Mejora de la elaboración de vinagre a través del estudio integrado del microbioma y metaboloma
- Autores: Juan Jesús Román Camacho
- Directores de la Tesis: Juan Carlos García Mauricio (dir. tes.), Isidoro García García (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan José Moreno Vigara (presid.), Enrique Durán Guerrero (secret.), Maria Gullo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biociencias y Ciencias Agroalimentarias por la Universidad de Córdoba
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
1. Introducción o motivación de la tesis: La elaboración de vinagre de forma industrial se realiza a partir de un medio de origen alcohólico en el que interviene un cultivo mixto de bacterias acéticas (BAA) para llevar a cabo un proceso de biotransformación del etanol en ácido acético. A pesar de que el proceso de acetificación es bien conocido desde un punto de vista práctico y técnico, existen todavía numerosos aspectos fundamentales que no se han estudiado de forma exhaustiva, especialmente, aquellos que controlan, en último término, la actividad y el comportamiento de las complejas microbiotas responsables del proceso. Se sabe que estas comunidades microbianas mayormente están conformadas por unas pocas especies de BAA, aerobias estrictas y principales responsables del mencionado proceso (Gullo et al., 2014; Peters et al., 2017). No obstante, fracciones menores tanto de BAA como de otros microorganismos pueden coexistir en el medio con las especies predominantes y contribuir a la función de la comunidad (Tr¿ek et al., 2016; Peng et al., 2021). Los miembros de estas microbiotas y, especialmente, las BAA, debido a sus condiciones de crecimiento tan particulares basadas principalmente en la necesidad de un medio líquido rico en etanol como fuente de carbono, homogéneo y con constante aporte de oxígeno disuelto, son difíciles de aislar y cultivar fuera de estos entornos dónde normalmente realizan su actividad (Mamlouk and Gullo, 2013; Gullo et al., 2014). En este contexto, la identificación, así como los estudios de biodiversidad y comportamiento de estos microorganismos a nivel molecular plantean numerosas dificultades. Estos aspectos no sólo implican un desafío para mejorar la comprensión de conceptos científicos-básicos de estas bacterias, sino que dificultan el control de la calidad final de los productos obtenidos, ya que depende de la composición microbiana, la materia prima y las condiciones operativas (Mas et al., 2014). En el contexto que se plantea, las ciencias ómicas ofrecen en la actualidad múltiples posibilidades para la identificación y caracterización de comunidades microbianas en su medio natural, sin necesidad de aislamiento. En el campo de la producción de vinagre, los estudios existentes están mayormente centrados en metagenómica y/o metabolómica de vinagres tradicionales, tanto aquellos obtenidos mediante fermentación en estado sólido como en superficie, así como estudios moleculares de especies concretas (Xia et al., 2016; Peters et al., 2017; Wu et al., 2017; Zhu et al., 2018; Wang et al., 2021). Este trabajo, enfocado en el uso del cultivo sumergido como método de producción y numerosas herramientas ómicas, pretende contribuir a ampliar el conocimiento actual que existe en esta área de investigación. 2.Contenido de la investigación: En la presente Tesis Doctoral, se caracterizó y comparó el desarrollo de tres perfiles de acetificación para estudiar la evolución de las variables del sistema y el efecto de las tres materias primas empleadas: un medio sintético de alcohol, un vino fino y una cerveza artesana, sobre la composición y la actividad de la microbiota responsable del proceso. Con este objetivo, se emplearon diferentes herramientas ómicas basadas en metaproteómica (LC-MS/MS), metagenómica (secuenciación del ARNr 16S), huella de proteínas (MALDI-TOF MS) y metabolómica (SBSE acoplada con GC-MS), así como el cultivo sumergido, trabajando en modo semicontinuo, para la producción de vinagre a escala de laboratorio, tratando de imitar los procedimientos industriales. En primer lugar, la caracterización de los perfiles de acetificación de las materias primas de trabajo, desde un enfoque metaproteómico, permitió describir la composición y el comportamiento de la microbiota responsable del proceso. El género Komagataeibacter, representado principalmente por la especie Komagataeibacter europaeus y seguida de otras especies relacionadas, conformaron la microbiota predominante. Adicionalmente, este análisis reveló una fracción menor de microorganismos compuesta por géneros típicos de la familia Acetobacteraceae, nunca descritos en vinagre hasta la fecha. Posteriores estudios de metagenómica y huella proteica confirmaron la predominancia del género Komagataeibacter y permitió describir nuevos géneros bacterianos en estos medios e incluso grupos de arqueas. A partir de los estudios de metaproteómica, análisis cuantitativos centrados en el perfil de proteínas de la especie mayoritaria, K. europaeus, permitieron diferenciar entre los principales procesos biológicos que tienen lugar a lo largo del ciclo de acetificación en base a las variaciones en la actividad de las proteínas asociadas. Los resultados procedentes de la caracterización y comparación de dos perfiles de acetificación de materias primas naturales: vino fino y cerveza artesana, permitieron sugerir una estrategia molecular en la que K. europaeus puede asegurar su supervivencia a través del uso de nutrientes presentes en cada sustrato. En base a ello, la metabolización del ácido acético, procedente de la oxidación incompleta del etanol, mediante el ciclo de Krebs y otras vías metabólicas relacionadas (ruta de las pentosas fosfato y glucolisis), suministrando precursores biosintéticos (aminoácidos y ácidos nucleicos), así como mecanismos de membrana para liberar el ácido acético, pueden ser procesos de interés biotecnológico para la producción de vinagre mediante cultivo sumergido. Por último, un estudio preliminar a nivel metabolómico condujo a la caracterización del ¿volatiloma¿ y la diferenciación de volátiles minoritarios clave tanto de las materias primas como de las respectivas acetificaciones, permitiendo establecer diferencias significativas, siendo éstas más evidentes entre el medio sintético y los medios naturales. 3.Conclusión: La investigación realizada en este trabajo ha permitido caracterizar y confirmar la composición de la microbiota presente durante tres perfiles de acetificación, con K. europaeus como la especie predominante seguida de una fracción menos abundante de microorganismos como especies estrechamente relacionadas, especies de otros géneros típicos de BAA, grupos bacterianos diferentes a las BAA e incluso arqueas. Desde un punto de vista cuantitativo, se ha demostrado que el uso de diversas materias primas no influye directamente en la composición microbiana, mayormente común, pero sí en la actividad, comportamiento y estrategias moleculares empleadas durante la acetificación. Estos hallazgos pueden contribuir a mejorar el conocimiento actual que existe acerca de la composición y el papel de las comunidades microbianas responsables del proceso de acetificación, así como ampliar el uso de nuevas materias primas para la elaboración de vinagre mediante cultivo sumergido. A su vez, estos logros podrían conducir a la mejora de las condiciones de operación para la obtención de nuevos tipos de vinagre con mejores propiedades organolépticas y calidad.
