ALIMENTOS DERIVADOS DE ORGANISMOS GENETICAMENTE MODIFICADOS EN LA ERA DE LA NANOTECNOLOGÍA Facultad de Química y Farmacia, Universidad de El Salvador 19.

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1 ALIMENTOS DERIVADOS DE ORGANISMOS GENETICAMENTE MODIFICADOS EN LA ERA DE LA NANOTECNOLOGÍA Facultad de Química y Farmacia, Universidad de El Salvador 19 de noviembre de 2008. 11 a.m. - 12 m. JOSE ROBERTO ALEGRIA COTO Jefe Depto. de Desarrollo Científico y Tecnológico ralegria@conacyt.gob.sv JOSE ROBERTO ALEGRIA COTO Jefe Depto. de Desarrollo Científico y Tecnológico ralegria@conacyt.gob.sv www.conacyt.gob.sv 105-

2 La biotecnología La biotecnología existe desde que el hombre comenzó a seleccionar y mejorar artificialmente “Biotecnología Tradicional”. las plantas y los animales que consumía y aprendió a utilizar los microorganismos para obtener nuevos alimentos (vino, cerveza, pan con levadura, queso, etc.) mediante procesos de fermentación. A esto se le denomina “Biotecnología Tradicional”. “Biotecnología Moderna”, ADN recombinantecultivo de tejidos, fusión de protoplastos interespeciesingeniería de proteínas,catálisis con enzimas o células inmovilizadas, biosensores,biorreactores, bioinformática. En contraste la “Biotecnología Moderna”, emplea los conocimientos de la Biología Molecular y la aplicación de diferentes tecnologías: i) del ADN recombinante, ii) cultivo de tejidos, producción de origen vegetal o animal, iii) fusión de protoplastos interespecies, iv) ingeniería de proteínas, v) catálisis con enzimas o células inmovilizadas, vi) biosensores, vii) biorreactores, viii) bioinformática.

3 CONACYT Roberto Alegría. Marcadores Ingeniería Genética Tecnología Molecular DiagnósticosDiagnósticos Cultivo de Células Vegetales Transferencia de genes en animales Síntesis de Sondas de ADN Clonación Producción de Proteínas Microarreglos de ADN Bioinformática Genómica Proteómica Metabolómica Transcriptómica BIOLOGÍAMOLECULAR Cultivos Celulares Nano Biotecnología Síntesis de Nuevas Proteínas incrementar producción y bajar costos Agentes de biocontrol en agricultura Nuevas Plantas y Animales incrementar producción y bajar costos Agentes de biocontrol en agricultura Disminuir pérdidas de producción Nuevos Alimentos mejorar el valor nutricional disminuir características alergénicas Ingredientes químicos de alto valor alimenticio Biorremediación de suelos BiosensoresBiosensores Mejora de producción de Biocombustibles Bancos de ADN, ARN Proteínas

4 técnicas del ADN recombinante Las técnicas del ADN recombinante (Ingeniería Genética), desde la década de los 70s permitieron la manipulación genética de virus y bacterias. Conocida como tecnología del ADN recombinante. “transgénicos”. tecnología del ADN recombinante. Con la manipulación de vegetales y animales desde los 80, se utilizó el concepto de “transgénicos”. “Organismos Genéticamente Modificados (OGMs)“Organismos Vivos Modificados” (OVMs) este último término Los seres modificados genéticamente se conocen como “Organismos Genéticamente Modificados (OGMs) o como “Organismos Vivos Modificados” (OVMs) este último término adoptado por el Protocolo de Cartagena sobre Bioseguridad.

5 Biotecnología tradicional Antes de la Biotecnología Moderna todos los alimentos que consumimos han sido modificados genéticamente, mediante la Biotecnología tradicional estas modificaciones se dieron desde los inicios de la agricultura, con el fin de hacer que los productos del campo fueran cultivables y comestibles. Hibridización Clásica, La técnica utilizada a través del tiempo hasta la actualidad, ha sido de Hibridización Clásica, en donde se transfieren docenas de millares de genes para encontrar el gen de interés, que se limita a la compatibilidad sexual (confinada al interior de una especie).

