“Biotecnología, hoy” 29 de junio de 2007 La Pampa Primera parte

Contenido de la primera parte: ¿Qué es la biotecnología? Las primeras aplicaciones La importancia de los microbios Biotecnología y ambiente Ingeniería genética Aplicaciones de la biotecnología moderna Animales transgénicos

La biotecnología es el empleo de organismos vivos para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre

Microbios o microorganismos:

Antony van Leeuwenhoek (1632-1723)

Luis Pasteur (1822-1895) "La ciencia y las aplicaciones de la ciencia están unidas como el fruto al árbol". Levaduras del vino, según Pasteur Los microorganismos provienen de otros pre-existentes Origen microbiano de la fermentación Producción de vacunas Pasteurización

Saccharomyces cerevisiae Hongos útiles Saccharomyces cerevisiae pan, vino, cerveza

Las levaduras levaduras

Hongos útiles Penicillium camemberti Penicillium roqueforti queso Camembert Penicillium roqueforti queso Roquefort

Hongos útiles Penicillium notatum penicilina

Bacterias útiles Las bacterias ácido-lácticas

Bacterias útiles Bifidobacterium breve probióticos Lactobacillus d. bulgaricus Streptococcus s. thermophilus yogur

Bacterias útiles Streptomyces sp. antibióticos

Enzimas en detergentes Bacillus sp

Enzimas de microbios Insumos para muchas industrias (alimentos, bebidas, fármacos, raciones animales, detergentes, etc.) Ventajas: Reemplazan a procesos físicos o químicos (más contaminantes, corrosivos, requieren más energía) y son biodegradables En 2009 el mercado global de enzimas será de U$ 2.400. 000 El mayor productor es Novozymes (Dinamarca), con la mitad del mercado. Contabiliza más de 4.000 patentes. Invierte la mayor parte de su presupuesto en investigación y desarrollo. Este slide es para remarcar la importancia de la sustitución de procesos químicos o físicos por procesos enzimáticos. Estas tecnologías se llaman “tecnologías blancas o limpias”, ya que el uso de enzimas implica menos gasto de energía, sumado a la ventaja de que son biodegradables y no alteran la calidad de las telas (en el caso del detergente) . Se puede invitar a visitar el site de novozymes.

Ácido cítrico en alimentos Aspergillus niger

Bacterias en la agricultura Bacillus thuringiensis (insecticida) Rhizobium spp (inoculante)

a partir de caña de azúcar (o remolacha) Obtención de etanol a partir de caña de azúcar (o remolacha) caña de azúcar “crushing” bagazo jugo de caña o 110 C, decantación concentración PAPEL fermentación Este slide es muy importante ahora con el tema de biocombustibles. Muestra el proceso básico de producción de etanol a partir de caña. El proceso es el mismo para cualquier etanol. Sirve para ver cómo el proceso se acopla a la producción de azúcar, y si a eso le sumamos el uso del bagazo para hacer papel, se puede entender porqué un mismo ingenio azucarero produce todo: alcohol, azúcar y papel. molasas ETANOL fermentación AZÚCAR

Obtención de etanol a partir de maíz (o papa, mandioca, etc.) grano de maíz molienda Textil, alimentos, pinturas, farmacéuticos, adhesivos, papel, cosméticos, etc almidón calor alfa-amilasa licuefacción dextrinas Pinturas, cosméticos, tinturas, etc. gluco-amilasa sacarificación glucosa, maltosa, iso-maltosa Jarabe de alta fructosa Producción de etanol a partir de almidón. El proceso es más caro porque incluye los procesos enzimáticos de licuefacción y sacarificación, ya que las levaduras no pueden usar al almidón como fuente de C. levaduras fermentación etanol destilación, deshidratación, desnaturalización etanol (combustible)

(¿quizás en el futuro en plantas?) Bacterias (¿quizás en el futuro en plantas?) polihidroxialcanoatos PHA (bioplástico) Uno de los bioplásticos que está ya en el mercado (PHA), producido en bacterias (ahora ya genéticamente modificadas). Se muestra el fermentador que se usa para estas bacterias.

