UNIDAD I: INTRODUCCION

“BIOTECNOLOGIA DE ALIMENTOS”

1Prof. Pedro P. Peláez Sánchez, Coordinador del Grupo de Biotecnología Aplicada, UNAS

Prof. Dr. Pedro P. Peláez SánchezE-mail:

pedro.pelaez@unas.edu.pewww.pelaez-sanchez.com

2015

¿Qué es la Biotecnología?

La biotecnología es la tecnología basada en la biología, especialmente usada en agricultura, farmacia, ciencia de los alimentos, ciencias

forestales y medicina.

Se desarrolla en un enfoque multidisciplinario que involucra áreas como biología, bioquímica,

genética, virología, agronomía, ingeniería, física, química, medicina y veterinaria entre

otras.

El primero que usó este término fue el ingeniero húngaro Karl Ereki, en 1919, quien la

introdujo en su libro “Biotecnología en la producción cárnica y láctea de una gran

explotación agropecuaria”.

¿Qué es la Biotecnología?

Según el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992, la biotecnología podría

definirse como “Toda aplicación tecnológica que

utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de

productos o procesos para usos específicos". (Convention on Biological Diversity, Article 2. Use

of Terms, United Nations. 1992)

¿Qué es la Biotecnología?

La biotecnología moderna se define como la aplicación de:

•Técnicas in vitro de ácidos nucleicos, incluidos el ácido desoxirribonucleico (ADN) recombinante y la inyección directa de ácido nucleico en células u orgánulos, o

•La fusión de células más allá de la familia taxonómica que superan las barreras fisiológicas naturales de la reproducción o de la recombinación y que no son técnicas utilizadas en la reproducción y selección tradicional.

.

Marcadores

Ingeniería Genética

Tecnología del ADN

Fármacos Anti-cáncer

DiagnósticosCultivo de Células Vegetales

Transferencia de genes en animales

Síntesis de Sondas de

ADN

Localización desórdenes

genéticos

Clonación

Solución de crimenes

Producción de Proteínas humanas

TerapiaGénica

Bancos de ADN, ARN Proteínas

Mapas de Genomas completos

BiologíaMolecular

Cultivos

Celulares

Anticuerpos Monoclonales

Síntesis de Nuevas Proteínas

NuevosAntibióticos

NuevasPlantas yAnimales

NuevosAlimentos

Recursos humanos químicos raros

BIOTECNOLOGÍA

GEN• Un gen es una secuencia lineal

de nucleótidos en la molécula de ADN , que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína.

• El gen es considerado como la unidad de almacenamiento de información y unidad de herencia al transmitir esa información a la descendencia.

• Los genes se disponen a lo largo de cada uno de los cromosomas. Cada gen ocupa en el cromosoma una posición determinada llamada locus.

• El conjunto de cromosomas de una especie se denomina genoma.

Un poco de historia …8000 a. C.: Recolección de semillas para

replantación. Evidencias de que en Mesopotamia se utilizaba crianza selectiva en ganadería.

6000 a. C.: Medio Oriente, utilización de levadura en la elaboración de cerveza.

4000 a. C.: China, fabricación de yogur y queso por fermentación láctica utilizando bacterias.

2300 a. C.: Egipto, producción de pan con levadura.

1590: Invención del microscopio por Zacarías Janssen

1861: Louis Pasteur define el rol de los microorganismos y establece la ciencia de la microbiología.

1880: Se descubren los microorganismos.

1919: Karl Ereky, ingeniero húngaro, utiliza por primera vez la palabra biotecnología.

1953: James Watson y Francis Crick describen la estructura doble hélice de la molécula de ADN.

1965: El biólogo estadounidense Robert W. Holley «leyó» por primera vez la información total de un gen de levadura compuesta por 77 bases, lo que le valió el Premio Nobel.

Un poco de historia …

1970: Reconstrucción en el laboratorio un gen completo.

1973: Se desarrolla la tecnología de recombinación del ADN por Stanley Cohen y Herbert Boyer, U.S.A.