6 CONACYT Roberto Alegría INDICADORES: COMPARACIÓN ENTRE HIBRIDIZACIÓN CLÁSICA Y LA TRANSGÉNESIS PUNTOS DE COMPARACIÓN HIBRIDIZACIÓN CLÁSICA TRANSGÉNESIS Número de genes transferidos Una docena de millares de genes para encontrar el gen de interés Uno o varios genes de interés en una construcción genética Elección de la característica a transmitir Se limita a la compatibilidad sexual (confinada al interior de una especie) En principio ilimitada (franquea la barrera de las especies) Tiempo para estabilizar la nueva variedad 10 a 20 años o más 3-4 años (Counseil de la science et de la technologie, 2002).

7 Calgene Mayo 1994 FDA para USA Tomates OGM (“Flavr Savr”) ADN ARNm POLIGALACTURONASA Ablandamiento Senescencia “GEN ANTISENTIDO ” complementario ARNm PECTINA Tomates con < 1% poligalacturonasa ADN original ADN antisentido

8 PURE DE TOMATE OGM LOS SUPERMERCADOS “SAFEWAY” Y “SAINSBURY’S” DEL REINO UNIDO COMERCIALIZAN PURE DE TOMATE OGM EL 5 FEBRERO DE 1996

9 CONACYT Roberto Alegría CONSTRUYENDO ORGANISMOS CON Agrobacterium A. tumefaciens Núcleo Células vegetales Enzima de Restricción corta el segmento de ADN deseado Extracción del ADN El ADN extraño que se incorpora al vector consta de: promotor + gen desaeado + gen marcador.

10 ARROZ DORADO ARROZ DORADO con beta caroteno de narciso y de Erwinia uredovora, genes de narciso y de Erwinia uredovora, pigmentos que se transforman en pro- vitamina A al ser ingeridos. ARROZ gen de la ferritina. ARROZ fortificado con un gen de la ferritina. ARROZaa esenciales. ARROZ con aa esenciales. Ingeniería Genética: NUEVOS ALIMENTOS Ingeniería Genética: NUEVOS ALIMENTOS (ISB, 2001, oct; Netlink, 2000). (Pearson, H. Nature, 26 april 2002). ARROZ con enzima lactoferrina de leche humana, ARROZ con enzima lactoferrina de leche humana, que puede ser utilizada para mejorar las fórmulas de leche infantil. Los niños la necesitan para usar eficientemente el hierro y pelear contra las infecciones

11 Soya 5-enolpiruvilsikimato-3-fosfato sintetasa Soya “Roundup Ready” resistente al herbicida GLIFOSATO,contiene gen bacteriano que codifica la enzima 5-enolpiruvilsikimato-3-fosfato sintetasa (abreviada EPSPS) clave en la vía bioquímica que resulta en la síntesis de los aminoácidos aromáticos fenilanina, tirosina y triptofano en plantas y que no es inhibida por glifosato. Maíz Maíz conocido como Bt, por contener el gen de una bacteria, Bacillus thuringiensis. El maíz Bt produce una nueva proteína que resulta tóxica para el voraz gusano barrenador, que es eliminado cuando consume el tejido de la planta. La toxina no tiene efecto sobre los humanos. SOYA Y MAIZ TRANSGÉNICOS

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14 CONVERGENCIA EN LA NANOESCALA Genes Átomos NBIC COGNO NANOBIO INFO Neuronas Bits La interdisciplinaridad científica y tecnológica entre físicos, químicos, biólogos e ingenieros, permite la creación de materiales, dispositivos y sistemas, a través de la manipulación de la materia a escala NANOMÉTRICA usando fabricación innovadora (top-down) y técnicas de ensamblamiento (bottom-up). Se espera la unificación de la ciencia, basándose en la unidad de la materia y la integración de la tecnología convergiendo sinérgicamente en el nivel de la nanoescala.

