Monografias | Biotecnología - Tecnología Enzimática

 La tecnología enzimática tiene como objetivo la superación de todos aquellos inconvenientes que parecen retrasar la aplicación de las enzimas en estos procesos a escala industrial, las enzimas son proteínas cuya función biológica es catalizar las reacciones que suceden en las células. Esta área tiene aplicaciones desde tiempos remotos como la fermentación, actualmente en diferentes industrias a diferentes niveles, ya que implica la utilización de sistemas enzimáticos diversos que optimizan el procesamiento en la obtención de detergente, aditivos alimenticios, productos químicos y farmacéuticos. La tecnología enzimática se presenta como alternativa biotecnológica basada en que las industrias desarrollen productos de calidad homogénea, aprovechen óptimamente sus materias primas, aceleres sus procesos de producción, minimicen desperdicios y disminuyan el deterioro del medio ambiente.

DESCRIPTORES: Enzimas/ Catalizadores/ Industrias/ Biosíntesis/ Manipulación genética/ Producción de enzimas.

Las enzimas son catalizadores de origen biológico que parecen cumplir muchos de los requisitos necesarios para impulsar esta nueva industria química. Son catalizadores muy activos en medios acuosos y en condiciones muy suaves de temperatura, presión, pH, etc. Son catalizadores muy específicos: pueden modificar un único substrato en una mezcla de substratos muy similares e incluso pueden discernir entre dos isómeros de una mezcla racémica de un compuesto quiral, Son catalizadores muy selectivos: pueden modificar un único enlace o un único grupo funcional en una moléculas que tenga varias posiciones modificables.

A pesar de esas excelentes propiedades catalíticas, las enzimas han ido evolucionando a través de los siglos para cumplir mejor las necesidades fisiológicas de los seres vivos y no para ser utilizadas en sistemas químicos industriales. Así, las enzimas son catalizadores solubles, generalmente muy inestables y que sufren inhibiciones por substratos y productos. Además, las enzimas muchas veces no poseen todas las propiedades ideales (actividad, selectividad, etc) cuando queremos que catalicen procesos distintos de los naturales (por síntesis en lugar de hidrólisis), sobre substratos no naturales, en condiciones experimentales no convencionales (en disolventes orgánicos no-tóxicos).

A mediados de los años 50, la tecnología de las enzimas vivió su época de gran esplendor, creciendo a un ritmo desenfrenado. El progreso de la bioquímica ha derivado en una mejor comprensión de la gran variedad de enzimas presentes en las células vivas, así como un mejor conocimiento acerca de su modo de acción. Por ejemplo, su eficacia se puede aumentar extrayéndolas de los microorganismos y manteniéndolas aisladas. Las enzimas purificadas a través de este sistema no pierden sus propiedades; al contrario, estas preparaciones "sin células" devienen incluso más eficaces.

"A comienzos de 1970 la tecnología enzimático comenzaba a entrar en periodo de desarrollo industrial, dirigido a la producción de aminoácidos y azúcares a partir de glucosa isomerizada. En aquel momento, los mercados Europeos y Americanos se encontraban dominados por la comercialización de las enzimas proteolíticas utilizadas en la industria de los detergentes, pero existian grandes expectativas sobre el mercado de enzimas aplicadas a la industria alimentaría, al cual se le auguraba un crecimiento importante (Dunnill, 1980; Lewis y Kristiansen, 1985).

En 1981 el mercado mundial del azúcar se valoró en 200 millones de dólares y en 1985 la oficina de Valores Tecnológicos de USA lo cifraban en 250 millones. La interpretación mas clara es el mercado para las enzimas utilizadas en la industria ha crecido espectacularmente a lo largo de los años 1970, y que este crecimiento ha sido paralelo al desarrollo de un gran número de aplicaciones a la industria alimentaría. Se puede esperar en el futuro que el mercado experimente un aumento cuando las enzimas comiencen a utilizarse en procesos de producción de la industria química."(1)

En época más reciente se ha visto que puede utilizarse diversos tejidos vegetales y homogenados tisulares, obtenidos de distintas fuentes, como alternativas a las células microbianas y a las enzimas purificadas. Por consiguiente, la conclusión evidente es que existen una serie de preparaciones biocatalíticas para resolver una situación concreta, entre las cuales debe realizarse una elección. Por tanto, es conveniente considerar los criterios que debe manejarse en la elección del biocatalizador.

Las aplicaciones industriales tradicionales se refieren a la producción de una transformación útil por alguna enzima, bien sea natural o añadida intencionalmente. Entre las que podemos citar:

• Fermentación.- "La fermentación alcohólica es un ejemplo conocido de los procedimientos en que se efectúan alteraciones enzimáticas, tanto cuando se agrega alguna enzima como cuando se añade algún microbio vivo (levadura). Primero se calienta el grano amiláceo para gelatinizar el almidón, y luego se añade malta ( que contienen enzimas diastásicas) para convertir el almidón en azúcar fermentable (maltosa). Si el producto que se desea obtener es alcohol, se agrega entonces levadura. El empleo de amilasa en forma de malta es indudablemente la mayor aplicación industrial que tiene las enzimas, pero no es del todo conocida la acción de estas amilasas. La elaboración de vinagre con alcoholes es un proceso enzímico producido por un microbio vivo (Acetobacter aceti). Como el alcohol es oxidado y convertido en ácido acético con oxígeno de la atmósfera. Aislada de las bacterias, la enzima cataliza igualmente la oxidación, pero es mucho más económico valerse de la célula viva intacta."(2)
• Curtición.-" Primero se quitan a las pieles el pelo y el exceso de carne y luego se ponen en remojo para que se hinchen y se vuelvan más o menos porosas y permeables a las sustancias curtientes. El primer remojo se ha efectuado siempre mediante la acción enzimática. Cuando se observó que la hinchazón era producida parcial o totalmente por enzimas protealítina impura. La cantidad de material enzimático que se usa en la industria de curtiduría representa probablemente la mayor aplicación industrial de las enzimas después de la industria de fermentación."(3)
• Fabricación de queso.- "La operación más importante en la fabricación de queso es la coagulación de la caseína de la leche, que luego se trata para convertirla en queso. Se puede coagular la caseína mediante la adición de ácido o de enzimas quesos se fabrica coagulada la caseína con rennina, esta probablemente tiene una acción proteolítica muy débil que continua en el queso. La rennina produce un coágulo elástico del que se exprime fácilmente el suero. No es la única porteínasa que se usa en la elaboración del queso, pues también se emplea mezclas de rennina con pepsina. Asimismo se ha usado la papaína, y en este caso al parecer se asegura la proteólisis durante el añejamiento del queso. En los países balcánicos se emplea jugo de higos ( que contiene gran proporción de enzimas proteolíticas ficina). Para preparar el coágulo. La diferentes enzimas coagulantes hacen variar notablemente la naturaleza del queso."(4)

