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BIOTECNOLOGÍA Y SOCIEDAD
Dra. María Antonia Malajovich Coordinadora de Biotecnología Instituto de Tecnologia ORT de Rio de Janeiro www.ort.org.br
ORT Uruguay, Montevideo, Agosto de 2011
1
BIOTECNOLOGÍA
Actividad basada
en conocimientos multidisciplinarios,
que utiliza agentes biológicos
para hacer productos útiles o resolver problemas
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
Incide en varios sectores productivos: industria, energía, medio ambiente, agricultura, pecuaria, alimentos y salud.
Permite la coexistencia de tendencias globales (globalización) y locales (recursos naturales, estructura política y económica de cada país)
Envuelve empresas de diferente porte, públicas y
privadas.
IMPORTANCIA DE LA PERCEPCIÓN PÚBLICA
Impulsa, regula y/o limita el desarrollo de la biotecnología.
Ejerce su influencia de manera diferente en cada uno de los sectores productivos.
Depende de lobbies y grupos de opinión que actúan a través de campañas de marketing.
SIGLO XIX – REVOLUCIÓN INDUSTRIAL
C&T herramientas para tratar algunos de los problemas de la sociedad.
SIGLO XX: CIENCIA & TECNOLOGÍA
Microbiología Teoría de la biogénesis (Pasteur)
Teoría microbiana de la fermentación (Pasteur)
Teorí de los gérmenes (Pasteur, Koch) e Postulados (Koch)
Métodos microbiológicos (Coloración y cultivos puros)
Princípios de antisepsis (Lister)
Biología celular Teoría celular (Schleiden y Schwann)
Cultivos de tejidos animales (Roux)
Evolución Teoría de la seleción natural (Darwin)
Genética Teoría de la herencia (Mendel)
Bioquímica Refutação del principio de la vida (Wohler), enzimas (Kuhne, Buchner)
Inmunología Fagocitosis y teoría de la inmunidad celular (Metchnikoff), inmunización (Pasteur), quimioterapia (Ehrlich)
SIGLO XX: CONFLICTOS BÉLICOS
1a Guerra Mundial (1914 – 1918)
2a Guerra Mundial (1939 – 1945)
Producción de acetona
Producción de penicilina
PRIMERA GUERRA MUNDIAL
Producción de butanol y acetona por fermentación bacteriana Chaim Weizmann (1914, Inglaterra)
PRIMERA DEFINICIÓN DE BIOTECNOLOGÍA
La ciencia de los métodos que permiten la obtención de productos a partir de materia-prima, mediante la intervención de organismos vivos (Ereky, 1919).
TECNOLOGÍA DEL DNA-RECOMBINANTE
Bacterias Tr
Enzimas de
restricción
Bacterias Kr
rDNA
Medio + T + K
Ligase
rDNA
Bacterias Tr Kr
recombinantes
CORTAR PEGAR
COPIAR
(clonar)
SAPOBACTER O BACTESAPO?
“Fragments of amplified Xenopus laevis DNA, coding for 18S and 28S ribosomal RNA and generated by EcoRI restriction endonuclease, have been linked in vitro to the bacterial plasmid pSCl01; and the recombinant molecular species have been introduced into E. coli by transformation. These recombinant plasmids, containing both eukaryotic and prokaryotic DNA, replicate stably in E. coli. RNA isolated from E. coli minicells harboring the plasmids hybridizes to amplified X. laevis rDNA.” En Replication and Transcription of Eukaryotic DNA in Escherichia coli (MORROW J.F., COHEN S.N., CHANG A.C. Y., BOYER H.W., GOODMAN H.M.E R.B. HELLING. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 71:5, 1974
?
CONFERÊNCIA DE ASILOMAR
En la conferencia de Asilomar (EEUU, 1975) 139 investigadores de 17 países, Clasifican los experimentos en función del riesgo
(alto, medio, bajo).
Deciden no hacer experimentos de alto riesgo hasta que se definan las normas de contención adecuadas (Moratoria).
Expresan firmemente la necesidad de trabajar
con microorganismos debilitados.