15 NANOTECNOLOGÍA Un nanómetro es una mil millonésima de metro. Concierne a dispositivos y materiales de trabajo hechos a la escala de átomos y moléculas, en el orden de los 10 -9 metros. Un nanómetro es una mil millonésima de metro. Lo especial de la nanoescala es que los materiales pueden tener diferentes propiedades, unos mejor conductividad eléctrica o de calor, unos más fuertes, unos tienen diferentes propiedades magnéticas, cambian de color con cambio de tamaño, etc. ADN 2.5 nanometros de diámetro ADN 2.5 nanometros de diámetro Bacteria 2.5 micrómetros de longitud Bacteria 2.5 micrómetros de longitud Gran gota de lluvia 2.5 milimetros de diámetro Gran gota de lluvia 2.5 milimetros de diámetro Nanotubo de carbono de una pared 1 nanometro de diámetro Nanotubo de carbono de una pared 1 nanometro de diámetro Hebra de pelo 100 micrómetros de longitud Hebra de pelo 100 micrómetros de longitud Casa 10 metros de ancho Casa 10 metros de ancho Nanopartícula 4 nanometros de diámetro Nanopartícula 4 nanometros de diámetro Hormiga 4 milímetros de diámetro Hormiga 4 milímetros de diámetro Circuito de Indianapolis 4 kilómetros por vuellta Circuito de Indianapolis 4 kilómetros por vuellta

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17 NANOTUBOSde carbono (CNT’s) a causa de su gran fuerza mecánica y menor peso por unidad de volumen, que materiales convencionales, son usados en: bates de baseball, raquetas de tenis, partes de carros. NANOTUBOS de carbono (CNT’s) a causa de su gran fuerza mecánica y menor peso por unidad de volumen, que materiales convencionales, son usados en: bates de baseball, raquetas de tenis, partes de carros. Las propiedades electrónicas de los CNT’s los hacen candidatos para pantallas planas en los TVs, baterías y otros electrónicos. Nanotubos para varios usos pueden ser hechos de materiales diferentes al carbono. NANOPELÍCULAS de diferentes materiales de la nanoescala pueden ser hechas para ser repelentes al agua, anti reflectivas, resistentes a la luz UV e infrarojas, anti neblina, anti microbianas, resistentes a las rayaduras, o electricamente conductoras. Las nanopelículas son usadas en los vidrios de los lentes, pantallas de computadoras y cámaras para proteger o tratar las superficies. APLICACIONES Y PRODUCTOS NANOTECNOLÓGICOS TÉCNICAS DE LIBERACIÓN DE MEDICAMENTOS Los DENDRIMEROS son un tipo de nanoestructuras que pueden ser diseñadas y producidas precisamente para una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo tratamiento de cáncer y otras enfermedades. Los dendrímeros portan diferentes materiales en sus ramificaciones, por lo que pueden hacer diferentes cosas a la vez, tales como reconocer células enfermas, diagnosticar estados de enfermedad (incluyendo células muertas), liberación de medicamentos, reportar localización, y reportar éxitos de terapia. TÉCNICAS DE FILTRACIÓN DE AGUA. Los investigadores están experimentando con membranas basadas en nanotubos de carbono para desalinización de agua y sensores a nanoescala para identificar contaminantes en sistemas de agua. Otros materiales a nanoescala que tienen gran potencial para filtrar y purificar agua incluyen dióxido de titanio a nanoescala, el cual es usado en cremas solares y que ha sido mostrado que puede neutralizar bacterias en el agua, incluyendo a E. coli. PLASTICOS SOLARES. Delgados, flexibles, plásticos rollizos de peso ligero conteniendo materiales a nanoescala están siendo desarrollados, por lo que podrían reemplazar las tecnologías tradicionales de energía solar. Los materiales a nanoescala absorben la luz solar y en algunos casos, luz interior, la cual es convertida en energía eléctrica. Las celdas solares de películas delgadas están aparejadas con una nueva clase de baterías recargables, que también actualmente son sujetas de investigación. Esta tecnología puede ser más ampliamente usada cuando los investigadores aprendan como capturar la energía solar más eficientemente. TRANSISTORES A NANOESCALA son dispositivos electrónicos conmutadores, en donde una pequeña cantidad de electricidad es usada similar a una compuerta para controlar el flujo de grandes cantidades de electricidad. En computadoras, entre más transistores, es más grande el poder. El tamaño de los transistores ha ido decreciendo y las computadoras se han hecho más poderosas. Los mejores chips comercializados por la industria tienen transistores de 65 nm. La industria anuncia transistores de 45 nm.

