Análisis digital de imágenes para la caracterización microscópica de parámetros críticos en la producción fermentativa de metabolitos secundarios

Digital image analysis for microscope characterisation of the critical parameters involved in the fermentative production of secondary metabolites

Los metabolitos secundarios, y particularmente los antibióticos, se encuentran entre el grupo de fármacos de mayor relevancia en el mercado mundial, y son producidos, en su mayoría, mediante el cultivo sumergido de hongos filamentosos. Desde el punto de vista hidrodinámico, estos procesos involucran fundamentalmente la dispersión de hasta cuatro fases diferentes: agua-aceite-aire-hongo. Aun cuando se sabe que la hidrodinámica del cultivo determina la eficiencia global del proceso de fermentación, poco se ha logrado en cuanto al entendimiento de las relaciones hidrodinámica-dispersión-fisiología-productividad. Esto se debe en parte a la falta de metodologías que permitan cuantificar y caracterizar con precisión tanto la viabilidad del hongo (ya que en buena medida determina el rendimiento y la productividad del metabolito de interés), como el tamaño de las burbujas de gas y de gotas de aceite (ya que de ello depende la eficiencia de transporte de nutrientes como el oxígeno y los ácidos grasos del aceite). En este trabajo se resume y revisa el desarrollo de las metodologías que nuestro grupo ha publicado, basadas en el procesamiento y el análisis digital de imágenes aplicadas al estudio del cultivo de Trichoderma harzianum, hongo que produce antimicóticos de alta potencia (como la 6-pentil-alfa-pirona). Con el uso de estas metodologías hemos generado conocimiento básico de los fenómenos que ocurren en el fermentador, lo que nos ha permitido establecer estrategias para incrementar la productividad de este tipo de procesos. Palabras clave: cultivos miceliares; hidrodinámica; dispersión multifásica; fisiología microbiana; productividad; análisis de imágenes

Secondary metabolites, particularly antibiotics, are among the most relevant pharmaceutical compounds worldwide and they are generally produced by submerged cultivation of filamentous fungi. From the hydrodynamical point of view, these processes deal with the dispersion of up to four different phases: water-oil-air-fungi. It is well recognized that hydrodynamics has a significant influence on the global performance of the fermentation process; however, very little is understood about the relationships between hydrodynamics-dispersion-physiology-productivity. This poor understanding is partially due to the lack of precise methodologies to assess fungal viability (determining both the yield and productivity of the metabolite) and the size of the air bubbles and oil drops (related to the nutrient transport efficiency like oxygen and fatty acids). In this work, the published developments of our group, regarding image analysis-based methodologies for the study of Trichoderma harzianum cultivation for antimycotics production (v.g. 6-pentyl-alpha-pyrone) have been summarized and revised. The application of such methodologies resulted in the improvement of basic knowledge of the phenomena occurring within the fermenter as well as in the development of strategies for increasing the productivity of these processes. Key words: micelial cultures; hydrodynamics; multiphasic dispersión; microbial physiology; productivity; image analysis.