En 1976, el NIH reglamenta las
normas de trabajo y se levanta la
moratoria
LA TECNOLOGIA DE HIBRIDOMAS
Linfocitos B
Hibridomas Células de
mieloma
ANTICUERPOS
POLICLONALES
ANTICUERPOS
MONOCLONALES
LENTA EXPANSIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA (1980- 1990)
1977 Hormona de crecimiento
1982 Insulina humana
1983 Test de diagnóstico (Chlamydia)
1984 Fingerprint
1986 Vacuna contra la hepatitis B
1987 Factor activador del plasminógeno (tPA)
1987 OGM para evitar las heladas
BASES COMERCIALES Y PRIMERAS PATENTES (1980-1990)
1980 - Chakrabarty (microorganismo genéticamente diseñado para tratar derrames de petróleo)
1980 - Boyer e Cohen (tecnología del rDNA)
1985 - Mullis (PCR o reacción en cadena de la polimerasa)
1987 - Universidad de Harvard (animal genéticamente diseñado para el estudio del cáncer)
OTRAS TECNOLOGÍAS
LAS BIOTECNOLOGÍAS
Antiguedad Pan, queso, cerveza, vino
Siglo XIX Microbiología, Bioquímica, Inmunologia, Genética, Biología celular
1907-1909 Cultivo in vitro de tejidos animales y humanos
1914-1918 Producción de acetona por fermentación
1919 Éreky define la biotecnologia
1939 Cultivo in vitro de tejidos vegetales
1944 Produción de penicilina Biología molecular
1953 Modelo de la doble hélice del DNA
1973 Tecnología del DNA-recombinante
1975 Tecnología de hibridomas - Asilomar
1975-1990 Tecnología del DNA, bases comerciales y primeras patentes
1990-2000 Bienes y servicios em varios sectores productivos
2001 Genoma humano y de otros organismos
2009 Obtención de células troncales iPS
LA BIOTECNOLOGÍA DEL SIGLO XXI
PROCESOS FERMENTATIVOS
CULTIVO DE CÉLULAS Y TEJIDOS
INGENIERÍA GENÉTICA
APORTES GENÓMICOS
UN PANORAMA PREOCUPANTE
Procesos industriales que degradan el ambiente
Recursos energéticos tradicionales empobrecidos
Pérdida de biodiversidad
Falta de alimentos
Enfermedades conocidas y emergentes
Amenazas a la seguridad
Bienes y servicios
Indústria Química Energía Medio ambiente Agricultura
Pecuaria Biodiversidad Alimentos Salud
HerramientasAlicerces
CARACTERÍSTICAS DE LA INDUSTRIA QUÍMICA
Producir substancias que atiendan a las necesidades otras industrias.
Ajustarse rapidamente a cualquier cambio en el costo de la materia-prima o de la energía.
Metabolitos primarios
Alcoholes y solventes (Etanol, butanol, acetona etc.)
Ácidos orgánicos ( Ácido láctico, ácido cítrico, ácido acético etc.)
Aminoácidos (Monoglutamato de sodio, aspartame etc.)
Polisacáridos (Xantana, dextranos, agar, alginatos)
Nucleótidos y nucleósidos
Vitaminas (B2, C y B12)
Colorantes (β-caroteno etc.)
Metabolitos secundarios
Moléculas para la salud humana y animal (Anti-bacterianos, anti-virales, sueros, vacunas, etc.)
Moléculas para la agricultura (Insecticidas y pesticidas, factores de crecimiento)
Moléculas para la industria de alimentos (Condimentos y aromatizantes)
Enzimas
Bioplásticos
Biocombustibles
LOS PRODUCTOS DE LA VÍA BIOLÓGICA
BIOCOMBUSTIBLES
Inicio del siglo XX – Motores de ignición
Por centella / etanol de maíz (Henry Ford)
Por compresión / aceite de maní (Rudolf Diesel)
Década de 1920
Gasolina y aceite diesel
Crisis del petróleo (1970)
Etanol y biodiesel como fuentes alternativas
ALMIDÓN SACAROSA CELULOSA
ETANOL
CALDO AZUCARADO (MOSTO)
Hidrólisis enzimática Hidrólisis ácida o enzimática
Fermentación
Destilación
ETANOL
PAÍSES PRODUCTORES
Brasil, Estados Unidos, Canadá, China,
Unión Europea (Francia, Alemania, India).
BRASIL
36 billones de litros de etanol (2012).
400 industrias productoras de etanol.
Más de 3.000.000 de coches utilizando alcohol hidratado.
Gasolina con 20 a 24% de alcohol anhidro.