18 Nanoescala en una Dimensión Nanoescala en una Dimensión (un atomo) Películas finas, capas (lubricantes) y superficies. Se usan en campos como electrónica, manufactura de dispositivos, química (catalisis, producción in situ a pequeña escala de químicos de alto valos farmaceútico). http://www.nanowerk.com/nanotechnology/introduction/introduction_to_nanotechnology_1.html Nanoescala en dos Dimensiones a) Los Nanotubos Inorgánicos basados en capas compuestas tales como disulfuro de molibdeno tienen excelentes propiedades de lubricació, resisten ondas de impacto, reactividad catalítica, y alta capacidad para almacenar hidrógeno y litio. Nanotubos basados en óxido (tal como dioxido de titanio) estan siendo investigados para aplicaciones en catálisis, fotocatálisis y almacenamiento de energía.

19 Nanoescala en dos Dimensiones Nanohilos. Nanohilos. Son arreglos lineares de puntos ultrafinos formados por autoensamblamiento. Nanohilos semiconductores de silicio, nitruro de galio, tienen características magnéticas, electrónicas y ópticas notables (por ejemplo, los nanohilos de silicio pueden doblar la luz alrededor de esquinas muy apretadas). Biopolimeros. moléculas de ADN, Biopolimeros. La variabilidad y sitio de reconocimiento de biopolímeros, tales como las moléculas de ADN, ofrecen un amplio rango de organización por autoensamblamiento, para unir la nano y la biotecnología (por ejemplo, sensores biocompatibles y motores pequeños simples. La combinación de las nanoestructuras unidimensionales que consisten en biopolímeros y los compuestos inorgánicos abren un número de oportunidades científicas y tecnológicas. http://www.nanowerk.com/nanotechnology/introduction/introduction_to_nanotechnology_1.html

20 Nanoescala en Tres Dimensiones a) Nanoparticulas a) Nanoparticulas partículas de menos de 100 nm de diámetro que tienen nuevas propiedades (tales como, reactividad química y conducta óptica) comparada con partículas de mayor tamaño del mismo material (por ejemplo, óxido de titanio y óxido de zinc son transparentes en la nanoescala). b) Fullerenos (carbon 60). b) Fullerenos (carbon 60). A mitad de los 80s, H. Kroto y R. R. Smalley descubrieron una nueva clase de material de buckminsterfullereno fullereno C60 vehículos para liberar medicamentos carbono (C60), que lo llamaron “buckminsterfullereno”, en reconocimiento del arquitecto Buckminster Fuller, conocido por construir domos geodésicos y el término fullereno le fue dado a cualquier caja de carbono cerrada. C60 son moléculas esféricas sobre un nm en diámetro, de 60 átomos de carbón dispuestos como 20 hexágonos y 12 pentágonos. Usos para los fullerenos: como bolas de rodamiento miniatura para lubricar superficies, vehículos para liberar medicamentos y en circuitos electrónicos. http://www.nanowerk.com/nanotechnology/introduction/introduction_to_nanotechnology_1.html

21 Algunas Estructuras de Nanocarbono

22 Nanoescala en Tres Dimensiones c) Dendrimeros. c) Dendrimeros. Moléculas poliméricas esféricas, formadas por un proceso jerárquico de autoensamblamiento. Los Dendrimeros se utilizan en aplicaciones convencionales, tales como capas y tintas. Otras: actúan como portadoras de moléculas en la nanoescala, en liberación de medicamentos, atrapan iones metálicos, que se podrían filtrar fuera del agua con técnicas de ultrafiltración. d) Puntos Cuánticos. d) Puntos Cuánticos. Nanoparticulas de los semiconductores (puntos del quántum) teorizado en los años 70 y creados a inicios de los 80s. Si las partículas semiconductoras se hacen bastante pequeñas, los efectos cuánticos limitan las energías en las cuales los electrones y los agujeros (la ausencia de un electrón) pueden existir en las partículas. Como la energía se relaciona con la longitud de onda (o el color), significa que las características ópticas de las partículas se pueden modificar dependiendo de su tamaño. Así, las partículas se pueden hacer para emitir o para absorber las longitudes de onda específicas (colores) de la luz, simplemente controlando su tamaño. Aplicaciones en compuestos, céldas solares (células de Gratzel) y etiquetas biológicas fluorescentes (por ejemplo para trazar una molécula biológica).

