INTRODUCCION AL ESTUDIO DE LA BIOTECNOLOGÍA Contenidos. Introducción. Definición de la Biotecnología. Sustrato, Agente biológico, proceso y producto. Escalas de un proceso. Biotecnología de primera, segunda, tercera y cuarta generación. Influencia de la Biotecnología en los sectores de Salud, Agropecuario y Agroindustrial. Conclusiones. (2 horas).

OBJETIVOS Introducir el concepto de biotecnología, profundizar en su evolución, así como destacar la influencian de la biotecnología en los sectores agropecuario y biofarmacéutico.

INTRODUCCIÓN SECTOR AGROPECUARIO BIOTECNOLOGÍA AGROINDUSTRIA MICROORGANISMOS La BIOTECNOLOGÍA permite: Obtener productos de alto valor agregado a partir de materias primas y residuos de la producción agropecuaria. Beneficiosos Perjudiciales Gram+ Gram-

MATERIAS PRIMAS DE INTERÉS PRODUCTOS PARA HUMANOS Y ANIMALES PROCESOS TRANSFORMA-TIVOS ANTES POSTERIOR MATERIAS PRIMAS DE INTERÉS PRODUCTOS PARA HUMANOS Y ANIMALES

PROCESO BIOTECNOLÓGICO Agente biológico Agente Biológico Material o sustrato PRODUCTO Útil para el hombre Económicamente Viable PROCESO BIOTECNOLÓGICO

IMPACTO DE LA BIOTECNOLOGIA EN LA VIDA DEL HOMBRE Alimentación Salud Medio ambiente Energía

C. DEFINICIÓN DE BIOTECNOLOGÍA Es el conjunto de tecnologías llevadas a cabo por el hombre con la utilización directa o indirecta de microorganismos y cultivos celulares de plantas y animales que conllevan a la formación de productos con valor agregado y el máximo de eficiencia, economía y seguridad (Federación Europea de Biotecnología, 1978 Negrín, Pereira y Zumalacarregui, 1992; Bull, 1982, CIGB, 2006).

CLASIFICACIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA Biotecnología Industrial Biotecnología Vegetal Biotecnología Animal Biotecnología médico-farmacéutica Biotecnología de los alimentos Biotecnología de tratamiento de residuales Biotecnología y Energía

SUSTRATO (MATERIA PRIMA) Tener bajo costo Ser capaz de transformarse por la acción de elementos vivos en un producto final con valor agregado. Pueden ser materiales orgánicos o inorgánicos (los subproductos de grandes industrias son sustratos altamente valorados para los procesos biotecnológicos).

AGENTE BIOLÓGICO Mutantes naturales. (Microorganismos participantes en el proceso). Mutantes naturales. Organismos Genéticamente modificados.

PROCESO: Transformación, conversión o modificación de un sustrato por acción específica de los agentes biológicos para obtener productos de interés.

PRODUCTO Es el resultado del desarrollo de un proceso biotecnológico. Tiene que ser útil, fácil de obtener, duradero, con valor agregado y económicamente viable.

ESCALAS DE UN PROCESO BIOTECNOLÓGICO Laboratorio Banco Piloto Semi-industrial Industrial

BIOTECNOLOGÍA DE PRIMERA, SEGUNDA, TERCERA Y CUARTA GENERACIÓN BIOTECNOLOGÍA DE PRIMERA GENERACIÓN Desde el año 6 000 a. C hasta principios del siglo XIX

Cultivo de plantas y domesticación de animales en el periodo Neolítico. Descubrimiento de una tablilla babilónica que data de 6 000 a. C donde se describe la preparación de la cerveza. Los Egipcios ya sabían fabricar pan 4 000 años antes a. C. Los Sumerios eran capaces de fabricar cerca de veinte tipos de cervezas durante el Tercer Milenio a. C.

Un ánfora con manchas de vino fue encontrada en Irán y se demostró que procedía de 3 500 años a. C. En las sagradas escrituras se refieren el consumo de vino y leche fermentada por algunos de sus protagonistas. Existen otros procesos biotecnológicos conocidos desde la antigüedad como la fabricación de quesos, leche ácida, cultivo de champiñón, vinagre, alimento y bebidas fermentadas, entre otros.

