Sesión 12 Biotecnología, 1a parte

Biotecnología
Sesión 12
Biotecnología, 1a Parte
Es el uso de organismos vivos o sus partes para
la producción de bienes y servicios.
BIO: vida, utilización de organismos o
mecanismos biológicos
TECNOLOGIA: para la solución de problemas o
la producción de bienes y servicios
PRODUCTO: un bien, ejemplo: la vacuna contra
la Hepatitis B
SERVICIO: ejemplo: plantas de tabaco
modificadas genéticamente para remover TNT
Biotecnología
•  “Aplicación de los principios de la ciencia y
de la ingeniería en el tratamiento de materias
por medio de agentes biológicos para la
p r o d u c c i ó n d e b i e n e s y
servicios” (Organización para la
Cooperación y el Desarrollo Económico)
•  Por "biotecnología" se entiende 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
(Convención de Biodiversidad, 1992).
Biotecnología no es
nueva...
CALENDARIO GRANDES EVENTOS BIOTECNOLOGICOS
•  Anterior a PASTEUR: Bebidas alcohólicas, quesos, yogurts,
alimentos fermentados, vinagre, levaduras (antes de 1864)
•  Epoca de los antibióticos: penicilina y otros antibióticos,
sustancias industriales, acidos orgánicos, etc. (1940-1960)
•  Epoca post-antibióticos: Transformaciones microbianas,
tecnología cultivo células animales, proteínas de orígen unicelular
(POU), etc.
• 
• 
• 
• 
• 
Epoca de las “NUEVAS BIOTECNOLOGIAS”:
1975- Tecnología de hibridomas
1975- Ingeniería genética: vacunas, insulina, etc.
1985- Primeras plantas transgénicas
1982- Primeros animales transgénicos
VARIEDAD DE PROCESOS BIOTECNOLOGICOS
•  FERMENTACIONES MICROBIANAS
Perfeccionamiento, mayor eficiencia,
nuevas y numerosas bio-conversiones
•  NUEVAS BIOTECNOLOGIAS
Recombinación genética in vitro,
transformación genética, empleo de
enzimas, empleo de células (cultivo in
vitro), etc.
Antes y después del advenimiento de la ingeniería
genética:
CALENDARIO DE EVENTOS EN BIOTECNOLOGIA AGRICOLA
• 
2,000 AC
• 
Cultivos agronómicos
• 
Siglo 19
• 
Cruces selectivos
• 
Principios siglo 20
• 
Mutagénesis y selección
• 
Mediados siglo 20
• 
Cultivo de células
• 
1930s
• 
Variación somaclonal
• 
1940s
• 
Rescate de embriones
• 
1950s
• 
Poliembriogénesis
• 
1970s
• 
Cultivo de anteras
• 
1980
• 
ADN recombinante
• 
1980s
• 
Selección por marcadores
moleculares
• 
1990s
• 
Genómica
• 
2000
• 
Bioinformática
• 
2003
• 
Secuenciación genoma
humano
BIOTECNOLOGIA y APLICACIONES
CIENCIAS DE LA VIDA ….
tecnologías para el descubrimiento y desarrollo de
productos:
•  TECNOLOGÍAS DE PUNTA: genómica, química
combinatoria
•  SALUD: terapia, diagnóstico, terapia génica y celular,
transplantes
•  AGRICULTURA: alimentos humanos y animales, fibras,
cultivos y animales transgénicos, marcadores para
mejoramiento genético
•  AMBIENTE: biorremediación
•  ENERGÍA: bioetanol, biodiesel de algas o cultivos
oleaginosos, hidrógeno como combustible, etc.
