Profesora a Tiempo Completo
Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Química
Aunque el uso de organismos vivos en la industria es cada vez más común, el control de los procesos biotecnológicos sigue siendo complejo y representa uno de los mayores retos en estas aplicaciones. Actualmente se dispone de opciones para aumentar la eficiencia que incluyen el empleo de cepas específicas de microorganismos, el uso de diversos sustratos para el crecimiento microbiano, el seguimiento de las condiciones externas, la automatización de los procesos o el uso de la ingeniería genética. En la búsqueda constante de métodos sostenibles y eficientes para la biotecnología, un reciente estudio publicado en la revista Sustainability explora el uso de campos magnéticos para mejorar los procesos biotecnológicos tanto en microorganismos como en plantas. Este enfoque podría no solo aumentar la eficiencia de estos procesos, sino también reducir su impacto ambiental.
El estudio destaca varias aplicaciones prometedoras de los campos magnéticos en microorganismos, como la mejora en la eficiencia de procesos y la aceleración del crecimiento y producción de biomasa. En el contexto biotecnológico, se ha encontrado que la aplicación de los campos magnéticos, incluso los de baja frecuencia, pueden influir en el crecimiento y metabolismo de los organismos sin alterar las características del medio de cultivo o los productos finales. Esto los convierte en herramientas no invasivas y potencialmente sostenibles para controlar diversos procesos biotecnológicos.
Aplicación de campos magnéticos en procesos biotecnológicos utilizando organismos eucariotas
Investigaciones recientes han demostrado que los campos magnéticos pueden potenciar la producción de etanol y la fitorremediación basada en plantas. Además, su influencia en la inmunidad humana y su potencial uso en tratamientos médicos están emergiendo como áreas de gran interés.
Por ejemplo, en la producción de etanol, se ha encontrado que los campos magnéticos pueden aumentar la eficiencia de la fermentación, reduciendo el tiempo necesario para alcanzar la producción máxima y mejorando la viabilidad económica del proceso. La fermentación anaeróbica de alcohol está relacionada con la producción de CO2 gaseoso y el aumento de la biomasa. Se ha hipotetizado que los campos magnéticos estáticos influyen en la conversión de glucosa a etanol y biomasa, aumentando la tasa de conversión en comparación con los cultivos de control.Además de mejorar la producción de etanol, los campos magnéticos podrían regular el contenido de micotoxinas en sustratos de fermentación basados en plantas. Aunque algunos estudios no han observado cambios significativos en la concentración de micotoxinas, la aplicación de campos magnéticos en la fermentación de S. cerevisiae muestra potencial para reducir estos contaminantes.
En el ámbito de la biotecnología vegetal, estos campos magnéticos también muestran un gran potencial y podrían aplicarse como una mejora biotecnológica de bajo costo. A diferencia de los campos utilizados en levaduras y organismos procariotas, los campos investigados en plantas son mucho más altos (100–400 mT), y se ha considerado que los campos más bajos no son suficientemente efectivos. Varios estudios han observado los efectos beneficiosos de los campos magnéticos en el proceso de fitorremediación de suelos contaminados con metales. Los resultados muestran que la aplicación de campos magnéticos mejora la eficacia de la remediación del suelo, con una reducción significativa del contenido total de Cd y del contenido de Cd bio-disponible en el suelo.
También se ha investigado como la exposición de semillas y plantas a campos magnéticos puede aumentar su capacidad para acumular metales pesados, mejorando la eficiencia de la fitorremediación de suelos contaminados. Algunos autores han demostrado que las plantas cultivadas a partir de semillas pretratadas con campos magnéticos tienen la capacidad de acumular entre 28.8% y 250.1% más metales (Cu, Cd, Hg, Pb, Zn, Cr). Por otro lado, autores citados en el documento informaron que el pretratamiento de semillas con un campo magnético ayudó a las plantas a superar períodos de sequía de 3 a 10 días y tuvo un impacto positivo en el proceso de fitorremediación, la producción de biomasa y los niveles de pigmentos.
