Las bacterias del yogur

Introducción

El yogur es un producto lácteo producido por la fermentación natural de la leche. Se sabe de la existencia de las bacterias del ácido láctico desde el siglo VIII a.C. pero no fue hasta el siglo XIX cuando comenzó a comercializarse. (Figura 1)

Las bacterias acido-lácticas utilizadas en la producción de yogur, son microorganismos benignos que se encuentran en grandes cantidades en la naturaleza, así como también en nuestro aparato digestivo. Estas bacterias utilizan como fuente de energía la lactosa y liberan ácido láctico que provoca un incremento de la acidez, de modo que las proteínas de la leche precipitan formando el yogur.

Generalmente las bacterias que se suelen utilizar para conseguir una fermentación más completa son Streptococcus thermophilus, Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus acidophilus, y Bifidobacterium.

Figura 1. Dentro del yogur encontramos una gran variedad de bacterias (New York Times)

Características generales de las bacterias ácido-lácticas

Las bacterias del ácido láctico, comparten una serie de características morfológicas, fisiológicas y metabólicas similares, tales como:

-          Presentan morfología de cocos y bacilos.

-          Gram positivos. 

-          No formadoras de esporas.

-          Inmóviles.

-          Reaccionan a la prueba oxidasa, catalasa y bencidina negativamente.

-         Producen ácido láctico como único o principal producto de la fermentación de carbohidratos de forma anaeróbica facultativa.

-          Utilizan la lactosa como principal fuente de carbono.(2)

Bacterias del yogur


Son varias las especies de bacterias que se pueden encontrar en el yogur pero las más comunes son:

Lactobacillu acidophilus se puede encontrar formando parte de la flora normal de las mucosas corporales. Ésta especie es capaz de vivir en ambientes muy ácidos, hecho que le hace responsable de las etapas finales de la fermentación ya que otros BAL no pueden soportar estas condiciones. Respecto a su metabolismo produce exclusivamente ácido láctico a partir de la lactosa. (1) (2)

Lactobacillus bulgaricus fermenta la leche para producir acetaldehído provocando una bajada del pH que coagula la leche mediante la desnaturalización de sus proteínas y creando así el aroma característico de yogur.  Estas bacterias crecen mejor en ambientes ácidos. Son utilizadas para producir diferentes tipos de yogur.

Streptococcus thermofilus se encuentran en el aparato gastrointestinal humano y puede soportar altas temperaturas, ésta característica es una ventaja para la producción de yogur puesto que los procesos requieren llevar la leche a altas temperaturas. (3)

Entre la dos especies de bacterias del ácido láctico Streptococcus thermofilus y Lactobacillus bulgaricus se establecen dos tipos de interacciones: protocoperación y antibiosis.

L. bulgaricus libera péptidos y aminoácidos, mayormente valina, que sirven para mejorar el crecimiento de S. thermofilus, y este último mejora el crecimiento de L. bulgaricus con la formación de ácido fórmico a partir de ácido pirúvico en condiciones anaeróbicas.

Durante el crecimiento combinado de ambas especies el ácido láctico se produce a un ritmo más elevado que por separado. A este proceso le llamamos protocoperación. (Figura 2) (6)

La anabiosis se produce en alcanzar ciertos niveles de ácido en el producto donde crecen ambas especies; en ese punto S. thermofilus deja de crecer pero su homóloga no, esto es debido a las diferencia de tolerancia al ácido de las dos especies. Para evitar que esto pase se deben de controlar las condiciones de crecimiento de las bacterias en el yogur y enfriarlo rápidamente una vez se haya formado. (Figura 2) (7)

Figura 2. Relaciones entre las especies de bacterias S. thermofilus y L. bulgaricus (6-RACVE)

Bifidobacterium bifidum: éste género de bacterias proporcionan un excelente apoyo para mantener la microflora en el intestino. Además, aportan numerosos beneficios  por su carácter probiótico, algunos de los cuales se muestran en la (Figura 5). La presencia de Bifidobacterium bifidum en los yogures ha supuesto un incremento del valor terapéutico de estos productos debido a que muchas otras bacterias no sobreviven a las condiciones del tracto intestinal. A pH acidos el crecimiento es muy lento o incluso nulo, por eso, es importante controlar el descenso del pH en los productos lácteos que contienen este microorganismo. Las bifidobacterias difieren del resto de bacterias acido-lácticas en que no solo producen ácido láctico, sino también ácido acético como producto de fermentación.