23 Quantum dots Lab en un chip Dendrimeros Buckyballs

24 Biosensores: Biosensores: une Conocimientos biológicos y avances de microeléctrónica. Son dispositivos de detección de células o moléculas específicas que identifican y miden sustancias en condiciones extremas cuando la sustancia de interés se une al componente biológico producen una señal eléctrica u óptica, proporcional a la concentración de la sustancia. NANOBIOTECNOLOGÍANANOBIOTECNOLOGÍA http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=4963.php

25 Nanobiotecnología La Nanobiotecnología manipula átomos y moléculas para crear biomateriales, dispositivos y sistemas en la escala de una mil millonésima de metro. NANOBIOTECNOLOGÍA Diagnóstico y tratamiento de tuberculosis usando Biosensores nano. En 1993 la OMS declaró una emergencia global a Micobacterium Tuberculosis (TB), por su alta resistencia a múltiples antibióticos. En la India han desarrollado un kit de diagnóstico de TB basado en Nanotecnología, portátil, no requiere entreno, costo menor a US $ dólar por prueba. En USA investigan sobre biosensores ópticos para rápida detección de TB.

26 Biosensor de detección de Salmonellas E. coli StaphylococcusCampylobacter Biosensor de detección de Salmonellas basado en hetero nanovarillas de Oro y Sílice, donde se inmovilizan las moléculas de reconocimiento (anticuerpos conjugados con el oro) y las miles de moléculas fluorescentes de señalización en las varillas de sílice, que pueden detectar a una sola bacteria. En principio el protócolo usado puede detectar bacterias patógenas que afectan alimentos, como E. coli, Staphylococcus, Campylobacter y tóxinas de Ricina,AbrinC. botulinum, alimentos como: Ricina, Abrin o C. botulinum, si se usa el anticuerpo apropiado. Tiene ventajas sobre técnicas tradicionales, Método ISO 6579, anticuerpos fluorescentes (FA), Ensayo Inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA) o Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR), que consumen tiempo, son dificultosos y poco sensibles. NANOBIOTECNOLOGÍANANOBIOTECNOLOGÍA http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=4963.php

27 “La Nanotecnología es particularmente importante para los países en desarrollo, debido a que involucra poca labor, tierras o mantenimiento; es altamente productiva y barata; y sólo requiere modestas cantidades de materiales y energía” De Innovation: applying knowledge in development, report of the UN Millennium Project, Task force on Science, Technology and Innovation, 2005. Teniendo en cuenta que para su apropiación y beneficio es fundamental el recurso humano en ciencias e ingenierías que se tenga. NANOTECNOLOGÍA PARA PAÍSES EN DESARROLLO

28 BiotecnologíaNanotecnología El Salvador, en la Política Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación (noviembre de 2006), ha propuesto a los diferentes sectores de la nación, a la Biotecnología y la Nanotecnología como áreas del conocimiento científico y tecnológico de mayor potencialidad para el desarrollo de la C&T e innovación del país. POLÍTICA NACIONAL DE CIENCIA TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN La POLÍTICA NACIONAL DE CIENCIA TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN, es un instrumento a disposición de todas las ENTIDADES para que en el marco de un Plan de Nación del país que queremos todos los salvadoreños. CONSTRUYAMOS JUNTOS NUESTRO FUTURO.

29 a)Establecimiento de mecanismos de concientización de la velocidad de los cambios del conocimiento mundial y de apropiación; b)Replanteamiento dinámico de la currícula y programas de Ingeniería y de ciencias para incorporar esos conocimientos; c)Transformarción de las Ingenierías y las Ciencias con programas interdisciplinarios y flexibles; d)Incentivación de las áreas estratégicas del conocimiento aplicando el concepto de relevancia; e)Introducción en los niveles educativos inicial, básico y medio de conocimientos que impulsen las vocaciones hacia las ingenierias, la ciencia y la tecnología. En el marco de la Política Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación: PROPUESTAS DE ESTRATEGIAS

30 Información de otras ponencias desde la web del CONACYT: http://www.conacyt.gob.sv en CIT o directamente en http://www.conacyt.gob.sv/cit.htm ¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION¡ ¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION¡ Atentamente: José Roberto Alegría Coto ralegria@conacyt.gob.sv