OTRAS APLICACIONES DE LAS
BIOTECNOLOGÍAS
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Anticuerpos monoclonales
Cultivos celulares
Clonación (moléculas, células, plantas, animales)
ADN recombinante
Ingeniería de proteínas
Biosensores
Ingeniería de tejidos
Nanobiotecnología
Microarreglos
La Biotecnología es multidisciplinaria e integradora:
BIOLOGIA
CELULAR
BIOLOGIA
MOLECULAR
BIOQUIMICA
GENETICA
MOLECULAR
INGENIERIA
DE
PROCESOS
MICROBIOLOGIA
B
I
O
T
E
C
N
O
L
O
G
I
A
AGRICULTURA
DIAGNOSTICO
MEDICO
FERMENTACIONES
INDUSTRIA
FARMACEUTICA
INDUSTRIA
QUIMICA
AMBIENTE
Y
ENERGIA
Ingeniería Genética
•  Ingeniería Genética produce un organismo
geneticamente modificado (OGM)
•  Un gen puede ser modificado y reinsertado en
un individuo de la misma especie
•  Un gen de una especie puede ser transferido
a otro para producir un organismo
transgénico
BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA
Un complemento y extensión del mejoramiento
tradicional
Se transfiere información genética para mejorar
los cultivos al utilizar la ingeniería genética
•  más precisa
•  menor tiempo
•  sin dependencia de la reproducción sexual vegetal
•  permite la transferencia de información genética de
una especia a otra (por ejemplo, de una bacteria al maíz)
Microorganismos Ingenierados
Los OGMs más comunes son las bacterias y las
levaduras
•  Las bacterias han sido modificadas para
producir proteínas de interés médico tales
como la insulina
•  Las bacterias ingenieradas también producen
enzimas usadas en fabricación de alimentos,
tales como la quimotripsina, que es una
enzima digestiva que realiza proteólisis
Un Organismo Genéticamente
Modificado (OGM)
•  E. coli modificada
para producir una
proteína
fluorescente que
proviene de un
gen de medusa
La Transformación Genética de Plantas
complementa al Mejoramiento Tradicional
MEJORAMIENTO VEGETAL TRADICIONAL
El ADN es una cadena de genes, similar a una de perlas. El mejoramiento tradicional combina muchos genes a la vez
REPRODUCCION SEXUAL
Muchos genes, incluso no deseados, son transferidos
Gen deseado: característica de interés agronómico
X
Donor
Planta
Donadora
Variedad Comercial
Largo proceso
Para eliminar genes no deseados
Aislamiento y transferencia
biotecnológica
del gen
deseado. Proceso más preciso en menor tiempo
BIOTECNOLOGIA
VEGETAL
/ INGENIERIA
GENETICA
Un solo gen es transferido
Gen deseado
Gen
deseado
+
Organismo donador:
Bacteria, hongo, planta etc.
Variedad Comercial
Nueva Variedad
Vegetal Mejorada
ADN Recombinante o Ingeniería Genética
ADN de pez
Un solo gen del
pez
Manipulaciones genéticas
Maíz transgénico
Célula de maíz
ADN del maíz
Como se genera un
organismo transgénico?
1. Extracción del ADN de
cualquier organismo
2. “Corte y confección” del
ADN recombinante por
medio de enzimas de
restricción y de ligasas
3. Introducción del ADN
híbrido a un nuevo
organismo (transformación por
métodos físicos: electroporación o
químicos: PEG)
Agrobacterium tumefaciens : bacteria del suelo,
manipuladora genética natural
La bacteria introduce ADN del plásmido
Ti a las células vegetales y modifica su
programa genético: sintetiza opinas e
induce la proliferación tumoral
Tumor inducido en una planta
de tabaco por A. tumefaciens
Uso del Plásmido Ti para generar una
Planta Transgénica
A Un plásmido Ti se
inserta en
Agrobacterium
tumefaciens. El
plásmido lleva el gen
foráneo
B La bacteria
infecta una célula
vegetal y transfiere
el plásmido Ti. Este
se integra en un
cromosoma de la
célula
C La célula
vegetal se divide,
y sus
descendientes
forman un
embrión
D El embrión se
desarrolla en una
planta
transgénica
E La planta
transgénica
expresa el gen
foráneo. Esta planta
de tabaco expresa
un gen de
luciérnaga
(luciferasa).