Producción del yogur

Metabolismo bacteriano

Podemos diferenciar las bacterias ácido-lácticas según si su metabolismo es homofermentativo o heterofermentativo. (Figura 3)

• El metabolismo homofermentativo se basa en la obtención de dos moléculas de ATP y dos de lactato por cada glucosa gracias a la enzima aldolasa, que escinde una fructosa-1,6-bisfosfato en dos triosas.
• El metabolismo heterofermentativo obtiene un ATP, un lactato, un etanol y un CO2 por cada glucosa debido a la acción de la enzima fosfocetolasa que escinde enlaces entre carbonos y participa en el metabolismo de Bifidobacterium.

Figura 3. Procesos de fermentación homofermentativa y heterofermentativa

Selección de cepas

Los criterios para escoger organismos utilizados en el proceso de fermentación son:

• La cepa debe ser genéticamente estable.
• La velocidad de crecimiento debe ser alta.
• La cepa debe estar libre de contaminantes.
• Debe poder conservarse por largos períodos de tiempo, sin perder sus características particulares.
• El microorganismo debe realizar el proceso de fermentación en poco tiempo.
• Debe tener alto rendimiento del producto esperado.

Para la selección de microorganismos se realiza un proceso llamado Screening. Este proceso consta de dos etapas:

·         Screening primario:

Es una búsqueda donde se detectan y aíslan microorganismos potencialmente útiles para la industria mediante un procedimiento selectivo.
Generalmente se parte de una población mixta donde existe tanto una gran cantidad como variedad de microorganismos potencialmente útiles que deben ser seleccionados.

En esta primera búsqueda se utilizan medios selectivos donde crezca el tipo de microorganismo que nos interesa aislar. A este medio selectivo se le añaden inhibidores para eliminar los que no interesan (medios reductores para condiciones anaeróbicas, medios con antibióticos para inhibir el crecimiento de un grupo particular…). Por último se obtiene un cultivo puro de aquellos microorganismos que se han aislado para su posterior estudio.

·         Screening secundario:

Se estudian los microorganismos aislados en la búsqueda primaria para separar los que tienen un  interés potencial de los que tienen un  interés real. En esta etapa, además, se mejoran las cepas seleccionadas. (3)

Fabricación en continuo

El yogur se fabrica a partir de una cuba que contiene el cultivo bacteriano en fase de máximo crecimiento mediante una producción en continuo, que consiste en suministrar un flujo continuo de leche entera pasteurizada por el procedimiento UHT a la misma velocidad a la que se vacía la cuba, manteniendo la concentración del cultivo en el interior constante. Además, se mide continuamente el pH de la leche que entra.(4)

El procedimiento se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Proceso de fabricación del yogur (6-RACVE)

Beneficios

El yogur es un alimento considerado un probiótico, término definido por  la OMS como “cultivos puros o una mezcla de cultivos de microorganismos vivos, que aplicados al hombre y los animales en cantidades adecuadas aportan efectos benéficos al huésped mejorando las propiedades de la microflora nativa”. Para que un microorganismo se considere probiótico debe cumplir una serie de características. (Tabla 1) (2)

Este alimento, por su contenido bacteriano, favorece al huésped por sus funciones metabólicas, gestionando los niveles saludables de colesterol y mejorando la digestión de la lactosa; disminuyendo así,  los problemas de  intolerancia.

Es un factor importante para el sistema inmunitario ya que concede acción antimicrobiana sobre numerosos patógenos.

Además se adhieren a la mucosa intestinal, regulando el equilibrio de la microflora. Y se caracterizan por ser una fuente rica en calcio, mineral que contribuye a la salud del colón, disminuyendo el riesgo de cáncer.