1982: Se produce insulina para humanos, la primera hormona derivada de la biotecnología. Su nombre comercial Humulina®, de la compañía Eli-Lilly

1983: Se aprueban los alimentos transgénicos producidos por Calgene.

Es la primera vez que se autorizan alimentos transgénicos en USA.

2003 Cincuenta años después del descubrimiento de la estructura del ADN, se completa la secuencia del genoma humano.

Un poco de historia …

Algunas aplicaciones …

• Salud (Biomedicina) desarrollo de nuevos enfoques para el tratamiento de enfermedades.

• Agricultura y Alimentos desarrollo de cultivos y alimentos mejorados usos no alimentarios de los cultivos, (plásticos biodegradables, aceites vegetales y biocombustibles).

• Medio Ambiente biorremediación (reciclaje, tratamiento de residuos, recuperación de terrenos).

PROCESO BIOTECNOLOGICO

• La palabra proceso tiene su origen en el término latino processus. De acuerdo al diccionario de la Real Academia Española (RAE), el concepto hace referencia a la acción de ir hacia adelante, al transcurso del tiempo, al conjunto de las fases sucesivas de un fenómeno natural o de una operación artificial

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BIOCATALISIS

DEFINICIONES:

BIOTRANSFORMACIONES:

BIOCATÁLISIS APLICADAEmpleo de un Biocatalizador para lograr una Biotransformación bajo condiciones adecuadas, con el objetivo de obtener un producto de una utilidad aplicada concreta.

Procesos en los que se emplean Biocatalizadores (enzimas o células, libres o inmovilizadas) para la transformación de sustratos no naturales para dicho Biocatalizador

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de Farmacia. UCM

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Diferencias esenciales entre fermentaciones y biotransformaciones:

Fermentación: • existen varios pasos catalíticos en la transformación del sustrato en

producto, a través de una cascada de reacciones que forman parte de una esquema metabólico bien organizado y dirigido a importantes funciones fisiológicas

• la estructura química de los productos no suele ser semejante a la de los sustratos.

substrato

producto

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de Farmacia. UCM

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FERMENTACIONES PARA OBTENER METABOLITOS SECUNDARIOS: moléculas que no parecen tener un papel esencial para la reproducción o para la vitalidad celular.

Amplia variabilidad estructural: descritas a día de hoy más de 2000 moléculas con actividad biológica

Moléculas muy simples

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Biotransformación:• Por biotransformación se define comúnmente como una reacción o una secuencia de

reacciones catalizadas por enzimas cuya actividad puede ser desvinculada de las funciones precisas en el metabolismo microbiano

• existe un solo paso catalítico en la transformación del sustrato en producto.

• la estructura química de los productos es semejante a la de los sustratos.HN

O

OO

HN(S) (R)

O

OO

HN(R) (S)

OH

O

+lipasa inmovilizada de

Pseudomomas cepacia

Condiciones de reacción: T = 29º C Medio: acuoso, pH = 7.0 Conc. Sustrato: 10 g L-1 (4.9 mM) Rendimiento > 96% ee > 99.5% Reactor tipo batch de 150 L PROCESO BRISTOL-MYERS SQUIBB, USA

+

OH

OH

OAc

OO

OBzHO

HO

R = Ac, bacatina III R = H, 10-DAB

R

OH

OH

OAc

OAcO

OBzHO

O

O

OH

NH

Ph

O

Ph

PACLITAXEL (TAXOL)

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de Farmacia. UCM

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Biotransformación:

EL BIOCATALIZADOR ACTÚA SOBRE UN SUSTRATO NO NATURAL:PROMISCUIDAD.

