www.conacyt.gob.sv 120- EL PARADIGMA DE LA BIOTECNOLOGÍA Y SUS APLICACIONES PARA DESARROLLAR LA INDUSTRIA AGROALIMENTARIA JOSE ROBERTO ALEGRIA COTO Jefe Depto. de Desarrollo Científico y Tecnológico ralegria@conacyt.gob.sv Escuela de Economía Facultad de Ciencias Económicas 10 de octubre de 2009 4:30 p.m.

CONTENIDO Introducción Aplicaciones biotecnológicas Biología molecular ADN recombinante (ingeniería genética) Potencial agroindustrial de los OGMs Crítica social a los OGMs

INTRODUCCIÓN La BIOTECNOLOGÍA es el uso de organismos vivos, o parte de ellos, para la producción de bienes, servicios o la mejora de procesos (www.rae.es/). La Biotecnología existe desde que el hombre comenzó a seleccionar y mejorar artificialmente 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”.

INTRODUCCIÓN En la Biotecnología Moderna, se llevan a cabo procesos de gran potencial agroindustrial sobre todo en la elaboración y transformación de alimentos, debido al desarrollo de las TÉCNICAS DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR, que permiten identificar, caracterizar e incluso modificar a nuestra conveniencia las poblaciones de organismos y microorganismos vivos que intervienen en muchos de los procesos de interés. El uso y aplicación de estas tecnologías en la industria alimentaria es una de las maneras más efectivas de introducir cambios en los sistemas de producción que permiten una rápida optimización de los procesos, para conseguir un mayor rendimiento y lograr las características precisas que se desean en un producto determinado.

BIOTECNOLOGÍA BIOLOGÍA MOLECULAR Marcadores Ingeniería Genética . Marcadores Ingeniería Genética Tecnología Molecular Diagnósticos Cultivo de Células Vegetales Transferencia de genes en animales Síntesis de Sondas de ADN Clonación BIOTECNOLOGÍA Producción de Proteínas Microarreglos de ADN Bioinformática Genómica Proteómica Metabolómica Transcriptómica BIOLOGÍA MOLECULAR Cultivos Celulares NANO BIOTECNOLOGÍA Síntesis de Nuevas Proteínas 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 Anticuerpos Monoclonales Biosensores Biorremediación de suelos Bancos de ADN, ARN Proteínas Ingredientes químicos de alto valor alimenticio Mejora de producción de Biocombustibles CONACYT Roberto Alegría

APLICACIONES BIOTECNOLÓGICAS En la industria agroalimentaria, muy utilizadas (www.navactiva.com/): 1. OBTENCIÓN DE SUSTANCIAS DE INTERÉS ALIMENTARIO, mediante cultivos, fermentaciones de subproductos, tratamiento del propio producto o adición de microorganismos modificados, se pueden obtener sustancias de utilidad para la elaboración de alimentos, como coadyuvantes tecnológicos o aditivos naturales, e ingredientes de alto valor. 2. MEJORA DE LOS PROCESOS, modificando microorganismos que intervienen en los diferentes procesos de elaboración de alimentos y seleccionando los óptimos para la eficacia del proceso y/o de las características esenciales del producto (organolépticas, de conservación, etc.).

APLICACIONES BIOTECNOLÓGICAS 3. CONTROL DE LA CALIDAD Y SEGURIDAD ALIMENTARIA, con la aplicación de nanobiotecnologías basadas en ADN o anticuerpos monoclonales, que permiten mayor rapidez en la realización de los ensayos de control dirigidos a la detección e identificación de patógenos, proteínas, fraudes, trazabilidad de producto, etc. 4. MEJORA DE VARIEDADES O RAZAS PRODUCTIVAS, más efectivas o con las características deseables de vegetales y animales. La modificación genética de organismos (OGMs), ya existentes, es la herramienta más potente de que se dispone hoy en día para conseguir un mejora cualitativamente importante.

