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domingo, 17 de noviembre de 2019

¿Comeremos metano en el futuro?



Si es un fan de la Ciencia-Ficción seguro que conoce la película "Soylent Green" (aquí se tituló "Cuando el destino nos alcance"). Si no lo es, le recomiendo que la vea si tiene ocasión. En el año 2022 el mundo estará superpoblado y nos alimentaremos a base de unas galletitas nutritivas que producirá la compañía "Soylent". Esas galletitas están hechas a base de microorganismos y sazonadas con un ingrediente especial.

La película está inspirada en una novela escrita en 1966 en la que se describe ese mundo superpoblado. Cuando la MGM compró los derechos le dio carta blanca al guionista Stanley R. Greenberg para crear una distopía completamente distinta y mucho más desasosegante. En los años 70 del pasado siglo una de los temas recurrentes era la respuesta a la pregunta ¿Cómo vamos a alimentar a tanta gente? Y una de las respuestas era la producción de proteína unicelular o SCP (por Single Cell Protein). O en otras palabras: comer microbios. La idea no es tan extraña como puede parecer a primera vista. De hecho, ya comemos microbios cuando nos tomamos un yogur. La pequeña diferencia reside en que en lugar de usar leche para crecer microbios, lo que se pensaba usar era petróleo o alguno de sus productos derivados.

La británica ICI (Imperial Chemical Industries) fue la primera compañía en poner en práctica dicha idea. El microorganismos utilizado fue la bacteria Methylophilus methylotropha, y la fuente de carbono sería el metanol producido como subproducto en las refinerías de pteróleo. Se diseñó el fermentador más grande del mundo para la producción a gran escala. Era un fermentador de vaina hundida con un volumen de trabajo de 1.000 m3 (1.000.000 de litros). El producto fue bautizado como Pruteen y tenía una composición nutricional muy buena (más de un 70% del peso seco era proteína). Sin embargo, cuando se consiguió establecer la producción en el año 1980, no pudo competir económicamente con la soja. La tonelada de Pruteen costaba 600 dólares, mientras que la soja costaba como máximo 190 dólares. Así que la fábrica quebró y fue demolida en 1988.



Pero la idea de la SCP no ha muerto, solo se ha transformado. Hay un par de compañías que han puesto a punto plantas piloto para producir SCP a partir de metano, otro subproducto de la producción del petróleo. Cada año se queman 140.000 millones de metros cúbicos de metano en esas instalaciones (un 30% del consumo de gas natural de la Unión Europea). Así que la idea es utilizar ese metano para dar de comer a la bacteria metanotrofa Methylococcus capsulatus. Luego lo que hay que hacer es procesar a la bacteria y convertirla en pienso para el ganado o para peces. Como he apuntado antes hay dos compañías que están desarrollando la idea. Una es la norteamericana Calysta, y la otra la compañía danesa Unibio. Esta última parece que ha conseguido financiación para pasar de planta piloto a planta industrial. La primera factoría parece que se va a establecer en Rusia, pero tienen planes de poner otra en los Estados Unidos.

La compañía Unibio utiliza un fermentador en bucle impulsado por inyección de gas conocido en inglés como U-loop Fermenter (parece que Calysta también usa un biorreactor parecido, pero en su web no dan detalles de ello). El U-loop Fermentor tiene un diseño ingenieril peculiar (ver la figura de abajo). El fermentador está enterrado, pues de esa forma las paredes pueden aguantar la presión interna debida a la inyección de gas natural y de oxígeno. En el fermentador además hay que inyectar sales minerales y una fuente de nitrógeno (puede ser amonio gaseoso) (5). Es un cultivo en crecimiento continuo que debe mantenerse a 45ºC de temperatura gracias a un intercambiador de calor (7). En un cultivo continuo está entrando un flujo constante de nutrientes (5) y por otro lado se está retirando el mismo volumen de cultivo con biomasa bacteriana (2). La parte superior del fermentador es un depósito de gran volumen que está parcialmente lleno para actuar como cámara de desgasificación (1) que permite que el CO2 producido pueda ser liberado (3). En esa cámara está también la salida del medio conteniendo microorganismos (2). La impulsión del fluido no solo es por la inyección del gas, también tiene incorporado una bomba que impulsa el fluido hacia la cámara de desgasificación (el punto 4 es el motor y el punto 6 es la turbina de impulsión). Adicionalmente, tiene una serie de deflectores internos en espiral que permiten la correcta mezcla de las fases gaseosas, los nutrientes adicionales y las bacterias (8). El tamaño del fermentador de la planta piloto es de 50 m3 y puede llegar a producir 4 kilogramos de biomasa por metro cúbico y por hora.