  Elaboración de pan.- Aún se discute el papel que desempeñan en la fabricación del pan las enzimas que se hallan en la harina. La harina cruda contiene cantidad relativamente pequeña de muchas enzimas, incluso una proteína del tipo de la papaína, que según creen algunos reblandece la masa. Al igual que todas las enzimas del tipo de la papaína, la proteinasa de la harina es inactivada por la oxidación. La harina de trigo contiene también pequeñas cantidad de -amilasa y gran proporción de -amilasa -amilasa. La adición de la -amilasa a la harina, generalmente en forma de harina de trigo malteado, ocasiona aumento de volumen de la hogaza. La amilasa agregada hidroliza parte del almidón y lo convierte en maltosa, con lo cual suministra mas azúcar para que fermente la levadura y origina la generación de mayor cantidad de dióxido de carbono. La -amilasa que ya existe en la harina coopera probablemente en el proceso mediante la desintegración de las dextrinas formadas por la -amilasa.

  "Proteinasas.- Son sustratos de las poteinasa todas las proteínas excepto las queratinaass. La hidrólisis es ordinariamente muy lenta. Las proteinasas desintegran también péptidos sencillos, pero de ordinario con mucha lentitud. Los productos superiores de degradación de las proteínas son descompuestos rápidamente. Los aminoácidos pueden ser liberados por acción proteolítica.

• Renina.- Se halla en el cuarto estómago de las terneras. Su acción proteolítica, si la tiene, es muy débil. Es un poderoso agente coagulador de la leche ( pH óptimo aproximadamente 5.4)
• Papaína.- Se halla en el látex del fruto verde de la papaya. Es típica de muchas enzimas vegetales como la ficina de la leche de higuerón, la asclepaína del vencetósigo y la bromelina del ananás. Una de sus características es su contenido de grupos SH, de que parece depender la actividad de la enzima. Por oxidación ligera se vuelve inactiva, pero es reactivada por agentes reductores, como la cisteína, HCN y otros, incluso los grupos SH en las proteínas que están siendo digeridas por las enzimas parcialmente activas. La papaína es relativamente resistentee con el calor, y empleada a temperaturas de 50 a 60°C, es muy rápida la proteólisis. La enzima coagula fácilmente la leche. Los microorganismos vivos son atacados rara vez por las proteinasas, pero la papaína ataca ciertos parásitos intestinales (áscaris) vivos. Descompone la hipurilamida con desprendimiento de amoniaco.
• Carbohidrasas.- Descomponen residuos de azúcares de carbohidratos superiores.

• -Amilasa.- Se hallan en las glándulas salivales, el páncreas, hongos, bacterias y la malta, que las contienen en abundancia. Descomponen los almidones y el glucógeno en dextrinas y disocian lentamente las dextrinas en maltosa y cantidad mínima de glucosa. Destruyen la estructura en cadenas ramificada del almidón (amilo pectina) y el glucógeno. Con el tempo pueden efectuar la destrucción casi total del almidón. La -amilasa de malta requiere calcio y puede ser una proteína cálcica. La -amilasa animal necesita cloruro.
• -amilasa.- Se halla en las plantas superiores, los granos la producen en abundancia. La enzima de los granos descomponen totalmente la amilasa y la convierte directamente en maltosa, también descompone la amilo pectina ( la porción de cadena ramificada del almidón) y el glucógeno, pero su acción se detiene donde se ramifica la cadena de hidratos de carbono. Cuando se rompe las cadenas ramificadas de hidratos de carbono entre las ramas ( en presencia de -amilasa), la -amilasa ataca los fragmentos de cadena recta así formados. De esta manera, las dos enzimas juntas hidrolizan más rápidamente el almidón que cualquiera de ellas por separado."(5)

En relación con las enzimas, la tecnología moderna contribuye al ahorro. Por ejemplo, permite la utilización del excedente de suero derivado de la fabricación del queso. La lactosa transforma el azúcar del suero en una mezcla de glucosa y galactosa con un sabor más dulce. Así, se refina el producto y se concentra en una especie de jarabe cuyo sabor recuerda el de la miel, con lo que las aplicaciones en el sector de la confitería industrial se hacen innumerables. Se usan también muchos otros tratamientos de las enzimas en la producción de edulcorantes modernos. Por ejemplo, EE.UU. se puede constatar que el jarabe del almidón de maíz tiene un alto contenido en fructosa, razón por la cual ha llegado a eclipsado a la sacarosa.

Las enzimas presentan muchísimas aplicaciones. Con los procedimientos modernos de fabricación de alimentos, benefician tanto a los sectores industriales como a los consumidores. Sus características específicas permiten a los industriales ejercer un control de calidad más estricto. Con un menor consumo de energía y unas condiciones de tratamiento más ligeras, su eficacia favorece el entorno. Pueden utilizarse para tratar los desechos biológicos resultantes de la fabricación de alimentos, puesto que las propias enzimas son biodegradables. Mediante una rápida absorción natural, las enzimas son el típico ejemplo de "tecnología verde".

La utilización empírica de preparaciones enzimáticas en la elaboración de alimentos es muy antigua. El cuajo, por ejemplo, se utiliza en la elaboración de quesos desde la prehistoria, mientras que las civilizaciones precolombinas ya utilizaban el zumo de la papaya. Sin embargo, hasta 1897 no quedó totalmente demostrado que los efectos asociados a ciertos materiales biológicos, como el cuajo o las levaduras pudieran individualizarse en una estructura química definida, llamada enzima, aislable en principio del organismo vivo global. Desde hace unas décadas se dispone de enzimas relativamente puros y con una gran variedad de actividades susceptibles de utilizarse en la elaboración de alimentos. Los progresos que están realizando actualmente la ingeniería genética y la biotecnología permiten augurar un desarrollo cada vez mayor del uso de los enzimas, al disponer de un suministro continuo de materiales con la actividad deseada aprecios razonables.