Maíz Genéticamente Modificado (Bt)
•  El gen Bt produce
resistencia a
insectos lepidópteros
•  Las plantas no
modificadas son más
vulnerables a los
insectos plaga
Transferencia de genes por biobalística usando la
“pistola de genes” de alta presión
Dispositivos para la transferencia directa de genes via
aceleración de microproyectiles cubiertos de DNA
Sistema BioRad PDS
1000/He (alta presión)
Tecnología
ACCELL™ :
descarga
eléctrica de
microproyectiles
PIG: Particle Inflow Gun/
He (baja presión)
Pruebas de evaluación de plantas transgénicas
Resistencia a insectos en plantas transgénicas
Frutos de tomate
resistentes a insectos:
Frutos de planta control
(izquierda) vs. frutos de
planta transgénica
Planta de tabaco resistente a
insectos:
Planta control (izquierda) vs.
planta transgénica
Más OGMs
Cultivos transgénicos ingenierados para tolerancia a la sequía y
con mejoras nutricionales se desarrollan para lugares con
poblaciones muy pobres en Asia y Africa
•  Ejemplo: plantas de arroz que producen β-caroteno, un
precursor de la vitamin A, en sus granos (“Arroz Dorado”)
•  Los cultivos GM más sembrados en el mundo incluyen: maíz,
sorgo, algodón, canola, soya y alfalfa
Características de interés comercial incorporadas a
plantas transgénicas
En desarrollo / pruebas de campo:
Comerciales:
• Protección a insectos
• Protección a herbicidas
• Resistencia a virus
• Resistencia a hongos
• Resistencia a bacterias
• Resistencia a sequía
• Resistencia a metales
• Fibras modificadas
• Mayor contenido vitamínico
• Incremento del rendimiento
• Producción de fármacos
• Producción de biopolímeros
• Vacunas comestibles
• Aceites mejorados
• Carbohidratos modificados
•  Proteínas balanceadas
•  Eliminación de contaminantes
•  Maduración controlada
•  Acidos grasos modificados
PERSPECTIVAS APLICACIONES
BIOTECNOLOGICAS EN AGRICULTURA
•  GRAN POTENCIAL, COMPLEMENTA
TÉCNICAS DE MEJORAMIENTO GENÉTICO
CLASICO
•  CONTRIBUYE A AGRICULTURA SOSTENIBLE,
AL REDUCIR APLICACIONES DE
PLAGUICIDAS Y DISMINUIR LOS COSTOS DE
PRODUCCIÓN
•  AUMENTA EL RENDIMIENTO Y CALIDAD DE
COSECHAS
PERSPECTIVAS DE LAS APLICACIONES
BIOTECNOLOGICAS EN AGRICULTURA
•  ESTIMULA UN MEJOR CONOCIMIENTO DE
PROCESOS BIOLÓGICOS FUNDAMENTALES
COMO LA FUNCIÓN, EXPRESIÓN Y
REGULACIÓN GÉNICA
•  AMPLIA EL ÁMBITO DE UTILIZACIÓN DE
LOS RECURSOS GENÉTICOS Y DE LA
BIODIVERSIDAD
SECTOR FORESTAL
•  Resistencia a plagas, enfermedades y a herbicidas
•  Modificaciones en la calidad del producto
•  Tolerancia a factores de estrés
•  Arboles de manzana: resistentes a enfermedad bacteriana “fire blight”,
en pruebas de campo
•  Especies de Populus (“cottonwood” trees): resistencia a insectos con
genes Bt y reducción en contenido de lignina (reducción de la
biosíntesis de la lignina), en pruebas de campo
•  Arboles frutales como manzanas “Gala” : resistencia a larvas de
“apple cutworm” con genes Bt, en pruebas de invernadero
•  Ciruelos, nectarinos, melocotones, albaricoques : resistencia a
enfermedades virales con el gen de la cubierta protéica del virus del
“Plum Pox Virus (PPV)” , en pruebas de campo
BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL:
conservación y remediación
Degradar metales contaminantes y sustancias tóxicas
(petróleo)
• 
•  Uso como biosensores para monitorear sustancias
peligrosas, ej. TNT
•  Recuperación de especies en peligro de extinción
•  BIOSENSORES: Bacterias ingenieradas para detectar TNT, tienen el gen
de la Proteína Verde Fluorescente (GFP) que se ilumina en presencia del
explosivo, en pruebas de campo.
•  Plantas transgénicas que pueden acumular metales: limpian el suelo de
cobre, cadmio, cobalto, aluminio, manganeso, niquel y zinc, en pruebas de
campo.
