Postulado Celular de la Vida y la Biotecnología Gustavo Viniegra González Universidad Autónoma Metropolitana, Iztapalapa, D.F. MEXICO

Presentación del tema: "Postulado Celular de la Vida y la Biotecnología Gustavo Viniegra González Universidad Autónoma Metropolitana, Iztapalapa, D.F. MEXICO"— Transcripción de la presentación:

1 Postulado Celular de la Vida y la Biotecnología Gustavo Viniegra González Universidad Autónoma Metropolitana, Iztapalapa, D.F. MEXICO (vini@xanum.uam.mx)

2 Postulado Celular Todos los seres vivos están construidos con células muy pequeñas. ¿Por qué no están construidos por células grandes?

3 Hipótesis Debe haber un balance entre el flux de entrada, J, de sustratos y su metabolismo, Q. Como J  Área (A) y Q  Volumen (V) debe haber una relación A/V que sea crítica.

4 La Relación Area/Volumen Hipótesis refinada: Ar/V > 1,000 cm 2 /cm 3 Para una esfera de radio, R A/V = (4  R 2 )/(4  R 3 /3) = 3/R Si R 3,000/cm Para un cilindro de diámetro, d y longitud, L>>d. A/V  (  dL )/(  d 2 L/4) = 4/d Si d 4,000/cm

5 El Flux y el Metabolismo El flux, J  A Ley de Fick, J = A D{(S e -S i )/ h } El Metabolismo, Q,  V Cinética de orden cero, Q = qX V

6 El flux a través de la membrana Primera ley de Fick J = -DA(  S/  l)  g/s D: coeficiente de difusión (cm 2 /s) A: área de difusión (cm 2 )  S: diferencia de concentración (g/cm 3 )  l = h; distancia de difusión (cm)

7 Interpretación fisiológica El substrato, con la concentración externa, S e, difunde a través de una membrana con grosor, h, con una permeabilidad, P = D/h (cm/s). En la célula, con una concentración, S i, se convierte en productos, P Se Se  h S i  P J = (D/h)A(S e – S i ) J = P A(S e – S i ) Si S e >> S i J  P AS e

8 Grosor uniforme de las membranas Todas están formadas de una bicapa de fosfo-lípidos. ¿Qué es 1 Å? h = 60 Å

9 Permeabilidades P= D/h (cm/s) CompuestoDaltoneslog(Part.C.)BicapaMembrana H2OH2O18-1.23.E-037.E-04 CO 2 441.E-01 EtOH46-0.22.E-04 Ac, Acet.60-0.27.E-03 Glicerol92-2.65.E-042.E-07 Eritrol122-2.93.E-027.E-09 Glucosa180-3.31.E-07 H+H+ 11.E-061.E-04 K+K+ 39-2.91.E-12 Compilación de W. Burgstaller. Crit. Rev.Microbiol. 23, 1 (1997)

10 Interpretación del metabolismo La actividad metabólica, Q  biomasa, con: densidad, X (gX/cm 3 ); volumen, V; (cm 3 ) actividad específica, q (gS/gX*s) Q = qXV  gSs -1 Supuesto: el paso limitante está saturado q = qXS/(K s +S); S >> K s ;  q  qX

11 Q = qXV X = densidad de sólidos en las células (descontando el agua) V = volumen de cada célula En una cadena de reacciones en serie, la velocidad está determinada en el cuello de botella.

12 ¿Por qué J = Q? Si J > Q, se acumulase, S; explotaría la célula Si J < Q, se agotase, S; la célula entraría en auto destrucción. Si J = Q,  estado estacionario.

13 Interpretación J = Q La relación J = Q se interpreta como A/V = (qX)/( P s e ) X  0.15 g/cm 3 (85% de las células es agua) 10 -9 cm/s < P < 10 -7 cm/s (datos de literatura) 10 -3 g/cm 3 <S e < 10 -1 g/cm 3 (0.1 % a 10 %) 10 -4 s -1 <q< 10 -3 s -1 (levaduras  E. coli) 1.5 x 10 3 /cm < A/V  3/r r < 2 x 10 -3 cm (20  m)

14 Postulado celular corregido Para que las células mantengan el balance dinámico y tengan una velocidad razonable requieren un diámetro menor a 20  m. De otra forma su metabolismo tendría que ser excesivamente lento.

15 Aplicación industrial Una levadura (S. cereviseae, d = 10  m) y una bacteria (Z. mobilis, d = 1  m) producen etanol. ¿Cuál producirá etanol más rápidamente?¿la levadura o la bacteria? ¿Por qué? ¿Se utiliza o no el organismo más rápido?¿Por qué?

16 Las levaduras producen alcohol, más lentamente que las bacterias Diámetro de Zymomonas mobilis, d ≈ 1 x 10 -4 cm. Diámetro de las levaduras, d≈1 x 10 -3 cm. Las tasas de consumo de substrato, q S, e de producción de alcohol, q P, son ≈ 10 veces mayores para Z. mobilis. ¿Por qué? Ethanol fermentation technology – Zymomonas mobilis. P. Gunasekaran and K. Chandra Raj; http://www.ias.ac.in/currsci/jul10/articles14.htm.

17 Conclusión Práctica Para obtener procesos vivos rápidos se requieren cultivos de células con diámetros pequeños.

18 Problema 1 Si q (gS/gXh) = 0.004, 0.04, 0.4 ó 4.0; X = 0.2 g/cm 3 ; P = 1x10 -4 cm/s; S e = 10 g/L Calcule los radios, R (cm), y grafique log(q) vs. log(R) e indique el valor de la pendiente. Cuál sería la ecuación empírica relacionando q vs. R

19 Problema 2 El tiempo de duplicación t d = ln(2)/  = 10 d para unos protozoarios y por cada 100 g de sustrato consumido, producen 20 g de biomasa (X); P = 1 x 10 -5 cm/s; S e = 1 g/L. Calculen el diámetro de los protozoarios, suponiendo geometría esférica Nota: Busquen la definición de rendimiento.

20 Problema 3 ¿Por qué el etanol no se produce con Zymomonas y si con Saccharomyces? ¿Habrá otras consideraciones prácticas además de q? Averigüen las razones.

21 Problema 4 Las arqueas son células muy pequeñas que crecen mucho más lentas que las levaduras. Discutan si esto contradice los argumentos de la relación A/V.