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UNIVERSIDAD PRIVADA ANTONIO GUILLERMO URRELO

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD

CARRERA PROFESIONAL DE FARMACIA Y BIOQUÍMICA

RECAPITULACIÓN SOBRE LAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN EN BIOTECNOLOGÍA

NOVIEMBRE DEL 2012

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RECAPITULACIÓN SOBRE LAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN EN BIOTECNOLOGÍA

INTRODUCCIÓN

Actualmente vivimos en una época de constantes descubrimientos a nivel científico, muchos de estos descubrimientos despiertan una gran esperanza porque abren puertas para la cura de enfermedades, alimentación de la población mundial, mejora de nuestro sistema de justicia criminal y prevención de problemas ambientales.

La frecuencia de los descubrimientos aumenta debido a que el conocimiento científico origina nuevas tecnologías que generan más conocimiento científico.

Los descubrimientos científicos de los últimos 40 años han suministrado a los investigadores un conjunto de nuevas herramientas; técnicas moleculares que proporcionan respuestas a viejas cuestiones y originan un conjunto amplio de nuevas cuestiones. Éstas técnicas son agrupadas comúnmente bajo el título exclusivo de “biotecnología”. Los científicos utilizan las herramientas de la biotecnología para hacer frente a los problemas en todas las ramas de la biología, desde la biología molecular y celular hasta la ecología y evolución.

La marcha del descubrimiento biológico está influenciada no sólo por los avances en el conocimiento biológico y en las tecnologías basadas en biología, sino también por los avances en otras disciplinas científicas y técnicas.

La biotecnología nos ha proporcionado algo más que herramientas útiles. Nos toca de muchas maneras, y estamos usando las diversas tecnologías para producir un ilimitado conjunto de productos. Gracias a la tecnología de los anticuerpos monoclonales y sondas de ADN, disponemos de más de 500 test para diagnosticar enfermedades humanas, animales y vegetales, y para evaluar la calidad de los alimentos. Se está utilizando la tecnología del bioprocesado para aprovechar la maquinaria bioquímica de los microorganismos para fabricar nuevos fármacos, degradar contaminantes ambientales y sintetizar enzimas útiles en la industria textil, alimentaria, química y papelera. La tecnología del cultivo de tejidos nos está permitiendo fabricar piel y cartílago en el laboratorio. La ingeniería genética nos ayuda a combatir el cáncer y hacer posible el desarrollo de cultivos más nutritivos y resistentes a insectos, enfermedades y estrés ambiental.

La biotecnología incluye muchas tecnologías diferentes, por lo que en el presente trabajo realizamos una recopilación de las líneas de investigación que sigue la biotecnología, desde su intervención en la industria, la energía, el medio ambiente, la biodiversidad, la agricultura, los animales, los alimentos y la salud.

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RECAPITULACIÓN SOBRE LAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN EN BIOTECNOLOGÍA

OBJETIVOS

Realizar una recapitulación sobre las líneas generales de investigación en Biotecnología.

Estudiar los campos de aplicación de la Biotecnología.

Analizar las diferentes aplicaciones de la Biotecnología, desde su aplicación en la industria hasta su aplicación en la salud

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I. BIOTECNOLOGÍA

La biotecnología es una disciplina que utiliza a los organismos o parte de ellos para generar bienes y servicios, pero que a la vez tiene como base a diversas ciencias y utiliza distintas herramientas, para manejar de manera integrada desde un punto de vista científico los problemas que se presenten en la naturaleza.1

La biotecnología, en un sentido amplio se puede definir como la aplicación de organismos, componentes o sistemas biológicos para la obtención de bienes y servicios.2

Esto significa que desde hace miles de años, la humanidad ha venido realizando biotecnología, si bien hasta la época moderna, de un modo empírico, sin base científica:2

- La domesticación de plantas y animales ya comenzó en el período Neolítico.

- Las civilizaciones Sumeria y Babilónica (6000 años a.C.) ya conocían cómo elaborar cerveza.

- Los egipcios ya sabían fabricar pan a partir del trigo hacia el 4000 a.C.

- Antes de la escritura del libro del Génesis, se disfrutaba del vino en el Cercano Oriente: recuérdese que, según la Biblia, Noé "sufrió" (o disfrutó) accidentalmente los efectos de la fermentación espontánea del mosto de la uva (primera borrachera con vino).

Otros procesos biotecnológicos conocidos de modo empírico desde la antigüedad: fabricación de queso, cultivo de champiñones, alimentos y bebidas fermentadas (salsa de soya, yogurt, etc), tratamiento de aguas residuales.2

Por supuesto, hasta la llegada de la moderna biología, y en muchos casos hasta el siglo XIX, la base de muchos de estos procesos era desconocida. De hecho, solamente en el siglo XVIII cobra cuerpo la idea de que la materia viva puede ser estudiada como la materia inanimada, es decir, usando el método experimental, con lo que se inicia el lento declive de las ideas vitalistas (creencias erróneas de que "la vida depende de un principio vital irreducible a otras ramas de la ciencia"), que aún darían sus últimos estertores casi al final del siglo XIX. Algunos hitos científicos que sentarían la base de la biotecnología contemporánea:2

- Los primeros microscopistas, como van Leeuwenhoek y Hooke (siglo XVII) describen los "animálculos" que están fuera del alcance del ojo, si bien se tarda aún un par de siglos en captar la importancia de estas minúsculas criaturas.

- El descubrimiento de que las fermentaciones se debían a microorganismos se debe a la gigantesca figura de Louis Pasteur, en sus estudios realizados entre 1857 y 1876.

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- En la última parte del siglo XIX existían ya instalaciones industriales para obtener etanol, ácido acético, butanol y acetona, aprovechando fermentaciones al aire libre en condiciones no estériles

- A finales del siglo XIX, la "edad de oro de la bacteriología" permite: mejoras importantes en las técnicas microscópicas, es desarrollo de técnicas asépticas, la esterilización y la pasteurización, y la posibilidad de cultivar cada cepa microbiana sin mezclar con otras (cultivos puros en medios de cultivo de laboratorio).

- A comienzos del siglo XX la bioquímica y la microbiología convergen, estableciendo las bases enzimáticas y metabólicas de muchos procesos de fermentación. Se desarrollan procedimientos industriales para producir enzimas (invertasa, proteasas, amilasas, etc.).