Los enzimas son piezas esenciales en el funcionamiento de todos los organismos vivos, actuando como catalizadores de las reacciones de síntesis y degradación que tienen lugar en ellos.

La utilización de enzimas en los alimentos presenta una serie de ventajas, además de las de índole económica o tecnológica. La gran especificidad de acción que tienen los enzimas hace que no se produzcan reacciones laterales imprevistas. Asimismo se puede trabajar en condiciones moderadas, especialmente de temperatura, lo que evita alteraciones de los componentes más lábiles del alimento. Desde el punto de vista de la salud, puede considerarse que las acciones enzimáticas son, en último extremo, naturales. Además los enzimas pueden inactivarse fácilmente cuando se considere que ya han realizado su misión, quedando entonces asimilados al resto de las proteínas presentes en el alimento.

Para garantizar la seguridad de su uso deben tenerse en cuenta no obstante algunas consideraciones: en aquellos enzimas que sean producidos por microorganismos, estos no deben ser patógenos ni sintetizar a la vez toxinas, antibióticos, etc. Los microorganismos ideales son aquellos que tienen ya una larga tradición de uso en los alimentos (levaduras de la industria cervecera, fermentos lácticos, etc.). Además, tanto los materiales de partida como el procesado y conservación del producto final deben ser acordes con las prácticas habituales de la industria alimentaría por lo que respecta a pureza, ausencia de contaminantes, higiene, etc.

Los enzimas utilizados dependen de la industria y del tipo de acción que se desee obtener, siendo éste un campo en franca expansión. A continuación se mencionan solamente algunos ejemplos.

 

• Industrias lácteas

"Como se ha indicado, el cuajo del estómago de los rumiantes es un producto clásico en la elaboración de quesos, y su empleo está ya citado en la Iliada y en la Odisea. Sin embargo, el cuajo se obtuvo como preparación enzimática relativamente pura solo en 1879. Está formado por la mezcla de dos enzimas digestivos (quimosina y pepsina) y se obtiene del cuajar de las terneras jóvenes. Estos enzimas rompen la caseína de la leche y producen su coagulación. Desde los años sesenta se utilizan también otros enzimas con una acción semejante obtenidos a partir de microorganismos o de vegetales.

Actualmente empieza a ser importante también la lactasa, un enzima que rompe la lactosa, que es el azúcar de la leche. Muchas personas no pueden digerir este azúcar, por lo que la leche les causa trastornos intestinales. Ya se comercializa leche a la que se le ha añadido el enzima para eliminar la lactosa. "(6)

 

• Panadería

   

En panadería se utiliza la lipoxidasa, simultáneamente como blanqueante de la harina y para mejorar su comportamiento en el amasado. La forma en la que se añade es usualmente como harina de soja o de otras leguminosas, que la contienen en abundancia. Para facilitar la acción de la levadura, se añade amilasa, normalmente en forma de harina de malta, aunque en algunos países se utilizan enzimas procedentes de mohos ya que la adición de malta altera algo el color del pan. La utilización de agentes químicos para el blanqueado de la harina está prohibida en España.
A veces se utilizan también proteasas para romper la estructura del gluten y mejorar la plasticidad de la masa. Este tratamiento es importante en la fabricación de bizcochos.

 

• Cervecería

   

A principios de este siglo (1911) se patentó la utilización de la papaína para fragmentar las proteínas presentes en la cerveza y evitar que ésta se enturbie durante el almacenamiento o la refrigeración, y este método todavía se sigue utilizando. Este enzima se obtiene de la papaya. Un enzima semejante, la bromelaína, se obtiene de la piña tropical.

Un proceso fundamental de la fabricación de la cerveza, la rotura del almidón para formar azúcares sencillos que luego serán fermentados por las levaduras, lo realizan las amilasas presentes en la malta, que pueden añadirse procedentes de fuentes externas, aunque lo usual es lo contrario, que la actividad propia de la malta permita transformar aun más almidón del que contiene. Cuando esto es así, las industrias cerveceras añaden almidón de patata o de arroz para aprovechar al máximo la actividad enzimática.

- Fabricación de zumos

A veces la pulpa de las frutas hace que los zumos sean turbios y demasiado viscosos, produciéndose también ocasionalmente problemas en la extracción y en su eventual concentración. Esto es debido a la presencia de pectinas (Véase página...), que pueden destruirse por la acción de enzimas presentes en el propio zumo o bien por enzimas añadidas obtenidas de fuentes externas. Esta destrucción requiere la actuación de varios enzimas distintos, uno de los cuales produce metanol, que es tóxico, aunque la cantidad producida no llegue a ser preocupante para la salud.

• Fabricación de glucosa y fructosa a partir del maíz

   

Una industria en franca expansión es la obtención de jarabes de glucosa o fructosa a partir de almidón de maíz. Estos jarabes se utilizan en la elaboración de bebidas refrescantes, conservas de frutas, repostería, etc. en lugar del azúcar de caña o de remolacha. La forma antigua de obtener estos jarabes, por hidrólisis del almidón con un ácido, ha sido prácticamente desplazada en los últimos 15 años por la hidrólisis enizmática, que permite obtener un jarabe de glucosa de mucha mayor calidad y a un costo muy competitivo. De hecho, la CE ha limitado severamente la producción de estos jarabes para evitar el hundimiento de la industria azucarera clásica. Los enzimas utilizados son las alfa-amilasas y las amiloglucosidasas. La glucosa formada puede transformarse luego en fructosa, otro azúcar más dulce, utilizando el enzima glucosa-someraza, usualmente inmovilizado en un soporte sólido.