Gen de Quimosina insertado en plásmido 1. OBTENCIÓN DE SUSTANCIAS DE INTERÉS ALIMENTARIO PRODUCCION DE ENZIMAS OGMs (QUIMOSINA) ADN Copia de gen de Quimosina Muestra de células de vaca Vaca Células de levadura modificada con Quimosina Gen de Quimosina insertado en plásmido Plásmido puesto en células de levadura www.red-alimentos.com.ar

Introducción de gen que codifica la β-glucanasa (producción de 2. MEJORA DE LOS PROCESOS Introducción de gen que codifica la β-glucanasa (producción de cerveza Libre de β-glucanos). Introducción de un gen que codifica la α-glucoamilasa (disminución del contenido calórico de la cerveza). Introducción de un gen que codifica una descarboxilasa (disminución del sabor dulce de la cerveza). Inactivación del gen MET para incrementar la producción de sulfitos (aumento y estabilidad de los sabores y aromas de la cerveza durante el almacenamiento). www.red-alimentos.com.ar

SEGURIDAD ALIMENTARIA 3. CONTROL DE LA CALIDAD Y SEGURIDAD ALIMENTARIA 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 alimentos como: Ricina, Abrin o C. botulinum, si se usa el anticuerpo apropiado. Tiene ventajas sobre técnicas tradicionales, Método ISO 6579, anticuerpos fluorescen-tes (FA), Ensayo Inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA) o Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR), que consumen tiempo, son dificultosos y poco sensibles. http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=4963.php

5. MEJORA DE VARIEDADES O RAZAS PRODUCTIVAS EL PARADIGMA* DE LA BIOTECNOLOGÍA MODERNA se da, cuando se rechazan las tecnologías del ADN RECOMBINANTE para la producción de Organismos Genéticamente Modificados (OGMs), mediante el traspaso de material hereditario (genes) entre seres de diferentes especies, géneros, familias, ordenes, clases, reinos o entidades que porten (ADN o ARN), para producir plantas o animales para consumo humano o animal. * Según Khun "en la ciencia un paradigma es un conjunto de realizaciones científicas universalmente reconocidas que, durante cierto tiempo proporcionan modelos de problemas y soluciones a una comunidad científica".

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

genoma Célula cromosomas genes los genes contienen instrucciones para hacer proteínas ADN las proteínas actúan solas o en complejos para realizar las funciones celulares BIOLOGÍA MOLECULAR INDICADORES: COMPARACIÓN ENTRE LA TRANSGÉNESIS Y LA HIBRIDIZACIÓN CLÁSICA PUNTOS DE COMPARACIÓN TRANSGÉNESIS HIBRIDIZACIÓN CLÁSICA Número de genes transferidos Uno o varios genes de interés en una construcción genética Una docena de millares de genes para encontrar el gen de interés Elección de la característica a transmitir En principio ilimitada (franquea la barrera de las especies) Se limita a la compatibilidad sexual (confinada al interior de una especie) Tiempo para estabilizar la nueva variedad 3-4 años 10 a 20 años o más (Counseil de la science et de la technologie, 2002).

FUNCIONAMIENTO DEL GEN Los genes funcionan en cualquier organismo, dependiendo de las secuencias regulatorias que se les ponga, las cuales le indican: cuando expresarse (activarse), donde (lugar), y cuantas veces (cantidad de proteínas). Por ejemplo: se pueden poner promotores para que un gen se exprese con la luz del sol y en época lluviosa; en toda la planta o en parte de esta; y en la cantidad deseable). Si el gen que se adiciona a los promotores, proviene de humanos, y se inserta en la planta, esta será una fábrica (biofactoría), que producira proteínas humanas deseables. O como en el caso de las plantas que llevan algún gen de las diferentes toxinas de la bacteria Bacillus thuringiensis (genes Bt), con promotores que expresan en algunos o en todos los tejidos, la proteína que las hace resistentes a un determinado tipo de insectos.