- Desde la década de 1940, las técnicas de ingeniería química, aliadas a la microbiología y a la bioquímica, permiten la producción de antibióticos, ácidos orgánicos, esteroides, polisacáridos y vacunas.

o La penicilina comenzó a fabricarse en plena II Guerra Mundial, como resultado de avances importantes en técnicas de esterilización a gran escala, mejora de las instalaciones de fermentación (incluyendo la cuestión de la aireación), cultivo del hongo, etc. A partir de entonces se diseñaron estrategias para mejorar genéticamente las cepas microbianas industriales.

o Las décadas siguientes fueron de eclosión de producción de antibióticos así como de transformaciones de esteroides y de cultivo de células animales para la producción de vacunas antivirales.

o Las décadas de los 60 y 70 vieron la mejora de procesos de obtención de pequeños metabolitos como nucleósidos, aminoácidos y vitaminas.

o Los procesos de fermentación experimentaron mejoras con las técnicas de inmovilización de células y enzimas en soportes, y con la fermentación continua para obtener proteína de células sencillas (biomasa microbiana).

o Polímeros microbianos como xantanos y dextranos se obtuvieron industrialmente, con apliaciones en el campo de la alimentación (como aditivos).

Pero incluso bien avanzado el siglo XX, cuando la Genética había resuelto el misterio de la naturaleza del material de la herencia, las posibilidades que había para actuar sobre dicho material eran limitadas: cruces entre plantas y animales de la misma especie (o de especies similares), selección de los individuos con rasgos deseados, retrocruzamientos (un proceso largo y lento), mutaciones con agentes físicos (rayos UV, rayos X) o químicos, con ulterior búsqueda (selección o rastreo -screening) de alguna variante de interés (algo tedioso y frecuentemente infructuoso), etc.2

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Debemos esperar a la década de los 70 para que surja un conjunto de técnicas de laboratorio revolucionarias que por primera vez permiten "tocar" de modo racional el sancta sanctorumde la vida. Son técnicas y herramientas con las que se puede modificar el ADN de acuerdo a diseños previos y objetivos concretos (de ahí el nombre popular de Ingeniería Genética).2

La Ingeniería Genética (I.G.), mejor llamada tecnología del ADN recombinante in vitro, se caracteriza por su capacidad de cortar y empalmar genes o fragmentos de ADN de organismos distintos, creando nuevas combinaciones no existentes en la Naturaleza, combinaciones que ponemos a trabajar en el interior de una variedad de organismos hospederos, para nuestro provecho.2

II. CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍALa biotecnología tiene aplicaciones en importantes áreas industriales como lo son la atención de la salud, con el desarrollo de nuevos enfoques para el tratamiento de enfermedades; la agricultura con el desarrollo de cultivos y alimentos mejorados; usos no alimentarios de los cultivos, como por ejemplo plásticos biodegradables, aceites vegetales y biocombustibles; y cuidado medioambiental a través de la biorremediación, como el reciclaje, el tratamiento de residuos y la limpieza de sitios contaminados por actividades industriales. A este uso específico de plantas en la biotecnología se llama biotecnología vegetal. Además se aplica en la genética para modificar ciertos organismos.3

Las aplicaciones de la biotecnología son numerosas y suelen clasificarse en:3

- Biotecnología roja: se aplica a la utilización de biotecnología en procesos médicos. Algunos ejemplos son la obtención de organismos para producir antibióticos, el desarrollo de vacunas más seguras y nuevos fármacos, los diagnósticos moleculares, las terapias regenerativas y el desarrollo de la ingeniería genética para curar enfermedades a través de la manipulación génica.

- Biotecnología blanca: también conocida como biotecnología industrial, es aquella aplicada a procesos industriales. Un ejemplo de ello es la obtención de microorganismos para producir un producto químico o el uso de enzimas como catalizadores industriales, ya sea para producir productos químicos valiosos o destruir contaminantes químicos peligrosos (por ejemplo utilizando oxidorreductasas). También se aplica a los usos de la biotecnología en la industria textil, en la creación de nuevos materiales, como plásticos biodegradables y en la producción de biocombustibles. Su principal objetivo es la creación de productos fácilmente degradables, que consuman menos energía y generen menos desechos durante su producción. La biotecnología blanca tiende a consumir menos recursos que los procesos tradicionales utilizados para producir bienes industriales.

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- Biotecnología verde: es la biotecnología aplicada a procesos agrícolas. Un ejemplo de ello es la obtención de plantas transgénicas capaces de crecer en condiciones ambientales desfavorables o plantas resistentes a plagas y enfermedades. Se espera que la biotecnología verde produzca soluciones más amigables con el medio ambiente que los métodos tradicionales de la agricultura industrial. Un ejemplo de esto es la ingeniería genética en plantas para expresar plaguicidas, con lo que se elimina la necesidad de la aplicación externa de los mismos, como es el caso del maíz Bt.

- Biotecnología azul: también llamada biotecnología marina, es un término utilizado para describir las aplicaciones de la biotecnología en ambientes marinos y acuáticos. Aún en una fase temprana de desarrollo sus aplicaciones son prometedoras para la acuicultura, cuidados sanitarios, cosmética y productos alimentarios.

II.1. Biorremediación y biodegradación

La biorremediación es el proceso por el cual son utilizados microorganismos para limpiar un sitio contaminado. Los procesos biológicos desempeñan un papel importante en la eliminación de contaminantes y la biotecnología aprovecha la versatilidad catabólica de los microorganismos para degradar y convertir dichos compuestos. En el ámbito de la microbiología ambiental, los estudios basados en el genoma abren nuevos campos de investigación in silico ampliando el panorama de las redes metabólicas y su regulación, así como pistas sobre las vías moleculares de los procesos de degradación y las estrategias de adaptación a las cambiantes condiciones ambientales. Los enfoques de genómica funcional y metagenómica aumentan la comprensión de las distintas vías de regulación y de las redes de flujo del carbono en ambientes no habituales y para compuestos particulares, que sin duda aceleraran el desarrollo de tecnologías de biorremediación y los procesos de biotransformación.3

