Academia Mexicana de Ingeniería

ff

LA BIOINGENIERÍA Y SUS NUEVOS PARADIGMAS

Dr. Rodolfo Quintero Ramírez

P lacio de Minería, México, D.F. Enero 25, 2001

La bioingeniería y sus nuevos paradigmas Dr. Rodolfo Quintero Ramírez

En esta presentación voy a hacer un relato de lo que ha sido el devenir de la bioingeniería en los últimos treinta años, basado principalmente en mi experiencia personal, ya que fue en 1972 cuando leí el primer libro de Ingeniería Bioquímica, el famoso Aiba, Humphrey y Millis, que me fascinó e indujo a tratar de conocer un poco más sobre ese campo y posteriormente decidí dedicarle mi vida profesional.

Desde un punto de vista histórico, los procesos biológicos son inmemoriables, pues hay evidencias de que la fermentación alcohólica ya se realizaba desde hace miles de años en muchas culturas en diferentes partes del mundo. Sin embargo como antecedente de la bioingeniería se considera el trabajo de investigación y aplicación del famoso microbiólogo francés Louis Pasteur en el siglo XVIII como pionero. Posteriormente, durante las dos Guerras Mundiales hubo necesidades imperiosas que fueron cubiertas por procesos biológicos, en la Primera el Dr. Weizzman en Inglaterra desarrolló la fermentación para producir acetona, sustancia esencial para la fabricación de explosivos, y en la Segunda se inició la producción de antibióticos a partir de cultivos de hongos en tanques agitados. En ambos casos se lograron avances en construcción de tanques y sistemas asépticos para poder asegurar una producción continua y de calidad.

La fecha del inicio formal de la bioingeniería es 1958, cuando aparece el primer libro con el título de Ingeniería Bioquímica en Inglaterra, posteriormente su reconocimiento internacional como un área diferenciada de la ingeniería se atribuye a la publicación del libro Biochemical Engineenng escrito por especialistas de tres países, el Dr. Aiba de Japón, el Dr. Humphrey de Estados Unidos y la Dra. Millis de Australia, en sus ediciones de 1963 y 1973. Es interesante hacer notar que en esta fase inicial, la ingeniería bioquímica se derivó principalmente de la ingeniería química y a la microbiología y a los aspectos biológicos se les atribuían una participación limitada.

A partir de los años setenta, la bioingeniería se desarrolló y consolidó como un área con características propias, con campos de acción específicos y aplicaciones multisectoriales. Esto fue en gran medida posible debido al enorme esfuerzo en recursos, humanos y financieros, que se destinaron después de la Segunda Guerra Mundial al área de investigación científica y tecnológica. En este período es particularmente notable el avance en el conocimiento básico que se tiene sobre los procesos de la vida, tanto a nivel celular como bioquímico y en aspectos tecnológicos, la ingeniería, la instrumentación y el cómputo se han desarrollado enormemente, permitiendo la generación de nuevas industrias, procesos innovadores y productos de mejor calidad.

Los paradigmas de la bioingeniería a lo largo de estos años han venido cambiando y es mi propósito mostrar cuáles podrán ser éstos en el futuro.

Bioingeniería en los años 70

En los años setenta fue cuando tuve la oportunidad de poneçme en contacto con un campo del conocimiento fascinante y en aquél entonces aún emergente, la bioingeniería. Me llamó poderosamente la atención el enorme potencial que ofrecía la generación de "biofábricas" y por otra parte con respecto a la ingeniería química, todavía era un área en donde poco se sabía y había grandes oportunidades para hacer aportaciones relevantes e importantes.

En ese entonces, bajo el término bioingeniería se entendían dos grandes campos, uno de ellos era la denominada ingeniería biomédica, que estaba enfocada hacia la creación de órganos artificiales y ya se iniciaba la búsqueda de la aplicación de la electrónica para control de aparatos relacionados con la salud humana; la otra área que también se identificaba con ese nombre era la ingeniería bioquímica, también denominada ingeniería biológica, tecnología de fermentaciones y microbiología industrial. Este documento se referirá principalmente a la ingeniería bioquímica, pero como se podrá apreciar al final del mismo, hoy día la bioingeniería y seguramente la bioingeniería del futuro, serán una sola, pues el crecimiento de los dos campos los ha unificado.

A partir de mi posgrado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, decidí estudiar y dedicarme a la ingeniería bioquímica. La concepción que se tenía sobre los procesos biológicos era bastante simple y se seguía un enfoque de caja negra, en donde los seres vivos que se utilizaban para la transformación, lo hacían de manera natural después de que algún investigador los hubiese descubierto en el laboratorio, el caso más notable y conocido es el de Fleming y la producción de penicilina, y había que poner estos organismos en un reactor con condiciones físico-químicas ambientales adecuadas, que permitieran la proliferacíón celular y, si se era exitoso, también se obtenía el producto deseado.

Condiciones ambientales

4 Células 1

(Ca~ctor .-..-*. Productos

Materias pnmas

Esquema general de un bioproceso

PAF

El marco de referencia de la ingeniería bioquímica era limitado y los principales problemas y preguntas que se hacían en investigación, estaban relacionados con:

Crecimiento microbiano: se iniciaba el entendimiento dp cómo formular un medio de cultivo que permitiese, por una parte la generación de biomasa, y por otra favoreciese la obtención del producto deseado. La idea y/o concepto de balance de materia era incipiente pues los rendimientos de transformación eran empíncos y no existían métodos para poder hacer estimaciones teóricas.

C Hx O, H + a02 + b Ca HbOc Nd —* c Cn H, O, H + d CO2 + e r120 Biomasa Fuente de C, N Biomasa

Ecuación este quiométrica de crecimiento aeróbico

Modificación genética: en ese entonces se usaban mutágenos químicos para la obtención de organismos hiperproductores, este tipo de experimento se hacía tanto en las empresas de fermentación como en los laboratorios de investigación, pues se sabía que ocurrían cambios al azar que eventualmente generaban nuevas cepas, las cuales tenían una mayor productividad pero en general eran inestables en la operación cotidiana. Poco se hablaba sobre la genética y menos aún sobre la posibilidad de "construir' cepas ad hoc.

Agentes mutagénicos + Células Células hiperproductoras (luz uy, nitrosoguanidina, etc.) (generalmente inestables)

Microorganismos utilizados: tanto en la producción industrial como en los laboratorios de investigación, las especies utilizadas eran restringidas, principalmente bacterias, levaduras, algunos hongos y unas pocas algas. Los virus y conjuntos celulares, y. gr. tejidos, eran poco conocidos y menos aún utilizados. La mayoría de los organismos que se utilizaban eran de tipo aeróbico y poco se conocía y estudiaba la fermentación anaeróbica.

Biorreactor: en esa época a los recipientes en donde se llevaba a cabo la reacción biológica se les conocía como fermentadores, todavía se trabajaba intensamente sobre el diseño geométrico y muchos investigadores dedicaban sus esfuerzos hacia los problemas de agitación, mezclado y aereación. La transferencia de masa y el coeficiente volumétrico de transferencia de masa (kLa) dominaban el campo y se generaron numerosas correlaciones para poder predecirlo y relacionarlo con la transferencia de oxígeno.

Ir-

3

Rinrns

Producto

ato

Tiempo

Agitado mecánicamente Air-lift

Tipos de fermentador

Condiciones de cultivo: las condiciones ambientales que favorecían el crecimiento microbiano se restringían principalmente a la medición y control de pH y temperatura óptimos, apenas se iniciaba el diseño y construcción de sensores, habiendo sido uno de los primeros el de medición de oxígeno disuelto y todavía no se empezaban los estudios sobre simulación y control de biorreactores. La mayor parte de las fermentaciones industriales no tenían control automático de pH ni de temperatura y se trataba de que ambos tuviesen valores constantes, bien por adición intermitente y control manual de la temperatura.

Cinética de fermentación: la mayor parte de los estudios reportaban cinéticas de crecimiento microbiano y de formación de producto (modelo de Leudeking-Piret). La ecuación de Monod para crecimiento microbiano, por su semejanza con el modelo de cinética enzimática de Michaelis-Menten fue la base para el establecimiento de modelos posteriores que aún hoy día persisten. Modelos basados en la composición celular y en el metabolismo en sí, no existían.