Esquema del U-loop Fermenter de la compañía Unibio. La explicación del funcionamiento está en el texto


El cultivo con la biomasa bacteriana se centrifuga para concentrar las células y posteriormente se las somete a un proceso de ruptura. El extracto pasa a una unidad de secado por espray de aire caliente. De esa forma se consiguen gránulos de proteína unicelular con un contenido de un 72,9% de proteína. La compañía ha bautizado a este producto con el nombre de UniProtein.

El aspecto final del producto UniProtein. Fuente de la imagen: Unibio


Como he indicado antes, el Uniprotein es para piensos, pero quién sabe. Quizás en un futuro vendan galletitas con el nombre de Unisoylent.

domingo, 3 de noviembre de 2019

Domesticando microbios

Las consecuencias de la domesticación. Origen de la imagen: Finofilipino.


Hace unos 15.000 años los humanos comenzamos a domesticar a una especie de lobo gris (Canis lupus) y la transformamos en perro (Canis familiaris). Es muy probable que hace 23.000 años comenzáramos la proto-domesticación de algunas plantas. La transformación de una especie silvestre en una especie domesticada es algo relativamente sencillo. Lo único que tienes que hacer es controlar la reproducción y escoger las características que más te interesa que se perpetúen en la especie que vayas a domesticar. Si esas características son heredables poco a poco se irán fijando en la población domesticada. Al mismo tiempo, la población silvestre irá disminuyendo. La fijación de las características heredables parece que es mucho más rápida cuando se trata de domesticar animales que en las plantas. Es probable que sea porque el "aislamiento genético" necesario para la especiación es más fácil de conseguir con un animal que con una planta. En 1958 el biólogo ruso Dmitri Beliáyev realizó el llamado "experimento de domesticación del zorro". Lo que hizo fue tomar una población de zorros (Vulpes vulpes) y seleccionó para su cría a aquellos zorros que mostraban más miedo hacia los humanos. Luego volvía repetir la selección con los descendientes. Solo dejaba reproducirse a un 10% de cada generación creando lo que se conoce como "cuello de botella" genético. En la cuarta generación los zorros ya meneaban la cola al ver a un humano. En la sexta generación ya había cachorros que gemían de alegría al ver a un humano y se acercaban a lamer las manos a la manera de un perro doméstico. A lo largo del experimento, que aún continua, 10.500 zorros han sido usados como progenitores y 50.000 cachorros han sido examinados por su carácter domesticable. Los cambios genéticos observados afectan sobre todo a la reducción de los niveles de hormonas como la adrenalina y el cortisol.

Pues bien, los humanos hicimos algo parecido con los microbios, aunque no fuéramos conscientes de ello. Hace unos 15.000 años, en una zona de Oriente Medio (ver mapa) apareció la cultura preneolítica conocida como Natufiense. Hay evidencias que muestran que dicha cultura ya elaboraba pan hace 14.400 años. Ese pan era elaborado a partir de un triturado de diversas gramíneas junto con otros vegetales. Luego ese harina se mezclaba con agua y se elaboraba una masa con la que hacían una especie de tortas que calentaban en un fuego. Desconocemos si en la elaboración de ese pan se dejaba fermentar la masa antes de ser cocida pero, 1000 años después, alguien de la misma cultura que habitaba la cueva israelí de Raqefet, ya había aprendido a germinar los granos de cereal para después tostarlos, molerlos, mezclarlos con agua y dejarlos fermentar. Es decir, alguien había comenzado a elaborar cerveza siendo la primera prueba arqueológica de la domesticación de los microbios.

La cultura Natufiense, el pan y la cerveza. El mapa de la izquierda muestra los principales asentamientos de dicha cultura (origen de la imagen, Wikipedia). En el centro se muestra el hogar donde se han encontrado restos de cocción del pan (excavación de Shubayqa, cerca de Wadi Uwainid. Origen de la imagen, Arranz-Otaegui et al.). A la derecha los morteros hechos con rocas utilizados para almacenar grano y los morteros en roca utilizados para machacar dichos granos y elaborar cerveza (excavación de la cueva de Raqefet, cerca de El Wad. Origen de la imagen, Liu et al.).  