Tabla 1. Características de un probiótico

-Resistencia al Tránsito Intestinal Deben sobrevivir a las condiciones del tracto digestivo

-GRAS (Generalmente reconocido como seguro) Deben ser generalmente reconocidas como seguras

- Adhesión a la Mucosa Intestinal Pre-requisito para colonizar el tracto intestinal y ejercer los efectos benéficos

- Identificación Bioquímica Deben estar plenamente identificados fenotípicamente hasta especie

- Estimulación del Sistema Inmunológico Deben ser capaces de estimular el sistema inmune

- No ser Oportunista Aún en estado de inmunosupresión del huésped, no deben causar enfermedad

- Antagonismo contra Patógenos Debe poseer efectos probados contra patógenos del tracto intestinal

- Soportar Aplicación Tecnológica Permanecer viable en los procesos de elaboración de alimentos y durante el almacenamiento

Conclusión

Pese a la gran diversidad de especies pertenecientes al grupo de las bacterias del ácido láctico que existen, son solo unas pocas las que se utilizan en la producción del yogur. Estas, citadas anteriormente, contribuyen en el proceso modificando positivamente sus características como el sabor, la textura, la composición y la conservación. También proporcionan al consumidor numerosos beneficios para la salud actuando frente diversas enfermedades, desde origen infeccioso hasta enfermedades inmunológicas.

Dada la gran cantidad de beneficios ya citados que produce el yogur en nuestro organismo, recomendamos su consumo a diario. (Figura 5) (5)

Figura 5. Características de los probióticos

Ana Muñoz
Elia Ventura
Ana Jiménez
Marta Pardo
Meritxell Moreno

Referencias

¹ Lactobacillus acidophilus. (2016). Web.archive.org. Retrieved 12 March 2016, from http://web.archive.org/web/20150512002226/http://dwb.unl.edu/Teacher/NSF/C11/C11Links/www.bact.wisc.edu/scienceed/lactobacillusacidophilus.html

² Ramírez Ramírez, J., Rosas Ulloa, P., Velázquez González, M., Ulloa, J., & Arce Romero, F. (2016). Bacterias lácticas: Importancia en alimentos y sus efectos en la salud (1st ed.). 

³Spreer, E. and Dignoes Torres-Quevedo, O. (1991). Lactología industrial. Zaragoza: Acribia.

Dr. Jiménez Pérez, S. & Dr. Sarmiento Pérez, P. Procesos de elaboración del yogur firme y el yogur batido.. Recuperado a partir dehttp://expobeta.com/ue/institutotomaspascualsanz/descargas/formacion/publi/Curso_Leche_RACVE_3-pdf=Curso_Leche_RACVE_3.pdf

⁴Dr. Jiménez Pérez, S. & Dr. Sarmiento Pérez, P. Leche: de la producción al consumo (1st ed., pp. 23-26). Recuperado a partir de http://expobeta.com/ue/institutotomaspascualsanz/descargas/formacion/publi/Curso_Leche_RACVE_3-pdf=Curso_Leche_RACVE_3.pdf

⁵Beneficios de los probióticos. (2016). [Figura 2]. Recuperado el 22 de abril de: http://historiaybiografias.com/probioticos/.

⁶Dr. Jiménez Pérez, S. & Dr. Sarmiento Pérez, P. Resumen de los fenómenos de estimulación e inhibición que se producen durante el crecimiento de las bacterias del yogur en la leche. Recuperado a partir de http://expobeta.com/ue/institutotomaspascualsanz/descargas/formacion/publi/Curso_Leche_RACVE_3-pdf=Curso_Leche_RACVE_3.pdf

⁷Microbewiki. Kenyon College. 04 2016 Recuperado a partir de http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Yogurt

Secuenciación de genomas bacterianos: utilidades y aplicaciones

Hoy en día, la secuenciación del DNA es una herramienta que ha permitido un gran avance en diversos campos de investigación.

¿Qué es la secuenciación del DNA?

La secuenciación del DNA es un conjunto de métodos y técnicas que tienen como objetivo determinar el orden de las bases nitrogenadas (A, C, G y T) de los nucleótidos.

Determinar la secuencia del DNA puede ser útil para su aplicación en varios campos como pueden ser la medicina, la biología, la bioquímica y la genética.  

Investigaciones previas y derivadas de la secuenciación

Figura 1. Línea del tiempo de los avances e investigaciones relacionados con la secuenciación.¹

Métodos de secuenciación

A lo largo de la historia han surgido diversos métodos o mecanismos para secuenciar el DNA  haciendo que cada vez fuera más rápido y económico este proceso. Los primeros métodos de secuenciación se llevaron a cabo por Fred Sanger con su método enzimático y Maxam y Gilbert con la secuenciación química siendo la primera las más popular. Eso es debido a que la segunda presenta bastante complejidad técnica y utiliza  productos químicos peligrosos.