JtJ.tmax S

Ks+S o

Ecuación de Monod c G) o c o o

Cinética de fermentación batch

a-'

Procesos de separación y purificación: esta importante área prácticamente no se tocaba en los textos de ingeniería bioquímica y tampoco se le daba importancia en los planes de estudio de la bioingeniería, La mayoría de los productos biológicos eran extracelulares y de bajo peso molecular. La calidad y pureza de los mismos estaba determinada por el sector industrial al cual iban dirigidos. Las operaciones unitarias que se utilizaban para separación y purificación eran clásicas: centrifugación, filtración, extracción, precipitación, cristalización y secado.

Aspectos económicos de los bioprocesos: como excepción se hacían estudios económicos sobre las diferentes etapas de los bioprocesos y menos aún se relacionaban los aspectos económicos: costos de producción, inversión y rentabilidad, con el diseño y el desarrollo del proceso. La carencia de un sistema rápido para cálculos económicos limitaba su uso como herramienta en

( investigación y en la toma de decisiones para la instalación de nuevos procesos o modificación de los ya existentes.

Aspectos de bioseguridad: no existía una preocupación muy grande por el riesgo asociado a este tipo de proyectos, con excepción de la producción de vacunas para humanos que se hacía en sistemas considerados poco ortodoxos en aquél entonces: cerebro de ratón para la producción de vacunas contra la rabia o riñón de mono para la vacuna contra la polio, etc. Tampoco se consideraba importante ni necesario el comunicar a los diferentes grupos sociales sobre las ventajas y potenciales riegos de este tipo de tecnología.

Areas de aplicación: los productos biológicos de esa época estaban principalmente enfocados hacia la industria alimentaria: levadura de panificación, enzimas para producción de quesos, fermentaciones lácticas tipo yogur, aminoácidos, ácidos orgánicos, bebidas alcohólicas y ya se iniciaba la producción de enzimas y su uso para la modificación de materias primas de esta industria. En la industria farmacéutica la participación de los productos biológicos era restringida: antibióticos, vacunas virales y bacterianas para humanos y animales y algunas vitaminas. En el sector químico, todavía la incidencia era limitada y en el área ambiental prácticamente solo se utilizaba el sistema de lodos activados para tratamiento de aguas municipales e industriales.

Formación de recursos humanos: la ingeniería bioquímica se estudiaba a nivel de posgrado, principalmente en Estados Unidos, Inglaterra, Francia, Alemania, Japón y Australia, y en muy pocos países existían estudios a nivel de licenciatura. También en muchos sitios estos estudios y la investigación se hacían en departamentos de ingeniería química o de tecnología de alimentos. La mayor parte de los estudiantes interesados provenía de la ingeniería química ó de alguna subárea de la química (químicos farmacobiólogos, tecnólogos de alimentos), pero había una participación mínima de biólogos y médicos.

5

/

Desarrollo de la ingeniería bioquímica de los 70 al 2000

La ingeniería bioquímica ha tenido un desarrollo enorme en los últimos treinta años, sus dos componentes, la ingeniería y la biología, se ),an desarrollado en forma paralela y sinérgica y ambas se han beneficiado con los avances de la electrónica. A continuación comentaré el desarrollo individual que han seguido, pero también señalaré la retroalimentación que ha habido entre ellas y cómo esto ha acarreado un mayor desarrollo y crecimiento de la bioingeniería.

Desde el punto de vista de la ingeniería, la ingeniería bioquímica ha tenido un notable avance pues se han logrado resolver problemas tecnológicos de gran relevancia y muchos de ellos han llegado a utilización práctica en diferentes tipos de industria. Sin pretender hacer una revisión exhaustiva del tema, quiero destacar siete áreas que ilustran con claridad los logros alcanzados:

1. Cultivo continuo: fue un notable avance científico y tecnológico el poder crecer microorganismos de diferentes especies en forma continua. En especial cuando el sistema continuo se opera como quimiostato, o sea, que no hay cambio de la concentración de ninguno de los componentes en el medio líquido con respecto al tiempo. En este sistema la productividad que se alcanza es muy superior a la de los sistemas tradicionales batch y también es posible tener condiciones de operación que permitan crecer a velocidades de crecimiento superiores a las máximas del microorganismo. Los sistemas de tratamiento industrial de aguas, tanto aeróbicos como anaeróbicos, operan como cultivos continuos con retroalimentación y ello ha favorecido su uso generalizado en los últimos años.

()

a) o c o

rato D=JL=FN

Estado estacionano

iasa

Tasa de dilución

Cinética de cuftivo continuo en quimiostato

2. Reología de las fermentaciones: a medida que se fue estudiando con mayor profundidad el problema de mezclado y agitación en los sistemas de fermentación aeróbica, se tuvo que desarrollar la reología de los caldos de fermentación. De hecho se ha tenido que ser muy innovador en este campo pues la definición clásica de viscosidad no es aplicable lo mismo que los instrumentos analíticos diseñados para su medición, ya que en la fermentación se tiene presente un fluido multifásico: la fase líquida (principalmente agua) cuyas propiedades reológicas en ocasiones se ven modificadas a lo largo del

proceso por el producto biológico que llega incluso a alterarlas dramáticamente, tal es el caso de los polisacáridos o bien de fermentaciones fúngicas; la fase sólida está representada por la biomasa, que tiene diferente densidad a la del agua y dependiendo de su tamaño y del tipo de crecimiento, y. gr. pellets, agregados celulares, etc., da origen a fluidos de tipo no-newtonianos; y la fase gaseosa la conforman las burbujas de aire de diferente tamaño que se introducen durante la fermentación. Esta complejidad puede aumentarse si se toma en consideración que en muchas ocasiones se utilizan sustratos poco solubles o bien que los productos biológicos se precipitan en el propio caldo.

IÚ

= kr n < 1

fi Reo/o gía típica de un caldo de fermentación

3. Transferencia de masa en procesos biológicos: siendo el agua el principal componente en masa de los medios de cultivo (la solubilidad del oxígeno es baja y depende de la presión total y de la temperatura), siempre se ha tenido la dificultad de poder transferir suficiente oxígeno de la fase gaseosa al líquido para que una vez disuelto esté disponible para el crecimiento y metabolismo microbianos. Este fenómeno, sencillo en principio, ha sido motivo de grandes esfuerzos de investigación y de un sinnúmero de publicaciones que buscan por una parte poder predecir cuál será la velocidad de transferencia de oxígeno para un sistema dado y por otra en qué condiciones hacerlo para que resulte económicamente aceptable. Existen muchos diseños, tanto de agitadores como de aspersores de aire, que cubren satisfactoriamente los requerimientos de oxígeno a lo largo del proceso.

KLa AC

KLa = (PN) (Vs)

..-.. ....'

célula

Transferencia de oxígeno en fermentación

7

Ingeniería enzimática: la idea de reutilizar enzimas para disminuir el costo unitario de su uso, motivó que se generase la inmovilización de enzimas y de esta manera se lograron incrementar significativamente los tiempos de vida media y la estabilidad de las enzimas propiciando la aplicación industrial de estos sistemas. Uno de los más conocidos es la inmovilización de penicilino amidasa de Eschenchia coli que se utiliza para la hidrólisis de la penicilina G y obtención del ácido 6-aminopenicilánico, importante intermediario en la producción de penicilinas semisintéticas. Este proceso enzimático desplazó a la hidrólisis química por consumir menos energía, ser más eficiente en la conversión y de menor costo. La tecnología enzimática ha sido de gran interés académico y se han inmovilizado cientos de enzimas en muy diversos tipos de soporte y en años más recientes también se han inmovilizado células completas y otro tipo de componentes celulares con actividad biológica.

