Ejemplos de polímeros microbianos
En los últimos años, la preocupación medioambiental global por la excesiva dependencia de nuestra sociedad de los plásticos derivados del petróleo ha estimulado una creciente demanda de sustitutos verdes y biodegradables. Por ello, la búsqueda de los materiales más adecuados para diversas aplicaciones de bioingeniería y a granel está ganando cada vez más protagonismo en la investigación. En este sentido, los biomateriales naturales han atraído mucha atención como materiales potenciales para abordar eficazmente los retos de la sostenibilidad y la seguridad medioambiental. Sin embargo, estos biomateriales deben cumplir ciertos requisitos clave, como tener propiedades ajustables, ser producidos en cantidades comerciales y ser asequibles y fácilmente disponibles. Los avances en la ciencia de los materiales y la biotecnología han introducido nuevos y mejores métodos de fabricación, procesamiento y funcionalización de biomateriales para aplicaciones a medida [1].
La celulosa, un candidato viable a biomaterial, es el polímero natural más abundante en la tierra y se encuentra predominantemente en las plantas [2]. Los microorganismos también producen cierta cantidad de celulosa, en particular las bacterias productoras de ácido acético. Este tipo de celulosa se denomina comúnmente celulosa microbiana o bacteriana (BC). La celulosa bacteriana es un tipo de biomaterial que se extruye de forma única en forma de nanofibrillas por fábricas de células individuales microscópicas en un medio de cultivo especializado. Estas nanofibrillas de BC son cien veces más finas que sus homólogas de las plantas, lo que supone una mayor relación superficie-volumen, que a su vez confiere a la BC propiedades superabsorbentes. La celulosa bacteriana es un polímero cristalino que existe como una red tridimensional altamente porosa. Curiosamente, estas nanofibrillas pueden convertirse en macrofibrillas dependiendo de la aplicación de interés [2]. Las macrofibras de BC se caracterizan por su elevada resistencia a la tracción y su rigidez, que pueden superar a las del acero [1].
Bacterias bioplásticas
i PHAs de cadena corta (scl-PHAs). Las unidades monoméricas constan de tres a cinco átomos de carbono, como el polihidroxibutirato [P(3HB)], el poli(4-hidroxibutirato) P(4HB) y el poli(3-hidroxivalerato) P(3HV; Anjum et al., 2016). Estos polímeros son producidos por organismos como Cupriavidus necator y Alcaligenes latus (Lee y Na, 2013; Raza et al., 2018). Estos scl-PHAs presentan propiedades de material termoplástico similares al polipropileno (PP; Wang et al., 2016).
ii PHAs de longitud de cadena media (mcl-PHAs). Sus unidades monoméricas constan de 6 a 14 átomos de carbono. Son producidos por varias bacterias como Pseudomonas putida y Pseudomonas mendocina. Los mcl-PHA son flexibles y elásticos, similares al caucho. También poseen una baja cristalinidad y resistencia a la tracción y tienen un alto punto de fusión y temperaturas de transición al vidrio (Nduko et al., 2012a; Gopi et al., 2018).
En esta revisión, destacamos ideas novedosas que introducen conceptos de la producción microbiana de P(LA-co-3HB), PLA y oligómeros de LA utilizando microbios de ingeniería. Discutimos la creación de la fábrica de células microbianas para la síntesis de P(LA-co-3HB) y damos una sinopsis de la mejora del monómero de LA en la biosíntesis del copolímero y el eventual PLA, las propiedades y la degradación de los polímeros basados en LA [se discutió más información en Nduko et al. (2015)], el uso de refinerías integradas de biomasa lignocelulósica para la producción de polímeros y oligómeros, y los informes recientes sobre las tecnologías facilitadoras, como la ingeniería metabólica, la ingeniería de proteínas y la ingeniería genética, y las estrategias de manipulación de los medios de fermentación para la producción de los polímeros renovables. Este artículo también ofrece una visión general de los retos que plantea la producción de polímeros a partir de LA y las perspectivas futuras de su producción.
Bioplásticos
i PHAs de cadena corta (scl-PHAs). Las unidades monoméricas constan de tres a cinco átomos de carbono, como el polihidroxibutirato [P(3HB)], el poli(4-hidroxibutirato) P(4HB) y el poli(3-hidroxivalerato) P(3HV; Anjum et al., 2016). Estos polímeros son producidos por organismos como Cupriavidus necator y Alcaligenes latus (Lee y Na, 2013; Raza et al., 2018). Estos scl-PHAs presentan propiedades de material termoplástico similares al polipropileno (PP; Wang et al., 2016).
ii PHAs de longitud de cadena media (mcl-PHAs). Sus unidades monoméricas constan de 6 a 14 átomos de carbono. Son producidos por varias bacterias como Pseudomonas putida y Pseudomonas mendocina. Los mcl-PHA son flexibles y elásticos, similares al caucho. También poseen una baja cristalinidad y resistencia a la tracción y tienen un alto punto de fusión y temperaturas de transición al vidrio (Nduko et al., 2012a; Gopi et al., 2018).
En esta revisión, destacamos ideas novedosas que introducen conceptos de la producción microbiana de P(LA-co-3HB), PLA y oligómeros de LA utilizando microbios de ingeniería. Discutimos la creación de la fábrica de células microbianas para la síntesis de P(LA-co-3HB) y damos una sinopsis de la mejora del monómero de LA en la biosíntesis del copolímero y el eventual PLA, las propiedades y la degradación de los polímeros basados en LA [se discutió más información en Nduko et al. (2015)], el uso de refinerías integradas de biomasa lignocelulósica para la producción de polímeros y oligómeros, y los informes recientes sobre las tecnologías facilitadoras, como la ingeniería metabólica, la ingeniería de proteínas y la ingeniería genética, y las estrategias de manipulación de los medios de fermentación para la producción de los polímeros renovables. Este artículo también ofrece una visión general de los retos que plantea la producción de polímeros a partir de LA y las perspectivas futuras de su producción.
Producción de bioplástico mediante la valorización de residuos alimentarios
Los plásticos derivados del petróleo constituyen un importante problema medioambiental debido a su baja biodegradabilidad y a su acumulación en diversos entornos. Por ello, la búsqueda de nuevos plásticos biodegradables reviste un interés creciente. Los poliésteres microbianos conocidos como polihidroxialcanoatos (PHA) son plásticos biodegradables. La evaluación del ciclo de vida indica que los PHA son más beneficiosos que los plásticos derivados del petróleo. En este informe se revisa la producción bacteriana de PHAs y sus aplicaciones industriales y se describe la síntesis de PHAs en Burkholderia xenovorans LB400. Los PHAs son sintetizados por un gran número de microorganismos en condiciones nutricionales desequilibradas. Estos polímeros se acumulan como reserva de carbono y energía en gránulos discretos en el citoplasma bacteriano. El 3-hidroxibutirato y el 3-hidroxivalerato son dos unidades principales de PHA entre los 150 monómeros de los que se ha informado. B. xenovorans LB400 es una bacteria modelo para la degradación de policlorobifenilos y una amplia gama de compuestos aromáticos. Un análisis bioinformático del genoma de LB400 indicó la presencia de genes pha que codifican enzimas de vías para la síntesis de PHA. Este estudio demostró que B. xenovorans LB400 sintetiza PHAs bajo limitación de nutrientes. La tinción con Sudán Negro B indicó la producción de PHAs por parte de las colonias de B. xenovorans LB400. Los PHAs producidos fueron caracterizados por GC-MS. Se analizaron diversos sustratos para la producción de PHAs en la cepa LB400.