Embed Size (px)
Citation preview
BIOTECNOLOGÍA INDUSTRIALINTRODUCCION AL SEMILLERO BIOTECMIA
Lina María Agudelo Escobar Grupo de Biotransformación [email protected] Escuela de Microbiología
oficina 5-103Medellín 2013
La biotecnología es la tecnología basada en la biología, especialmente usada en agricultura, farmacia, ciencia de los alimentos, ciencias forestales, medicina y la industria química.
¿Qué es la Biotecnología?
Según el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992, la biotecnología podría definirse como :
"toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos".
Probablemente el primero que usó este término fue el ingeniero húgaro KARL EREKI en 1919, quien la introdujo en su libro Biotecnología en la producción cárnica y láctea de una gran explotación agropecuaria.
Algunas de las ramas de conocimiento implicadas en la biotecnología:
MicrobiologíaBioquímicaGenéticaBiología celularQuímicaIngeniería (bio)químicaIngeniería mecánicaCiencia y Tecnología de alimentosElectrónicaInformática
La Biotecnología es intrínsecamente interdisciplinar
El avance de la biotecnología dependerá cada vez más de esta colaboración entre disciplinas, y en el uso de lenguajes y paradigmas comunes, así como en que cada tipo de especialista comprenda los logros y limitaciones de las otras ramas biotecnológicas.
La actual biotecnología es una empresa intensamente interdisciplinar, caracterizada por la reunión de conceptos y metodologías procedentes de numerosas ciencias para aplicarlas tanto a la investigación básica como a la resolución de problemas prácticos y la obtención de bienes y servicios.
8000 adC: Recolección de semillas para replantación. Evidencias de que en Mesopotamia se utilizaba crianza selectiva en ganadería. 6000 adC: Medio Oriente, utilización de levadura en la elaboración de cerveza. 4000 adC: China, fabricación de yogurt y queso por fermentación láctica utilizando bacterias. 2300 adC: Egipto, producción de pan con levadura. 1590: Invención del microscopio por Zacarías Janssen1665: Robert Hooke utiliza por primera vez la palabra célula en su libro Micrographia. 1856: Gregor Mendel comienza un estudio de características específicas que encontró en ciertas plantas, las que fueron pasadas a las futuras generaciones. 1861: Louis Pasteur define el rol de los microorganismos y establece la ciencia de la microbiología. 1919: Karl Ereky , ingeniero húgaro, utiliza por primera vez la palabra biotecnología. 1953 : James Watson y Francis Crick describen la estructura doble hélice de la molécula de ADN. 1965: El biólogo Estadounidense Robert W. Holley «leyó» por primera vez la información total de un gen de levadura compuesta por 77 bases, lo que le valió el Premio Nobel. 1970: el científico estadounidense Har Gobind Khorana consiguió reconstruir en el laboratorio un gen completo. 1973: Se desarrolla la tecnología de recombinación del ADN por Stanley Cohen de la Universidad de Stanford , y Herbert Boyer, de la Universidad de California, San Francisco. 1976: Har Gobind Khorana sintetiza una molécula de ácido nucleico compuesta por 206 bases. 1976: Robert Swanson y Herbert Boyer crean Genentech, la primera compañía de biotecnología. 1982: Se produce insulina para humanos, la primera hormona derivada de la biotecnología. Su nombre comercial Humulina®, de la compañía Eli-Lilly 1983: Se aprueban los alimentos transgénicos producidos por Calgene. Es la primera vez que se autorizan alimentos transgénicos en Estados Unidos. 2003 Cincuenta años después del descubrimiento de la estructura del ADN, se completa la secuencia del genoma humano. 2004: La ONU y el Gobierno de Chile organizan el Primer Foro Global de Biotecnología, en la Ciudad de Concepción, Chile. 2009: The sixth annual world congress on Industrial Biotechnology and bioprocessing
Historia de la Biotecnología
Recolección de semillas
Producción de cerveza
Producción de quesos y yogurt
Microorganismos
El protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología del Convenio sobre la Diversidad Biológica define la Biotecnología moderna como la aplicación de:
Técnicas in vitro de ácido nucleico, incluidos el ácido desoxirribonucleico (ADN) recombinante y la inyección directa de ácido nucleico en células u orgánulos, o la fusión de células más allá de la familia taxonómica que superan las barreras fisiológicas naturales de la reproducción o de la recombinación y que no son técnicas utilizadas en la reproducción y selección tradicional
Biotecnología Moderna
Dejando aparte las tecnologías de fabricación de vacunas, la mayor parte de las otras áreas biotecnológicas requieren producir grandes cantidades de sustancias, del orden de kilogramos a toneladas, por lo que uno de los principales aspectos es el del "escalado" a esas grandes cantidades. Esto supone un gran reto, ya que deben diseñar fermentadores de gran tamaño, donde hay que controlar diversos parámetros, como pH, temperatura, oxígeno y otros gases, etc. La tecnología de fermentación cobró ímpetu a partir de los años 40 del siglo XX, cuando se comenzaron a fabricar antibióticos y otras moléculas (ácidos orgánicos, hormonas, enzimas, polisacáridos, etc.) por medio de microorganismos.