Los campos magnéticos han demostrado ser una herramienta valiosa en la terapia adjunta para el tratamiento de diversas enfermedades. Entre las aplicaciones más estudiadas se encuentra su uso en procedimientos médicos auxiliares para el tratamiento del cáncer, mediante la mejora de la respuesta inmune, aumentando la muerte de células tumorales. Además, la combinación de hipertermia inducida por campos magnéticos y la integración de nanopartículas que contienen fármacos anticancerígenos ha mostrado resultados prometedores. Algunos estudios destacan los efectos de los campos electromagnéticos en la regeneración de tejidos, encontrando que frecuencias e intensidades de campos electromagnéticos pulsados en el rango de <100 Hz y 3 mT tienen efectos positivos en la aceleración de los procesos de cicatrización de heridas y el tratamiento de la artritis, entre otros.
Aplicación de Campos Magnéticos en Procesos Biotecnológicos con Organismos Procariotas
Se han estudiado estos efectos debido principalmente a su estructura celular más simple, su rápida respuesta a los cambios ambientales y sus amplias aplicaciones industriales. Los hallazgos preliminares sobre el uso de campos electromagnéticos para controlar organismos procariotas abarcan diversas áreas, incluyendo la industria alimentaria, plantas de tratamiento de aguas residuales, eliminación de biofilms, mejora de la sensibilidad a los antibióticos y recuperación de metales por bacterias.
En plantas de tratamiento de aguas residuales se comprobó que ayudan con la estabilización de comunidades bacterianas en lodos activados, reduciendo la necesidad de tratamientos químicos. El campo magnético estático se presenta como un método prometedor para mejorar la biodegradación de sustancias orgánicas y la eliminación de nitrógeno. El campo magnético estático también tuvo un impacto significativo en la estabilidad de la estructura de la comunidad microbiana, favoreciendo la estabilidad de las bacterias desnitrificantes. En el caso de las bacterias fotosintéticas, se observó que a 0.35 T, el valor más bajo de DQO (Demanda Química de Oxígeno) se registró después de 48 horas, un día antes que en los grupos de control. Sin embargo, una exposición prolongada al campo magnético mayor a 6 días conduce a la acumulación de microorganismos muertos o inactivos en el sistema, afectando así la actividad del lodo y promoviendo el crecimiento de microorganismos filamentosos.
Otra área que ha recibido exploración limitada es la posibilidad de mejorar la eliminación biológica de petróleo en caso de su liberación al medio ambiente. Ren et al. investigaron el efecto de un campo magnético estático en la eliminación de petróleo por bacterias gramnegativas. Los resultados mostraron que los campos magnéticos de baja intensidad (15–35 mT) mejoraron la capacidad de las bacterias Acinetobacter sp. para eliminar petróleo en un 11.9% a 25 mT en comparación con el control. Esta densidad de campo magnético proporcionó un aumento suficiente en la permeabilidad de la membrana sin dañarla y mejoró la actividad de la superóxido dismutasa (SOD), aumentando efectivamente la capacidad de las bacterias para degradar el petróleo.
Debido a sus presuntos efectos positivos, los campos magnéticos tienen potencial para su aplicación en la industria alimentaria, ya que no alteran la composición química de los productos. Los campos magnéticos más débiles (en el rango de mT) generalmente apoyan el crecimiento microbiano, mientras que los campos magnéticos pulsados de alta intensidad se utilizan ampliamente como tecnologías de esterilización no térmica en el procesamiento de alimentos. Estas tecnologías están asociadas con tiempos de esterilización cortos y bajo consumo de energía, y son mejores para preservar las cualidades nutricionales y sensoriales originales de los alimentos.
Otras áreas donde ya se están utilizando campos magnéticos incluyen la mejora del proceso de fermentación. La mayoría de los alimentos fermentados requieren un proceso de envejecimiento natural para desarrollar los sabores y aromas deseados, lo que a menudo es una barrera para la producción rentable. Por lo tanto, un proceso que mejore el sabor deseado en un período de tiempo más corto sería altamente beneficioso. Estudios previos han explorado el uso de campos magnéticos para asistir en la fermentación microbiana y se han observado resultados favorables con la aplicación de varias intensidades de campos magnéticos para acelerar el envejecimiento de una amplia gama de alimentos fermentados con la aplicación de campos magnéticos variables (0–5 mT) en el proceso.
Otra aplicación potencial se encuentra en la producción de suplementos dietéticos. Según estudios citados en el documento, las células de Spirulina expuestas a un campo magnético (60 mT) mostraron un contenido de proteínas sin cambios, pero la concentración de carbohidratos disminuyó en un 69.1%. Esto indica que la biomasa obtenida a través de este método tiene el potencial de ser utilizada en el desarrollo de suplementos proteicos con bajo contenido de azúcar, haciéndolos adecuados para pacientes diabéticos.