Los entornos marítimos son especialmente vulnerables ya que los derrames de petróleo en regiones costeras y en mar abierto son difíciles de contener y sus daños difíciles de mitigar. Además de la contaminación a través de las actividades humanas, millones de toneladas de petróleo entran en el medio ambiente marino a través de filtraciones naturales. A pesar de su toxicidad, una considerable fracción del petróleo que entra en los sistemas marinos se elimina por la actividad de degradación de hidrocarburos llevada a cabo por comunidades microbianas, en particular, por las llamadas bacterias hidrocarbonoclásticas (HCB). Además varios microorganismos como Pseudomonas, Flavobacterium, Arthrobacter y Azotobacter pueden ser utilizados para degradar petróleo. El derrame del barco petrolero Exxon Valdez en Alaska en 1989 fue el primer caso en el que se utilizó biorremediación a gran escala de manera exitosa, estimulando la población bacteriana suplementándole nitrógeno y fósforo que eran los limitantes del medio.3

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II.2. BioingenieríaLa ingeniería biológica o bioingeniería es una rama de ingeniería que se centra en la biotecnología y en las ciencias biológicas. Incluye diferentes disciplinas, como la ingeniería bioquímica, la ingeniería biomédica, la ingeniería de procesos biológicos, la ingeniería de biosistemas, la ingeniería bioinformática, etc. Se trata de un enfoque integrado de los fundamentos de las ciencias biológicas y los principios tradicionales de las ingenierías clásicas como la quimica o la informática.3

Los bioingenieros con frecuencia trabajan escalando procesos biológicos de laboratorio a escalas de producción industrial. Por otra parte, a menudo atienden problemas de gestión, económicos y jurídicos. Debido a que las patentes y los sistemas de regulación (por ejemplo, la FDA en EE.UU.) son cuestiones de vital importancia para las empresas de biotecnología, los bioingenieros a menudo deben tener los conocimientos relacionados con estos temas.3

Existe un creciente número de empresas de biotecnología y muchas universidades de todo el mundo proporcionan programas en bioingeniería y biotecnología de forma independiente. Entre ellas destacan las de la especialidad de Ingeniería Bioinformática.3

Este es un campo interdisciplinario que se ocupa de los problemas biológicos usando técnicas computacionales propias de la Ingeniería Informática. Esa interdisciplinareidad hace que sea posible la rápida organización y análisis de los datos biológicos. Este campo también puede ser denominado biología computacional, y puede definirse como, "la conceptualización de la biología en término de moléculas y, a continuación, la aplicación de técnicas informáticas para comprender y organizar la información asociada a estas moléculas, a gran escala." La bioinformática desempeña un papel clave en diversas áreas, tales como la genómica funcional, la genómica estructural y la proteómica, y forma un componente clave en el sector de la biotecnología y la farmacéutica, sin embargo hay muchas ciencias importantes.3

III. LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN EN BIOTECNOLOGÍA

III.1. BIOTECNOLOGÍA – INDUSTRIA Y ENERGÍA

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La biotecnología blanca incluye todas las aplicaciones relacionadas con la industria química, la biorremediación, la generación de combustibles (biocombustibles), los procesos industriales de procesamiento de materias primas, la generación de tejidos biológicos y la biodetergencia.4

La biotecnología industrial (BI) es una disciplina de carácter horizontal que combina amplios conocimientos científicos y tecnológicos e implica la utilización de diversas técnicas: ADN recombinante, bioprocesos, cultivo de células y tejidos, etc. en la intervención en la solución de problemas asociados a productos y procesos de múltiples sectores de actividad: agropecuario, alimentos, textil, salud, celulosa y papel, medio ambiente, entre otros.5

Para ello es necesario contar con conocimientos específicos de los diferentes procesos tecnológicos y los problemas asociados que atañen a los sectores productivos en materia biotecnológica.5

La utilización de las biotecnologías reporta múltiples beneficios en simplificación de procesos, mejoras en la calidad de los productos, menor impacto ambiental, y ahorro de costos. También han permitido el desarrollo de nuevos productos. Por ejemplo, las tecnologías de ADN recombinante han permitido la producción de proteínas terapéuticas, que serían económicamente inviables de obtener por métodos extractivos.5

Algunas de las soluciones que ha aportado la BI consiguen mejorar los procesos o productos industriales en los aspectos económico, ambiental, energético y de acceso a los recursos naturales y sociales. A continuación, resaltamos algunas de sus ventajas más destacadas:6

• Uso de materias primas renovables y, por lo tanto, menor dependencia del petróleo o derivados.

• Aprovechamiento de residuos agrícolas, forestales o industriales, que se revalorizan.

• Reducción del uso de reactivos, materiales y solventes orgánicos volátiles o tóxicos.

• Reducción de la generación de residuos y subproductos (tóxicos), hecho que comporta la disminución de vertidos y residuos industriales.

• Menor consumo de energía y, por lo tanto, menores emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).

• Sustitución de fuentes de energía fósil por fuentes de origen biológico, hecho que también lleva asociado un descenso en las emisiones netas de GEI.

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• Reducción de la emisión de gases de efecto invernadero de entre 1 y 2,5 billones de toneladas de CO2 por año hasta el 2030.

• Mejoras en el rendimiento económico de sus productos, con lo cual se reducen los costes de fabricación y se consigue una mejora en la relación coste-beneficio.

• Ventajas económicas derivadas de la calidad superior de los procesos biotecnológicos, se ahorran costes adyacentes de almacenaje y tratamiento de residuos, se elimina la necesidad de tomar medidas medioambientales exigidas por la legislación y se ofrece acceso a materias primas más baratas.

La relación de ventajas que presenta la BI para la renovación de diversos sectores industriales la hace cada vez más atractiva en multitud de empresas con problemas y oportunidades muy diversos. Todo ello tiene como consecuencia la necesidad de plantear un modelo de clasificación de la BI en el que se pueda identificar toda la diversidad de actores que participan en ella. Por este hecho, la clasificación propuesta divide la BI en tres ramas principales, las cuales no tienen un número fijo de sub-ramas, sino que éstas van creciendo a medida que crecen el desarrollo y la penetración que tienen en sectores maduros.6

La separación en tres ramas parte del hecho de que, al existir un gran número de empresas usuarias de la BI, además de estas empresas se genera un subsector específico que se convierte en el corazón de la actividad; las empresas de este subsector, que llamaremos proveedoras de BI, generan los productos que son estrictamente biotecnológicos. Estas compañías proveedoras son empresas especializadas en la fabricación y comercialización de enzimas, de microorganismos o de líneas celulares; empresas especializadas en la fabricación para terceros mediante fermentación o biocatálisis; empresas especializadas en el desarrollo de procesos, productos y aplicaciones; empresas de I+D con una parte importante de investigación por contrato (contract research); fabricantes de equipos biotecnológicos, fabricantes de equipos biotech, entre otros. Finalmente, hay que remarcar que hay una tercera rama que comprende empresas que tanto podríamos considerar usuarias como proveedoras de BI.6