Biotecnología “Tradicional”
Según John Smith (1996), muchos procesos biotecnológicos, especialmente los que se realizan en entornos cerrados industriales, tienen un triple núcleo:
1. obtener el mejor catalizador biológico para una función o proceso específico
2. obtener el mejor ambiente para la función de ese catalizador biológico, mediante una serie de diseños técnicos en los que es fundamental la ingeniería química.
3. procesamiento del material, consistente en separar y eventualmente purificar el material biológico producido.
Los tres núcleos de la biotecnología
desde el punto de vista de su aplicación comercial e industrial, el campo de utilidad es muy amplio:
Aplicaciones terapéuticas productos farmacéuticos: antibióticosvacunashormonas terapias génicas
Diagnósticos: diagnósticos para salud humanadiagnósticos para agricultura y ganaderíaensayos para calidad de alimentosensayos para calidad ambiental
Alimentación mejora de procesos tradicionales de obtención de alimentos y bebidas:
nuevos alimentos y bebidasnutracéuticos: alimentos con perfiles determinados de
nutrientes, y para la mejora de la saludaditivos alimentarios
Medio ambiente : tratamiento de residuos urbanos, agrícolas e industrialesbiorremedio y biorreparaciónproducción de energía a partir de biomasa
Campos de Aplicación de la Biotecnología
Biotecnología azul: También llamada biotecnología marina, es un término utilizado para describir las aplicaciones de la biotecnología en ambientes marinos y acuáticos. Aún en una fase temprana de desarrollo sus aplicaciones son prometedoras para la acuicultura, cuidados sanitarios, cosmética y productos alimentarios.
Clasificación de las aplicacionesBiotecnología Roja:Se aplica a la utilización de biotecnología en procesos médicos. Algunos ejemplo son el diseño de organismos para producir antibióticos, el desarrollo de vacunas más seguras y nuevos fármacos, los diagnósticos moleculares, las terapias regenerativas y el desarrollo de la ingeniería genética para curar enfermedades a través de la manipulación genética.
Biotecnología Blanca:También conocida como biotecnología industrial, es aquella aplicada a procesos industriales. Un ejemplo de ello es el diseño de microorganismos para producir un producto químico, o el uso de enzimas como catalizadores industriales, ya sea para producir productos químicos valiosos o destruir contaminantes químicos peligrosos (por ejemplo utilizando oxidorreductasas). También se aplica a los usos de la biotecnología en la industria textil, en la creación de nuevos materiales, como plásticos biodegradables y en la producción de biocombustibles. Su principal objetivo es la creación de productos que consuman menos energía y generen menos desechos durante su producción. La biotecnología blanca tiende a consumir menos recursos que los procesos tradicionales utilizados para producir bienes industriales.
