Agustín López-Munguía Biotecnología Agustín López-Munguía Febrero, 2008. Can modern biotechnology help save the environment? Molecular approaches to environmental sustainability Has the past 15 years of biotechnology research prodcued technoogy which can help global sustainability FQ-UNAM.

Diapositivas sobre: Proceso de producción de pulque; Hongos: cuitlacoche Fermentación: industria vitivinícola Luis Pasteur A.Fleming

Stirred tank reactor (STR)

Tamaño promedio de los bio-reactores para diferentes procesos

Los retos: Procesos de escalamiento: del laboratorio a la industria Purificación: influencia de la concentración en el fermentador en los costos finales del producto

PRODUCTOS DE LA BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL Acidos orgánicos Vitaminas Aminoácidos Enzimas Antibióticos Biopolímeros Esteroides modificados Solventes: Acetona, Butanol Etanol Colorantes Proteína Unicelular Edulcorantes Vacunas

Escherichia coli 4.6 millones pb 4,288 genes Saccharomyces cerevisiae 12 millones pb 5, 800 genes Caenorhabditis elegans 97 millones pb 18, 424 genes Drosophila melanogaster 120 millones pb 13, 600 genes Arabidopsis thaliana 120 millones pb 26, 000 genes

La Ingeniería Genética

Areas de aplicación del DNA recombinante Primera fase: biofarmaceuticos (1980- ) Segunda fase: biotecnología agrícola  plantas transgénicas (1990- ) Tercera fase: biotecnología industrial  biocatálisis (2000- )

PROTEINAS TERAPEUTICAS Insulina tPA Eritropoyetina Interferones Factores de crecimiento Interleuquinas Lactoferrina a-lactoalbúmina humana Anti-trombina-III aI-antitripsina Hormona de crecimiento Factor VIII Factor IX Proteína C Calcitocina Fibrinógeno

Productos farmaceúticos para humanos producidos en la leche de animales transgénicos de granja PROTEINA PROMOTOR Lactoferrina a-lactoalbúmina humana Anti-trombina-III aI-antitripsina Hormona de crecimiento tPA Factor VIII Factor IX Proteína C Calcitocina Eritropoyetina Insulina Fibrinógeno Vacas Cabras Cerdos Conejos Ovejas caseína a-S1 bovina b-caseína caprina, de conejo Retrovirus b-lactoglobulina ovina Proteínas del suero

Diabetes Un cuarto de la población tiene diabetes sin detectar, 150 millones globalmente, de los cuales 90 millones son insulino-dependientes, y se estima se dupliquen en los próximos 25 años. La diabetes cuesta unos $100 mil millones anualmente en los USA. La diabetes provoca una cascada de enfermedades tales como las cardiovasculares, nerviosas, de los riñones, cataratas y amputaciones. 20-30% de los niños en USA tiene sobrepeso, lo que conlleva a predecir una futura epidemia de diabetes.

Industria Química vs Química Biológica ¿En qué difieren los procesos químicos naturales de los artificiales? ¿Qué componentes utilizan los seres vivos? ¿Existe alguna ventaja en imitar los procesos naturales y utilizar sus insumos? Procesos naturales: específicos, solución acuosa, temperatura y presión moderadas.

Miles de enzimas de fuentes naturales La disponibilidad de genomas completos provee una cantera de cientos de miles de genes para enzimas distintas. Su aislamiento es inmediato a partir de la información disponible. Poca disponibilidad

Marketed in Germany in 1914, Burnus was a product ahead of its time Marketed in Germany in 1914, Burnus was a product ahead of its time. It contained the enzyme trypsin. One tablet could be added to 10 litres of water to remove stains from clothes.

Miles de enzimas de fuentes naturales Tecnología emergente permite también aislar los genes directamente del entorno, sin necesidad de cultivar los organismos. Acceso a 99% de la biodiversidad. Poca disponibilidad

Diversidad Microbiana: Especies conocidas y estimadas GRUPO Virus Archaea Bacteria Fungi Algae ESPECIES ESTIMADAS 130,000 ? 40,000 1 500,000 60,000 ESPECIES CONOCIDAS 5,000 < 500 4,800 69,000 40,000 % DE CONOCIDAS 4 ? 12 5 67 Ambiente Mar Agua dulce Lagos mesotróficos Agua de estuarios Lodos activados Sedimentos Suelos % de cultivables 0.001-0.1 0.25 0.1-1.0 0.1-3.0 1-15 0.3

Biotecnología Definición: Aplicaciones a la industria de avances en las técnicas e instrumentos de las Ciencias Biológicas(Encyclopedia Britannica 2001) Biocatálisis Evolución Dirigida Ingeniería de Células Completas Transgénicos Bioremediación Fermentación Terapéuticos Acuacultura Cultivo de Tejidos Bioconversiones Bioprospectiva Genoma Proteoma Dinámica de ARN Metaboloma Bioinformática Biotechnology encompases a wide array of life science techniques and instrumentation which have applications to the industrial, chemical, agricultural and pharmaceutical industries. Moreover, biotechnology can help to create a sustainable environment and dramatically improve our quality of life Biocatalysis (enzyme discovery, directed evolution) Drug Discovery (small molecules, high throughput screening & sequencing) Genome Analysis (bioinformatics, genetic analysis) Bioremediation (transgenics)

Problemas Globales y Soluciones Biotecnológicas deforestación calentamiento global energía no-renovable contaminación enfermedades infecciosas seguridad alimentaria Recent advances in biotechnology have enabled potential solutions to many of the pressing environmental problems including destruction and pollution of our environment, energy, health and global sustainability

Fotosíntesis Fermentación OXIGENO CO2 Etanol Lignocelulosa Azúcares Alimentos CO2 OXIGENO Fotosíntesis Fermentación

DESARROLLO HISTORICO DE LA BIOTECNOLOGIA, EJEMPLIFICADO CON LA PRODUCCION DE CERVEZA Biotecnología tradicional (4000 a.C. En adelante) Evidencias arqueológicas en el Valle del Nilo Proceso empírico de malteado Uso empírico de levaduras Expansión y predominio de las técnicas de Bavaria (fermentación baja)(XIX) Biotecnología industrial Naturaleza enzimática del malteado (control) Uso de papaína en clarificación (19911) Uso de cultivos puros (Carlsberg 1883) Primeros fermentadores cilindro-cónicos (1908-1927) Automatización y control de la fermentación Uso de amilasas y b-glucanasas Uso de enzimas en cervezas ligeras Biotecnología moderna Ingeniería genética: levaduras amilolíticas diacetilo (acetolactato decarboxilasa) cebada transgénica

Biotecnología Deforestación Seguridad Alimentaria OGM’s AOM Bioprospectiva Bioremediación Biofilms Proteínas Terapéuticas Calentamiento Global Biotecnología Enfermedades Infecciosas Same as the other animated slide, but includes verbals of the solutions Contaminación Energía No-renovable

ECOBIOTECNOLOGIA usar el potencial de la biósfera proteger la biodiversidad existente pensar y actuar a largo plazo usar los recursos naturales usar productos biodegradables crear una alta diversificación adaptada a las condiciones locales desarrollar nichos optimizar la eficiencia satisfacer primero las necesidades locales minimizar: ser humilde