Tecnología Flex fuel.
Utilización de material ligno-celulósico con tecnología enzimática (2012)
Substitución de la gasolina dependerá del precio del petróleo, de la tecnología disponible y del proceso productivo.
ETANOL
Evaluación Justificativa
(-) Desmatamiento y pérdida biodiversidad causada por la expansión de un producto agroindustrial.
(+/-) Substitución de las quemadas y mecanización (2014).
(+) Integración del proceso productivo (aglomerado, ración animal, adobo, celulosa, bagazo y generación de energía).
(+)
Mejoramiento genético de la caña de azúcar y de la levadura (genómica).
MATERIAL SÓLIDO FIBROSO EFLUENTE LÍQUIDO
ESTIÉRCOL
BIOGÁS
Moléculas complejas (polímeros)
Moléculas simples (monómeros)
Ácidos y alcoholes
Acetato
Microorganismos fermentativos Bacterias acidogénicas Bacterias acetogénicas Bacterias metanogénicas
BIOGÁS
BIOGÁS ( H2O, CH4 e CO2 )
PAÍSES PRODUCTORES
Dinamarca, Estados Unidos, Alemania, Francia, Japón, Suecia, India, China, Cuba.
MATERIA-PRIMA: RESIDUOS
Rurales (estiércol)
Agroindustriales (vinazas y efluentes de industrias lácteas o mataderos)
Domésticos o comunitarios (fango de cloaca)
TECNOLOGÍA
Simple o compleja, en rellenos sanitarios o biodigestores .
BIODIESEL
PAÍSES PRODUCTORES
Union Europea (60%), Estados Unidos, China, Indonesia, Malasia. Brasil, diesel aditivado de 5% de biodiesel (até 20 % em 2020).
MATERIA-PRIMA Soja, dendé, canola, girasol, ricino.
TECNOLOGÍA
Concepto de biorrefinería Biología sintética: la aprovación por la CTNBio de una levadura
transgénica que sintetiza farneseno, um precursor del biodiesel, permitirá fabricarlo a partir de caña de azúcar (2011)
BENNER S.A. Y SISMOUR A.M. Synthetic biology. Nature Reviews Genetics 6:553, 2005
Utilizar componentes no naturales
para construir sistemas que funcionen
de manera natural (vida artificial)
Utilizar componentes naturales
para construir sistemas que funcionen
de manera no natural
The combination of enzymes from three sources in an Escherichia coli host generated a strain of the bacterium that produced a precursor for artemisinin, an antimalarial drug.
Synthetic biological ‘toys’ can also be created. For example, an artificial oscillatory network (a ‘repressilator’) was constructed in E. coli by Elowitz and Leibler. These synthetic biologists placed into an E. coli host three transcriptional repressor systems that are not together part of any natural biological system, and coupled these to the synthesis of green fluorescent protein. The fluorescent output of the cell oscillated as a function of time, providing a visual signal of the state of the oscillator in the cell. The oscillation period of hours was longer than the time typical to complete a cycle of cell division. This indicates that the state of the oscillator was transmitted from generation to generation, and became a property of a colony of cells.
EL ESCÁNDALO FROSTBAN (ICE-MINUS)
AGS scientist Julie Lindemann sprays Frostban on strawberry plants in the first approved release of genetically engineered organisms (1987).
DESARROLLO SOSTENIBLE
Capacidad de atender las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras en atender sus propias necesidades.
Informe Brütland, 1987.
PREVENCIÓN DE LA DEGRADACIÓN AMBIENTAL
DESARROLLO SOSTENIBLE
Substituir productos y procesos industriales por otros, menos agresivos al medio ambiente
TECNOLOGÍAS LIMPIAS
TECNOLOGIAS LIMPAS
Substitución de productos y procesos industriales por otros, menos agresivos al medio ambiente.
Tratamientos químicos x tratamientos enzimáticos
Combustíbles fósiles x biocombustibles
Plásticos x bioplásticos
Fertilizantes químicos x fertilizantes biológicos
Agrotóxicos x biopesticidas
USO INDUSTRIAL DE ENZIMAS
VENTAJAS Son específicas,
Operan en condiciones controlables
Efluentes menos poluentes
ALGUNAS APLICACIONES Alimentos (pectinases).
Detergentes (lava-ropas biológicos).
Papel e celulose (pasta Kraft).