1. Humble, M. S.; Berglund, P., Biocatalytic Promiscuity. Eur. J. Org. Chem. 2011, 2011 (19), 3391-3401.2. Khersonsky, O.; Tawfik, D. S., Enzyme Promiscuity: A Mechanistic and Evolutionary Perspective. Annu Rev Biochem 2010, 79, 471-505.3. Carbonell, P.; Faulon, J. L., Molecular signatures-based prediction of enzyme promiscuity. Bioinformatics 2010, 26 (16), 2012-2019.4. Xu, J. M.; Lin, X. F., Catalytic promiscuity of enzyme and its new progress in organic synthesis. Chinese Journal of Organic Chemistry 2007, 27 (12), 1473-1478.5. Hult, K.; Berglund, P., Enzyme promiscuity: mechanism and applications. Trends Biotechnol. 2007, 25 (5), 231-238.6. Khersonsky, O.; Roodveldt, C.; Tawfik, D. S., Enzyme promiscuity: evolutionary and mechanistic aspects. Curr. Opin. Chem. Biol. 2006, 10 (5), 498-508.7. Kazlauskas, R. J., Enhancing catalytic promiscuity for biocatalysis. Curr. Opin. Chem. Biol. 2005, 9 (2), 195-201.8. Bornscheuer, U. T.; Kazlauskas, R. J., Catalytic promiscuity in biocatalysis: Using old enzymes to form new bonds and follow new pathways. Angew. Chem. Int. Edit. 2004, 43 (45), 6032-6040.

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de Farmacia. UCM

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Biotransformación:

EL BIOCATALIZADOR ACTÚA SOBRE UN SUSTRATO NO NATURAL:PROMISCUIDAD.

1. Humble, M. S.; Berglund, P., Biocatalytic Promiscuity. Eur. J. Org. Chem. 2011, 2011 (19), 3391-3401.

1.-PROMISCUIDAD DE CONDICIONES DE REACCIÓN: Se trabaja en condiciones no naturales para el biocatalizador.2.-PROMISCUIDAD DE SUSTRATO: El biocatalizador reconoce un sutrato no natural.3.-PROMISCUIDAD CATALÍTICA: El biocatalizador lleva a cabo una reacción a través de otro mecanismo distinto.

Puede ser: accidentalinducida

4.-PROMISCUIDAD DE SITIO ACTIVO: La enzima cataliza una reacción en una zona distinta al centro activo “natural”.5.-PROMISCUIDAD OSTENSIBLE: Es el grupo prostético que acompaña a la enzima el que cataliza la reacción

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LOS COLORES DE LA BIOTECNOLOGÍA

Clasificación de las Aplicaciones

• Biotecnología roja: procesos biomédicos (antibióticos, vacunas nuevos fármacos, los diagnósticos moleculares, las terapias regenerativas y terapia génica)

• Biotecnología verde: procesos agrícolas

• Biotecnología azul (marina): acuicultura

• Biotecnología blanca (industrial): diseño y uso de microorganismos o de enzimas como catalizadores industriales, obtención de productos químicos valiosos o destrucción de contaminantes; producción de nuevos materiales (plásticos biodegradables), producción de biocombustibles. La biotecnología blanca tiende a consumir menos recursos que los procesos tradicionales utilizados para producir bienes industriales.

¿Qué es Ingeniería en Biotecnología?

Es una rama de la Ingeniería Química que se dedica la diseño y construcción de unidades de proceso que

involucran organismos vivos o moléculas biológicas. Sus aplicaciones son utilizadas en la industria de

alimentos, farmacéutica, biotecnológica y de tratamiento de aguas.

Biotecnologia ambiental

Objetivos

1. Preservar o meio ambiente e seus recursos do impacto negativo da atividade do homem.

2. O uso adequado da natureza (plantas, animais, bactérias, fungos e outros seres vivos) de forma a se obter:• energia renovável, •Alimentos, e •Nutrientes, em um ciclo de benefícios integrados

onde os processos que produzem resíduos servem de base (fornecem insumos) para novos processos.

O que é?(Sociedade Internacional de Biotecnologia Ambiental)

• O desenvolvimento, uso e regulação dos sistemas

biológicos relacionados a:• Remediação dos ambientes (terra, ar e água) contaminados e • Processos ambientalmente corretos tais como aqueles

envolvidos nas tecnologias verdes ou limpas, e de desenvolvimento sustentável Prevenção da

poluição

Enquanto a ecologia microbiana tenta entender os ecossistemas

microbianos, a biotecnologia ambiental tenta manipulá-las, criando

ambientes propositadamente “não-naturais”, em oposição ao

“natural” dos ecossistemas.