V = Vmax S E E E \

KaP /) •E E E

E................ E :, E )

/

Enzimas inmovilizadas

Biocatálisis en fase no acuosa: por muchos años existió el paradigma y casi creencia de que la biocatálisis sólo se podía llevar a cabo en fase acuosa y por ello las principales reacciones bioquímicas que se estudiaron y utilizaron son de tipo hidrolítico (proteasas) u oxidativo (oxidasas), pero una vez que en 1984 se reportó biocatálisis en medio no acuoso, se abrieron nuevos campos de aplicación. Se demostró que las enzimas son activas en fase orgánica y gaseosa, así como en fluidos supercríticos, estos sistemas presentan ventajas para el desarrollo de procesos a nivel industrial en los cuales los sustratos en muchos casos no son solubles en agua y por lo tanto se deben utilizar solventes orgánicos. Un ejemplo de este tipo de tecnología aún en desarrollo pero a la cual se le están dedicando enormes esfuerzos a nivel internacional, es la biodesulfuración del petróleo vía acción microbiana, si este proceso se vuelve una realidad industrial, sin duda será mas económico que el hidrotratamiento tradicional, requerirá menor inversión, consumirá menos energía y será una tecnología limpia que permitirá un desarrollo sustentable de

industria petrolera. En el proceso de biodesulfuración el contenido e1 rgético del combustible tratado con bacterias no disminuye debido a que no es legradado y los átomos de azufre se eliminan en forma de sulfatos en la comente acuosa que contiene al biocatalizador. Al biorreactor se le adiciona en una solución acuosa el biocatalizador (constituido de células completas) y se pone en contacto con el combustible a tratar, la reacción de biodesulfuración

[I

ocurre en la interfase entre la fase orgánica y la fase acuosa. Posteriormente las fracciones se separan y se recirculan el biocatalizador y el agua.

eliminación de vapor

aire

biocatalizador

agua

control de adición de reactivos

bioreactor

fracción desulfúrada

unidades de

separación

fase acuosa

fracción rica

en azufre recirculación de biocatalizador y

eliminación de agua

biocatalizador

unidades de separación

- agente neutralizante

Proceso de biodesulfuración del petróleo

6. Bioseparaciones: fue a finales de los años 70 cuando se empezaron a producir a nivel industrial las primeras proteínas recombinantes y hoy existen muchos nuevos productos de carácter proteico en el mercado. Este tipo de moléculas son generalmente de alto peso molecular, 10,000 daltones como mínimo, son lábiles tanto a la temperatura como al pH y deben conservar su estructura terciaria para mantener su actividad biológica y evitar en la medida de lo posible la contaminación con otro tipo de moléculas, y. gr. metales, residuos celulares, virus, etc. Estos requerimientos obligaron a crear toda una nueva área del conocimiento y de la investigación, las denominadas bioseparaciones, que son operaciones unitarias que permiten separar y purificar biomoléculas con alto grado de pureza y rendimientos elevados. Hubo que transformar métodos de laboratorio en operaciones de carácter industrial, entre las más conocidas se encuentran los diferentes tipos de cromatografía (adsorción, afinidad, gel, etc.), las separaciones por tamaño molecular (microfiltración, ultrafiltración, osmosis reversa) o bien la purificación por carga

(electroforesis). La liofilización del producto final y la cristalización de proteínas, también han tenido avances notables. Este campo desde el punto de vista económico es muy importante sobre todo para las proteínas recombinantes de uso farmacéutico ya que requieren en términos de inversión entre 5 y 10 veces más que la fermentación, en términos de costos de producción se tiene una relación similar.

7. Control de bioprocesos: si tuviese que destacar un área que ha avanzado tecnológicamente en los últimos treinta años, sin duda seleccionaría la de los biosensores y su uso para el control de bioprocesos en línea. Ahora es posible establecer sistemas de medición in situ y directamente en el biorreactor para determinar parámetros tales como; oxígeno disuelto, CO2, pH, temperatura, potencial redox, viscosidad, distintos tipos de azúcares, diferentes componentes celulares, moléculas con propiedades específicas (espectros de emisión particulares), etc. Todos estos biosensores a la vez conjuntándose con el uso de las computadoras, ha permitido generar sistemas de control en tiempo real de enorme complejidad y rápida respuesta. De tal manera que es posible determinar la actividad biológica en un biorreactor, seguirla a lo largo del tiempo y poder estudiar los cambios que sufre cuando se presenta alguna modificación ambiental. El paradigma de que el pH, la temperatura y la concentración de oxígeno disuelto, deberían ser constantes a lo largo de un proceso, o bien que tenían que seguir "el patrón natural" de las fermentaciones, está superado. Ha sido posible establecer condiciones de operación para las diferentes fases de un cultivo: crecimiento, producción y muerte.

Este avance en los aspectos ingenienles de la bioingeniería, permitió resolver tres problemas prácticos a través de mucho trabajo en investigación en los últimos años. Su solución creó nuevas industrias y áreas de aplicación, estos problemas fueron:

• Escalamiento de bioprocesos: el problema de llevar un proceso biológico desde la fase de laboratorio hasta la escala industrial, significa pasar en varios órdenes de magnitud el volumen y la masa, y. gr. de un mililitro en un tubo de ensaye a un biorreactor de una escala de 1,000 m3. Para lograr teste cambio, se siguen varias etapas y en cada una de ellas los procesos de transferencia que controlan o limitan el proceso, varían. Por ejemplo, a escala pequeña la transferencia de oxígeno es limitante, mientras que a escalas mayores la transferencia de calor es la que domina. El tiempo de mezclado aumenta a medida que aumenta la escala y esto tiene importantes implicaciones en cuanto a los microambientes que "sienten" las células en un biorreactor de diferente escala. La idea que se tuvo por muchos años de mantener un diseño geométrico constante entre los biorreactores de diferentes escalas y un parámetro de operación constante en todas ellas, y. gr. p/v, kLa, tiempo de mezclado, kLa AC, ha sido superada y actualmente se emplean sistemas de simulación a microescala que permiten obtener una mejor distribución de los

10

microambientes presentes en un biorreactor y así poder predecir mejor los resultados de la actividad microbiana.

Laboratorio Cajas Petri, matraces Erlenmeyer (250 ml-41), fermentadores 1-101)

Planta piloto • Fermentadores (1): 10, 30, 100, 1000, en algunos casos hasta

30,000

Producción industrial o Fermentadores (m 3 ): 10, 30, 50, 100, 240 y350

Escalas típicas de los bioprocesos

• Ampliación del uso de la biodiversidad: otro cambio significativo que ha habido en la bioingeniería es la ampliación del tipo de organismos que se utilizan para llevar a cabo las transformaciones, así como el incremento en el aprovechamiento de componentes celulares. Por una parte, los organismos tradicionales y las cepas recombinantes derivados de ellas han proliferado pero también han surgido nuevos sistemas de producción basados en células de mamíferos, de insectos, lo mismo que diferentes tipos de células vegetales. Además se ha desarrollado el cultivo de tejidos tanto de células animales como vegetales y han surgido áreas como la ingeniería de tejidos, de aplicación en biomedicína para producción de piel, y más recientemente para la producción de órganos artificiales; en el caso de células vegetales, se pueden tener cultivos de raíces, de embriones somáticos o bien de callos. Como se puede comprender estos sistemas constituyen fluidos multifásicos muy complejos, de reología de difícil caracterización y las propiedades físico-químicas tradicionales también son difíciles de definir y de medir, entre ellas: la densidad, la viscosidad, la tensión superficial, etc. A esto hay que añadir que no solamente se utilizan las células viables por su actividad biotransformadora, sino que ahora también se emplean enzimas, nbozimas, abzimas, anticuerpos u otros componentes celulares más complejos como las mitocondnas. Algunos otros sistemas aún se encuentran en fase de investigación, como son las plantas transgénicas productoras de proteínas tanto de origen vegetal como bacteriano y humano, metabolitos secundarios o bien de animales transgénicos (ovejas) productores de proteínas que se excretan en la leche. Esta enorme complejidad y diversidad de sistemas de biotransformación ha generado la ampliación de los campos de aplicación de la bioingeniería. Un ejemplo ilustrativo son los procesos de fitorremediación que utilizan plantas verdes para remover, contener o degradar los contaminantes presentes en Ci suelo.

