En el vino y la cerveza interesa el etanol; el CO₂ aporta la espuma de la cerveza.
Las levaduras se reproducen sobre todo por gemación: en la célula madre aparece una yema (brote) que crece, recibe una copia del núcleo y finalmente se separa (o queda unida formando cadenas). Es asexual y rápida, aunque en condiciones adversas también pueden formar esporas.
Las levaduras son hongos unicelulares muy usados en la elaboración del pan y de bebidas fermentadas. Nombrá la levadura más conocida utilizada con estos fines y explicá…
Las levaduras son hongos unicelulares muy usados en la elaboración del pan y de bebidas fermentadas. Nombrá la levadura más conocida utilizada con estos fines y explicá qué producto de su metabolismo hace que la masa del pan crezca.
Camila observa en el microscopio una muestra de levaduras y ve células pequeñas con una «yema» unida a una célula mayor. Identificá qué tipo de reproducción está viendo,…
Camila observa en el microscopio una muestra de levaduras y ve células pequeñas con una «yema» unida a una célula mayor. Identificá qué tipo de reproducción está viendo, describila y compará esta estructura con las hifas de un hongo filamentoso como el moho del pan.
Hongos filamentosos y clasificación ecológica de la funga
Los hongos filamentosos (mohos, como el que aparece en el pan viejo) no son unicelulares: están formados por filamentos llamados hifas, que juntas forman el micelio. Las hifas crecen por sus extremos y se extienden por el sustrato, al que le secretan enzimas digestivas y absorben los nutrientes ya digeridos (nutrición heterótrofa por absorción). Se reproducen principalmente por esporas.
| Levadura | Hongo filamentoso |
|---|---|
| Una sola célula | Hifas pluricelulares (micelio) |
| Reproducción por gemación | Reproducción por esporas y crecimiento del micelio |
| Saccharomyces cerevisiae | Moho del pan, Penicillium |
Penicillium produce penicilina, el primer antibiótico, y también interviene en la maduración de algunos quesos.
Al conjunto de los hongos se lo llama funga. Según su forma de vida se clasifica en cuatro grupos ecológicos:
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Micorríticos: viven asociados a las raíces de plantas (micorrizas). La planta le entrega al hongo azúcares (que produce por fotosíntesis); el hongo le entrega a la planta agua y minerales (como fósforo) que el micelio absorbe mejor.
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Saprofitos: se alimentan de materia orgánica muerta (hojarasca, madera, restos). Son descomponedores.
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Liquenizados: viven en simbiosis con un alga o una cianobacteria, formando un liquen.
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Parásitos: se alimentan de un hospedador vivo y lo perjudican (por ejemplo, los hongos que causan micosis o enfermedades de los cultivos).
La funga se puede clasificar según la forma de vida de sus integrantes. Nombrá los cuatro grupos ecológicos que estudiaste (micorríticos, saprofitos, liquenizados y…
La funga se puede clasificar según la forma de vida de sus integrantes. Nombrá los cuatro grupos ecológicos que estudiaste (micorríticos, saprofitos, liquenizados y parásitos) y explicá en una frase en qué consiste cada uno.
En un criadero de pinos de Rivera, un técnico observa que los árboles crecen mejor cuando sus raíces están asociadas con ciertos hongos. Analizá qué tipo de relación…
En un criadero de pinos de Rivera, un técnico observa que los árboles crecen mejor cuando sus raíces están asociadas con ciertos hongos. Analizá qué tipo de relación ecológica es esta, qué beneficia recibe cada organismo y a qué grupo de la clasificación ecológica de la funga pertenecen estos hongos. Luego compará esta relación con la de los líquenes.
Usos biotecnológicos y elección del microorganismo
Los microorganismos se usan desde hace miles de años (biotecnología tradicional) y hoy también se modifican genéticamente (biotecnología moderna):
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Levaduras: pan, vino (Tannat), cerveza artesanal.
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Bacterias: yogur y queso (bacterias lácticas), y bacterias modificadas para producir fármacos como la insulina.
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Hongos filamentosos: antibióticos como la penicilina y maduración de quesos.
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Plásmidos: vectores para llevar genes a una bacteria.
¿Bacteria o levadura para producir una proteína humana en un biorreactor?
| Bacteria (E. coli) | Levadura (S. cerevisiae) | |
|---|---|---|
| Tipo de célula | Procariota | Eucariota |
| Reproducción | Muy rápida (cada ~20-30 min) | Rápida, algo más lenta |
| Modificaciones de la proteína | Limitadas: no hace muchas modificaciones postraduccionales | Realiza más modificaciones (plegado, adición de azúcares) |
| Costo y cultivo | Muy simple y barato | Simple y barato |
| Plásmidos | Muy usados como vectores | También se usan |
Si la proteína es sencilla (como la insulina), la bacteria da mucha cantidad en poco tiempo. Si necesita modificaciones complejas para ser funcional, conviene la levadura, aunque el rendimiento sea algo menor.
Una empresa quiere producir una proteína humana usando bacterias en un biorreactor, pero un asesor propone usar levaduras. Argumentá las ventajas y desventajas de cada…
Una empresa quiere producir una proteína humana usando bacterias en un biorreactor, pero un asesor propone usar levaduras. Argumentá las ventajas y desventajas de cada microorganismo para este fin, considerando su tipo de célula, velocidad de reproducción y capacidad de modificar proteínas. Concluí cuál elegirías y justificá tu decisión.
Volvé al principio: las empresas eligen bacterias cuando importa la velocidad y el costo (la población se duplica cada ~30 minutos) y levaduras cuando la proteína necesita maquinaria eucariota.