III.1.1.Productos químicos de “gran tonelaje” y artículos indiferenciados (commodities)

Hoy es posible producir mediante fermentación de materias primas renovables y baratas (melazas, bagazos, almidones y otros sustratos ricos en carbohidratos) compuestos que antes tenían que ser extraídos o sintetizados químicamente. Ejemplos emblemáticos de ello en tecnología alimenticia son la vitamina C, el

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ácido glutámico o el ácido cítrico. También encontramos otros productos que pueden ser sintetizados por microorganismos y de los cuales actualmente se estudia la producción biotecnológica a escala industrial en sustitución de la síntesis petroquímica, como el ácido succínico o el ácido adípico (precursor del nailon). Destacan también la obtención por fermentación de ácido láctico (monómero del PLA), con 100.000 t/año; el 1,3-propanodiol (monómero de poleas), con 90.000 t/año, y por medio de la biocatálisis, de la poliacrilamida, con 100.000 t/año.6

III.1.2.Productos de química fina y de especialidades químicas

Estos productos se caracterizan por la alta especialización funcional. Estos compuestos a menudo son muy complejos y requieren muchos pasos de síntesis, la utilización de cantidades estequiométricas de sustratos y reactivos, y pasar por etapas de proteccióndesprotección de grupos y el uso de grandes cantidades de energía.6

En contraste con todo ello, la biocatálisis (catálisis por medio de agentes biológicos, que pueden ser enzimas o, incluso, microorganismos vivos que realizan todos los pasos de conversión en su interior) suele tener lugar a temperaturas próximas a la temperatura ambiental y, además, tiene una elevada especificidad y selectividad enantiomérica.6

Ello permite desarrollar procesos mucho más eficientes y sostenibles a escala medioambiental y económica. Destacamos algunos ejemplos de la biosíntesis de productos complejos, tales como el ácido maleico (intermediario en la síntesis de tintes y otros compuestos), los benzaldehídos (de utilidad en la fabricación de plásticos), diversos principios activos que requieren resoluciones enantioméricas, síntesis de API de alto valor añadido directamente por biocatálisis, otros compuestos quirales fabricados de forma biotecnológica, como el aspartamo (edulcorante), el ácido eritórbico (antioxidante) o diversos aminoácidos como la L-lisina (utilizados como complemento nutricional en piensos).6

III.1.3.Enzimas

Las enzimas se han convertido en uno de los principales productos de la biotecnología industrial, hay empresas que se dedican exclusivamente a producirlos y comercializarlos. Las enzimas son compuestos de naturaleza proteica y son los responsables de la biocatálisis.6

Gracias a ellos, reacciones bioquímicas que requerirían altas temperaturas, exceso de sustratos o presencia de disolventes complejos se llevan a cabo a

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temperaturas próximas a la temperatura ambiental (entre 25°C y 42°C), en medios acuosos, normalmente no tóxicos, y de una manera sumamente específica y selectiva.6

Se empezaron a utilizar en la industria en la década de los años ochenta del siglo pasado, cuando se introdujeron como agentes blanqueadores y desgrasantes en los detergentes, hecho que contribuyó a reducir la cantidad de agentes tensioactivos (surfactants) artificiales que se utilizaban, muy perjudiciales para el medio ambiente.6

Hoy hay más de 150 enzimas de uso comercial, de aplicación en todos los sectores de la industria, como los siguientes:6

• Sector alimentario. Del larguísimo catálogo de aplicaciones, destacan las pectinasas para eliminar la pulpa de los zumos, las transaminasas como agentes compactadores en el procesado de carnes, las amilasas como mejoradores de la masa panaria o las galactosidasas para la obtención de productos lácteos deslactosados.

• Sector textil. En este sector el gran impacto lo tienen las celulasas, dado que actúan como sustitutos del lavado “a la piedra”, las laccasas y catalasas para procesos de blanqueado, las pectinasas para el pretratamiento del algodón o las proteasas para el curtido de pieles, entre otros.

• Sector papelero: elaboración de papel. En este proceso de alto tonelaje destacan los productos o procesos de gran impacto, como son las laccasas y xilanasas, para el blanqueado de la pulpa de papel.

• Empresas diversas. En este punto destacamos las industrias relacionadas con la obtención y la purificación de las enzimas, que desarrollan microorganismos modificados genéticamente que permiten producir y excretar enzimas a altos ritmos de producción, con lo cual se abarata el proceso. Dado que en la actualidad se conocen más de 3.000 enzimas diferentes, el campo de desarrollo de la biocatálisis a escala industrial, sin ninguna duda, está abierto. Además, la aplicación de técnicas modernas de ingeniería bioquímica permite diseñar enzimas “a la carta” con más actividad que los naturales, o bien con capacidad para degradar nuevos sustratos o generar nuevos productos no naturales.

III.1.4.Biocombustibles

Los llamados biocombustibles o biocarburantes son, junto con las enzimas, las grandes estrellas de la biotecnología industrial. Un biocombustible es un combustible para motores de explosión o combustión que se elabora a partir de materia prima de origen biológico o renovable (principalmente vegetal).6

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Los biocombustibles actuales en el mercado, llamados de primera generación, son dos, el bioetanol (utilizado para motores de gasolina) y el biodiésel (utilizado para motores diésel). Este tipo de combustibles tiene un gran inconveniente: se utilizan semillas vegetales, que coinciden con las que se destinan a la alimentación, y su cadena de producción completa requiere el uso de fertilizantes, pesticidas y maquinaria agrícola, hecho que provoca emisiones de gases de efecto invernadero, lo cual hace disminuir el balance neto de ahorro respecto de los combustibles tradicionales; además, hay competencia por esta materia prima entre el mercado alimenticio y el mercado industrial.6

La utilización de materias primas alternativas a las propias de la cadena alimenticia para la fabricación de biocarburantes es fundamental para pasar de biocarburantes de primera generación a disponer de biocarburantes de segunda generación.6

Los biocombustibles de segunda generación se obtienen a partir de residuos agrarios, residuos forestales o residuos industriales biodegradables. La gran ventaja de esta nueva generación de biocarburantes radica en el mayor aprovechamiento de la biomasa, hecho que minimiza los problemas de competencia con el uso de materias primas alimenticias. Los proyectos más vanguardistas incluso se plantean utilizar residuos urbanos como fuente de carbono. Eso hará aumentar el ahorro neto de emisiones respecto de los combustibles convencionales en más de un 90%:6

• Bioetanol de segunda generación. Será una realidad a escala industrial el año 2012, gracias a la obtención del bioetanol a partir de material lignocelulósico, basado en una combinación de enzimas optimizadas y microorganismos modificados genéticamente.