A biotecnologia ambiental pode incluir:

• Tratamento de resíduos a) tratamento de efluentes (remoção de matéria orgânica, N, P, S, metais)b) tratamento biológico de gás de combustão (remoção de odor, sulfeto,

compostos aromáticos voláteis)c) biorremediação de solos (degradação das xenobióticos, petróleo, PAH, PCB)d) biocombustíveis e a produção de biogás a partir de resíduos orgânicos.

• Processos ambientalmente mais amigáveis Processos biocatalisados geram menos subprodutos e podem ser executados em temperaturas mais baixas.

• Produtos ambientalmente mais amigáveisOs produtos podem ser mais biodegradáveis, tais como novos tipos de materiais plásticos e polímeros, ou novos tipos de detergentes.

3.3: BIOTECNOLOGÍA AGROALIMENTARIA

A) TRANSFORMACIÓN GENETICA DE ANIMALES Y VEGETALES

B) DESARROLLO DE BIOMARCADORES PARA DIAGNÓSTICO DE ENFEREMEDADES

C) PROTECCIÓN VEGETAL CON APLICACIÓN GENÓMICA

D) NUTRIGENÓMICA Y NUTRIGENÉTICA: EFECTOS DE LA NUTRICIÓN

E) DESARROLLO DE ALIMENTOS E INGREDIENTES FUNCIONALES

3.4: BIOMEDICINA

A) BIOENFORMÁTICA PARA ESTUDIOS DE GENÓMICA, PROTEÓMICA Y METABOLÓMICA

B) DIAGNÓSTICOS CLINICOS POR IMAGENC) CARACTERIZACIÓN MOLECULAR DE PATOLOGÍASD) DESARROLLLO DE NUEVAS VACUNASE) INVESTIGACIÓN GENÉTICA, MOLECULAR Y

TISULAR DE ENFERMEDADES CONCRETASF) DESARROLLO DE NUEVOS AGENTES

TERAPÉUTICOSG) MEDICINA REGENERATIVAH) BIOMATERIALES

3.5: BIOCOMBUSTIBLES

A) NUEVOS CULTIVOS Y TÉCNICAS DE EXPLOTACIÓN DE SUELOS

B) TECNOLOGÍAS DE CONVERSIÓN TERMOQUÍMICA Y LIMPIEZA DE GASES

C) PRODUCCIÓN DE BIOCARBURANTES: BIOETANOL, BIODIESEL, BIOGAS

D) UTILIZACIÓN DE BIOCARBURANTES EN VEHÍCULOS

E) DESARROLLO DE BIOREFINERÍAS PARA FRACCIONAMIENTO DE BIOMASA Y SU CONVERSIÓN EN FUENTE DE ENERGÍA

3) Procedimiento de transformación de una célula de tomate, utilizando a la bacteria Agrobacterium Tumefaciens como vehículo:

4.1 Plantas modificadas genéticamente

Está ocurriendo la transición de décadas de biología reduccionista, enfocadas a un gen o a una proteína, por utilización de las nuevas disciplinas “omicas” que incluyen: Transcriptómica (espectro de moléculas de ARN en cada célula tipo), Metabolómica (todos los químicos en la célula), Fisiómica (función de órganos, tejidos y ultimadamente el organismo completo).

Crítico para el éxito de esta revolución es la bioinformática y nuevas estrategias de computación, para modelar las propiedades de células, órganos y estados de enfermedad, produciendo órganos y pacientes virtuales (Goldman, M., Bio-It World Nov.24 2002).

Tecnología del ADNDISCIPLINAS “ÓMICAS”

En esta tabla se muestran alimentos obtenidos por nuevas técnicas biotecnológicas:

Nuevos alimentos

Se aplican diferentes tecnologías biológicas:

- La nutrigenómica trata de establecer una relación entre el perfil genético del individuo y los beneficios o perjuicios que se obtienen de la ingesta de los alimentos. Se trata de conocer también a través del genoma como puede contribuir la dieta a la prevalencia o erradicación de enfermedades o disfunciones en determinados grupos de población.

Nuevos alimentos