Aplicaciones de la Biotecnología a la Industria Agroalimentaria www.conacyt.gob.sv Aplicaciones de la Biotecnología a la Industria Agroalimentaria 137- JOSE ROBERTO ALEGRIA COTO Jefe Depto. de Desarrollo Científico y Tecnológico ralegria@conacyt.gob.sv Sala de Sesiones Escuela de Economía 23 de noviembre de 2011. 4.30 – 6.00 p.m.

OBJETIVOS Esbozar la importancia de la Biotecnología para apoyar la seguridad alimentaria, mejorar el medio ambiente, y enfrentar el cambio climático. Presentar aplicaciones de la biotecnología a la industria agroalimentaria y su uso para diferenciación de productos agroexportables.

CONTENIDO INTRODUCCIÓN Herramientas de la Biotecnología. Cultivo de Tejidos Vegetales. Líneas de investigación productivas del cultivo de plantas in vitro. Genómica y Bioinformática. Organismos Transgénicos. Aplicaciones de la transgénesis en plantas. Biofábrica de plantas.

INTRODUCCIÓN Desarrollo de la Sociedad Humana 10000 a.C. Tiene sus inicios en el próximo Oriente: con la domesticación de las primeras plantas cultivadas (harina, guisantes, lentejas, etc.) y animales (ovejas, cabras). 8000-3000 a.C. 8 Millones de habitantes (Mh). Agricultura neolítica: sistema de cultivo sobre terrenos talados y quemados. 1000 a.C-1000 d.C. 50 Mh. Cultivo de arroz irrigado en los valles y deltas de China, India y Asia sudoriental. Agricultura hidráulica en América (olmecas, mayas, aztecas, etc.). Cultivo de barbecho en Europa y en la cuenca mediterránea. 1800. 978 Mh. Primeras creaciones de variantes del trigo. Selección de corderos en Europa. Nuevas variedades de frutos. a partir de 1900-1930.1650 Mh. Cruces artificiales y selección por el método genealógico del trigo; primeros híbridos del maíz en Estados Unidos. 1945-1950. 2519 Mh. Primeros híbridos del maíz en Europa. 2010. 6900 Millones de habitantes.

Perspectivas en relación con la agricultura INTRODUCCIÓN Perspectivas en relación con la agricultura Se considera que en el 2050 la población mundial llegará a los 9,000 millones de personas, ya en este 2011 ya supera los 7000 millones y ya hay una demanda mundial de alimentos, piensos y fibras y al mismo tiempo, cada vez más, los cultivos podrían también usarse para producir bioenergía y para otros fines industriales. La demanda nueva y tradicional de productos agrícolas, por consiguiente, acarrea una presión creciente sobre los ya escasos recursos agrícolas.

INTRODUCCIÓN Perspectivas en relación con la agricultura La agricultura compite por la tierra y el agua con los núcleos urbanos en expansión, también tiene el reto de la adaptación al cambio climático y la contribución a su mitigación, la ayuda para conservar los hábitat naturales, la protección de especies en peligro de extinción y el mantenimiento de un alto nivel de biodiversidad. En la mayoría de las regiones menos personas vivirán en las zonas rurales y un número incluso menor se dedicará a la agricultura. Serán precisas nuevas tecnologías para producir más en una superficie menor de tierra, con menos manos.

INTRODUCCIÓN CÓMO ALIMENTAR AL MUNDO Problemas que deben resolverse   Producir suficientes alimentos a precios asequibles o se registrará un aumento de los precios de los alimentos que hará que aumente la proporción de la población mundial que vive en la pobreza y padece hambre. Capacidad de reserva de la tierra y el agua para alimentar al mundo. Inversión en investigación y desarrollo para obtener resultados disponibles a tiempo y ayudar a la agricultura a adaptarse al cambio climático. Biotecnología para ayudarnos a usar los escasos recursos con mayor eficiencia, así como a incrementar y estabilizar los rendimientos agropecuarios. Nuevas tecnologías a disposición de quienes más las necesitarán, o sea, los pobres.