• Biodiésel de segunda generación. Ya hay nuevas tecnologías para la fabricación de biodiésel a partir de fuentes alternativas de carbono, como la glicerina (subproducto de la actual industria del biodiésel) o biomasa de diferentes tipos, que conferirán la segunda generación de biodiésel. También se está trabajando en la incorporación de enzimas para el proceso de esterificación y además se buscan alternativas para evitar la utilización de metanol. Los avances que tardarán más en industrializarse, por su alto coste de producción, hacen referencia a las nuevas fuentes de aceites no alimenticios (microalgas o Jatropha).

• Biocombustibles no usados en la automoción. El biogás es un hidrocarburo gasificado procedente de la descomposición de materia orgánica de origen biológico. El biocombustible procedente de la biomasa de diversos orígenes, convenientemente triturada y seca, constituye un excelente combustible para

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hogares e industrias. También hay los biocombustibles por gasificación, pirólisis o carbonización de la biomasa residual.

III.1.5.Biomateriales

Los materiales sintetizados a partir de material biológico o utilizando metodologías basadas en sistemas biológicos (los llamados biomateriales) son, quizás, los productos más nuevos de la biotecnología industrial, y en los cuales hay más campo abierto para la investigación y la experimentación.6

Se trata de materiales aptos para diversas aplicaciones (desde construcción hasta la industria de juguetes) que pueden sustituir los plásticos y otros materiales derivados del petróleo, y mantener, y a menudo mejorar, las características y prestaciones. Los biomateriales más desarrollados hasta el momento son polímeros producidos por microorganismos o plantas, o derivados de estos microorganismos, como alternativa a los plásticos.6

Los Bioplásticos

Tienen propiedades similares a las de los plásticos convencionales. Son totalmente biodegradables, pueden ser fácilmente descompuestos por bacterias, tanto en el suelo como en el agua, y generan hasta un 80% menos de emisiones de gases tóxicos en su proceso de fabricación.6

Por una parte, tenemos bioplásticos obtenidos como polímeros biológicos, como los fabricados a base de almidón de maíz, o el polihidroxibutirato sintetizado por ciertas bacterias a partir de la glucosa. Otra aproximación consiste en sintetizar los monómeros mediante procesos biológicos de transformación de materias primas renovables, por medio de bacterias genéticamente modificadas, para obtener químicamente polímeros como el ácido hidroxipropanoico, el ácido poliláctico o el polímero derivado del 1,3-propanodiol (usado industrialmente en procesos tan diferentes como la elaboración de envases o la fabricación de automóviles).6

Algunos casos comerciales de éxito, primero como productores de polímeros y en segundo término como aplicaciones industriales de los bioplásticos, son los siguientes:6

• Polímeros: NatureWorks, líder mundial en producción de plásticos biodegradables como el ácido poliláctico (PLA) extraído de la dextrosa de maíz (usado en capas de sellado térmico, etiquetas y bolsas de transporte); Novamont Bioplàstic MaterBi, obtenido a partir de almidones de maíz, trigo y patata (usado en espumas, productos de higiene, juguetes ecológicos y neumáticos); BASF Ecoflex®, producto basado en almidón de maíz, patata y PLA.6

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• Aplicaciones: Nestlé Resina, creada a partir de almidón (utilizada en bandejas para el empaquetado de chocolate); Mitsubishi y Sony tienen una carcasa para Walkman; Motorola dispone de una cubierta para teléfonos móviles; Pioneer, Sony y Sanyo han creado discos de almacenaje; Fujitsu, HewlettPackard y NET han creado carcasas de ordenador.6

Otros biomateriales

Las fibras textiles a base de seda de araña (uno de los materiales más resistentes, flexibles y ligeros que se conocen) ya son una realidad en los laboratorios de más de una empresa de base biotecnológica. Hay gusanos de seda transgénicos cuya seda se parece a la de la araña e, incluso, cabras que producen la proteína de esta seda en la leche.6

III.2. BIOTECNOLOGÍA – MEDIO AMBIENTE

Las biotecnologías pueden cumplir un importante rol en el cuidado del ambiente desde sus posibilidades de prevenir y remediar los problemas ambientales derivados de las actividades productivas.5

- Tecnologías más limpias. Las “biotecnologías blancas” buscan reemplazar las tecnologías contaminantes en procesos industriales disminuyendo a la vez la emisión de residuos. Por ejemplo, las tecnologías enzimáticas permiten reemplazar o reducir la utilización de sustancias químicas agresivas con el ambiente en procesos más limpios y seguros. 5

- Biorremediación. Consiste en la utilización de microorganismos, enzimas, hongos o plantas especializados capaces de degradar desechos peligrosos para remover los contaminantes orgánicos (efluentes y residuos sólidos domésticos e industriales, petróleo, pesticidas, etc.), inorgánicos (mercurio, plomo, cobre, cianuros, etc.) y gaseosos (metanos, compuestos volátiles, etc.) del medio ambiente. A partir de la modificación genética es posible incrementar su capacidad de degradación de los contaminantes.5

3.2.1. La Biorremediación

La biorremediación es un procedimiento para la recuperación de una zona terrestre o acuática contaminada que utiliza a los seres vivos para eliminar (degradar) las sustancias contaminantes. En muchos casos, la biorremediación se utiliza como acción complementaria después de haber eliminado una buena parte de la contaminación por otros métodos físico-químicos o mecánicos. Los procedimientos utilizados para la biorremediación son muy variables y dependen

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del compuesto(s) a eliminar y de su ubicación física (suelo, agua). La biorremediación se puede realizar in situ o ex situ.7

En el tratamiento in situ, se puede estimular las actividades degradativas de los organismos presentes en el lugar contaminado suministrando nutrientes (bioestimulación), o se pueden añadir organismos con propiedades específicas para degradar el contaminante (bioincremento). En el tratamiento ex situ, el contaminante es transportado a una planta de procesamiento donde se trata en reactores con microorganismos degradadores especializados.7