 

• Refinado de azúcar

   

"La extracción de la sacarosa, a partir de la melaza de la remolacha azucarera puede complicarse por la presencia de rafinosa, un trisacárido que previene la cristalización. Para incrementar la recuperación del azúcar y mejorar el proceso, la rafinosa puede degradarse enzimáticamente. El resultado de esta degradación es doble; por un lado favorece la cristalización y, además, produce sacarosa como uno de los productos de la hidrólisis. La enzima -galactosida es producida por el hongo Morteirella vinaceae raffinosutilizer y puede ser empleada convenientemente para inmovilizar los residuos micelares que producen este organismo. La reacción hidrolítica se efectúa a pH superior a 5 para evitar la inversión de la sacarosa catalizada por el medio ácido. Algunas veces, se requiere un tratamiento similar en el proceso de obtención a partir de la caña de azúcar, donde el almidón es hidrolizado antes de la cristalización mediante el uso de -amilasa."(7)

• Otras aplicaciones

   

Los enzimas se utilizan en la industria alimentaría de muchas otras formas, en aplicaciones menos importantes que las citadas anteriormente. Por ejemplo, en la fabricación de productos derivados de huevos, las trazas de glucosa presentes, que podrían oscurecerlos, se eliminan con la acción combinada de dos enzimas, la glucosa-oxidasa y la catalasa. Por otra parte, la papaína y bromelaína, enzimas que rompen las proteínas, se pueden utilizar, fundamentalmente durante el cocinado doméstico, para ablandar la carne.

Algunas enzimas, como la lactoperoxidasa, podrían utilizarse en la conservación de productos lácteos.

Entre otros aditivos importantes que se encuentran en los detergentes están las enzimas, los cuales por lo general son sustancias de naturaleza proteínica, que se encargan de catalizar las reacciones en los seres vivos. La tecnología de enzimas en los detergentes se desarrolló a partir de la década de los años 60, como una herramienta más de éstos para atacar ciertos sustratos (generalmente protéicos) específicos. Las más comunes son las llamadas proteasas, las cuales degradan restos de proteínas; y las lipasas que pueden atacar restos de sustratos lípidos que son los que comúnmente se adhieren a la ropa y a ellas se les adhieren el resto de la suciedad como polvo, restos de otros compuestos orgánicos etcétera. Los detergentes que contienen enzimas se les llama detergentes biológicos.

Como se mencionó anteriormente, algunos detergentes contienen enzimas, las cuales atacan sustratos orgánicos específicos. El problema se presenta al usar exceso de estos detergentes, con lo cual se desechan enzimas activas al drenaje, las cuales al llegar a los cuerpos de agua provocarán daños en los seres vivos presentes en éstos, por acción directa sobre ellos o sobre los nutrientes que componen su dieta alimenticia.

Otros efectos.

Entre otros efectos secundarios producidos por los detergentes es que afectan procesos de tratamiento de las aguas residuales, por ejemplo: cambios en la demanda bioquímica de oxígeno y en los sólidos suspendidos, efectos corrosivos en algunas partes mecánicas de las plantas, interferencias en el proceso de cloración y en la determinación de oxígeno disuelto y algunos aditivos en los detergentes pueden intervenir en la formación de flóculos (agrupaciones de partículas suspendidas).

Otra actividad que llama a las aplicaciones biotecnológicas es la producción de energía, siendo la ventaja de las fuentes orgánicas con respecto a los combustibles fósiles el que las primeras sean renovables. Cada año crecen unas 200 mil millones de toneladas de biomasa (madera, cereales, etc), de las cuales los humanos usamos sólo un 3%. Por lo tanto, este rubro ofrece un enorme potencial que puede ser aprovechado. Un ejemplo clásico de biocombustible es el alcohol obtenido por fermentación de material rico en azúcares y almidón, o de residuos orgánicos varios, incluyendo los forestales. El principal obstáculo para la viabilidad de esta propuesta es el costo, puesto que el petróleo sigue siendo más barato. Sin embargo, los avances tecnológicos están permitiendo acortar la brecha.

Hay también diversos sectores de la industria en los que la adaptación o sustitución de procesos químicos o físico-químicos por otros de base biológica puede contribuir al desarrollo sustentable. Beneficios concretos a escala industrial ya se observan con la introducción de enzimas en la producción de celulosa, de textiles y del cuero, entre otros. "

"Pero es el tratamiento de desechos donde la biotecnología puede tener un mayor impacto a nivel mundial. Los Estados Unidos gastan US$ 40 mil millones al año para combatir la polución que generan los 600 millones de toneladas de desechos industriales. Bacterias, microalgas, levaduras, hongos y plantas han mostrado una notable eficiencia para metabolizar residuos orgánicos, xenobióticos y metales pesados (biorremediación y fitorremediación), reduciendo hasta 20 veces el costo involucrado en la incineración de dichos residuos. Por otra parte, se han hecho grandes avances en el tratamiento de derrames de petróleo con microorganismos.

En fin, hay muchas otras áreas suceptibles de ser abordadas exitosamente mediante el empleo de diversas biotecnologías. Sin embargo, a pesar de los promisorios resultados obtenidos hasta el momento, persisten aún varias limitaciones técnicas y económicas que requieren ser resueltas. Por ello, la biotecnología no debe ser vista como una panacea y en cada caso habrá que ponderar sus ventajas con respecto a las tecnologías tradicionales.

Al considerar las aplicaciones enzimáticas en el tratamiento de los residuos, se debe hacer hincapié entre las situaciones donde el residuo de un proceso es el material crudo y los siguientes, por ejemplo, conversión de almidones, y procesos que ayudan a reducir los costos asociados del tratamiento. Existen un amplio número de industrias de procesamiento de alimentos que producen residuos que necesariamente deben ser posteriormente tratados.

La aplicaciones de grupos de enzimas depende de la necesidaddd de hidrolizar polímeros complejos para incrementar su posterior degradación microbiolígica. Entre los diversos ejemplos se puede incluir el empleo de las lipasas asociadas con cultivos bacterianos para eliminar los depósitos de grasa procedentes de las paredes de las tuberías que transportan el efluente.

Otra enzima degradante de polímeros utilizados de forma similar son las celulosas, proteinasas y amilasas. Una aplicación particular que puede describirse como tratamiento de residuos, es el emplio de proteinasas en las preparaciones comerciales de detergentes, denominadas como polvo de lavado biológico.