Disminuir pérdidas de producción mejorar el valor nutricional . Marcadores Ingeniería Genética Tecnología Molecular Diagnósticos Cultivo de Células y Tejidos 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 Ingredientes químicos de alto valor alimenticio Anticuerpos Monoclonales Biosensores Biorremediación de suelos Bancos de ADN, ARN Proteínas Mejora de producción de Biocombustibles

CULTIVO DE TEJIDOS VEGETALES Los sistemas de cultivo de células y tejidos vegetales se fundamentan en: la teoría celular de Schleiden (1838) y Schwann (1839) la cual enuncia que células individuales en un organismo tienen la ‘capacidad de vida independiente’; y en el concepto Darwiniano de regulación hormonal del crecimiento vegetal (Darwin y Darwin 1890). Philip White en USA, Roger Gautheret y Pierre Nobercourt en Francia, con sus experimentos llevaron al crecimiento ilimitado de raíces de plantas (1934) y células en cultivo y a la organogénesis in vitro (1939). White también observó que raíces subcultivadas frecuentemente se encontraban libres de virus. Esta observación llevó posteriormente al uso de cultivos de meristemos para la eliminación de virus y a la micropropagación y estableció las bases para el trabajo actual de micropropagación industrial a nivel mundial. http://apuntesdebioquimica.tripod.com/botanica/id2.html

CULTIVO DE TEJIDOS VEGETALES La formación de un embrión a partir de una célula, sin la necesidad de la fusión de gametos es embriogénesis somática. Esto no es un fenómeno artificial y es conocido en la naturaleza como una forma de apomixis (reproducción asexual por medio de semillas) llamada embrionía adventicia, descrita por primera vez por Strasburges en 1878 aunque fueron Reinert (1958) y Steward et al. (1958) quienes dieron crédito por primera vez a la descripción de la embriogénesis somática en el año 1958. Este método, teóricamente, es el más eficiente para la producción masiva de plantas in vitro debido a la naturaleza bipolar del embrión, la posibilidad de ser automatizado todo el proceso productivo, los altos coeficientes de multiplicación en cortos períodos de tiempo, al poder aplicarse los principios de la cinética microbiana. Biotecnología Vegetal Vol. 3, No. 4: 195 - 209, octubre - diciembre, 2003.

Embriones somáticos globulares. CULTIVO DE TEJIDOS VEGETALES La embriogénesis somática es posible ya que virtualmente cualquier tejido somático (no reproductivo) vegetal tiene la capacidad de desarrollarse en un embrión (totipotencia) a través de la manipulación de las condiciones de cultivo y la aplicación de reguladores del crecimiento. La embriogénesis somática ha surgido como una nueva vía de propagación y constituye una herramienta de trabajo para la conservación in vitro de germoplasma y el mejoramiento genético. Esta técnica permite incrementar los coeficientes de multiplicación, disminuir los costos de producción y da la posibilidad de automatizar el proceso productivo con el uso de biorreactores y establecer BIOFÁBRICAS de plantas. Embriones somáticos globulares. Biotecnología Vegetal Vol. 3, No. 4: 195 - 209, octubre - diciembre, 2003.

Esquema de la embriogénesis somática en medios de cultivo líquidos Propagación de plantas empleando la embriogénesis somática Inflorescencia masculina inmadura. Embriones somáticos globulares. Establecimiento de suspensiones celulares homogéneas. 45 días. Multiplicación de las suspensiones celulares. Formación de embriones somáticos globulares. 30 días Germinación en Sistema Inmersión Temporal -SIT (10 L) Multiplicación a escala de biorreactores Multiplicación secundaria en agitadores orbitales. 60 días Estudios durante dos ciclos en campo. 2 años. Fase de aclimatización. 45 días. Germinación en SIT (RITA). 45 días Maduración de los embriones somáticos 22 días Esquema de la embriogénesis somática en medios de cultivo líquidos

Instituto de Biotecnología de las Plantas Líneas de investigación productivas Propagación de plantas Metabolitos secundarios Mejoramiento genético Genómica y Bioinformática (marcadores moleculares para la diferenciación de agroproductos)

3. Fenotipo marcadamente criollo GENÓMICA Y BIOINFORMÁTICA CARACTERIZACIÓN GENÉTICA DE LOS TIPOS DE CACAO ESTABLECIDOS EN EL CULTIVAR “COOPERATIVA HACIENDA LA CARRERA” USULUTÁN, EL SALVADOR Vianney Castañeda de Abrego, Juan Manuel Pérez Gómez2, Guillermo Bonilla.  3. Genotipos Muestra HLM3L1BP 4. Genotipos Muestra HLM4L1C 1. Fenotipo trinitario 2. Fenotipo acriollado Características fenotípicas muestra 3- HLM3L1BP Características fenotípicas muestra 4- HLM4L1C 3. Fenotipo marcadamente criollo CONACYT, El Salvador Ciencia & Tecnología, Vol. 16, No. 21, agosto de 2011. 