11

ón

ulación y olismo

Biodegradacuon

unía Absorción

Contaminantes

Proceso de Morremediación

• Diferentes tipos de bioprocesos: la fermentación sumergida se ha utilizado en la obtención de la mayoría de los productos biológicos; tradicionalmente se le conocía como fermentación aeróbica siendo el agua el componente principal en volumen. Sin embargo a medida que se fue ampliando el tipo de organismo y el medio ambiente en donde se podían aplicar los procesos biológicos se generaron nuevos tipos de bioprocesos. Actualmente se tienen sistemas de fermentación en fase sólida, semisólida, en lodos y otros que son difíciles de describir como pueden ser los suelos, de tal manera que la fermentación se puede llevar a cabo en diferentes fases, con la presencia de agua y de aire como portadores de oxigeno para los sistemas aeróbicos o en su ausencia para los anaeróbicos. Estos nuevos sistemas de fermentación han tenido una aplicación práctica muy importante en la remediación de suelos contaminados. En la tabla siguiente se presentan diferentes procesos de biorremediación que incluyen cultivos en fase sólida o semisólida, orientados a la eliminación y/o degradación de productos contaminantes presentes en suelos. En todas estas tecnologías se procura tener las condiciones nutricionales y ambientales convenientes para que haya una proliferación rápida y eficiente de la biomasa autóctona, conociéndose a este proceso como bioestimulación; cuando esto no es posible, entonces la biomasa se produce ex situ generalmente en un biorreactor y posteriormente se añade al suelo, asegurando así una alta capacidad degradadora, a este proceso se le conoce como bioaumentación. Cabe señalar que ninguna de estas tecnologías es de uso universal y más bien su aplicación debe determinarse caso por caso, dependiendo en gran medida de las características geológicas e hidrológicas del sitio contaminado así como del contaminante mismo, que típicamente puede ser petróleo o alguno de sus subproductos o bien plaguicidas agrícolas.

12

Tecnología Descripción Atenuación natural Es la acción de los procesos naturales intrínsecos del

suelo, sin la adición de elementos externos o la manipulación del sistema. Es una estrategia de remediación que debe ser supervisada y controlada mediante un seguimiento analítico y basada en un estudio de riesgo.

Biolabranza Arado de un suelo contaminado, de la misma forma que se trabaja un suelo para cultivo, con el fin de airear y homogeneizar el suelo contaminado para estimular la actividad microbiana.

Composteo Proceso de degradación que se lleva a cabo en una biopila por la acción de microorganismos aerobios. Es un sistema controlado que utiliza la actividad microbiana para degradar los contaminantes del suelo, el cual se dispone en montículos, a los que se pueden agregar materiales textunzantes o de volumen, nutnentes y sistemas de aereación; formando un producto final estable. En términos prácticos, composteo y biopilas son equivalentes.

Bioaumentación Adición de microorganismos vivos para promover la biodegradación o biotransformación de los contaminantes.

Bioestimulación Adición de elementos nutncionales necesarios para estimular la actividad de los microorganismos que realizan la degradación o transformación de los contaminantes.

Bioventeo Aplicación de aire a un suelo o cuerpo de agua para satisfacer los requerimientos de oxígeno de los microorganismos encargados de la biodegradación.

Fitorremediación Es la utilización de plantas verdes para remover, contener o degradar los contaminantes del medio. Es una tecnología prometedora orientada a la limpieza de solventes orgánicos, bifenilos policlorados, metales pesados, hidrocarburos poliaromáticos, explosivos, etc.

Principales tecnologías de biorremediación para suelos contaminados

Sin embargo el crecimiento y desarrollo que ha tenido la biología en las últimas tres décadas ha sido espectacular y ha modificado sin duda los paradigmas tradicionales de la bioingeniería. El surgimiento de la biología molecular en los años 70 ha permitido entender desde un punto de vista conceptual cómo opera una célula, qué elementos forman parte de la maquinaria biológica y diferentes

13

formas de cómo modificarla para hacerla más eficiente y poder dirigir su actividad hacia fines de interés humano.

En la siguiente figura se presenta un esquema de cómo se prpcesa la información genética en un ser vivo y como ésta se expresa en forma de proteínas, moléculas responsables de la actividad biológica. Este esquema prácticamente se repite en todo tipo de células y es por ello que su conocimiento y estudio permite hoy en día la modificación genética ad hoc. El modelo de caja negra para la actividad biológica está superado.

ADN

Transcripción

rARN

Ribosomas

00 tARN

Traducción

1 Proteína

Esquema simplificado del flujo de información genética y su transformación en actividad biológica en el interior de las células

La aplicación de este conocimiento biológico ha permitido generar las llamadas cepas recombinantes u organismos transformados genéticamente cuando se refiere a bacterias o microorganismos en general, y plantas transgénicas y animales transgénicos cuando se refiere a organismos superiores completos. Con la tecnología disponible es posible identificar rápida y económicamente un gene específico en cualquier tipo de organismo y una vez identificado, introducirlo para que pueda integrarse a la información genética de otro organismo, no importa la especie y así obtener un organismo con una nueva capacidad y/o propiedad. Al conjunto de metodologías que permiten el manejo y transferencia de información genética entre diferentes especies se le conoce genéricamente como ingeniería

14

genética y se han podido obtener miles de cepas recombinantes de diferentes tipos de microorganismos: bacterias, hongos, levaduras, para fines de investigación y/o de producción industrial.

© Sección Introducción Transfoimación

de un gene del gene genética

Cepa nativa con cepa hospedero Cepa recombinante gene de interés con nueva actividad

Obtención de organismos recombinantes por ingeniería genética

También utilizando este mismo tipo de metodologías se han podido transformar células vegetales y utilizando su característica de totipotencia se han podido obtener plantas completas que se cultivan en el campo, más de 60 cultivos existen a nivel comercial. La respuesta de la sociedad a este nuevo tipo de agricultura ha tenido dos vertientes, una de ellas ha sido la rápida introducción y adopción que tuvieron las plantas transgénicas en la agricultura comercial de países con gran capacidad de producción, altamente tecnificados y grandes exportadores de alimentos, Estados Unidos, Canadá, Argentina y más recientemente China y Brasil. Para 1999 ya se cultivaban casi 40 millones de hectáreas de siete cultivos transgénicos, según se muestra en la siguiente tabla.

Cultivo transgénico 1998 1999 Soya 14.5 21.6 Maíz 8.3 11.1 Algodón 2.5 3.7 Canola 2.4 3.4 Papa <0.1 <0.1 Calabacita 0 <0.1 Papaya 1 0 <0.1 Total 127.8 39.9

Superficie sembrada de granos transgénicos (millones de hectáreas)

La otra posición ante los cultivos transgénicos la han encabezado principalmente organizaciones de carácter no gubernamental interesadas en la conservación del medio ambiente y preocupadas por los riesgos potenciales en la salud humana que conlleva el consumo de alimentos transgénicos. Dichas organizaciones han cuestionado la falta de estudios que aseguren su inocuidad en el largo plazo. El

15

debate continúa y en ocasiones ha sido muy ríspido y controvertido. La bioingeniería debe obtener enseñanzas de esta dualidad con respecto a la nueva tecnología biológica y diseñar estrategias y métodos para enseñar y convencer a la sociedad de que las bondades y beneficios que ofrece son mayores que sus riesgos y desventajas. Esta es una nueva tarea que los bioingenieros deberán afrontar en el futuro.

A nivel más básico y todavía en una etapa de pre-explotación comercial, se han logrado generar animales transgénicos a los cuales se les han introducido genes de otras especies y se espera que en un futuro cercano sirvan como sistemas de producción comercial. De nueva cuenta, diferentes grupos sociales han manifestado su preocupación por la donación de animales superiores y los aspectos éticos asociados a ella.

De ninguna manera voy a pretender resumir cuál es el estado del arte del conocimiento biológico, pero si voy a comentar brevemente tres áreas de la biología moderna que están teniendo un enorme impacto en la nueva bioingeniería.