Además de estas hidrólisis de materiales poliméricos, existen también aplicaciones de enzimas capaces de degradar compuestos altamente tóxicos que podrían inhibir procesos de tratamiento basado en el empleo microbiógico. Un ejemplo específico es el uso de la peroxidasa de la cola de caballo para iniciar la degradación de fenoles y aminas aromáticas que se presentan en muchas industrias con aguas residuales. "(8)

En términos más amplio es posible anticipar que los procesos basados en el empleo de organismos construidos genéticamente para degradar los compuestos indicados anteriormente, podría representa un proceso mucho más económico.

Aunque las posibilidades de utilización de las enzimas en la medicina y campos relacionados sea potencialmente inmersa, en la actualidad el número concreto de aplicaciones es relativamente pequeño. No obstante, los resultados obtenidos con este pequeño número de ideas afortunadamente son realmente excitantes y demuestran claramente la capacidad potencial existente en las técnicas empleadas. Puesto que las aplicaciones médicas y farmacéuticas de las enzimas abarcan un amplio espectro de materias, es conveniente dividirlas en tres áreas importantes de interés: terapia enzimática, uso analítico y productos de compuestos farmaceúticos. Cada una de estas áreas, auque cubre un gran número de aplicaciones, presenta una serie de principios predominantes que son esencialmente para que la utilización de las enzimas se realice con éxito.

A diferencia de otros usos industriales para las enzimas, las aplicaciones médicas y farmacéuticas de las mismas requieren generalmente pequeñas cantidades de enzimas muy purificadas. En parte, esto refleja el hecho de que para una enzima sea efectiva sólo debe modificarse heléelos compuestos de interés contenido en un fluido o tejidos fisiológicos complejo. Esto contrasta con muchos procesos industriales en los que el medio de cultivo está relativamente bien definido y por, consiguiente, puede utilizarse un extracto enzimático sin purificar. Además, si el destino de una enzima o de un producto obtenido por métodos enzimáticos es su administración a un paciente, resuelta evidente que el preparado debe contener las menores cantidades posibles de material extraño para evitar probables efectos secundarios.

 

• Producción de aminoácidos enzimáticamente

   

La producción de aminoácidos mediante tecnología con enzimas está adaptada convenientemente. Aunque se pueden sintetizar empleando un proceso químico, se debe señalar que en este caso se obtiene una mezcla de D y L isómeros. Puesto que solamente el L-isómero es biológicamente activo, la mezcla debe ser separada en sus dos componentes. Este proceso puede llevarse a cabo mediante el empleo de la enzima aminoacilasa. Una vez sintetizado, la mezcla del DL aminoácidos se acetila.

En la producción de otros aminoácidos se han incluido también una etapa mediada por enzimas, incluyendo a la D-feniglicina, utilizada en la síntesis de penicilina semisintética, y en el caso del L-triptófano, un aminoácido esencial que puede sintetizarse a partir del indol. Estas son dos áreas importantes en el desarrollo de esta tecnología. En términos de aplicación a gran escala, la producción de aminoácidos esenciales como suplementos dietéticos presenta una importancia particular. Si unas proteína celular sencilla queda establecida en los mercados de alimentación animal y humana, se puede esperar que la demanda para aminoácidos esenciales incrementaría, ya que muchas proteínas microbianas son deficitarias en algunos de estos residuos cruciales.

• Tratamientos terapéuticos con enzimas.-" El fundamento de esta forma de terapia es simplemente la administración de una enzima concreta a un paciente, esperando con optimismo que produzca una progresiva mejoría en el mismo. El problema principal relacionado con este método es que las respuestas defensivas del organismo inactive o eliminen los compuestos extraños incorporados. En consecuencia cualquier tratamiento que utilice la administración de una enzima, bien por vía sanguínea o por cualquier otra, debe tener en cuenta este posible inconveniente."(9)
• Organos artificiale.- "Para sustituir algunas funciones del riñón y el hígado se han desarrollado órganos artificiales que contienen enzimas. Una lesión renal crónica se trata con hemodiálisis periódica, a menos que sea posible el transplante del órgano. El hígado es un órgano multifuncional y sería imposible conseguir un sustituto artificial con la tecnología disponible actualmente. Sin embargo, sí puede reproducirse una función importante del hígado: la desintoxicación. A partir de células hepáticas se pueden obtener varias enzimas microsomales capaces de llevar a cabo la desintoxicación de una gran variedad de compuestos."(10)
• Aplicaciones Analíticas.- "En la medicina moderna, el análisis de las distintas muestras fisiológicas tiene un papel clave y, dentro del mismo el uso de las enzimas(tanto en forma libre como inmovilizadas) constituyen un aspecto muy destacado. Los tipos de aplicación de las encimas al análisis se pueden dividir en dos granes grupos. El primero de ellos recije aquellos métodos que miden directamente un compuesto, mientras que el segundo lo hace con aquellos que utilizan una enzima para amplificar otra respuesta (por ejemplo inmunoencarios con enzimas acopladas)."(11)
• Antibióticos semi-sintéticos.- Las penicilinas semisintéticas son los principales productos farmacéuticos obtenidos por tecnología enzimático. El método de fermentación tradicional permite producir la bencil-penisilína (penisilina g) como la fenoximetil- penisilina (penisilina b) y en el pasado estos dos antibióticos con gran éxito. Sin embargo, estos compuestos presentan limitaciones en su eficacia contra ciertas bacterias patógenas
• Esteroides.-" Los esteroides se utilizan en un gran número de preparados farmacéuticos (por ejemplo la píldora contraceptiva y los antinflamatorios), por lo que los procesos empleados en la producción de estas sustancias presentan una considerable importancia económica."(12)

Las fuentes de enzimas pueden ser de tipo vegetal, animal y microbiana.

• Las enzimas de tipo vegetal, se encuentran las porteasas, carbohidrasas ( las cuales descomponen residuos de azúcares de carbohidratos superiores, a-amilasas y b-amilasa
• Entre las enzimas de tipo animal están las esterasa ( Lipasa se produce en la mucosa gástrica, el páncreas y las semillas de ricino, fosfotasas: Se obtiene de tejidos animales óseo, muscular, tripsina y quimotripsina se produce en el páncreas y , pectasas )
• Las enzimas del tipo microbiano provienen de. Bacterias, hongos.