Cuando el contaminante no se puede biodegradar, como sucede con los metales pesados, la estrategia utilizada es la bioacumulación, es decir, la acumulación del contaminante en el interior del ser vivo y la posterior retirada del organismo que ha acumulado el contaminante. Los microorganismos suelen ser los seres vivos más utilizados en biorremediación, aunque cada vez está más extendido el uso de las plantas en estas tareas (fitorremediación), especialmente en los casos que requieren la bioacumulación.7

3.2.2. La Fitorremediación

La fitorremediación es un procedimiento que utiliza especies vegetales para contener, eliminar o neutralizar compuestos orgánicos, elementos traza o elementos radiactivos que pueden ser tóxicos en aguas o suelos. La fitorremediación pretende devolver esos suelos o aguas contaminadas a sus condiciones originales.7

La palabra fitorremediación deriva del griego “phyto”, que significa planta, y de la palabra latina “remedium” que significa remedio, forma de corregir un mal. La fitorremediación incluye cualquier proceso biológico, físico o químico que, mediado por plantas, ayude a la absorción, secuestro y degradación de los contaminantes, ya sea por las plantas mismas o por los microorganismos que se desarrollan en la rizosfera. Existen distintos tipos de fitorremediación en función de la forma y el lugar de actuación. Destacan la fitoestabilización (cuando se trata de evitar la dispersión de contaminantes y la erosión en el suelo), la fitoextracción (su objetivo es trasladar los contaminantes desde el suelo a la parte aérea de las plantas), la fitodegradación (busca transformar los contaminantes en moléculas inocuas), o la rizofiltración (extracción de contaminantes de soluciones acuosas por acumulación en el sistema radicular de las plantas). Esta nueva tecnología está recibiendo una gran atención debido a que es una opción más barata, fácil y respetuosa con el medio ambiente que los procedimientos convencionales de recuperación de suelos contaminados (tratamientos químicos de inertización, lavado de suelos, vitrificación, excavado y soterramiento, etc.).7

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Su principal inconveniente es la lentitud, ya que las plantas eliminan o degradan sólo una pequeña cantidad de contaminantes durante cada ciclo de cultivo, por lo que se requieren varias décadas para limpiar adecuadamente un suelo contaminado. Esta técnica puede ser muy útil para recuperar lugares que nunca han estado expuestos a contaminación artificial, pero que contienen sustancias en concentraciones suficientemente elevadas como para que sean altamente perjudiciales para el ser humano y para el ecosistema. Es el caso de algunos yacimientos minerales que pueden ser extremadamente tóxicos, sobre todo cuando el agua y la erosión provocan que cantidades elevadas de elementos nocivos pasen al ecosistema.7

3.2.3. Eliminación de la contaminación de los vertidos

Hay diversas formas de utilizar los organismos del suelo para descontaminar un vertido. Una opción es la llamada “biorremediación intrínseca”, una aproximación pasiva en la que, después de una estimación del riesgo, se opta por dejar transcurrir el proceso de biodegradación natural en condiciones controladas. Otra alternativa es la bioestimulación, una estrategia activa que pretende modificar las condiciones ecológicas del suelo (nutrientes, aireación, pH, humedad, etc.) para que la actividad degradativa de interés pueda desarrollarse en condiciones óptimas.7

La versatilidad fisiológica de las poblaciones microbianas del suelo es enorme, siendo capaces de degradar espontáneamente un gran número de sustancias presentes en los vertidos. No obstante, este proceso suele ser lento. Muchas de las tecnologías de biorremediación in situ que ya han tenido éxito con contaminantes como petróleo o disolventes orgánicos se basan en la estimulación de las poblaciones autóctonas. Un ejemplo típico es la técnica de laboreo (“land-farming”), tradicionalmente utilizada por la industria petrolífera para tratar sus residuos en el suelo, y que se aplica también para la biorremediación de sitios contaminados. La técnica consiste básicamente en la adición de fertilizantes con nitrógeno y fósforo (en cantidades proporcionales a la cantidad de carbono presente en el vertido), la aireación periódica del suelo, y el mantenimiento de niveles de pH y humedad óptimos para la actividad microbiana.7

3.2.4. Biofiltros

Los biofiltros son dispositivos que utilizan microorganismos para eliminar o retener sustancias contaminantes de medios acuosos o gaseosos.7

Suelen consistir en recipientes (biorreactores) en los que los microorganismos se mantienen confinados, bien en medios líquidos o bien sobre soportes sólidos. Los

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microorganismos se seleccionan por su capacidad para degradar o retener de forma específica los compuestos que se pretende eliminar. El medio contaminado, acuoso o gaseoso, se hace pasar por el biofiltro, obteniéndose un efluente con menor contenido en el compuesto contaminante. Este efluente puede someterse a nuevas rondas de filtrado hasta la eliminación del contaminante. Se han diseñado biofiltros para la eliminación de pesticidas (pentaclorofenol, organofosfatos), disolventes (tolueno, benceno) o residuos industriales y agrícolas (nitratos, fosfatos).7

También es posible diseñar biofiltros para la inmovilización de contaminantes que no se pueden degradar, como los metales (cadmio, mercurio, o uranio). El uso de biofiltros en tareas de descontaminación o de tratamiento de efluentes industriales representa una alternativa atractiva frente a otros métodos de filtrado y tratamiento menos selectivos basados en métodos no biológicos. Como en los biofiltros los microorganismos se mantienen confinados y no se liberan al medio ambiente, constituyen una estrategia muy segura para el empleo de organismos que han sido genéticamente modificados para mejorar sus propiedades degradativas.7

3.2.5. Depuradoras de aguas residuales

Los denominados lodos activos de las depuradoras están formados por una población heterogénea de microorganismos que mediante reacciones metabólicas diversas degradan la materia orgánica que entra en la depuradora. Por lo tanto, las depuradoras actúan como reactores biológicos donde los microorganismos se mantienen en contacto con el agua residual a tratar, bajo condiciones de mezcla y aireación controladas, para conseguir el grado de depuración deseado. El tiempo de contacto entre el agua residual y los microorganismos determinará el rendimiento de depuración alcanzado en el tratamiento.7

La biotecnología permite optimizar las condiciones de los procesos en los que intervienen microorganismos, como ocurre en el reactor biológico de las depuradoras. Para optimizar los procesos en los que intervienen microorganismos debemos conocer sus características y cuáles son los parámetros que afectan a las reacciones que realizan. Modificando adecuadamente estos parámetros podrá optimizarse el proceso y conseguir una biodegradación más eficaz.7