La primera de ellas es la ingeniería de proteínas que consiste en la modificación del ADN para la obtención de proteínas modificadas con mayor actividad, con nuevas capacidades de biotransformación y mayor resistencia a condiciones ambientales. Se han reportado numerosos ejemplos en la literatura científica y tecnológica sobre la obtención de enzimas mejoradas y todo esto apunta hacia un acelerado desarrollo de nuevos procesos biocatal íticos.

Otra área emergente que tiene un gran potencial, sobre todo para el aumento de rendimientos en procesos fermentativos es la denominada ingeniería metabólica cuya finalidad última es modificar las rutas metabólicas presentes en un organismo y hacerlas más eficientes a través de la adición de genes que codifican para la obtención de enzimas ausentes en la vía metabólica.

A

Inhibición 4, Enzima 1 _______ Sustitución de El por erma resistente a inhibición 1 B

,jE2 ______________

Adición de E5 para

E3 E5 4 obtención de F

E4 H F

y K

J E7 __

M

1 Eliminación de E7 para 1 Esquema de la ingeniería metabólica

16

Desde hace vanos años los genetistas se habían encontrado con un hecho que los dejaba perplejos, se aumentaba la dosis génica a través de la adición de genes multicopia y la actividad biológica que se medía no correspondía directamente a a presencia de la enzima. Fue necesario realizar un análisis ms amplio e integral, en el cual participaron bioingenieros e investigadores en termodinámica para dilucidar el problema; no es suficiente la introducción de genes, ya que la producción de la enzima depende también de otros factores, energéticos y de disponibilidad de componentes celulares, y aún cuando la proteína esté presente, la ruta metabólica sólo se puede alterar parcialmente ya que está inmersa en un conjunto de reacciones bioquímicas simultáneas y en paralelo, todas ellas demandan energía (en términos biológicos) y requieren de moléculas específicas. La conclusión es que las leyes de la termodinámica, los fenómenos de óxido-reducción y de potencial redox deben ser cumplidas por la maquinaria biológica intracelular. El diseño de una nueva ruta metabólica debe integrar no solo el conocimiento genético sino también los aspectos de termodinámica y de velocidad de reacción para poder alcanzar los objetivos de reorientación del flujo de materia y energía dentro de la célula para aumentar el rendimiento y evitar resultados inesperados. La investigación en bioingeniería seguramente hará aportaciones relevantes en este campo, pues tiene la capacidad de manejar sistemas de reacción complejos.

A finales del año 2000 se anunció en los Estados Unidos la conclusión del proyecto del genoma humano que había consistido fundamentalmente en la decodificación de la información genética contenida en los cromosomas y que resultó ser de 120,000 a 150,000 genes diferentes y una gran cantidad de información genética redundante de la cual en la actualidad no se conoce su propósito ni el porque de su existencia. En paralelo con este proyecto se han venido decodificando genomas completos de diferentes tipos de seres vivos y la lista crece día con día, es posible prever que en los años futuros la decodificación de un genoma completo o de porciones muy importantes de él, será una tarea rutinaria de costo menor y de fácil acceso para el público interesado; a esta área del conocimiento se le conoce como ciencias genómicas (genomics) y también ha surgido la llamada bioinformática, cuyo propósito es poder manejar eficientemente enormes bases de datos para obtener información de manera rápida, a bajo costo y a la vez poder realizar búsqueda de genes nuevos o de comparación de genes entre especies con propósitos de estudios evolutivos. La tarea que ahora sigue es transformar esta información decodificada en proteínas y conocer qué actividad o actividades biológicas están asociadas a ellas, a este nuevo campo se le denomina proteómica (proteomics) y aún se encuentra en etapa embnonana. Para la bioingeniería, tanto las ciencias genómicas como la proteómica ofrecen oportunidades inmensas, novedosas, de gran impacto, difíciles de visualizar y enumerar, pero presentes. ¿Qué hará un bioingeniero del futuro cuando pueda, a través de la consulta de un banco de datos de genomas decodificados, identificar un gene de interés?, o bien, si se busca una actividad biológica específica para resolver un problema particular, y. gr. una oxidación en fase orgánica, ¿cómo deberá diseñar la proteína para obtener un biocatalizador de alta productividad y vida media?, ¿cómo producirá la enzima?, ¿deberá diseñar el gene sintético o

17

utilizar alguno de los ya reportados?. Estas y muchas otras preguntas las podrá responder la bloingeniería próximamente.

La bioingeniería en el nuevo siglo

La definición de lo que es la bioingeniería en los inicios de este nuevo siglo, es compleja pues sin duda su carácter es multidisciplinario y su aplicación multisectonal. A ello se debe agregar que con el gran impulso surgido de la biología moderna, se acuñó a nivel internacional un nombre genérico para toda esta área, la biotecnología, y es por ello que resulta difícil poder diferenciar la bioingeniería de la biotecnología, pues en ambas confluyen la instrumentación, el cómputo, la bioquímica, la biología molecular, la biología celular y por supuesto la ingeniería.

La biotecnología se puede definir como el conjunto de tecnologías encaminadas a la producción de bienes y servicios mediante la utilización de sistemas biológicos. Es una actividad multidisciplinana cuyo sustento es el conocimiento de frontera generado en diversas disciplinas, entre otras, la biología molecular, la bioingeniería, la microbiología y la inmunología, que permiten el estudio integral y la manipulación de los sistemas biológicos o de sus componentes celulares, buscando hacer un uso inteligente y respetuoso de la biodiversidad, desarrollando tecnología eficiente, limpia y competitiva para facilitar la solución de problemas importantes en diversos sectores.

Los rápidos avances tecnológicos derivados de la manipulación del ADN (ácido desoxirribonucleico), han permitido la generación de nuevas industrias y bioprocesos. De esta manera el área de impacto de la biotecnología es amplia y diversa, incluyendo sectores productivos como son el farmacéutico, el agroalimentario, el de medio ambiente, el químico y el energético, principalmente.

Los productos biotecnológicos se pueden clasificar en dos tipos, los tradicionales y los nuevos. El primer caso se refiere a productos biológicos que ya se obtenían antes de 1970, entre ellos, los aminoácidos, los antibióticos, los ácidos orgánicos, solventes, etc., cuya producción es de gran volumen y el cambio tecnológico más importante ha sido la introducción de cepas recombinantes para aumentar los rendimientos de conversión y disminuir los costos unitarios.

El segundo grupo está constituido principalmente por aquellas sustancias y/o actividades biológicas que se empezaron a usar y/o producir comercialmente a partir de los años 80. El primer producto asociado a la nueva tecnología biológica fue la insulina humana, hormona proteica que fue producida por bacterias a nivel comercial y autorizado su uso terapéutico en 1981. De ese entonces a la fecha, los nuevos productos han llegado de manera diferenciada en varios sectores:

Sector farmacéutico: la salud humana ha sido la mayor beneficiaria de los nuevos productos biotecnológicos, terapéuticos y preventivos; las proteínas recombinantes (hormonas proteícas, interferones, eritropoietina, etc.) se han

18

constituido en medicamentos de uso cotidiano, pues ofrecen nuevas propiedades hasta hace poco prácticamente inexistentes y/o desconocidas. Las vacunas recombinantes han tenido un desarrollo comercial más lento, pero de igual manera tendrán un gran impacto en la prevención de todo tipo de enfrmedades. También se ha beneficiado enormemente el área de diagnóstico clínico, pues ha sido posible utilizar diferentes componentes celulares: anticuerpos, sondas de ADN, enzimas ¡nmovilizadas, para la detección tanto de infecciones como de moléculas dañinas y/o tóxicas. Prácticamente todos los días aparecen en la literatura científica y de difusión comercial descubrimientos y noticias sobre nuevos medicamentos derivados del conocimiento del material genético humano. No hay ninguna duda de que se seguirán produciendo nuevas proteínas para uso humano.