Perfeccionamiento de la tecnología para la producción de semilla de papa Esquema de producción de semilla original de papa

Propagación de plantas empleando la embriogénesis somática y su escalado en sistemas semi-automatizados Caña de azúcar Papaya Bananos y plátanos Guayaba Café Caoba Anthurium Frijol

Propagación de especies forestales. Eucalipto (Eucaliptus urograndis) Teca (Tectona grandis L.) Majagua (Hibiscus elatus L.) Caoba Hondureña (Swietenia macrophylla King) Caoba Cubana (Swietenia mahagoni L. Jacq ) Cedro (Cedrela odorata L.) Pino (Pinus caribaea L.) Especies de Bambú 1- Guadua angustifolia Kunth 2- Bambusa vulgaris var. vittata A .& C. Riviere 3- Bambusa vulgaris Schrader ex Wendland 4- Dendrocalamus strictus (Roxburgh) Nees 5- Gigantochloa atter (Hasskarl)

⇨ ⇗ ⇙ ⇨ ⇙ ⇨ ⇨ Propagación masiva de híbridos de Eucaliptus sp. Establecimiento ⇨ ⇗ ⇙ Explantes Toma de explantes ⇨ ⇙ Enraizamiento Multiplicación Rebrotes juveniles ⇨ Plantas obtenidas in vitro en Campo Aclimatización Producción de más de 800 000 plantas in vitro.

Híbrido de Papaya IBP 42-99 A. Planta B. Interior del Fruto

CAFÉ Embriones somáticos de C. arabica L. cv. Caturra rojo obtenidos en medio de cultivo líquido con una densidad de 5.0 gMF.L-1. Embriones somáticos de C.canephora . cv. Robusta obtenidos en medio de cultivo líquido con una densidad de 5.0 gMF.L-1.  

Producción de biomasa para la obtención de metabolitos secundarios Digitalis purpurea Morinda royoc Cymbopogon citratus Catharanthus roseus

ORGANISMOS TRANSGÉNICOS El traspaso de material hereditario genes (TRANSGENES) entre seres de diferentes especies, géneros, familias, ordenes, clases, reinos o entidades que porten (ADN o ARN) puede realizarse mediante técnicas de Biología Molecular, debido a que los genes funcionan en cualquier organismo, dependiendo de las secuencias regulatorias que se les ponga, las cuales le indican: como y cuando expresarse (activarse), donde, y cuantas veces.. La INGENIERÍA GENÉTICA (ADN recombinante), se usa para mejorar, modificar o crear plantas, animales y microorganismos transgénicos con características deseables. La técnica consiste en transferir uno o varios genes de interés en una construcción genética, y lleva de 3 a 4 años para estabilizar la nueva variedad. OGM et alimentation humaine: impacts et enjeux pour le Québec. Conseil de la science et de la technologie, 2002.

ORGANISMOS TRANSGÉNICOS Los transgénicos o seres modificados genéticamente se conocen como “Organismos Genéticamente Modificados” (OGMs) o como “Organismos Vivos Modificados” (OVMs), este último término es del Protocolo de Cartagena Sobre Bioseguridad. La Comisión del Codex Alimentarius para referirse a los alimentos derivados de los OVMs los llama “ALIMENTOS OBTENIDOS POR MEDIOS BIOTECNOLÓGICOS MODERNOS”. Desde la década de los 70s las técnicas del ADN recombinante (Ingeniería Genética), permitieron la manipulación genética de Virus y bacterias, que es conocida como tecnología del ADN recombinante. Posteriormente desde los 80, se utilizó el concepto de “transgénicos”, cuando se inició la manipulación de vegetales y animales.