Biotecnología verde: Es la biotecnología aplicada a procesos agrícolas. Un ejemplo de ello es el diseño de plantas transgénicas capaces de crecer en condiciones ambientales desfavorables o plantas resistentes a plagas y enfermedades. Se espera que la biotecnología verde produzca soluciones más amigables con el medio ambiente que los métodos tradicionales de la agricultura industrial. Un ejemplo de esto es la ingeniería genética en plantas para expresar plaguicidas, con lo que se elimina la necesidad de la aplicación externa de los mismos, como es el caso del maíz BT . Si los productos de la biotecnología verde como éste son más respetuosos con el medio ambiente o no, es un tema de debate.[
Es el proceso por el cual son utilizados microorganismos para limpiar un sitio contaminado. Los procesos biológicos desempeñan un papel importante en la eliminación de contaminantes y la biotecnología aprovecha la versatilidad catabolica de los microorganismos para degradar y convertir dichos compuestos.
La Biorremediación
En el ámbito de la microbiología ambiental, los estudios basados en el genoma abren nuevos campos de investigación, ampliando el panorama de las redes metabólicas y su regulación, así como pistas sobre las vías moleculares de los procesos de degradación y las estrategias de adaptación a las cambiantes condiciones ambientales.
Los enfoques de genómica funcional y metagenómica aumentan la comprensión de las distintas vías de regulación y de las redes de flujo del carbono en ambientes no habituales y para compuestos particulares, que sin duda aceleraran el desarrollo de tecnologías de biorremediación y los procesos de biotransformación.
Los entornos marinos son vulnerables ya que los derrames de petróleo en regiones costeras y en mar abierto son difíciles de contener y sus daños difíciles de mitigar.
Además de la contaminación a través de las actividades humanas, millones de toneladas de petróleo entran en el medio ambiente marino a través de filtraciones naturales.
A pesar de su toxicidad, una considerable fracción del petróleo que entra en los sistemas marinos se elimina por la actividad de degradación de hidrocarburos llevada a cabo por comunidades microbianas, en particular, por las llamadas bacterias hidrocarbonoclásticas (HCB).
Además varios microorganismos como Pseudomonas, Flavobacterium, Arthrobacter y Azotobacter pueden ser utilizados para degradar petróleo.
El derrame del barco petrolero Exxon Valdez en Alaska en 1989 fue el primer caso en el que se utilizó biorremediación a gran escala de manera exitosa, estimulando la población bacteriana suplementándole nitrógeno y fósforo que eran los limitantes del medio.
Biorremediación y biodegradación
Bioinformática Es un campo interdisciplinario que se ocupa de los problemas biológicos usando técnicas computacionales y hace que sea posible la rápida organización y análisis de los datos biológicos. Este campo también puede ser denominado biología computacional, y puede definirse como, "la conceptualización de la biología en término de moléculas y, a continuación, la aplicación de técnicas informáticas para comprender y organizar la información asociada a estas moléculas, a gran escala."[ La bioinformática desempeña un papel clave en diversas áreas, tales como la genómica funcional, la genómica estructural y la proteómica y forma un componente clave en el sector de la biotecnología y la farmacéutica.
Ventajas
Entre las principales ventajas de la biotecnología se tienen:
1. Rendimiento superior. Mediante los OGM el rendimiento de los cultivos aumenta, dando más alimento por menos recursos, disminuyendo las cosechas perdidas por enfermedad o plagas así como por factores ambientales.
2. Reducción de pesticidas. Cada vez que un OGM es modificado para resistir una determinada plaga se está contribuyendo a reducir el uso de los plaguicidas asociados a la misma que suelen ser causantes de grandes daños ambientales y a la salud.
3. Mejora en la nutrición. Se puede llegar a introducir vitaminas y proteínas adicionales en alimentos así como reducir los alergenos y toxinas naturales. También se puede intentar cultivar en condiciones extremas lo que auxiliaría a los países que tienen menos disposición de alimentos.
4. Mejora en el desarrollo de nuevos materiales.
La aplicación de la biotecnología presenta riesgos que pueden clasificarse en dos categorías diferentes:
los efectos en la salud humana y de los animales las consecuencias ambientales.
Además, existen riesgos de un uso éticamente cuestionable de la biotecnología moderna.