Têxtil (stone washed).
INDUSTRIA DE PAPEL Y CELULOSA
Madera Lignina + celulosa + hemicelulosa
Extracción alcalina a alta temperatura
Lignina (90%) Pasta Kraft (10%)
Lignina (10%) + celulosa +hemicelulosa
Blanqueamiento con cloro Blanqueamiento con xilanase Derivados clorados Eliminación de la lignina de la lignina Pulpa blanca Efluente Efluente
BIOPOLÍMEROS Y BIOPLÁSTICOS
Síntesis biológica
Celulosa, almidón y aceites vegetales.
Polimerización de una molécula básica, proveniente de una fuente renovable.
Ejemplo: Polilactato (PLA).
Polímeros de origen bacteriana
Polihidroxialcanoatos (PHA) y polihidroxibutiratos (PHB).
FERTILIZANTES BIOLÓGICOS
TURFAL
Laboratorio ORT (RJ)
Empresas en Brasil: Bio Agro, Bio Soja, Microquímica, Nitral Urbana, Stoller, Total Biotecnologia, Rizobacter etc.
METAGENÓMICA
Extracción del DNA de una comunidad biológica, a partir de una muestra del ambiente
Construcción de una biblioteca génica
Determinación de la secuencia y la función de los genes
Sabemos cultivar menos del 1% de las especies microbianas del planeta
REMEDIAR
REDUCCIÓN DE RESÍDUOS Degradación de la basura, tratamiento de aguas residuales y de efluentes industriales.
Petróleo
(MEOR, microbially enhanced oil recovery).
RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS NATURALES
Titan Oil Recovery Inc. http://www.titanoilrecovery.com/titanprocess3.html
BIORREMEDIAR
Condiciones necesarias
1 - Existir algún microorganismo capaz de metabolizar el
contaminante, liberando productos metabólicos seguros.
2 - Condiciones ambientales favorables.
3 - Relación costo-beneficio interesante.
Evaluación Justificativa
(+) Problemas puntuales, tratamiento particular
(+) Se presta um servicio, no hay producto para patentear.
(+) Tecnología en manos de organizaciones gubernamentales
o de pequeñas firmas que actúan localmente.
SUBSTANCIAS INORGÁNICAS
Metales (cadmio, mercurio, plata, cobalto, plomo, cobre, cromo, hierro), isótopos radioactivos, nitratos, nitritos, fosfatos, cianuros, asbestos. Productos gaseosos como: SO2, CO2 y Nox
SUBSTANCIAS ORGÁNICAS
Efluentes y residuos sólidos de origen doméstica, agrícola e industrial. Residuos petroquímicos: petróleo, gasoil compuestos aromáticos (benceno, tolueno, etilbenceno, xileno). Productos sintéticos: tricloroetileno (TCE) y pesticidas orgánicos halogenados, como los bifenilos poli clorados (PCBs) o los hidrocarbonatos poli aromáticos (PHAs). Productos gaseosos: metano, clorofluorocarbonatos (CFCs), compuestos orgánicos volátiles (VOCs).
TRATAMIENTOS DE BIORREMEDIACIÓN
In situ
Colocar microorganismos específicos en el suelo
(Caso de las bacterias ice minus, 1987).
Adicionar nutrientes para estimular la actividad de los microorganismos presentes en el sitio contaminado.
Ex situ
Excavar el suelo y transferirlo a un biorreactor.
Microorganismos del ambiente
Microorganismos seleccionados
Microorganismos GM (en sistemas confinados)
Medio contaminado
Medio descontaminado
Optimización de factores que estimulen la acción microbiana (estructura del suelo, pH, aceptores de electrones)
Suplemento de nutrientes
ESTUDIO DE CASO: DERRAMES DE PETRÓLEO Navíos (Prestige, Exxon Valdez, Torrey
Canyon, Amoco Cádiz, Braer and Sea Empress etc.)
Plataformas (British Petroleum)
Guerra del Golfo
OGM de Chakrabarty (1971), poco éxito en Alasca (Exxon Valdez, 1989), no se sabe si fué utilizado en la Guerra del Golfo (?). Investigaciones actuales: Alcanivorax borkumensis que metaboliza 70% de los compuestos del petróleo, y especialmente los de bajo PM .
Deinococcus radiodurans
http://sciencetechnonews.com/2010/12/
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