1. Método de Sanger o enzimático

El método de Sanger se basa en el uso de la DNA polimerasa i de desoxirribonucleótidos especiales (ddNTP) que no contienen un grupo hidroxilo en el carbono 3’ de la desoxirribosa.² Este hecho provoca la parada prematura de la síntesis de DNA ya que la DNA polimerasa añade nucleótidos a partir de ese extremo. El mecanismo se puede ver detallado en el siguiente video:

 

 Video 1. Animación del procedimiento del método de Sanger.

    

     b. Secuenciación química de Maxam y Gilbert

Este método a diferencia del de Sanger consiste en utilizar productos químicos que generan fragmentos de diferente medida marcados radioactivamente.³ Posteriormente se puede leer la secuencia del DNA mediante una electroforesis en gel de agarosa.

      c. Nuevos métodos

Cada día van surgiendo nuevos métodos de secuenciación, nosotros distinguiremos entre los que derivan del método de Sanger (método de secuenciación con terminadores fluorescentes y método de secuenciación automática) y los métodos de secuenciación masiva (Pirosecuenciación, PCR en emulsión e Illumina), además de estudiar los métodos que están surgiendo en este momento:

Método de secuenciación automática

El principio sigue siendo el mismo que el del método de Sanger, es decir, se usan didesoxinucleótidos o ddNTP pero las cuatro reacciones que se hacían por separado ahora se pueden hacer juntas. Eso se hace marcando los ddNTP con fluorocromos diferentes para cada uno.⁴ Entonces el procedimiento sería añadir el DNA que se quiere secuenciar juntamente con un primer o cebador para determinar en qué punto queremos iniciar la secuenciación. Seguidamente se añade la DNA polimerasa dNTP y los ddNTP marcados en una concentración baja. De esta manera se generarán todos los fragmentos posibles marcados al final con un ddNTP que se diferenciarán por un par de bases. Finalmente se hace una electroforesis capilar que permite separar estos fragmentos por peso molecular y se pasa el resultado por un detector. Este aparato proyecta un rayo a una longitud de onda concreto y los fluorocromos responden de una manera concreta pudiendo registrar los resultados. De esta manera puede leer la secuencia de nucleótidos. Este proceso tiene un inconveniente y es que no puede secuenciar secuencias muy largas ya que se va perdiendo resolución como más grande es.

Figura 3. Método de secuenciación automática.⁴

Illumina (2006)

Se trata de un método de secuenciación masiva en la que igual que en la secuenciación de Sanger, se utilizan nucleótidos terminadores marcados con moléculas fluorescentes. Además de la paralelización masiva podemos diferenciar este método del convencional debido a que esta técnica nos permite eliminar la fluorescencia una vez hemos obtenido la imagen y “desbloquear” el carbono que se encuentra en la posición 3` para que así pueda seguir aceptando bases y continuar con la secuenciación, consiguiendo así que la unión de un nucleótido terminador sea reversible.⁵ Este método presenta una mayor capacidad de hacer secuencias en paralelo que los métodos anteriores, lo que permite obtener de una sola vez 6 billones de secuencias.

En cuanto a la mecánica de este método, los primeros pasos consisten en la fragmentación del DNA y a ligación de adaptadores. A continuación, tendrán lugar la amplificación y la reacción de secuenciación.

En la siguiente tabla podemos ver nuevos métodos desarrollados y en desarrollo:

Tabla 1. Información sobre otros métodos de secuenciación que ya están en el mercado o en gran grado de desarrollo.

Utilidades y aplicaciones de la secuenciación en procariotas

Como ya se ha comentado, la secuenciación consiste en determinar el orden de la secuencia de nucleòtidos ya que estos a su vez corresponden a la información genètica. Esta información es la que determina el funcionamiento de los seres vivos. Entonces determinar la secuencia puede presentar una utilidad relevante en diversos campos de investigación.

Concretamente, la secuenciación de procariotas permite:

Identificación de genes que contribuyen a la enfermedad

Un gran número de procariotas son patógenos. Al hacer un estudio de su genoma, determinar qué gen provoca la enfermedad y su mecanismo de actuación permitiría un mayor avance en  la medicina. De esta manera se podrían crear antibióticos más eficientes que en vez de tratar los síntomas ataquen o neutralicen directamente el gen o la proteïna que expresa y causa la enfermedad.