Nuestros antepasados eran antiguos pero no tontos. Si elaboraban cerveza eso implica que conocían que el proceso de fermentación era reproducible. Así que no es difícil imaginar que si les salía una partida de cerveza con un sabor mejor que el de otra partida de cerveza, seguramente utilizarían la primera como inóculo de las siguientes fermentaciones. Pero aquí hay una diferencia con respecto a las plantas o los animales. No podían aislar a un solo microorganismo, lo que aislaban era a un conjunto de ellos. Sin embargo, consiguieron crear un "cuello de botella" ya que lo que seleccionaron eran comunidades microbianas que crecían de manera óptima en el caldo de cultivo consistente en el cereal malteado y cocido en agua. En esas condiciones los microbios que más prosperan son las levaduras, ya que son capaces de crecer en medios con altas concentraciones de azúcar, con poco oxígeno y con presencia de alcohol. Seguramente, los antiguos debieron notar que algunas cervezas les ponían más "contentos" que otras, porque la resistencia al alcohol parece que es uno de los caracteres que fue seleccionado durante este proceso de domesticación.

En el año 2016 el grupo de Kevin J. Verstrepen realizó el primer análisis filogenético de cepas domesticadas de Saccharomyces cerevisiae. Su análisis se vio complementado en el año 2018 por el grupo de Feng Yan Bai, que analizó 106 cepas silvestres y 166 cepas industriales. En ese análisis concluyó que el ancestro común de todas las cepas de S. cerevisiae proviene del Lejano Oriente. En una reciente revisión aparece publicado un árbol filogenético con todas las cepas analizadas hasta el momento. Lo que muestra es que hay dos ramas con levaduras domesticadas: la rama asiática con levaduras especializadas en fermentaciones sobre sustrato sólido, y la rama europea, con levaduras especializadas en las fermentaciones líquidas. Aún no se sabe si las levaduras fueron primero domesticadas en Asia y desde allí se extendieron al resto del mundo, o si por el contrario la domesticación fue realizada de manera independiente en Europa y Asia. ¿Por qué no se sabe? Pues porque precisamente faltan por analizar muestras de cepas de levaduras industriales originarias de zonas del Oriente Medio (no sé si algún grupo lo está llevando a cabo o si esa falta se debe a que no existen. Recordemos que en el Islam las bebidas fermentadas están prohibidas).

Árbol filogenético de la levadura Saccharomyces cerevisiae. La rama verde de la derecha son las cepas silvestres. La rama naranja son las cepas industriales asiáticas, que son usadas sobre todo para hacer pan. La rama roja son los aislados industriales europeos, que se utilizan principalmente en la elaboración de bebidas alcohólicas. Dentro de esa rama hay dos anomalías. El primero son las de cepas silvestres aisladas de la encina (mediterranean oak) que está relacionado con las levaduras del vino. Se piensa que su origen está en un "asilvestramiento" de las levaduras vínicas. El segundo es más extraño. Es el cluster de levaduras usadas en las fermentaciones lácticas en la zona de Mongolia. ¿Las habrá llevado de vuelta un conquistador mongol desde Europa hasta las estepas asiáticas? Confiemos en que futuros análisis despejarán ambos enigmas. Origen de la imagen: Steensels et al. 2019


En esa misma revisión se habla de los diversos procesos biológicos implicados en la domesticación de los microorganismos usados en la industria. Hay cambios genéticos como la pérdida de genes o la decadencia del tamaño del genoma. También se han encontrado hibridaciones interespecíficas (recordemos aquí el origen de la levadura S.pastorianus), transferencias genéticas horizontales, aneuploidía, recombinaciones cromosómicas. Por ejemplo, las levadura vínicas tienen una alta resistencia al cobre, algo lógico si tenemos en cuenta que el sulfatado de las cepas era una práctica habitual en la viticultura. En el caso de las levadura cerveceras se ha encontrado que tienen aumentada su capacidad de metabolizar la maltotriosa y que tienen duplicados los genes MAL, una adaptación para aprovechar eficazmente los azúcares provenientes del almidón de los cereales. En los lactobacilos se ha encontrado que han perdido capacidades para biosintetizar aminoácidos pero a cambio tienen genes para lactasas y proteasas adquiridos por transferencia horizontal. Lo mismo ha ocurrido con los genes para amilasas codificados por el hongo Aspergillus oryzae, utilizado en el procesamiento del arroz para así producir sake. Confío en que gracias a las nuevas técnicas analíticas, tanto en el campo de la arqueología como en el campo de la filogenia molecular, vamos a ir rellenando más y más huecos sobre la relación histórica entre los humanos y los microbios.

Consecuencias de la domesticación de la levadura
Meme generado usando imágenes sin copyright de la Wikipedia


Recientemente, la revista "Trends in Genetics" ha escogido a Saccharomyces cerevisiae como genoma del mes.

Mi agradecimiento a Dani Torregrosa (@DaniEPAP) por sus ánimos para que retomase el blog. Espero ser más constante esta vez.