Plasmido de A. tumefaciens CONSTRUYENDO ORGANISMOS MODIFICADOS CON Agrobacterium tumefaciens A. tumefaciens Extracción del ADN El ADN extraño que se incorpora al vector consta de: promotor + gen deseado + gen marcador. B. thuringiensis Plasmido de A. tumefaciens Enzimas de restricción cortan el segmento de ADN deseado y ligasas lo unen Se identifican las células que contienen los genes insertados Planta Bt Planta con genes Bt resistente a plagas

De 1987 a oct. de 2009 LIBERACIONES EN EEUU DE OVMs PAÍS CON ESTADO DE DERECHO Organismos regulados con al menos 25 liberaciones Número de liberaciones APROBADAS bajo permiso y notificaciones MAÍZ (6709) Frijol de Soya (1066) Algodón (781) Papa (768) Tomate (594) Trigo (390) Alfalfa (335) Tabaco (296) Colza (231) Arroz (224) Hierba rastrera (175) Remolacha (169) Melón (133) Álamo (104) Lechuga (79) Calabaza (60) Cebada (61) Caña de azúcar (51) Pino loblolly (44) Chícharo (42) Uva (40) Mani (40) Fresa (40) Manzana (39) Girasol (32) Pino loblolly x pitch (36) Grama azul de Kentucky (35) Eucaliptus grandis (31) Pepino (28) Petunia (26) Ocozol (26) Papaya (25) Remolacha (24) Brassica oleracea (20) Arabidopsis thaliana (19) FRIJOL DE SOYA (1587) ALGODÓN (922) PAPA (817) TOMATE (638) TRIGO (414) Alfalfa (387) Tabaco (364) Colza (283) ARROZ (255) Hierba rastrera (181) Beta (169) MELÓN (135) Álamo (123) Pino loblolly (97) LECHUGA (79) CEBADA (78) CAÑA DE AZÚCAR (61) Calabaza (60) MANZANA (49) UVA (49) MANI (49) Pino loblolly x pitch (45) REMOLACHA (45) ARVEJAS (42) FRESA (40) Grama azul de Kentucky (35) Eucaliptus grandis (32) Alazor (32) Girasol (32) PAPAYA (30) Liquidambar (30) PEPINO (28) Eucaliptus hibrido (27) Petunia (26) Arabidopsis thaliana (25) Organismos APROBADOS (categoría FENOTIPOS) Número TOTAL de liberaciones APROBADAS bajo permiso y notificaciones Tolerancia a herbicidas (5115) Resistencia a insectos (4079) Calidad del producto (3713) Propiedades agronómicas (2793) Resistencia a virus (1340) Otros (1163) Genes marcadores (1094) Resistencia a hongos (895) Resistencia a bacterias (160) Resistencia a nemátodos (68) www.isb.vt.edu Regulatory Information Charts for Field Test Releases in the U.S.

ARROZ DORADO con beta caroteno de Ingeniería Genética: NUEVOS ALIMENTOS 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 (Pearson, H. Nature, 26 april 2002). ARROZ DORADO con beta caroteno de genes de narciso y de Erwinia uredovora, pigmentos que se transforman en pro- vitamina A al ser ingeridos. ARROZ fortificado con un gen de la ferritina. ARROZ con aa esenciales. (ISB, 2001, oct; Netlink, 2000).

OGM’s LoSat (Pioneer, 1997) aceite de cocina premium MODIFICACIONES GENETICAS EN VEGETALES (2ª. Generación) LoSat (Pioneer, 1997) aceite de cocina premium (más sano) con la mitad del nivel de grasas saturadas del aceite típico de Soya. Bajo en ácido Linolénico (Pioneer, 1997) aceite de cocina premium y para la industria de la mayonesa (mas resistente a la oxidación y tiempo de degradación). Mas ácido Oleico 85% (DuPont, 1997) aceite de cocina resistente a la temperatura, alto valor como aceite pulverizado, mayor vida de estante para nueces fritas en el, grasa mas resistente al calor, mayor valor de la proteína de la Soya (estabilidad de emulsión mayor). Bajo en estachiosa -alto en sucrosa- (DuPont, 1998) alimentos de Soya mas dulces al paladar, contaminación reducida (menos sólidos) y harina de soya con mas energía como alimento animal. CONACYT Roberto Alegría (Raasch, C. Huatulco 2001).