•  Se aislaron los genes para la producción de plásticos polímeros, y se
han transferido a Maíz y a Arabidopsis. No obstante, este plástico no es
muy rentable económicamente. Se encuentra a nivel de investigación
experimental.
APLICACIONES EN MEDICINA HUMANA:
Escherichia coli transgénica que
produce insulina humana
APLICACIONES DE LOS ORGANISMOS
TRANSGENICOS
MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL
•  Sus aplicaciones han generado procesos “limpios”, con
baja producción de desechos y bajo consumo energético.
•  90 % de las enzimas utilizadas a gran escala para
procesos industriales, han resultado del uso del ADN
recombinante; ejemplo: Arabidopsis transgénica produce
celulasa para la producción de alcohol, que permanece
inactiva hasta que la planta es procesada.
•  Renina de organismos transgénicos para la fabricación
de quesos.
•  Aplicaciones Industriales:
Alimentos humanos y animales, limpieza, textiles, pulpa y papel, cuero y
tenerías, combustibles, químicos, metales, minerales y energía
APLICACIONES DE LAS BIOTECNOLOGÍAS
Anticuerpos monoclonales:
• Localización de contaminantes ambientales
• Detección de microorganismos en los
alimentos
• Diferenciación de células normales y
cancerosas
• Diagnóstico de enfermedades
• Compuestos terapéuticos muy específicos
Aplicaciones de las biotecnologías
Ingeniería de proteínas:
Se usa en conjunto con ADN
recombinante para
producción de enzimas,
anticuerpos, receptores
celulares y creación de
proteínas nuevas:
Medicina: proteínas que
desactiven virus y en el
diseño de nuevas medicinas
Industria: catalizadores
Alimentos: nuevos aditivos
Aplicaciones de la biotecnología
•  Ingeniería de tejidos:
•  Se basa en la unión de la biología
celular y la ciencia de nuevos
materiales que permite crear tejidos
semisintéticos y órganos en el
laboratorio
•  Uso de colágeno como andamiaje:
piel y cartílago
Aplicaciones de la biotecnología
Biosensores:
•  Se relacionan con avances en
microelectrónica
•  Están compuestos por un componente
biológico ligado a un transductor:
•  Medidas del valor nutricional,
frescura y seguridad
•  Salas de emergencia: información
directa del paciente
•  Localización y medición de
contaminantes ambientales y
microorganismos
Aplicaciones de la biotecnología
Microarreglos (microarrays)
Une la tecnología de
semiconductores con la genética
molecular:
•  Detección de mutaciones
•  Detección de actividad de
genes
•  Diagnóstico de
enfermedades
•  Identificación de genes para
productividad de cultivos
•  Mejorar el tamizaje de
microorganismos usados en
biorremediación
Biotecnología Marina
•  Explora la capacidad de unas 30 000
especies conocidas de microorganismos
marinos, para desarrollar nuevas clases
de vacunas, fármacos y productos
médicos, así como productos químicos,
enzimáticos e industriales
•  Provee nuevas herramientas para el
desarrollo de nuevas áreas tales como
biomateriales, diagnóstico de
enfermedades, acuicultura e inocuidad
alimenticia, biorremediación, etc.