Generalmente, el control de actividad de las enzimas es por encendido o apagado de las enzimas y está asociado con enzimas alostéricas durante la inhibición de feedback:VCuando los productos en una vía aumentan, ellos mismos producen feedback a la primera enzima de la vía y cierran la síntesis de los productos finales e intermedios.

Vías ramificadas

Feedback acumulativo: ni F ni H pueden reducir separadamente por completo la actividad de e1, posiblemente cada uno puede lograr una reducción parcial pero juntos pueden pararla totalmente.

Feedback multivalente: ni F ni H por separadoproducen efecto alguno en e1 pero juntos tienen actividad inhibitoria.

Pero también puede darse un control de la síntesis de enzimas a nivel genético (operón).

Inducción

El gen regulador sintetiza un represor activo. En ausencia de substrato (inductor), el represor activo se une al operador e impide a la ARN polimerasa unirse al promotor para la transcripción del mRNA. Si el substrato está presente se une al represor activo que se inactiva y permite la transcripción del mRNA.

Represión del producto final

El gen regulador sintetiza un represor inactivo. Si hay poca cantidad de producto final el represor inactivo no se une al operador y permite la transcripción del mRNA. Si el producto final es abundante se une al represor inactivo que se activa y ahora el represor activo se une al operador y previene la transcripción del mRNA.

El criterio de viabilidad económica de un proceso esta estrechamente reacionado con las normas legislativas que rigen tanto par las operaciones que los componen como para la pureza del producto final. Muchas restricciones legales se refieren a materias de seguridad que afectan, por un lado, a la maquinaria utilizada en el proceso y, por otro, a los planes posteriores con el producto. Eientemente a la hora de calcular los costos de un proceso, deben tenerse en cuenta los destinados a cubrir los requisitos legales correspondientes. En el caso de materiales biológicos existen varias áreas que presentan u riesgo potencial de efectos nocivos.

 

• Microbiologia
• Toxicidad química
• Toxicidad relacionada con la actividad de las encimas
• Reacciones alérgicas

El interés de los explotadores agrícolas y los empresarios del sector alimentario por las cosechas modificadas genéticamente se explica debido a todo el potencial económico y ecológico que se ha demostrado. Sin duda alguna, la biotecnología desempeña una función muy importante en una producción y preparación de víveres duradera de cara al futuro. Sin embargo, aunque los especialistas han admitido que la modificación genética de las plantas es un mecanismo económico y ecológico para la producción de alimentos, el gran público no deja de darle vueltas al tema de la seguridad de los productos.

La industria de la biotecnología es consciente de esta reticencia. Es la razón por la cual favorece hoy el diálogo con las diferentes partes interesadas, en particular sobre las cuestiones siguientes:

 

• ¿Son seguros los alimentos que contienen organismos modificados genéticamente?
• ¿Los genes introducidos en las plantas pueden trasmitirse al medio ambiente?
• ¿Es posible que la transferencia de genes de un organismo a otro provoque alergias en el ser humano?

La ingeniería genética consiste en la manipulación del ácido desoxirribonucleico, o ADN. En este proceso son muy importantes las llamadas enzimas de restricción producidas por varias especies bacterianas. Las enzimas de restricción son capaces de reconocer una secuencia determinada de la cadena de unidades químicas (bases de nucleótidos) que forman la molécula de ADN, y romperla en dicha localización. Los fragmentos de ADN así obtenidos se pueden unir utilizando otras enzimas llamadas ligasas. Por lo tanto, las enzimas de restricción y las ligasas permiten romper y reunir de nuevo los fragmentos de ADN. También son importantes en la manipulación del ADN los llamados vectores, partes de ADN que se pueden autorreplicar (generar copias de ellos mismos) con independencia del ADN de la célula huésped donde crecen. Estos vectores permiten obtener múltiples copias de un fragmento específico de ADN, lo que hace de ellos un recurso útil para producir cantidades suficientes de material con el que trabajar. El proceso de transformación de un fragmento de ADN en un vector se denomina clonación, ya que se producen copias múltiples de un fragmento específico de ADN. Otra forma de obtener muchas copias idénticas de una parte determinada de ADN es la reacción de la polimerasa en cadena, de reciente descubrimiento. Este método es rápido y evita la clonación de ADN en un vector.

La terapia génica consiste en la aportación de un gen funcionante a las células que carecen de esta función, con el fin de corregir una alteración genética o enfermedad adquirida. La terapia génica se divide en dos categorías. La primera es la alteración de las células germinales, es decir espermatozoides u óvulos, lo que origina un cambio permanente de todo el organismo y generaciones posteriores. Esta terapia génica de la línea germinal no se considera en los seres humanos por razones éticas. El segundo tipo de terapia génica, terapia somática celular, es análoga a un trasplante de órgano. En este caso, uno o más tejidos específicos son objeto, mediante tratamiento directo o extirpación del tejido, de la adición de un gen o genes terapéuticos en el laboratorio, junto a la reposición de las células tratadas en el paciente. Se han iniciado diversos ensayos clínicos de terapia genética somática celular destinados al tratamiento de cánceres o enfermedades sanguíneas, hepáticas, o pulmonares.

La ingeniería genética tiene un gran potencial. Por ejemplo, el gen para la insulina, que por lo general sólo se encuentra en los animales superiores, se puede ahora introducir en células bacterianas mediante un plásmido o vector. Después la bacteria puede reproducirse en grandes cantidades constituyendo una fuente abundante de la llamada insulina recombinante a un precio relativamente bajo. La producción de insulina recombinante no depende del, en ocasiones, variable suministro de tejido pancreático animal. Otra aplicación importante de la ingeniería genética es la fabricación de factor VIII recombinante, el factor de la coagulación ausente en pacientes con hemofilia. Casi todos los hemofílicos que recibieron factor VIII antes de la mitad de la década de 1980 han contraído el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) o hepatitis por la contaminación viral de la sangre utilizada para fabricar el producto. Desde entonces se realiza la detección selectiva de la presencia de VIH (virus de la inmunodeficiencia humana) y virus de la hepatitis C en los donantes de sangre, y el proceso de fabricación incluye pasos que inactivan estos virus si estuviesen presentes. La posibilidad de la contaminación viral se elimina por completo con el uso de factor VIII recombinante. Otros usos de la ingeniería genética son el aumento de la resistencia de los cultivos a enfermedades, la producción de compuestos farmacéuticos en la leche de los animales, la elaboración de vacunas, y la alteración de las características del ganado.