Un ejemplo sería el caso de Neisseria meningitidis que causa la meningitis tipo B. Al descifrar su genoma pudieron determinar una serie de proteínas que producía este microorganismo que a su vez pudieron ser utilizadas para elaborar una vacuna contra esta enfermedad.⁶

Creación de transgénicos y su utilización

El estudio del genoma de diversos procariotas  puede permitir crear nuevos microorganismos modificados. Al saber su genoma se pueden usar enzimas de restricción concretos e insertar DNA extracelular para hacer que produzca algún producto en concreto. Un ejemplo típico sería la inserción del gen humano que codifica para la insulina en un procariota como Escherichia coli para que produzca la insulina.⁷ Anteriormente se extraía la insulina de los animales. Este procedimiento de ingeniería genética redujo mucho los costes de producción y evita rechazo por parte del cuerpo al introducirla en un humano diabético haciendo que sea más eficiente.

           Estudio de la función de los genes

Mediante la secuenciación del genoma de los procariotas se puede averiguar la funcionalidad de ciertos genes. Un proyecto que se llevó a cabo recientemente fue el del genoma mínimo.

En 1984 se propuso los mycoplasmas como modelos para entender los principios básicos de la vida debido a que eran muy simples y tenían uno de los genomas más pequeños concretamente 525 genes. Mediante la mutagénesis de transposones se demostró que a pesar de su genoma pequeño contiene genes no esenciales. Entonces se propuso descubrir cuáles eran los esenciales y generar la célula más simple posible.⁸ Esta investigación llevó a la creación de Mycoplasma laboratorium que contiene unos 382 genes.

Conclusión

La capacidad de secuenciar el DNA ha permitido acelerar la investigación de diversos proyectos científicos, afectando a diversos campos mencionados anteriormente. Gracias a la secuenciación se puede estudiar el genoma de diversas especies, incluso el genoma humano, y poder determinar cómo puede afectar la alteración en gen a dicha especie. Además, a través de los estudios de la secuenciación se puede llegar a determinar el por qué del rechazo en trasplantes de órganos, por ejemplo, haciendo que el trasplante sea más seguro para el paciente.

Como hemos podido ver, la secuenciación ha ido evolucionando a lo largo de los años, y probablemente este proceso continuará obteniendo cada vez métodos más eficientes.

Esperamos que haya sido de ayuda, si tenéis cualquier duda no dudéis en preguntarnos.

Muchas gracias por vuestra atención.

Lluis Moll, Samara Rabadán, María Martínez y Daniel Belda.

Referencias

1. De Necochea Campion, R. Canul Tec, J.C. (2004). Métodos fisicoquímicos en Biotecnología: Secuenciación de Ácidos Nucleicos. Recuperado el 09/03/2016 de http://www.ibt.unam.mx/computo/pdfs/met/secuenciacion_acidos_nucleicos.pdf
2. Rodríguez Tarduchy, G. Santiago Martínez, M.C. Estudio del ADN: Secuenciación automática del ADN. Recuperado el 09/03/2016 de http://www2.iib.uam.es/seq/tecnicas/biomed1.htm
3. .Maxam A. and Gilbert. A new method for sequencing DNA. PNAS, 74 (2), 560‐564, (1977). Articulo donde se describe método químico de secuenciación de ácidos nucleicos.
4. Pendientedemigración. Secuenciación de ADN. Recuperado el 09/03/2016 de http://pendientedemigracion.ucm.es/info/genetica/AVG/practicas/secuencia/Secuencia.htm#Metautomatico
5. Bentley, D. R. et al. Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry. Nature 456, 53–59 (2008). Artículo de los desarrolladores de Illumina, reportando el uso de esta tecnología para la secuenciación de un cromosoma humano
6. Biología celular y molecular. (2013). Aplicaciones médicas del genoma humano. Recuperado el 09/03/2016  de http://biologiabiomolecular.blogspot.com.es/2013/10/aplicacionesmedicas-del-genoma-humano.html
7. todosobreDiabetes. ¿Cómo se obtiene la insulina? Recuperado el 09/03/2016 de http://todosobrediabetes.com/como-se-obtiene-la-insulina
8. Clyde A. Hutchison III, et al. (25/3/16). Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science,351, 1414. doi  10.1126/science.aad6253