Aplicaciones de la Biotecnología Marina
•  Acuicultura
•  Inocuidad de alimentos
del mar
•  Remediación ambiental
•  Biofilmes
•  Biomateriales y
Bioprocesos
Áreas de actividad en Biotecnología Marina
•  Estudio de Archaea
•  Polisacáridos
•  Fuente de fármacos
•  Neurotoxinas
•  Productos para
investigación
•  Fuentes microbianas
•  Acuicultura
Estudio de Archaea
•  Son microorganismos extremófilos,
en condiciones limítrofas para la vida
•  Termófilos (en aguas termales)
•  Halófilos
•  Termoacídicos (bajo pH y alta
temperatura)
•  “Psychrophiles” (en aguas frías del
Antártico, ej. Flavobacterium)
•  Son importantes por sus sistemas
enzimáticos
Polisacáridos naturales
•  Algas marinas (“Seaweeds”) son fuente
abundante de polisacáridos con uso
comercial
•  Esos productos incluyen:
•  Agar y agarosa (se usa en investigación)
•  “Carrageenan” (ficocoloide en pared celular
de Rodófitas, espesante de alimentos
procesados)
•  Vitaminas
•  Fertilizantes y fármacos
•  “Nori”: alga Porphyra de uso en “Suchi”,
genera US $ 1.6 billones/año a la industria
•  Quitina y Quistosan (industria alimentaria)
Fuente de fármacos
•  Moléculas tóxicas en
organismos marinos
•  Pocos productos aprobados
en el mercado
•  Antiviral “Acyclovir” y AZT
(de esponjas marinas)
•  Anticancerígeno “Ara-C
(de esponjas marinas)
•  Muchos actualmente en
ensayos clínicos
Neurotoxinas
•  Tetrodotoxina: una de las más
potentes neurotoxinas conocidas,
derivada del hígado del pez globo
“puffer fish”
•  Saxitoxina : neurotoxina extraída
de dinoflagelados
•  Base para investigaciones de
función nerviosa
Fármacos derivados de microorganismos
marinos
•  Se reconoce que las bacterias marinas
son fuentes potenciales de fármacos
(desde 1973)
•  Desde entonces se han identificado
cientos de agentes biológicos activos
•  Pero no hay fármacos aún en el mercado,
y ninguno en ensayos clínicos
•  Muchas limitaciones: por ej. dificultad con
el manejo de organismos en cultivos y con
su recolección del ambiente natural
Productos Marinos Naturales
•  Extractos de algas marinas (seaweeds)
•  Aceites de pescado, ricos en vitaminas A y D
•  Extractos de esturión y merluza como fuente de
gelatina
•  Extractos de tiburón como fuente de inmunoglobulinas
•  Aceite de hígado de tiburón para uso bactericida
•  Método de bioensayo LAL (“lisado de amebocitos de
límulus”) para la detección y monitoreo de bacterias
gram-negativas, que producen endotoxinas, que no
pueden ser destruidas por esterilización
Acuicultura: Algas marinas
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Industria de alimentos, nutracéutica
Biomedicina y cuidados de salud
Bio-fármacos
Productos para cuidados dentales
Biotecnología enzimática
Biosensores
Biorremediación
Bio-energía
Acuicultura: Algas marinas
Productos Marinos para Investigación
•  Ingeniería genética en
Celenterados (medusa “jelly
fish”) ha generado la proteina
verde fluorescente
se usa como marcador de la
expresión génica, para la
localización de proteinas y para
trazabilidad del calcio en las
células
Acuicultura y Genómica:
Tecnología de Peces Transgénicos y su
aplicación en producción pesquera
•  Capacidad para identificar e insertar genes
que serán de utilidad en el aumento de la
producción de la industria pesquera:
•  Genes de hormona de crecimiento (GH)
•  Promotores y genes codificadores de proteinas
“anticongelamiento” (AFP’s) de peces
•  Inhiben la formación de cristales y
disminuyen la temperatura de congelamiento
de peces que viven en regiones árticas
Métodos para producir peces transgénicos
Microinyección:
Un huevo por vez, demasiado
trabajo
Electroporación:
Transferencia a muchos huevos
En poco tiempo, costoso
Genes de hormona de crecimiento (GH)
Proteinas Anticongelamiento
•  Identificadas en los 70’s en peces del
antártico
•  Inhiben el crecimiento de cristales de hielo,
previniendo el daño a células y tejidos
•  Se han encontrado compuestos similares en
otros organismos (peces de aguas frías,
insectos, plantas, hongos y bacterias)
•  Se podría:
•  Incrementar la tolerancia al frío en plantas
comerciales, en cultivos agronómicos o en peces
tropicales en aguas frías,
•  Extender duración de vida en productos congelados
•  Mejorar criocirugía (congelamiento de tejidos)
•  Mejorar preservación de tejidos para transplantes
Producción de crustáceos y moluscos transgénicos
langostinos
almejas
Video y link a revisar
https://www.youtube.com/watch?v=fcTtW2gOb28
https://www.genome.gov/pages/educationkit/