Sector agroalimentario: en 1984 se aprobó la producción y consumo masivo del primer vegetal transgénico, el tomate de madurez retardada y como ya se mencionó, en algunos países la aceptación fue muy rápida, mientras que en otros han habido problemas y cuestionamientos sobre la seguridad de esta tecnología. No es fácil poder anticipar qué sucederá en los años próximos, ya que si se acepta la introducción de plantas transgénicas en la agricultura comercial, éstas tendrán un gran impacto en la industria alimentaria, particularmente en el procesamiento de alimentos y en la formulación de los mismos, ya se han obtenido plantas productoras de aceites con una composición más favorable para consumo humano, mayor cantidad de proteína o bien con un contenido vitamínico novedoso y muy superior al de los cultivos tradicionales. El área de diagnóstico de enfermedades en vegetales y en el sector pecuario también se ha beneficiado con la adopción de las nuevas tecnologías. La producción de vacunas para animales se hace en sistemas biotecnológicos más eficientes y los productos son de mejor calidad. En la donación y reproducción de ganado la utilización de tecnología biológica es aún incipiente, para la obtención de animales transgénicos habrá que resolver el problema de los cuestinamientos éticos sociales que se han planteado.

Sector de medio ambiente: en 1992 se llevó a cabo la reunión de Río de Janeiro sobre el medio ambiente, su conservación y explotación sustentable, de ahí surgió el concepto de desarrollo sustentable, motivando que el problema de la eliminación de la contaminación adquiera una gran envergadura a nivel nacional e internacional. En casi todos los países se han tomado medidas legislativas para definir los parámetros y los límites aceptables de la contaminación. En esta tarea la biotecnología tiene una oportunidad pues sus propias características: alta especificidad de la reacción, alto rendimiento de conversión, menor consumo de energía y disminución de subproductos tóxicos, permiten anticipar resultados en la dirección de lo que se busca. Se ha generalizado a nivel internacional el uso de sistemas de tratamiento biológico de aguas contaminadas, tanto municipales como industriales y han surgido nuevos procesos de biorremediación para suelos contaminados. El uso de biofiltros para problemas específicos de corrientes gaseosas con alto contenido de materia orgánica es incipiente pero con gran potencial.

19

Sector químico: en la industria química los principales avances han sido por la utilización de nuevos procesos biocatalíticos. lnicialmente los procesos enzimáticos se usaron exclusivamente en la industria alimentaria y en menor medida en la industria farmacéutica, pero con enzimas y/o qélulas inmovilizadas se han establecido nuevos procesos para la obtención de materias químicas de polímeros. También en la química fina se ha incrementado la utilización de biotransformaciones para obtención de moléculas de gran valor y de muy difícil síntesis por la vía química tradicional. Otro uso en esta industria ha sido la utilización de biomoléculas con fines de separación y purificación (cromatografía de afinidad).

Sector energético: recientemente la industria energética, particularmente la petrolera, se ha interesado en los procesos biotecnológicos, no sólo para tratar los efluentes y sitios contaminados que genera, sino también como una serie de tecnologías alternativas en las áreas de exploración, producción y petroquímica. En los últimos 20 años, la creciente preocupación por el efecto de las emisiones contaminantes sobre la ecología del planeta, ha provocado una normatividad más estricta, lo que ha traído cambios significativos en los procesos y tecnologías de la industria. Actualmente las principales fuerzas que impulsan a la industria petrolera en el mundo son: la creciente demanda de combustibles; la necesidad de procesar crudos más pesados; la búsqueda de mayores niveles de rentabilidad; cumplimiento de una reglamentación cada vez más exigente; y la necesidad de producir combustibles más limpios. La consecuencia, ha sido la búsqueda de nuevas tecnologías de carácter sustentable con un menor consumo energético y con subproductos menos contaminantes. Por otro lado, la baja en las reservas internacionales del crudo y la sobreproducción agrícola en los países industrializados, han catalizado la investigación en fuentes alternativas de combustibles y uso de materiales renovables. Estos esfuerzos no se ven aún consolidados en la práctica por falta de competitividad y de la relación costo/eficiencia, sin embargo se considera que la biotecnología tendrá un impacto importante en el mediano y largo plazo.

Para completar la visión general sobe la situación actual de la biotecnología, es necesario hacer unos breves comentarios sobre la investigación y la formación de recursos humanos relacionados con ella.

Investigación: los recursos que se destinan a la investigación básica y aplicada relacionada con la biotecnología son muy cuantiosos, casi todos los países industrializados la han definido como un área prioritaria y han establecido programas nacionales para su apoyo y fomento. También en varios sectores industriales, las principales empresas trasnacionales han invertido importantes recursos para establecer grupos de investigación propios y sobre todo orientar sus negocios al campo de la biotecnología. En este contexto resulta casi imposible resumir las principales líneas de investigación, por lo que he seleccionado, desde mi muy particular punto de vista, aquellas áreas que considero tendrán mayor impacto en el futuro y presentarán importantes retos a la bioingeniería; algunas de

20

ellas continuarán importantes tendencias establecidas desde ahora y otras son de carácter emergente y su resultado potencial incierto.

• Salud humana: estandarización de los sistemas de terapia génica y producción de órganos artificiales. Continuará siendo el área líder de la biotecnólogía.

• Agricultura: utilización de métodos biotecnológicos para la conservación de la biodiversidad y utilización de plantas transgénicas como biorreactores para obtención de biomoléculas de interés diverso. Su futuro depende de la solución a la controversia ético social de su uso.

• Veterinaria: obtención de animales transgénicos como sistemas de producción de proteínas recombinantes. Posiblemente su desarrollo se vea influenciado por los resultados en el área agrícola.

• Medio ambiente: desarrollo de nuevos bioprocesos que sustituyan la producción tradicional con carácter limpio y sustentable. Esta área crecerá sin duda, sobre todo a medida que sulla evidencia científica sólida sobre el

1

deterioro ambiental del planeta y sus consecuencias en el clima y la salud. • Marina: identificación de biomoléculas y/u organismos marinos con actividades

interesantes para el sector farmacéutico y alimentario. Area emergente. • Minera: adopción de procesos biológicos para la obtención de metales,

disminuyendo el impacto ambiental. Su desarrollo depende de la legislación local.

• Energética: producción de combustibles alternos utilizando recursos renovables. Area de mediano plazo, hay varios proyectos en desarrollo.

• Química: transformación biológica de recursos naturales en materias primas básicas y uso de biocatal izado res en condiciones extremas. Existen todos los elementos para que crezca aceleradamente en los próximos años.

Formación de biotecnólogos: al igual que toda la biotecnología, la educación y entrenamiento de biotecnólogos se ha diferenciado. En muchos países esto se lleva exclusivamente a nivel de posgrado, bien sea en departamentos académicos universitarios o en centros de investigación dedicados a la biotecnología. En otros países, la formación se inicia a nivel de licenciatura y por lo tanto se le reconoce como una carrera profesional. La orientación académica en estos dos niveles es multidisciplinana pero generalmente con algún énfasis y se refleja en el nombre del programa: bioingeniería, ingeniería bioquímica, biotecnología, biotecnología ambiental, biotecnología vegetal, ciencias bioquímicas, biotecnología alimentaria, etc. La tendencia es hacia la formación de científicos e investigadores en biotecnología y pocos programas dirigen sus esfuerzos hacia personal orientado a la producción y aplicación práctica de la tecnología biológica. El estudiantado interesado en esta área se ha diversificado, hay biólogos, médicos, ingenieros agrónomos, bioquímicos, químicos e ingenieros químicos.

Nuevos paradigmas de la bloingeniería para el presente siglo

A lo largo de este documento he tratado de identificar los paradigmas que enfrentó la bioingeniería y cómo los fue superando uno a uno. ¿Cuáles serán los

21

paradigmas del futuro?, ¿qué fuerzas los establecerán: el conocimiento científico proveniente de la biología, de la ingeniería o de otras áreas?, ¿será la presión social y los cuestionamientos éticos sobre la nueva, tecnología los que los determinen?. Por supuesto que no tengo una respuesta única a estas preguntas, pero de la revisión de las tendencias de lo que será posible hacer en el futuro, pueden surgir algunos elementos para ir formulando las soluciones. Intentaré hacer ésto a través del análisis de tres casos que a mi juicio serán realidades en el futuro.