Riesgos

Mientras que los beneficios potenciales de la ingeniería genética son considerables, también lo son sus riesgos. Por ejemplo, la introducción de genes que producen cáncer en un microorganismo infeccioso común, como el virus influenza, puede ser muy peligrosa. Por consiguiente, en la mayoría de las naciones, los experimentos con ADN recombinante están bajo control estricto, y los que implican el uso de agentes infecciosos sólo se permiten en condiciones muy restringidas. Otro problema es que, a pesar de los rigurosos controles, es posible que se produzca algún efecto imprevisto como resultado de la manipulación genética.

"Aunque las leyes generales de la catálisis debieran ser válidas para las enzimas, el hecho de que éstas sean sustancias complejas, de alto peso molecular, de tamaño coloidal y de composición difícil de precisar, impide la aplicación de dichas leyes de una manera estricta; por ejemplo, su tamaño coloidal puede causar fenómenos de adsorción o diversas reacciones debidas a sus numerosas cargas eléctricas. No obstante, los factores que afectan la velocidad de la reacción enzimática son los ya señalados a propósito de las reacciones químicas en general, como la temperatura y las concentraciones de las sustancias reaccionantes que, en este caso particular, son la enzima el sustrato. Además intervienen el PH medio donde se realiza la reacción, la presencia de los productos de la reacción, y otros factores secundarios como las radiaciones y los efectos óxido – reductores."(14)

"La producción de encimas para empleo industrial y como alimento se ha desarrollado en forma independiente en diversas industrias. La fuente original de enzimas de cereales, principalmente de las distintas clases de malta, es la industria de la malta de cebada.

Las proteasas de las plantas, como la papaina, bromalaeina y ficina, que se emplean en los estados unidos son de omportanción, y generalmente los importadores tienen poco control sobre las condiciones del proceso de producción."(15)

La industria empacadora de carnes es la fuente principal de las enzimas derivada del páncreas, estómago e hígado de los animales. Finalmente, las enzimas de fuentes microbiológicas: Bacterias, Hongos y levaduras, se producen en la industria de la fermentación.

Los procesos microbianos en los que el hombre controla las condiciones del desarrollo microbiológico, se llaman fermentaciones."(15)

Las fermentaciones con células libres constituyen todavía el método mas utilizado. Su manipulación es relativamente fácil, y, en algunos casos no requiere un medio de cultivo estéril. Ya que las células se producen con la misma rapidez con la que son eliminadas del reactor, existe una síntesis constante de nuevo catalizado. De esta forma, y suministrando al reactor condiciones apropiadas para el crecimiento, la fermentación puede transcurrir en un estado estacionario en el que la eficiencia catalítica no cambia. Además, a partir de la degradación catabólica de los nutrientes, la célula que crece activamente es capaz de suministrar la energía necesaria para la síntesis. Sin embargo, el mayor número de reacciones requeridas para el metabolismo significa también aumento de probabilidades para la formación de productos secundarios no deseados.

Este hecho, junto con la producción de un exceso de biomasa, limita el rendimiento del medio del cultivo y, por consiguiente la economía del proceso.

La células inmovilizadas pueden considerarse como un estado intermedio entre la fermentación, la células libres y las enzimas inmovilizadas. En algunos casos las células se destruyen antes de inmovilizarlas y se utiliza un solo componente enzimático, por lo que, en ellos, la distinción entre células y encimas inmovilizadas constituye una cuestión puramente semántica.

La presencia de sustancias pépticas en las frutas origina importantes problemas en su procesado industrial para la obtención de zumo, debido a que retienen parte del zumo durante el prensado de la fruta, aumentando considerablemente su viscosidad y disminuyendo así el rendimiento de la extracción. El desarrollo de la tecnología enzimática ha permitido la preparación de enzimas pectinolíticas inmovilizadas que pueden utilizarse repetidamente en operaciones simultáneas o de manera continuada, capaces de degradar estas sustancias pécticas. Con estas perspectivas, el objetivo principal en este trabajo fue la preparación de enzimas pectinolíticas estables, mediante técnicas de inmovilización por adsorción en geles de alginato de calcio, estudiando las características de los biocatalizadores inmovilizados en comparación con sus contrapartidas solubles, con objeto de mejorar y facilitar el uso de estas enzimas en los procesos de clarificación de zumos de plátano y de kiwi, estudiando además la posibilidad de reutilización de las enzimas.

En relación a los principales resultados obtenidos al determinar las actividades enzimáticas de poliglacturonasa (PG), pectina liasa (PL) y endopectinasa (endoP), obtenidas de preparados comerciales (Rapidase C80, Biopectinase CCM, Pectinex 3 XL y Grindamyl 3PA, se puede concluir que :(i) cuando se inmovilizaban las pectinasas sobre geles de alginato, la PL y endoP de Rapidase C80 presentaban los niveles más elevados de actividad en los inmovilizados (7,2 % y 12,5% de inmovilización, respectivamente), mientras que el mayor nivel de inmovilización de PG (25%) se obtuvo con Pextinex 3XL . (ii) La aplicación de las enzimas a un biorreactor, que contenía una solución de pectina, confirmaba su idoneidad para reducir la viscosidad de la solución. Como tendencia general la eficacia de las enzimas inmovilizadas seguía el siguiente orden descendente: Rapidase>Biopectinase>Grindamyl>Pectinex. (iii) La regeneración de las perlas de alginato con Cl2 Ca y su reactivación con una nueva solución de enzima, permitía reciclar el mismo inmovilizado cinco veces consecutivas. Al aumentar la concentración enzimática, se reducían los tiempos de tratamiento y, con ello, la inestabilidad de las enzimas inmovilizadas, lo que aumentaba la operatividad del reciclado hasta ocho reutilizaciones. (iv) La posibilidad de reutilización de las enzimas inmovilizadas en los zumos de plátano y kiwi se veía limitada a tres, como consecuencia directa de la desestabilización del soporte de inmovilización por efecto de los componentes del zumo, lo cual podía reducirse o anularse modificando el soporte de inmovilización aplicado. (v) Por último, con vistas a la aplicación biotecnológica de ese estudio, podría concluirse que la inmovilización de enzimas pectinolíticas sobre geles de alginato de calcio optimiza la estabilidad operacional de las enzimas y permite su reutilización. Reduciendo los costes finales del proceso sin pérdida apreciable de la calidad y cualidades organolépticas de los zumos tratados.