BIOTECNOLOGÍA DE SEGUNDA GENERACIÓN DESDE EL SIGLO XVII HASTA MEDIADOS DE LOS AÑOS 1970

ANTECEDENTES Elaboración de lentes de aumento por Antonie van Leeuwenhoek (siglo XVII) y observación de los microorganismos. Descubrimiento del carácter microbiano de la fermentación por Louis Pasteur en 1863.

Técnica para la obtención de cultivos puros (Jodeph Lister, 1878). Establecimiento de las bases metabólicas del proceso de fermentación con el desarrollo de la Microbiología y la Bioquímica. Descubrimiento de la penicilina por Alexander Fleming en 1928.

PRODUCTOS BIOTECNOLÓGICOS BIOINDUSTRIA

Producción de la penicilina y otros antibióticos. Obtención de reactivos para el diagnóstico. Obtención de alcohol industrial y de ácidos orgánicos. Obtención de enzimas. Obtención de aminoácidos y SCP. Obtención de biopesticidas, bioplaguicidas, compost y biofertilizantes. Obtención de biogás. Obtención de etileno, acetona y butanol. Producción de vacunas.

PROCESO FERMENTATIVO FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA FERMENTACIÓN HOMOLÁCTICA

FERMENTACIONES MICROBIANAS Almidones (Amilasas) Sacarosa (invertasas) Glucosa, galactosa y fructosa Celulosa (Celulasas) Lactosa (Lactasa) GLUCOSA

ACIDO LACTICO ETANOL Queso, leche ácida, yogur, pan, etc. D-GLUCOSA Alcohol, Cervezas, Pan, Vinos, Vinagre, etc. Queso, leche ácida, yogur, pan, etc. D-GLUCOSA-6-FOSFATO D-FRUCTOSA-6-P BACTERIAS ÁCIDO LÁCTICAS, BIFIDOBACTERIAS LEVADURAS ÁCIDO PIRÚVICO ACIDO LACTICO ETANOL ACETALDEHIDO ACTIVADO ACETALDEHIDO Rendimiento neto: 2 ATP

RESPIRACIÓN MICROBIANA D-GLUCOSA ACIDO PIRÚVICO Acetil-CoA AMINOÁCIDOS Ácidos Grasos Oxalacético Citrato Malato Cis-aconitato CICLO DE KREBS Fumarato Isocitrato Succinato Succinil-CoA Alfa-Oxoglutarato 2H 2H 2H 2H Rto. neto: 38 ATP CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICA Y SINTESIS DE ATP (FOSFORILACIÓN OXIDATIVA)

FERMENTACIÓN VS. RESPIRACIÓN Baja energía Alta energía 2 ATP 38 ATP Antagonismo ETANOL ÁCIDOS ORGÁNICOS BIOMASA

BIOTECNOLOGÍA DE TERCERA GENERACIÓN O BIOTECNOLOGIA MODERNA DESDE LA DÉCADA DE 1970

PRODUCTOS BIOTECNOLÓGICOS MANIPULACIÓN DEL ADN (OMG)

Se demuestra el mecanismos de replicación del AND por Mattew en 1957. ANTECEDENTES Se descubre el ADN como material de los genes por Oswald Avery en 1944. Se describe la estructura en doble hélice del ADN por Watson y Crick en 1953. Se demuestra el mecanismos de replicación del AND por Mattew en 1957. Se descubre la enzima que intervine en la síntesis de los ácidos nucleicos y su aislamiento (ADN polimerasa) por Koenberg en 1958.

Se elucida el código genético en 1966. Se identifican las enzima específicas que cortan y enlazan al ADN en 1970. Con este descubrimiento se logran las bases necesarias para modificar e intercambiar parte del ADN de un organismo vivo a otro. Por primera vez se logra introducir fragmentos de ADN en una bacteria haciéndola capaz de sintetizar una proteína humana (insulina).

Producción de la insulina humana y la hormona del crecimiento por la bacteria E. coli. Producción de la vacuna contra la hepatitis B por la levadura Pichia pastoris. Plantas transgénicas para producir proteínas terapéutica y fármacos. Obtención de anticuerpos monoclonales y su empleo en la terapia y diagnósticos de enfermedades.

