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Con matemáticas simulan reacciones de E. coli ante la temperatura

Aunque por lo general se relaciona con infecciones del tracto intestinal, la bacteria Eschechiria coli tiene gran potencial biotecnológico; por ejemplo se usa para obtener la insulina para los diabéticos o en la elaboración de detergentes para la ropa, polímeros y plásticos.

Bogotá D. C., 06 de junio de 2019Agencia de Noticias UN-

Aunque por lo general E. coli se relaciona con infecciones del tracto intestinal, también se emplea en la industria química o farmacéutica. Foto: Creative Commons

Los bioprocesos se basan en la utilización de células vivas como agentes trasformadores de la materia para conseguir productos. Foto: Agencia de Noticias - Unimedios.

Representación del flujo laminar alrededor de E. coli cultivada en medio líquido. Foto: Santiago Benavides.

Geometría de una célula de E. coli. Foto: Santiago Benavides.

Para protegerse de los cambios de temperatura E. coli cambia la producción de la molécula ATP. Foto: Creative Commons

E. coli, al igual que cualquier otro organismo utilizado para acelerar los procesos del metabolismo de los seres vivos (catalizador biológico), es sensible a los flujos de calor con el ambiente, desencadenando mecanismos de respuesta complejos para regular su temperatura interna (homeostasis).

Santiago Benavides López, magíster en Ingeniería – Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín, explica que “todos los seres vivos realizan trasformaciones de la materia y la energía para garantizar su supervivencia, por lo que se deden diferenciar los procesos biológicos que se dan como un fenómeno natural de aquellas operaciones diseñadas por el hombre para aprovechar esta capacidad de los seres vivos”.

Concretamente se refiere a los bioprocesos, que se diferencian de otras formas de procesamiento industrial porque se basan en la utilización de células vivas o partes de estas como agentes trasformadores de la materia para conseguir productos como vacunas, una tarea para la que se han empleado tanto cultivos de hongos y bacterias como aislamientos celulares de especies vegetales y animales.

En este campo se enmarca el trabajo adelantado por el magíster Benavides, quien “le echó” matemáticas al tema y desarrolló un modelo que simula el crecimiento de E. coli a diferentes condiciones de temperatura.

Según el ingeniero, para lograr una adecuada productividad en un bioproceso es necesario asegurar condiciones ambientales para el microorganismo, como la composición del medio de cultivo, el pH, la temperatura, el oxígeno disuelto y la velocidad de agitación, las mismas que suelen determinarse tradicionalmente de forma experimental.

Señala que “en la práctica, cuando se experimenta con un microorganismo, la temperatura con la que se trabaja tiende a ser un parámetro constante, pero existen ciertos procesos en los que es necesario trabajar con temperaturas variables”.

En este tipo de procesos se utilizan dichos cambios para inducir respuestas en los microorganismos utilizados, como la obtención de proteínas recombinantes con E. Coli, en los que se carecía de modelos que pudieran dar luces de cómo sería la respuesta de la bacteria.

“Como resultaba ambicioso hacer un modelo de producción de proteínas recombinantes en E. coli, optamos por centrarnos en el paso anterior: un modelo sobre cómo responde el microorganismo a la temperatura, el cual se podría utilizar para modelar un proceso productivo en el que se incluya este tipo de cambios”.

Búsqueda de datos

Para su investigación, el magíster partió de una recolección de datos experimentales sobre E. coli contenidos en la literatura científica. Esta bacteria ha sido utilizada tanto en procesos productivos como en estudios de bioquímica, biología molecular y biología pura. Existe gran cantidad de información; por eso se ha convertido en “organismo modelo”, lo que significa que los métodos, estrategias y herramientas desarrollados usándola se pueden extrapolar a otros microorganismos.

Con los datos recolectados, y a partir de la Metodología de Modelado Semifísico de Base Fenomenológica (MSBF) desarrollada por el Grupo de Investigación en Procesos Dinámicos (KALMAN) de la UNAL Sede Medellín, el magíster desarrolló el modelo que simula por computador aspectos como el crecimiento de E. coli, o la cantidad de nutrientes que consume ante los cambios de temperatura.

Autorregulación de la temperatura

Para validar el modelo el investigador comparó los resultados obtenidos con la información que se contaba en la bibliografía sobre el comportamiento de la bacteria, y obtuvo resultados similares.

“Encontramos que ante cambios de temperatura hay una interacción muy interesante en términos del ATP, una molécula que utilizan todos los seres vivos para almacenar energía, de la que cambia su concentración intercelular”, indica el magíster, y añade que es precisamente ahí donde se da el proceso de autorregulación.

También indica que un microorganismo no tiene sistemas fisiológicos tan complejos como los de los humanos, no puede temblar ni sudar ante cambios de temperatura, sino que modifica su metabolismo, la velocidad a la que toma sustratos del medio y genera productos, eso es lo que se puede ver en el modelo.

Por eso cuando en el modelo se aumenta la temperatura del medio, la simulación muestra que el microorganismo produce más energía para evitar morir.

(Por: fin/ALP/dmh/LOF
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N.° 333

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