Biocatálisis en la industria química: con el conocimiento teórico y experimental que se ha acumulado sobre las enzimas, su producción, su modificación y su uso como catalizadores, es posible concebir nuevos procesos biocatalíticos para la industria química. Los problemas fundamentales de transferencia de masa y calor en reactores con enzimas inmovilizadas ya se dominan, el conocimiento de la catálisis enzimática a nivel básico está muy avanzado, se conoce lo que significa el sitio activo en términos físico-químicos y termodinámicos y además se tiene la metodología para poder llevar a cabo modificaciones puntuales que incrementen la reactividad y estabilidad del mismo. La tecnología para sobreproducír proteínas y reducir sus costos de producción está disponible. La limitante de este tipo de procesos que aún persiste es la ambiental, puesto que los biocatalizadores funcionan eficientemente en condiciones fisico-químicas con rangos limitados. Pero de nuevo, la investigación ofrece la respuesta, se han encontrado que ciertos ambientes, considerados extremos por el hombre, están colonizados por microorganismos especialmente adaptados, denominados microorganismos extremófilos. Estos ambientes incluyen ecosistemas con altas o bajas temperaturas, altas presiones, pH extremos (<3 y >10) y altas concentraciones de sales (5-30%). Algunas de las principales aplicaciones de los extremófilos ya se han empezado a explorar y se muestran en la tabla siguiente

Microorganismos Enzimas y Aplicaciones extremófilos productos

Termófilos e Amilasas Edulcorantes hipertermófilos 50-110°C Xilasas Proceso de blanqueo

Proteasas Producción de aminoácidos a partir de queratinas, pan y procesamiento de alimentos

Acidófilo pH < 2 Oxidación de azufre Desulfuración de petróleo y carbón Alcalófilos pH > 9 Celulasas Degradación de polímeros

Proteasas Amilasas Lipasas

Halófilos 3 - 20% NaCI Enzimas Degradación de compuestos tóxicos Lípidos Liposomas Biosurfactantes Recuperación de petróleo Polisacáridos Agentes estabilizadores, gelificantes,

emulsificadores y recuperación de petróleo Polihidroxialcanoatos Bioplásticos

22

Los microorganismos extremófilos y sus enzimas funcionan en condiciones fisico-químicas parecidas a las que prevalecne en el ambiente industrial. Las enzimas aisladas de los extremófilo tienen propiedades que pueden ser aprovechadas para aplicaciones industriales: son muy termoestables, generalmente resistentes a solventes orgánicos y a pH extremos. En la última década se han descubierto algunos microorganismos capaces de crecer a temperaturas de hasta 110°C y soportar presiones de varias atmósferas. Una vez que se donen los genes de organismos extremófilos, se podrán producir enzimas con potencial de uso industrial, o bien a través de investigar por qué estas proteínas son capaces de resistir condiciones ambientales drásticas, se podrán rediseñar enzimas conocidas para que puedan operar eficientemente bajo esas condiciones. En este caso los paradigmas científicos y tecnológicos determinarán el futuro de esta área.

Terapia génica en humanos: existen numerosas enfermedades que podrían ser curadas si se introdujesen genes activos en humanos. La tecnología para la

( identificación y caracterización de los genes y sus subproductos ya está desarrollada, así mismo se han logrado reproducir in vitro células humanas modificadas genéticamente y se tienen diversas metodologías para la introducción de éstas a un ser humano. En un caso hipotético, ¿cuál sería el papel del bioingeniero?, un paciente llegaría a una clínica y un especialista removería células de la médula ósea; posteriormente un experto en genética transformaría algunas de estas células introduciéndoles el gene de interés, este gene provendría de un banco de genes para este tipo de enfermedad y finalmente se le pediría a un bioingeniero que las reprodujese en un biorreactor en cantidad suficiente para ser reintroducidas al paciente y de esta manera curarlo. Las limitantes para que la terapia génica se vuelva una práctica médica cotidiana no son científico-técnicas, sino que surgen de cuestionamientos éticos y legales, por ejemplo, ¿existe un dueño del gene que se va a introducir, y por ende qué derechos y beneficios tiene sobre él?, ¿qué institución, autoridad, persona, deberá autorizar la terapia génica?, ¿qué tipo de células humanas pueden ser transformadas genéticamente y reintroducidas?, ¿es aceptable investigar transformación genética con células reproductoras?. En este ejemplo específico, se ilustra claramente cómo la concepción pasada de ingeniería biomédica y de ingeniería bioquímicase fusionan en una sola.

Biocombustibles a partir de recursos renovables: el crecimiento de la población humana y la constante demanda por energía para poder satisfacer las necesidades básicas y de desarrollo económico, constituyen una preocupación a nivel internacional que ha motivado la búsqueda de fuentes alternativas de energía que utilicen recursos lignocelulósicos. Esta idea se fundamenta en que los recursos naturales renovables más abundantes en la naturaleza son los materiales lignocelulóscios cuya composición química los hace atractivos como materia prima para un proceso biológico, pues entre un 60-80% están formados por polímeros de azúcar, celulosa y, hemicelulosa; por hidrólisis química y/o enzimática pueden transformarse en licores ricos en azúcar y posteriormente a través de una fermentación anaeróbica, convertirse en etanol. El paso limitante en este proceso era que al hidrolizar los recursos lignocelulósicos se obtenían mezclas de

23

azúcares de 6 carbonos (glucosa) y de 5 carbonos (xilosa) y no existía ningún organismo productor de etanol que los pudiese utilizar indistintamente, ya que no tenían las enzimas necesarias para procesarlos. Sin embargo, este problema fue resuelto por ingeniería metabólica ya que fue posible donar cepas de bacterias y de levaduras con enzimas que les permitiesen tener la capacidad de utilizar cualquier tipo de azúcar. Con este avance se logró que los costos de producción se redujeran sustancialmente, aumentando el rendimiento de transformación en un 30%. El proceso es rentable y atractivo, se utiliza un recurso renovable, no genera CO2 y su uso como agente oxigenante está aprobado. El diagrama del proceso esquemático se presenta en la figura siguiente:

Reducción 1 S e pa ra c ió n e ta m año ___

__ con ________ só lid o/líq u id o ido diluido avado de sólidos

Tdo

Sólidos avados

Producción de 1 Detoxificacion enzimas por 1 vía intercambio fermentación iónico

Hizado

Fermentación 1 alcohólica

Recuperación 1 1 Procesamiento de etanol loj de sólidos

residuales

Diagrama del proceso de producción de etanol a partir de recursos celulósicos

Desde los inicios de los años 90, el Departamento de Energía de los Estados Unidos ha venido promoviendo el desarrollo de un proceso de producción de etanol que utilice como materia prima los recursos lignocelulósicos (álamo), con el propósito de utilizarlo como agente oxigenante de gasolinas, sustituir al éter metil terbutílico y contribuir a reducir la importación del petróleo, este año se inicia la construcción de varias plantas en ese país, pues es factible obtener etanol anhidro en grandes volúmenes a precios cercanos a 1 dólar por galán, lo que lo convierte en un proyecto económicamente factible. Otros países, entre ellos Colombia, Brasil y Tailandia, por ser grandes productores de caña de azúcar han venido explorando la posibilidad de utilizar el bagazo de la caña como materia prima para obtener etanol y adicionarlo a gasolinas; su motivación es doble, por una parte

24

generarían un combustible y disminuirían las importaciones de petróleo, los haría menos dependientes y por la otra sería una salida para la industria azucarera que a nivel internacional está en crisis económica desde hace vanos años, pues existen excedentes muy importantes de azúcar. Para este proyecto las limitantes no parecen ser tecnológicas ni éticas, sino más bien de tipo económicó y político. En el caso de Estados Unidos, el proyecto es atractivo pues se enmarca en el ámbito del desarrollo sustentable, utiliza un recurso natural renovable y se disminuye la contaminación (CO2) por uso de combustibles, además genera nuevas industrias y al país lo hace menos dependiente de la importación del petróleo, recurso fundamental para su economía. En otros países y regiones la situación es diferente, la motivación económica es doble, se disminuye la importación de energéticos y se da valor agregado a un subproducto considerado desecho, lo que aumenta la rentabilidad de una industria en crisis. Sin embargo hay fuertes opositores a este proyecto, por una parte está la industria petrolera, que no ve con buenos ojos, que combustibles de otro sector disminuyan su control del mercado y también está la industria automotriz que se vería en la necesidad de modificar el diseño de los motores de los automóviles para poder utilizar eficientemente estos nuevos combustibles y alcanzar los niveles de emisión aprobados.