La presencia de sustancias pécticas en las frutas origina importantes problemas en su procesado industrial para la obtención de zumo, debido a que retienen parte del zumo durante el prensado de la fruta, aumentando considerablemente su viscosidad y disminuyendo así el rendimiento de la extracción. El desarrollo de la tecnología enzimática ha permitido la preparación de enzimas pectinolíticas inmovilizadas que pueden utilizarse repetidamente en operaciones simultáneas o de manera continuada, capaces de degradar estas sustancias pécticas. Con estas perspectivas, el objetivo principal en este trabajo fue la preparación de enzimas pectinolíticas estables, mediante técnicas de inmovilización por adsorción en geles de alginato de calcio, estudiando las características de los biocatalizadores inmovilizados en comparación con sus contrapartidas solubles, con objeto de mejorar y facilitar el uso de estas enzimas en los procesos de clarificación de zumos de plátano y de kiwi, estudiando además la posibilidad de reutilización de las enzimas.

En relación a los principales resultados obtenidos al determinar las actividades enzimáticas de poliglacturonasa (PG), pectina liasa (PL) y endopectinasa (endoP), obtenidas de preparados comerciales (Rapidase C80, Biopectinase CCM, Pectinex 3 XL y Grindamyl 3PA, se puede concluir que :(i) cuando se inmovilizaban las pectinasas sobre geles de alginato, la PL y endoP de Rapidase C80 presentaban los niveles más elevados de actividad en los inmovilizados (7,2 % y 12,5% de inmovilización, respectivamente), mientras que el mayor nivel de inmovilización de PG (25%) se obtuvo con Pextinex 3XL . (ii) La aplicación de las enzimas a un biorreactor, que contenía una solución de pectina,

confirmaba su idoneidad para reducir la viscosidad de la solución. Como tendencia general la eficacia de las enzimasinmovilizadas seguía el siguiente orden descendente: Rapidase>Biopectinase>Grindamyl>Pectinex. (iii) La regeneración de las perlas de alginato con Cl2 Ca y su reactivación con una nueva solución de enzima, permitía reciclar el mismo inmovilizado cinco veces consecutivas. Al aumentar la concentración enzimática, se reducían los tiempos de tratamiento y, con ello, la inestabilidad de las enzimas inmovilizadas, lo que aumentaba la operatividad del reciclado hasta ocho reutilizaciones. (iv) La posibilidad de reutilización de las enzimas inmovilizadas en los zumos de plátano y kiwi se veía limitada a tres, como consecuencia directa de la desestabilización del soporte de inmovilización por efecto de los componentes del zumo, lo cual podía reducirse o anularse modificando el soporte de inmovilización aplicado. (v) Por último, con vistas a la aplicación biotecnológica de ese estudio, podría concluirse que la inmovilización de enzimas pectinolíticas sobre geles de alginato de calcio optimiza la estabilidad operacional de las enzimas y permite su reutilización. Reduciendo los costes finales del proceso sin pérdida apreciable de la calidad y cualidades organolépticas de los zumos tratados.

 

1. Las enzimas son catalizadores de origen biológico que cumplen muchos requicitos para impulsar nuevas industrias químicas.
2. La tecnología enzimática tiene múltiples aplicaciones, como fabricación de alimentos, los progresos que están realizando actualmente la ingeniería genética y la biotecnología permiten augurar el desarrollo cada vez mayor del uso de las enzimas.
3. La utilización de enzimas en los alimentos presentan una serie de ventajas, además de las de índole económico y tecnológico.
4. Las enzimas utilizadas dependen de la industria y del tipo de acción que se desee obtener.
5. Las fuentes de enzimas pueden ser de origen vegetal, animal o microbiano.
6. se puede manipular genéticamente, la biosíntesis de enzimas para optimizar los procesos, pero se debe tener en cuenta, las respectivas normas.
7. La producción de enzimas a gran escala tiene su principal aplicación en la industria de la fermentación.

1. P Gaseosa y J. Hube, tecnología de las enzimas, Editorial acribas. S.A., Segunda Edición, Zaragoza España, 1990., Pas 3.
2. Kira, Raymond, Enciclopedia de Tecnología Química, Tomo VI, primera Edición, Editorial Uteha, España 1962., paj. 1006.
3. IBID (2), Paj. 1007
4. IBID (2) Paj. 1007
5. IBID (2). Paj. 1008, 1009, 1010.
6. IBID (1), Paj. 104
7. IBID (1) Paj 106
8. IBID (1) Paj 108, 109.
9. IBID (1), Paj. 74
10. IBID (1) paj. 76
11. IBID (1) paj 81
12. IBID (1) paj 86
13. IBID (2) paj. 1111
14. Perry, Manual del Ingeniero Químico, sexta Edición,Tomo VI, Editorial McGraw-Hill, 1992., paj 27-20-
15. IBID (2) paj. 1014.

 

• Bibliografía

 

• P Gasesa y J. Hubble, tecnología de las enzimas, Editorial acribis. S.A., Segunda Edición, Zaragoza España, 1990.
• Perry, Manual del Ingeniero Químico, sexta Edición,Tomo VI, Editorial McGraw-Hill, 1992.
• Kirk, Raymond, Enciclopedia de Tecnología Química, Tomo VI, primera Edición, Editorial Uteha, España 1962.
• Océano, Enciclopedia de la Ciencia y La tecnología Tomo V, ediciones Océano, Barcelona 1980.
• Url

• http:://www.icp.csis.es/biocatálisis/web3lineas.html
• http:www.mty.itesm.mx/data/cd/html
• http//www.unav.es/memoria/8-99/ingenieria.html