OGM’s (2ª. Generación) ARROZ de tolerancia de alto nivel a APLICACIONES AGRONÓMICAS (2ª. Generación) ARROZ de tolerancia de alto nivel a diferentes condiciones ambientales de estrés, con dos genes fusionados de trehalosa de E. Coli y un promotor tejido específico dependiente del estrés. Los genes de trehalosa permiten la producción de arroz aún si está estresado por frio, sequía o altos niveles de salinidad e incrementa la producción en 20%. La composición química de los granos no cambia. (PNAS Online, 27 nov. 2002).

Ingeniería Genética: NUEVOS ALIMENTOS SALMÓN TRANSGÉNICO por hormona de crecimiento. Producido por AF Protein Inc. Cuenta con el promotor de la proteína de anticongelamiento de otra especie de pez. Crece de 4 a 6 veces más rápido que un salmón no transgénico. Tiene un 20% en mejoramiento de la eficiencia de conversión del alimento. (ISB, 2001, oct; Netlink, 2000). VACAS LECHERAS con incremento de proteínas. En Nueva Zelanda se clonaron vacas con óvulos mejorados genéticamente, para mejorar la producción del queso y crema, aumentando dos veces la kappa caseína, crucial para hacer la cuajada y de 20% más de beta caseina, que mejora la acción del cuajo (Hoag, H. Nature, 27 enero 2003).

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SITUACIÓN DE LOS CULTIVOS BIOTECNOLÓGICOS 2008 En 2008, la superficie agrobiotecnológica acumulada desde 1996 superó por primera vez los 2.000 millones de acres (800 millones de hectáreas): costó 10 años llegar al primer millar de millones de acres, pero sólo 3 años alcanzar el segundo; de los 25 países productores de cultivos biotecnológicos, 15 eran países en desarrollo y 10 países industrializados. En 2008, el número de agricultores biotecnológicos aumentó en 1,3 millones hasta alcanzar la cifra de 13,3 millones en 25 países de todo el mundo, el 90% de los cuales (12,3 millones) eran agricultores pequeños y pobres de países en desarrollo. En China, los estudios realizados por el Centro de Política Agrícola de China (CCAP) han llevado a concluir que, por término medio, los pequeños agricultores que utilizan algodón Bt han aumentado un 9,6% sus rendimientos y han reducido un 60% el consumo de insecticidas, con efectos positivos para el medio ambiente y para la salud de los agricultores, y han aumentado sus ingresos a razón de 220 USD/ha, lo que ha supuesto una ayuda importante para mejorar su nivel de vida, ya que la renta de muchos productores de algodón puede ser de tan sólo 1 dólar diario. En 2008, 7,1 millones de pequeños agricultores pobres chinos utilizaron algodón Bt. Fuente: Clive James, No. 39, 2008.