La conclusión de este breve análisis es que el bioingeniero en el futuro afrontará retos diversos, problemas cambiantes, condiciones ambientales cada vez más estrictas, deberá tomar en consideración intereses no sólo económicos sino también deberá atender cuestionamientos éticos, sociales y políticos. Si a esto sumamos los avances científico-tecnológicos que seguramente se generarán en los próximos años, entonces podemos vislumbrar un clima de oportunidades, motivadas por la innovación y el ingenio. De tal manera que lo sucedido en los últimos treinta años será rebasado ampliamente y la bioingeniería seguirá siendo una actividad fascinante.

Bibliografia recomendada para aquellos interesados en la bioingeniería por venir:

Biotechnology for the 21 Century: New Horizons. A Report from the Biotechnology Research Subcommittee, National Science and Technology Council, Washington, D.C, julio, 1995. En este documento se hace un análisis prospectivo sobre los impactos que tendrá la biotecnología en diversos sectores productivos, tanto en las áreas tradicionales como en las emergentes.

Metaboiic Engineenng: Principies and Methodologies, Gregory Stephanopoulos, A. Anstidon y J. Nielsen, Academic Press, San Diego, 1998. Este es el primer libro que se publica sobre ingeniería metabólica y marca los problemas de investigación básicos a resolver y señala su enorme potencialidad.

Special Report The Promise of Tissue Engineering, Scientific American, 280 (4) 38-65, 1999. Es un conjunto de artículos que incluyen los avances en investigación relacionados con el cultivo de tejidos y órganos humanos; se puede

25

apreciar con claridad cómo la ingeniería biomédica del futuro está asociada con la bioingeniería moderna.

Biotecnología Moderna para el Desarrollo de México en el, Siglo XXI: Retos y Oportunidades, Francisco Bolívar et al, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México, D.F., noviembre, 2000. El estudio presenta una visión sobre la situación de la biotecnología en México e identifica áreas estratégicas y propone proyectos de gran potencial para diversos sectores productivos.

t. [I

26

La bioingeniería y sus nuevos paradigmas Dr. Rodolfo Quintero Ramírez

A lo largo de los últimos treinta años, la bioingeniería se ha consolidado y establecido como un área particular de la ingeniería, ha identificado y definido sus áreas de conocimiento e investigación y ha tenido un notable desarrollo en aplicaciones industriales. Hoy día no hay duda de su impacto económico y social.

En esta presentación se hace un análisis de los cambios en los paradigmas de la bioingeniería que se dieron a medida que se fueron resolviendo problemas científico tecnológicos, y a la aparición de nuevos, que surgieron de su aplicación siendo más bien de carácter ético social o económico.

En los años setenta la bioingeniería estaba muy asociada a la ingeniería química y se tenía una visión de caja negra con respecto al proceso biológico, se iniciaban los estudios sobre balance de materia y energía, la modificación genética era al azar y no se le daba gran importancia; los microorganismos utilizados estaban restringidos a unas cuantas especies y la mayor parte de los procesos eran de tipo aeróbico y operaban en batch; el biorreactor o fermentador recibía la mayor atención posible, se estudiaba agitación y mezclado, consumo de energía y diferentes diseños. Gran parte de la investigación a nivel académico e industrial estaba relacionada con la determinación de las condiciones óptimas de cultivo y se trataba de mantener constantes los parámetros físico-químicos a lo largo del proceso, los estudios de cinética utilizando modelos sencillos eran fundamentales. Prácticamente no había trabajo ni se le daba importancia en los planes de estudio, a los procesos de separación y purificación, los aspectos económicos de los bioprocesos eran poco atendidos y a la bioseguridad se le daba una importancia menor. Las aplicaciones principales estaban orientadas al sector alimentario y en el farmacéutico y químico su participación era limitada. La mayor parte de los estudiantes eran ingenieros químicos o químicos.

De 1970 al año 2000, la bioingeniería tuvo un gran desarrollo en sus dos vertientes, la ingeniería y la biología. En el primero de ellos se tuvieron avances notables en cultivo continuo, pues se instalaron grandes plantas de producción de proteína unicelular que operaban de esta manera, se estudió profundamente la reología de fermentaciones encontrándose las dificultades de evaluar un fluido multifásico, la transferencia de masa en procesos biológicos tuvo gran relevancia y se lograron avances muy importantes; la ingeniería enzimática se estableció a nivel industrial y la biocatálísis en fase no acuosa empezó a ser utilizada en otras áreas; se creó el área de bioseparaciones, particularmente importante para la producción de proteínas recombinantes y el control de bioprocesos se reconoció como un área de gran interés e importancia. En este lapso se lograron resolver problemas fundamentales de aplicación, como lo fue el escalamiento de los bioprocesos, se amplió el uso de la biodiversidad y ahora se utiliza cualquier tipo de célula y/o de componente celular; además se empezó a trabajar con cultivo de tejidos y agregados celulares; se desarrollaron diferentes tipos de bioprocesos que ampliaron las formas y sitios en dónde llevarlos a cabo, Esto también significó una aplicación más extensa de la bioingeniería. Sin embargo la fuerza motriz en esos años fue sin duda la explosión en el conocimiento biológico y genético que se dio, el poder entender cómo opera y cómo está conformada la maquinaria biológica dio origen a nuevas expectativas de uso y aplicación desconocidas hasta ese entonces. En particular por su relación con la bioingeniería se comentan brevemente tres áreas: la ingeniería de proteínas y su relación con la biocatálisis; la ingeniería metabólica por su impacto en el aumento de la productividad y beneficio económico de los biorpocesos y finalmente se describen lo que son y significan las ciencias genómicas, la bioinformática y la proteómica.

La situación de la bioingeniería en el inicio del nuevo siglo es muy prometedora, su impacto es enorme y en algunos sectores claramente liderea los procesos de innovación y de generación de nuevos productos, por ejemplo, en el sector farmacéutico el uso de las proteínas recombinantes se ha establecido en la terapéutica cotidiana y en el sector agroalimentario ofrecen una promesa semejante aunque han surgido algunas voces de alerta sobre los posibles riesgos asociados a este

-

tipo de tecnología. En el sector de medio ambiente los bioprocesos son una realidad y la biocatálisis está teniendo una rápida introducción en la industria química. Todo apunta para que en el sector energético, en el mediano plazo, la bioingeniería tenga un papel preponderante. La investigación seguirá siendo el motor fundamental, existen tendencias establecidas en salud humana, agricultura, medio ambiente y química; y otras de carácter emergente, con resultado potencial incierto pero promisorio, como son la aplicación de bioprocesos en veterinaria, la utilización de organismos marinos y la producción de nuevos energéticos, etc. El interés por la bioingeniería se ha diversificado, el estudiantado interesado está formado por biólogos, médicos, ingenieros agrónomos, químicos, bioquímicos e ingenieros químicos.

¿Cuáles serán los nuevos paradigmas de la bioingeniería en el presente siglo?. No lo sabemos, pero para tratar de ¡dentificar algunos elementos para ir formulando las soluciones, se revisarán tres casos sobre los cuales hay una relativa seguridad de que se desarrollarán y aplicarán en el futuro cercano y mediano: biocatálisis en la industria química, terapia génica en humanos y biocombustibles a partir de recursos renovables.

La conclusión de este análisis es que el ingeniero del futuro enfrentará retos diversos, una realidad cambiante, condiciones ambientales más restringidas y en su quehacer deberá tomar en cuenta intereses no sólo técnico y económicos sino también éticos, sociales y/o políticos. Con toda seguridad los avances científico tecnológicos seguirán y se generará en los años próximos un clima de oportunidades motivadas por la innovación y el ingenio. De tal manera que lo sucedido en los últimos treinta años será rebasado ampliamente y la bioingeniería seguirá siendo una actividad fascinante.