(maíz, aunque también papa, mandioca, etc.) Almidón (maíz, aunque también papa, mandioca, etc.) bacterias Ácido láctico Poliláctido PLA (bioplástico) Producción de bioplásticos a partir de almidón. El PLA ya se usa en el mercado para macetas, hilos de suturas, fibras para textiles, etc.

Biorremediación (biorremediación microbiana y fitorremediación) Degradación, absorción, acumulación y/o transformación de... Pesticidas Herbicidas Petróleo y derivados Metales pesados Caso Exxon Valdez Bueno, esto ya lo saben… En 1989 se derramaron 40 millones de litros de petróleo en Alaska, afectando a 1600 Km de playa. La Biorremediación involucró la acción de microorganismos autóctonos y la bioestimulación con fósforo (P), nitrógeno (N) y potasio (K). Como resultado, se incrementó unas 4 veces la velocidad de degradación.

Efluente (sin pre-tratamiento) de una industria cárnica Contaminación del Riachuelo No olvidarse que se usan bacterias (generalmente mezclas) para tratar efluentes y para degradar basura. Se muestran dos empresas que venden estas mezclas y ofrecen los servicios de bioremediación.

Biotecnología y ambiente Procesos químicos vs. Procesos enzimáticos Plásticos derivados de petróleo vs. Bioplásticos Combustibles de fuentes no renovables vs. Biocombustibles Agroquímicos vs. Manejo integrado de plagas Incineración/basurales vs. Degradación microbiana de la basura Tratamiento químico de efluentes y derrames vs. Biorremediación Extracción química de metales vs. Biolixiviación Para cerrar esta parte, el impacto ambientales de estas aplicaciones. Se ve claramente que la biotec reemplaza a métodos más agresivos con el ambiente, y muchas veces menos eficientes.

Biotecnología tradicional: Empleo de (micro)organismos para la obtención de un producto útil para la industria Probióticos Enzimas Alcoholes Ácidos orgánicos Aminoácidos Polímeros Antibióticos Bacterias yogur detergentes bebidas alcohólicas gaseosas edulcorantes plásticos medicamentos biorremediación inoculantes, insecticidas

Biotecnología, hoy Biotecnología tradicional (Empleo de organismos para la obtención de un producto útil para la industria) Desde 7.000 a.c. Ingeniería genética o metodología del ADN recombinante Desde 1970s Biotecnología moderna (Emplea la ingeniería genética) - Desde 1980s Investigación científica Biotecnología, hoy

El ADN y los genes

DNA codones proteína

El código genético es universal

Ingeniería genética = Metodología del ADN recombinante Conjunto de técnicas que permiten transferir genes de un organismo a otro organismo de origen organismo receptor gen de interés Organismo transgénico o genéticamente modificado (OGM) o recombinante-produce una proteína recombinante transgén bacterias plantas levaduras células en cultivo animales

¿Frutipez?

Biotecnología moderna Es la que emplea las técnicas de ingeniería genética (permite transferir genes de un organismo a otro) Mejoramiento animal y vegetal ¿Para qué? Producción o sobre-producción de enzimas, fármacos y otras moléculas

Porcentaje de todas las enzimas Porcentaje de las enzimas recombinantes que se emplean en diferentes industrias Industria Porcentaje de todas las enzimas 1985 1994 2000 Detergentes Proteasas, amilasas, celulasas, lipasas 80 95 Almidón y derivados Amilasas, maltasas, isomerasas Panadería Amilasas, glucanasa, xilanasa, proteasas 20 50 Aceites y grasas Lipasas, esterasas 10 100 Alimentos para animales Fitasas, amilasas, glucanasa, xilanasa 30 90

Aminoácidos de interés industrial producidos en organismos genéticamente modificados (bacterias y hongos) Aspartamo (Fen+Asp), Glicina Edulcorantes Aspartato, Alanina, Glutamato Resaltadores del sabor Histidina Antioxidante y preservativo Lisina y metionina Suplementos dietarios