biodiversidad en general biodiversidad en general. A los segundos sólo les interesa producir con alto rendimiento y conquistar mercados. Es el enfrentamiento entre los defensores de la estabilidad biológica del planeta y los que buscan a toda costa la rentabilidad económica. De verdad que lo que se está haciendo con la biogenética y la biotecnología en los países industrializados, es preocupante. Ya se están vendiendo en forma masiva productos como maíz, lácteos y carnes producidos con esa novedosa tecnología, sin que se haya establecido a ciencia cierta lo que el consumo de esos alimentos podría generar en las personas y en los animales. Es decir, se está utilizando a la población – o ha sido posible llegar a un acuerdo en la reunión de Cartagena en torno al tema de la bioseguridad, respecto de los transgénicos o sea genéticamente modificados. Se trata de acordar un estatuto que regule la producción, mercadeo y exportación de productos de alto rendimiento cuya naturaleza ha sido modificada por medio de la ingeniería genética. Y será difícil que haya un acuerdo entre dos partes con intereses diametralmente opuestos. De un lado están los ambientalistas y los defensores de la salud humana y del otro los productores y los exportadores de transgénicos. A los primeros les preocupan los efectos nocivos que tales productos puedan tener para la vida humana y para la sobre todo de los países subdesarrollados- como conejillos de indias. Ese tipo de alimentación podría dar lugar a mutaciones sencillamente terroríficas. Porque se están mezclando genes animales, vegetales y humanos, en cierta contradicción a los mecanismos biológicos de la naturaleza. Por poner un ejemplo, si la mezcla genética que se está realizando para producir un supermaíz o una superpapa se aplicara a modificar seres humanos, el resultado podría ser unos seres enormes y monstruosos. Eso es exactamente un producto genéticamente manipulado: un monstruo que la naturaleza por si sola nunca produciría. Esto da una idea bastante clara de lo que podría significar la producción y venta indiscriminada de transgénicos. N Lisbeth Fog, periodista colombiana, ¿Cómo comunicar la ciencia? 2009.

CRÍTICA SOCIAL A LOS OVMs Muchos de los argumentos que se utilizan para combatir la aplicación de técnicas biotecnológicas de OVMs, no son consistentes, con la realidad. Por ejemplo, el mote de “alimentos Frankestein” y riesgos atribuidos a los alimentos derivados de OVMs: ¿ALERGIAS ALIMENTARIAS? ¿SUSTANCIAS CANCERÍGENAS? Hasta la fecha no existen casos documentados científicamente de daños a la salud humana por consumo de alimentos procedentes de OVMs.

CRÍTICA SOCIAL A LOS OVMs Organizaciones contrarias al empleo de la biotecnología en el sector agropecuario, manifiestan su desconfianza de científicos y técnicos que trabajan en el ámbito de la biología molecular y frente a los administradores y reguladores.   No se toma en cuenta que la agricultura tradicional ha reducido la variedad y riqueza de los alimentos que actualmente consumimos. Muchos de las posiciones técnicas son debatibles, pero hay una excesiva carga de ideología y rechazo de los argumentos que se exponen, para elaborar un debate dialéctico sobre razones contrapuestas.

CRÍTICA SOCIAL A LOS OVMs Se dice de los OVMs que pueden: convertirse en malezas al persistir los genes después de cosechados, susceptibilidad de organismos no objetivos, desarrollar resistencia a los biopesticidas, generar nuevos virus, alterar el medio ambiente, reducción del espectro de otros vegetales incluyendo pérdida de biodiversidad, un mayor uso de sustancias químicas en la agricultura, cruzarse con especies silvestres (flujo génico), dispersarse e introducir potencialmente los genes de ingeniería genética.

CRÍTICA SOCIAL A LOS OVMs En el fondo se percibe que los que están en contra del uso de los OVMs en la agricultura, lo hacen para oponerse al poderío de las multinacionales, evitar las estrategias de éxito de mercado de estos productos y como críticas al sistema (neo) capitalista.* * Ideología social y económica que surgió en la segunda mitad del siglo xx y en la que la doctrina capitalista se hace más profunda, basándose en la revolución tecnológica y en la internacionalización de los mercados.

José Roberto Alegría Coto ¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION! ¿PREGUNTAS, COMENTARIOS? Atentamente: José Roberto Alegría Coto ralegria@conacyt.gob.sv Visite la página web: www.conacyt.gob.sv/cit.htm vea otras Ponencias de Divulgación Científica y Tecnológica Nacionales