Por ejemplo, es importante regular la disponibilidad de oxígeno, la acidez (pH) del medio, y la concentración de determinados productos finales del proceso de degradación que pueden llegar a ser tóxicos para los microorganismos que llevan a cabo el proceso (por ejemplo, el amonio). Cuando se quiere depurar aguas con

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altas concentraciones de un compuesto tóxico determinado, puede diseñarse un proceso específico. Por ejemplo, pueden buscarse microorganismos concretos que degraden ese compuesto eficientemente. También es importante saber qué requerimientos especiales tienen esos microorganismos. Muchas enzimas requieren altas concentraciones de oxígeno, o utilizan hierro (u otros metales) como co-factor, que habrá que suministrar en cantidades adecuadas para que no llegue a ser un factor limitante. Conocer estos detalles, y controlarlos adecuadamente, puede significar la diferencia entre una depuración eficaz o una depuración incompleta, o incluso nula.7

3.2.6. Biosensores de contaminación química y biológica

Un biosensor es un dispositivo analítico construido con un componente de naturaleza biológica (una enzima, un anticuerpo o un microorganismo) capaz de convertir una señal química generada por la presencia o ausencia de un cierto compuesto en una señal cuantificable electrónicamente. Este dispositivo permite detectar y cuantificar de forma precisa un determinado compuesto químico o un parámetro físico-químico de una sustancia o mezcla de sustancias (analitos). Cuando el componente de naturaleza biológica del biosensor interacciona con el analito se genera una respuesta que se transforma en una señal física o química mediante un sistema que se denomina transductor. Los transductores pueden ser, por ejemplo, de tipo electroquímico, óptico, o térmico.7

Los biosensores proporcionan una medida específica, rápida y fácil de realizar, que evita el uso de instrumentos analíticos complejos y costosos. Para que un microorganismo pueda utilizarse como biosensor debe ser capaz de transformar el compuesto a detectar en otra molécula fácil de medir, o debe responder a su presencia activando la expresión de algún gen. En este último caso, las técnicas de genética molecular permiten explotar esa respuesta manipulando el sistema genético para que el proceso de activación se acople a la expresión de un gen que codifique para una proteína cuya cantidad sea fácil de medir, por ejemplo porque sea fluorescente, o porque sea un enzima capaz de producir un compuesto luminiscente.7

El primer biosensor comercial servía para medir glucosa en solución (por ejemplo, en sangre), y estaba basado en una enzima llamada glucosa oxidasa acoplada a un electrodo de oxígeno. Actualmente existen diversos biosensores para detectar compuestos como amonio, contaminantes ambientales, etc.7

III.3. BIOTECNOLOGÍA – BIODIVERSIDAD

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La biotecnología contribuye al mantenimiento de la biodiversidad mediante el desarrollo de distintas herramientas. En primer lugar desarrollando herramientas para analizar la diversidad de los ecosistemas lo que permite realizar un seguimiento de la aparición o desaparición de las especies. En segundo lugar desarrollando procesos para conservar los genomas en bancos o colecciones de organismos vivos o en forma de ADN. En tercer lugar desarrollando las técnicas de clonación que pueden ser muy útiles para recuperar especies en peligro de extinción. En sentido literal los procesos de recombinación que se realizan mediante técnicas de Ingeniería Genética contribuyen a incrementar la biodiversidad en la misma medida que lo hacen los procesos naturales de recombinación. La creación de un organismo transgénico lleva implícita la formación de un nuevo organismo con características distintas al organismo parental. Las técnicas de recombinación y mutación in vitro que se aplican para la obtención de nuevos genes, y por consiguiente de nuevas proteínas o enzimas útiles para distintos fines, son también formas de aumentar la diversidad.7

III.3.1.Ventajas y Aplicaciones de la Biodiversidad en Biotecnología

La gran diversidad de seres vivos existente constituye una inmensa oferta de nuevos productos y/o procesos de potencial aplicación a la resolución de problemas concretos mediante el empleo de la Biotecnología. Entre las aplicaciones de especial relevancia social se encuentra la búsqueda de productos con actividades farmacológicas específicas, bien contra enfermedades infecciosas no tratables o emergentes (SIDA, tuberculosis), o bien frente a enfermedades fisiológicas (cardiovasculares, cáncer). 7

En este sentido, la mayoría de los fármacos que se encuentran actualmente comercializados se obtuvieron originalmente a partir de unos pocos microorganismos y plantas, que sin duda constituyen sólo una mínima fracción del total de seres vivos presentes en el planeta. En otros ámbitos, tales como la industria, se encuentra muy extendida la utilización de sustancias naturales en distintos productos comerciales, o como catalizadores biológicos que se emplean en procesos de bioconversión (biotransformación), altamente específicos y poco contaminantes. La diversidad microbiana constituye tal vez la fuente potencial de recursos más importantepara el desarrollo biotecnológico. El potencial biológico industrialmente explotable es enorme debido a la gran diversidad de especies de microorganismos existente en la biosfera, la mayoría de los cuales son aún desconocidos. Este potencial se ve incrementado por las técnicas de Ingeniería Genética que permiten aumentar la diversidad de los productos que se obtienen de los organismos iniciales.7

III.3.2.Biotecnología para preservar la vida en ambientes extremos

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También existe vida en los ambientes extremos. Por ambiente extremo se entiende aquél en el que uno o varios de los parámetros de mayor relevancia para el desarrollo de la vida, como la temperatura, la acidez, la salinidad, la presión, o el nivel de radiación, se consideran hostiles para la vida desde el punto de vista del hombre. Los organismos que viven en estos ambientes se denominan extremófilos y están tan perfectamente adaptados al medio que todos sus componentes funcionan de manera óptima en esas condiciones extremas. Su maquinaria metabólica puede funcionar en condiciones que serían totalmente adversas para otros seres vivos. Entre los organismos extremófilos destacan los termófilos, que habitan a temperaturas de hasta 115°C; los halófilos, que se desarrollan en ambientes con salinidades equivalentes a un 35% de sal común disuelta; los piezófilos, que crecen a presiones de hasta 1100 atmósferas; los psicrófilos, que se reproducen a temperaturas inferiores a 5°C; los acidófilos, que viven en medios de pH inferior a 5, y los alcalófilos, que pueden desarrollarse en un hábitat con un pH superior a 9.7