Transformación genética mediada por Agrobacterium tumefaciens. Material Vegetal Infección Cocultivo 200 µl de la suspensión celular embriogénica al 33 % de VCS (5-10 días después del último subcultivo) Un mililitro de la suspensión bacteriana a una DO= 0.5, por seis horas a 25 ºC, 25 rpm, en la oscuridad. Medio de cultivo M 2 + 2.3 g. l-1 de Phytagel + acetosiringona 200 μM y pH 5.6. Por seis días a 21 en la oscuridad. Selección de transformantes Formación de los Embriones Somáticos y maduración Germinación de los Embriones Somáticos Medio de cultivo M 3, después de la selección con FFT (45 días) y para la maduración el medio de cultivo M4 (20 días). Medio de cultivo M2 + 200 mg. l-1 de timentina + 6 mg. l-1 de FFT desde el herbicida comercial BASTA ® durante 2 meses, con subcultivos cada dos semanas a 25 ± 2 ºC, en la oscuridad. Medio de cultivo M5, por 45 días.

Aplicaciones de la transformación genética en plantas Primera generación aumento en la productividad (tolerancia y resistencia). Segunda generación mejoramiento de la calidad nutricional, eliminación de alérgenos, fitorremediación, biorreactores (biopharming), adaptabilidad. Tercera generación arquitectura de la planta, floración, eficiencia fotosintética. La tecnología de transformación genética permite: Aportar variabilidad genética de forma controlada y precisa, sin alterar el fondo genético. Es decir, crear nuevas variedades (cultivares) con características favorables, sin perder las mejoras logradas anteriormente. Conocer y/o profundizar acerca de la estructura y función de genes específicos. Expresar genes de interés no existentes en la especie (ejemplo: la fabricación de proteínas insecticidas de origen bacteriano en el maíz Bt). Expresar nuevas formas alélicas (variantes) de genes que ya están presentes en el genoma. Modificar los niveles o el patrón de expresión de alguna proteína transfiriendo el gen correspondiente ya presente en la célula vegetal pero con una secuencia regulatoria diferente, que facilite la expresión de la proteína. Inhibir la expresión de genes presentes en el genoma (por ejemplo, la soja transgénica hipoalergénica en la cual se inhibe o diminuye la expresión del gen que codifica una proteína alergénica). http://www.porquebiotecnologia.com.ar/index.php?action=cuaderno&opt=5&tipo=1&note=26

Ingeniería Genética: ADAPTABILIDAD Segunda generación Ingeniería Genética: ADAPTABILIDAD ARROZ con altos niveles de tolerancia a condiciones ambientales de estrés. 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. El azúcar trehalosa ayuda a estabilizar moléculas biológicas: lípidos, enzimas y otras proteínas, en organismos en condiciones de estrés (PNAS Online, 27 nov. 2002).

Biofábrica es una alternativa estratégica para obtener las plantas adecuadas para renovar el parque cafetalero del país. La

Biofábrica La es una alternativa innovadora, a tener en cuenta para promover la Industria Agroalimentaria en El Salvador. Pueden instalarse múltiples cultivos: papa, plátanos y bananos, forestales, caña de azúcar, piña, guayaba, ornamentales, entre otros. Capacidad de produción anual: 3-4 millones de plantas in vitro por año Emplea: pocos trabajadores pero altamente tecnificados y calificados con estudios de posgrado.

La Biofábrica es una infraestructura en donde los conocimientos científicos y tecnológicos están disponibles para la producción masiva de plantas. Para su mejor eficiencia cuenta con personal técnico y de postgrado para la selección del material a clonar y líneas de investigación para la identificación y producción de nuevos cultivos. F0 y F1 Banco de Germoplasma 1+5 F2 y F3 Escalado in vitro 1+11 F4 Vivero 1+7 F5 Transferencia a campo 2 MEDIOS DE CULTIVO LIMPIEZA Y DESINFECCIÓN MANTENIMIENTO CONTROL DE CALIDAD COMUNICACIÓN RRHH COMPRA-VENTA

José Roberto Alegría Coto ¡MUCHAS GRACIAS POR LA ATENCION¡ Atentamente: José Roberto Alegría Coto ralegria@conacyt.gob.sv ¿PREGUNTAS, COMENTARIOS? Información de ponencias similares en la web del CONACYT: http://www.conacyt.gob.sv en CIT o directamente en http://www.conacyt.gob.sv/cit.htm