Empleo de la PCR para el diagnóstico de infecciones virales, bacterianas o fúngicas. Vacunas recombinantes que poseen mayor protección para su empleo en animales y humanos. La clonación somática en animales y plantas para la conservación de recursos genéticos.

REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LA OBTENCIÓN DE UNA PROTEÍNA RECOMBINANTE MEDIANTE INGENIERÍA GENÉTICA

BIOTECNOLOGÍA DE CUARTA GENERACIÓN AÑOS 90 DEL SIGLO XX HASTA LA ACTUALIDAD

Genómica Proteómica Terapia génica Medicina personalizada

GENOMICA Genoma: Un genoma es la totalidad del ADN de un organismo vivo. Es decir, el conjunto completo de instrucciones genéticas para la construcción, funcionamiento y mantenimiento de dicho organismo.

El Proyecto Genoma Humano Coordinado por el Instituto Nacional de Salud y el Departamento de Energía de los EEUU y realizado por laboratorios de Estados Unidos, Gran Bretaña y varios centros de investigación de Japón, Francia, Alemania y China. “Identificar genes presentes en el ADN humano, determinar la secuencia de los 3 billones de pares de bases químicas que conforman el ADN humano, almacenar información en bases de datos y desarrollar herramientas para el procesamiento de análisis de los datos (software, hardware, automatización, etc)”. El Proyecto Genoma Humano se completó en 2003.

ALGUNOS RESULTADOS DEL PGH El genoma humano consta aproximadamente de 3.000 millones de pares de bases químicas (unidades que constituyen al ADN). Se detectaron alrededor de 30.000 genes, cuyas secuencias ya han sido descriptas. Los genes tienen en promedio 3.000 pares de bases.

Se han determinado 100. 000 polimorfismos o variaciones normales Se han determinado 100.000 polimorfismos o variaciones normales. Esto significa que todas las personas, a pesar de sus diferencias, tienen un 99,9 por ciento de similitud en su genoma. Un ser humano comparte con el chimpancé el 98% del genoma. Se conoce la función de sólo el 50% del los genes. Sólo el 2% del genoma lleva información para proteínas.

A PARTIR DEL PGH ES POSIBLE AVERIGUAR La función de los genes La asociación entre genes y enfermedades La función de las regiones no codificantes La información básica para la vida El origen de las especies El origen de poblaciones humanas

LOS RESULTADOS DEL PGH PERMITIRÍAN Mejorar el diagnóstico de enfermedades. Detectar temprano la predisposición a las enfermedades. Diseñar racionalmente drogas y tratamientos. Identificar personas, resolver crímenes, medicina forense.

PROTEÓMICA: Conjunto de proteínas de un organismo PROTEÓMICA: Conjunto de proteínas de un organismo. La proteómica estudio la expresión de las proteínas Proteínas: Resultado directo de la actividad del ADN. Las proteínas intervienen en la síntesis de todas las moléculas, en su distribución y control, determinan las funciones de las células.

TIPOS DE TERAPIAS GÉNICAS: TERAPIAS GENICAS: Modificar el genoma humano alterándolo o manipulándolo. TIPOS DE TERAPIAS GÉNICAS: 1)Terapia genética somática. 2) Terapia genética en línea germinal.

INFLUENCIA DE LA BIOTECNOLOGÍA EN LOS SECTORES DE SALUD, AGROPECUARIO Y AGROINDUSTRIAL Producción de fármacos terapéuticos Producción de vacunas Mejoramiento genético de plantas Producción de plantas “in vitro” (micropropagación acelerada) Bioproductos para el control fitosanitario en la agricultura Bioproductos mejoradores de la fertilidad y productividad de los suelos Biofertilizantes y bioestimulantes Reactivos diagnósticos para la detección de enfermedades en plantas, animales y en el hombre Animales transgénicos Producción de enzimas, aminoácidos, ácidos orgánicos, vitaminas y productos probióticos

CONCLUSIONES Evolucionado de la biotecnología y su impacto en la vida moderna, posibilidades para el futuro. Significativa influencia en los sectores agropecuario y biofarmacéuticos. Se precisa continuar trabajando por producciones más ventajosas para los países subdesarrollados, el desarrollo y la transferencia de tecnologías.

GRACIAS