Los campos magnéticos tienen aplicaciones potenciales en la medicina como medio de esterilización (campos de alta frecuencia), así como un mecanismo para aumentar la sensibilidad de los patógenos a los antibióticos y eliminar biofilms bacterianos de instrumentos quirúrgicos. En el campo médico también se encontró el uso de campos magnéticos en conjunto con nanopartículas magnéticas para la eliminación de biofilms. Se ha documentado que las nanopartículas magnéticas penetran en el biofilm y crean canales artificiales dentro de su matriz, resultando en una eliminación del biofilm de 4 a 6 veces más rápida al facilitar la penetración mejorada de los antibióticos a través de estos canales artificiales.
La regulación del metabolismo y la activación de enzimas mediante campos magnéticos es un área emergente en la biotecnología. Se han investigado enzimas bacterianas (_-amilasa y L-aspartato oxidasa) conjugadas con nanopartículas de óxido de hierro las cuales tienen la capacidad de aumentar su temperatura en presencia de un campo magnético fuerte (25.2 mT, frecuencia 829 kHz). Las enzimas termofílicas químicamente unidas a nanopartículas fueron activadas de forma remota por un aumento de temperatura localizado durante 30 minutos. La nanoactivación de enzimas termofílicas utilizando un campo magnético tiene aplicaciones potenciales en diversas áreas. Estos hallazgos demuestran la posibilidad de llevar a cabo procesos biotecnológicos multienzimáticos en los que una de las enzimas/sustratos/productos es termolábil, mientras que la otra requiere una alta temperatura para su actividad. La activación de enzimas puede acelerar procesos específicos a través de los cuales los microorganismos producen productos valiosos con aplicaciones industriales potenciales. Por ejemplo, la fermentación microbiana juega un papel crucial en la producción de hidrógeno. Cuando se aplicó un campo magnético (3.2 mT) al sistema de fermentación de glucosa por Clostridium pasteurianum, se observó un aumento en la producción de hidrógeno del 366% en comparación con el control.
Además, se ha encontrado que la aplicación de campos magnéticos puede activar el metabolismo de bacterias utilizadas en la biolixiviación para la recuperación de metales de residuos electrónicos y minerales de baja ley, haciendo este proceso más eficiente y sostenible. Se recopilo información sobre la mejora de los procesos biotecnológicos para recuperación de metales de desechos electrónicos o minerales de baja ley que contienen metales como zinc, níquel, plomo, cadmio, cobre o cobalto, mediante la aplicación de campos magnéticos durante la biolixiviación. Las bacterias A. ferrooxidans tiene aplicaciones potenciales en la desulfurización de sólidos y gases, la recuperación de metales de minerales, desechos electrónicos y lodos, así como la producción simultánea de ciertos productos con potencial industrial. Las bacterias oxidantes de hierro y azufre son conocidas por sus tasas de crecimiento lentas, lo que limita la aplicación práctica de la biolixiviación debido a la lenta tasa de reacción y el largo tiempo de operación. Actualmente, se utilizan campos electromagnéticos para la separación magnética de sustratos o productos de biolixiviación. Se probaron campos magnéticos estáticos (3.15 mT) y se observó la capacidad de aumentar el rendimiento de biolixiviación de cobre de la pirita en un 15.8% a 18.9% durante un período de cultivo de 25 días. Resultados similares se lograron utilizando campos magnéticos estáticos (2 mT, 5 mT, 8 mT y 11 mT) durante la biolixiviación de arsénico y cadmio, donde el rendimiento fue mayor en un 2% a 8% en comparación con el control.
Conclusión
La aplicación de campos magnéticos en biotecnología presenta un enfoque innovador y prometedor para mejorar la sostenibilidad y eficiencia de procesos industriales. Desde la activación del metabolismo bacteriano hasta la mejora de la biolixiviación de metales, los campos magnéticos ofrecen múltiples beneficios que merecen una mayor exploración en el futuro.
A pesar de los resultados prometedores, el estudio señala que la aplicación de campos magnéticos en biotecnología aún está en sus primeras etapas. Se necesita comprender completamente los mecanismos detrás de estos efectos y optimizar las condiciones para diferentes aplicaciones. De modo que, con más investigación, estos métodos podrían convertirse en herramientas clave para una biotecnología más verde y eficiente.
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