Enzimas recombinantes que se emplean en la industria alimenticia Alfa-amilasa Pan, bebidas, almidón Aminopeptidasa Queso, lácteos, sabores Fosfolipasa Pan, grasas Glucosa isomerasa Almidón Hemicelulasa Pan, almidón Lactasa Lácteos Lipasa Grasas, quesos, sabores, pan Pectinasa Bebidas, derivados de frutas Proteasa Queso, pan, bebidas, derivados de carne y pescado Quimosina Queso Xilanasa Bebidas, almidón, pan Enzima Aplicación Enzimas recombinantes que se emplean en la industria alimenticia Bacterias Hongos

Producción de proteínas recombinantes con valor terapéutico: El ejemplo de la insulina Primer fermentador para la producción de fármacos a partir de microorganismos genéticamente modificados. Liverpool, 1982. (Eli Lilly). Escherichia coli

Antes… ADN (gen de la insulina humana) insulina humana (recombinante) bacterias o levaduras (ingeniería genética) Antes… páncreas Purificación bioquímica insulina de cerdo

Antes… ADN (gen del factor de coagulación) Sangre humana Factor de coagulación humano (recombinante) Cultivo de células de mamífero (ingeniería genética) Antes… Sangre humana Concentración e inactivación Factor de coagulación humano

Producción de interferón a partir de glóbulos blancos humanos: 45.000 litros de sangre humana (aprox. 100.000 dadores) 250.000 millones de unidades de IFN (aprox. 1 gramo) Para tratar a 100.000 pacientes con enfermedades virales leves, 2.000 con enfermedades virales crónicas y 500 pacientes con cáncer. Costos para producir 1 gramo: 5-20 millones de dólares Desde 1986 se produce IFN recombinante para el tratamiento de hepatitis B y C, herpes y ciertos tipos de cáncer. Tomado de Bio…¿Qué?, Alberto Díaz 2005

Interferón alfa (IFN alfa) Vacuna anti-hepatitis B Indicación terapéutica Proteínas recombinantes empleadas como fármacos Producto Factores de coagulación Hemofilia Insulina Diabetes mellitus Hormona de crecimiento Deficiencia de la hormona en niños Escherichia coli Levaduras Células de mamífero (Próximamente... también en plantas y animales transgénicos) Eritropoyetina (EPO) Anemia Interferón alfa (IFN alfa) Hepatitis B y C, cáncer, herpes Vacuna anti-hepatitis B Inmunización contra la hepatitis B Anticuerpos monoclonales recombinantes Asma, artritis reumatoide Proteína C Sepsis severa Beta-glucocerebrosidasa Enfermedad de Gaucher DNAsa Fibrosis cística

Biotecnología moderna (la que emplea a la ingeniería genética) quesos, jugos, galletitas, pan, embutidos, gaseosas, etc. Medicamentos y vacunas (insulina, interferón, hormona de crecimiento, vacuna contra al hepatitis B) textil papel Enzimas jabones en polvo Reactivos de diagnóstico Edulcorantes y resaltadores de sabor Animales transgénicos (no aún en el mercado)

Ratones transgénicos (para investigación científica)

Desarrollo de un embrión temprano (in vitro) Microinyección de ADN Desarrollo de un embrión temprano (in vitro) Tranferencia del embrión al útero de otra hembra

· Animales transgénicos y biotecnología (objetivos)      Para producir leche con mayor valor nutricional o que contenga proteínas de importancia farmacéutica 2) Para mejoramiento del ganado y otros animales de importancia económica (peces, animales de granja, etc.)

Transgénicos: animales como fábricas de moléculas Tracy (1991-1998) Producía 40g/l de alfa-1-antitripsina en la leche

Dolly (1997-2003), la primera oveja obtenida por clonación a partir de células adultas

Mansa (nació en 2002) Primera ternera clonada y transgénica. Produce la hormona de crecimiento humana en la leche

Clonación reproductiva de bovinos

Pampero y Mansa Pampero y nodriza

Transgénicos: mejoramiento animal Tilapias transgénicas para la hormona de crecimiento (en desarrollo) Annie, una vaca transgénica resistente a la mastitis (en desarrollo)

FIN de la primera parte