Riesgos para el medio ambienteEntre los riesgos para el medio ambiente cabe señalar la posibilidad de polinización cruzada, por medio de la cual el polen de los cultivos genéticamente modificados (GM) se difunde a cultivos no GM en campos cercanos, por lo que pueden dispersarse ciertas características como resistencia a los herbicidas de plantas GM a aquellas que no son GM. Esto que podría dar lugar, por ejemplo, al desarrollo de maleza más agresiva o de parientes silvestres con mayor resistencia a las enfermedades o a los estreses abióticos, trastornando el equilibrio del ecosistema.
Otros riesgos ecológicos surgen del gran uso de cultivos modificados genéticamente con genes que producen toxinas insecticidas, como el gen del Bacillus thuringiensis. Esto puede hacer que se desarrolle una resistencia al gen en poblaciones de insectos expuestas a cultivos GM.
También puede haber riesgo para especies que no son el objetivo, como aves y mariposas, por plantas con genes insecticidas.
También se puede perder biodiversidad, por ejemplo, como consecuencia del desplazamiento de cultivos tradicionales por un pequeño número de cultivos modificados genéticamente.
Riesgos
Existen riesgos de transferir toxinas de una forma de vida a otra, de crear nuevas toxinas o de transferir compuestos alergénicos de una especie a otra, lo que podría dar lugar a reacciones alérgicas imprevistas.
Existe el riesgo de que bacterias y virus modificados escapen de los laboratorios de alta seguridad e infecten a la población humana o animal.
Los agentes biológicos se clasifican, en función del riesgo de infección, en cuatro grupos:
Agente biológico del grupo 1: aquél que resulta poco probable que cause una enfermedad en el hombre.
Agente biológico del grupo 2: aquél que puede causar una enfermedad en el hombre y puede suponer un peligro para los trabajadores, siendo poco probable que se propague a la colectividad y existiendo generalmente profilaxis o tratamiento eficaz.
Agente biológico del grupo 3: aquél que puede causar una enfermedad grave en el hombre y presenta un serio peligro para los trabajadores, con riesgo de que se propague a la colectividad y existiendo generalmente una profilaxis o tratamiento eficaz.
Agente biológico del grupo 4: aquél que causando una enfermedad grave en el hombre supone un serio peligro para los trabajadores, con muchas probabilidades de que se propague a la colectividad y sin que exista generalmente una profilaxis o un tratamiento eficaz.
Riesgos para la salud
Los avances en genética y el desarrollo del Proyecto Genoma Humano, en conjunción con las tecnologías reproductivas, han suscitado preocupaciones de carácter ético sobre las cuales aún no hay consenso.
Preocupaciones éticas y sociales
Reproducción asistida del ser humano. Estatuto ético del embrión y del feto. Derecho individual a procrear.
Sondeos genéticos y sus posibles aplicaciones discriminatorias: derechos a la intimidad genética y a no saber predisposiciones a enfermedades incurables.
Modificación del genoma humano para "mejorar" la naturaleza humana.
Clonación y el concepto de singularidad individual ante el derecho a no ser producto del diseño de otros.
Cuestiones derivadas del mercantilismo de la vida (p. ej., patentes biotecnológicas).
Reconociendo que los problemas éticos suscitados por los rápidos adelantos de la ciencia y de sus aplicaciones tecnológicas deben examinarse teniendo en cuenta no sólo el respeto debido a la dignidad humana, sino también la observancia de los derechos humanos, la Conferencia General de la UNESCO aprobó en octubre de 2005 la Declaración Universal sobre Bioética y Derechos Humanos.
Clonación. Esta imagen de febrero de 2002 muestra al creador de Dolly Ian Wilmut junto a la oveja. Foto: EFE
Existe un creciente número de empresas de biotecnología y muchas universidades de todo el mundo proporcionan programas en bioingeniería, ingeniería biológica, ingeniería biotecnológica, biotecnología y Microbiología Industrial y Ambiental de forma independiente.
Estudios de biotecnología en Colombia
En Colombia se imparte la enseñanza de biotecnología en las siguientes facultades:
Universidad Nacional de Colombia (Bogotá y Medellín)Universidad de Antioquia (Medellín)Universidad del Valle (Santiago de Cali) –
Facultad de Ingeniería de AlimentosUniversidad del Cauca (Popayán)Universidad Francisco de Paula Santander (Cúcuta)
Artículo para discusión