Las principales aplicaciones biotecnológicas de los organismos extremófilos se centran en la utilización de algunas de sus proteínas con actividad catalítica (enzimas) como aditivo de productos comerciales (detergetes, alimentación animal y humana), en procesos industriales de bioconversión (generación de alcohol a partir de maíz o de la paja de cereales como el trigo), o en sistemas analíticos (biosensores y técnicas de detección de ADN). Actualmente se buscan organismos que produzcan enzimas que degraden las grasas a baja temperatura para su utilización en detergentes de lavado en frío (por ejemplo en organismos de la Antártida), o que las degraden a alta temperatura para detergentes de lavado en caliente (por ejemplo, en organismos de fuentes termales). Entre las aplicaciones más llamativas y rentables están las que se derivan del uso de las enzimas conocidas como ADN polimerasas termoestables obtenidas de organismos termófilos. Estas enzimas se usan en la técnica denominada de PCR que se emplea en análisis genéticos para la identificación forense, análisis clínicos o análisis de alimentos.7

III.3.3.Colecciones de cultivos y bancos de Germoplasma

Las colecciones de cultivos son bancos de organismos que se mantienen vivos mediante distintas técnicas de conservación y que se aplican a organismos de pequeño tamaño como microalgas, protozoos, bacterias, hongos y también células de tejidos de organismos superiores. Los bancos de germoplasma son colecciones de semillas mantenidas a baja temperatura y humedad con el fin de prolongar lo más posible su viabilidad en el tiempo, de forma que puedan ser germinadas y desarrollen individuos adultos cuando sea necesario. La conservación de las semillas de especies cultivadas y no cultivadas tiene un valor

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económico enorme, ya que aumentan las posibilidades de incorporar en el futuro nuevos rasgos de interés a plantas cultivadas mediante el empleo de modernas tecnologías de mejora genética.7

Los programas de gestión de la biodiversidad dedicados a la conservación de áreas protegidas son generalmente insuficientes para actuar contra la disminución del número de especies, y por ello estos bancos son formas de conservar la diversidad genética no ya en la naturaleza, sino fuera de su entorno natural (ex situ). Dado que requieren de un espacio pequeño y tecnologías relativamente sencillas, son una forma eficaz de conservar la biodiversidad, aunque a veces la durabilidad de los organismos conservados es limitada. Aparte de contribuir al mantenimiento de la diversidad genética, estos métodos de conservación ex situ, entre los que también se pueden incluir los jardines botánicos, zoológicos o acuarios, cumplen otras funciones como la de concienciar a la sociedad del valor del biodiversidad y proporcionar material para estudios científicos básicos o aplicados.7

III.4. BIOTECNOLOGÍA – AGRICULTURA

Las técnicas de ingeniería molecular aplicadas al mejoramiento de cultivos y las biotecnologías incorporadas al manejo agrícola permiten un importante incremento en la productividad y la extensión de las fronteras agrícolas de manera ambientalmente sustentable.5

Los aportes de la biotecnología al agro incluyen técnicas de cultivo y propagación; nuevas variedades (organismos genéticamente modificados); biocidas y biofertilizantes, métodos de detección de enfermedades y plagas, etc.5

Técnicas de cultivo y propagación. Se conoce como micro-propagación al conjunto de técnicas y métodos de cultivo de tejidos utilizados para la multiplicación asexual de plantas. La micro-propagación se utiliza principalmente para multiplicar plantas nuevas (creadas por ejemplo por ingeniería genética) o para obtener plantas libres de enfermedades.5

La multiplicación vegetativa puede realizarse por métodos relativamente sencillos como la propagación por gajos o por técnicas más complejas como el cultivo in vitro o la propagación por apomixis (propagación por semilla sin fecundación de la gameto femenina, dando lugar a plantas genéticamente iguales a la planta madre).5

Nuevas variedades. Tradicionalmente en el agro se han aplicado técnicas de mejoramiento de cultivos: cruzamiento selectivo entre diferentes variedades vegetales para obtener nuevas variedades de mayor rendimiento, hibridación. Hoy

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en día, las técnicas de ingeniería genética permiten saltar las barreras entre especies y obtener plantas mejoradas en sus propiedades agronómicas, o en su calidad nutricional o industrial:5

- Plantas tolerantes a herbicidas, de amplio espectro que asociados a sistemas de siembra directa evitan las tareas de labranza que erosionan los suelos.

- Plantas resistentes a enfermedades y plagas, como el algodón BT y el maíz BT a las que se les ha transferido el gen que codifica para una toxina proveniente de Bacillus thurigiensis que provoca la muerte de las larvas de insectos.

- Plantas tolerantes a estrés abiótico que pueden sobrevivir mejor en suelos salinos, a bajas temperaturas o en climas con lluvias escasas.

- Plantas con calidad nutricional mejorada: puede implicar el mejoramiento de la calidad de la planta como alimento (por ejemplo modificación en la proporción de nutrientes y vitaminas), la reducción de alérgenos, la modificación del tiempo de conservación, de las características organolépticas, etc. Por ejemplo, el arroz dorado es una variedad de arroz a la que se le han introducido dos genes provenientes del genoma del narciso y otro gen bacteriano. Estos genes codifican pasos de la ruta de síntesis de la provitamina A, lo que las variedades convencionales de arroz no tienen. Este arroz con provitamina A, permitiría paliar en gran medida los problemas de avitaminosis.

- Plantas con propiedades nuevas: desarrolladas para trabajar como biofábricas produciendo fármacos, vacunas y plásticos. Por ejemplo, la producción de anticuerpos monoclonales humanos para combatir el virus de la hepatitis B (VHB) a partir de células transgénicas de la planta del tabaco.

Biofertilizantes: Bacterias como Rhizobium (presente en los suelos agrícolas) son utilizadas como biofertilizantes para facilitar la asimilación de nitrógeno en los cultivos de leguminosas. La inoculación de las semillas antes de la siembra con bacterias y otros ingredientes permiten aumentar su población y, en consecuencia, la capacidad de fijación de nitrógeno atmosférico. De esta manera se reduce la necesidad de aplicar fertilizantes nitrogenados evitando la contaminación asociada.5

Biocontrol: Los métodos de control biológico de plagas y enfermedades incluyen la utilización de microorganismos como Azotobacter, bacterias del género Bacillus y Streptomyces que compiten por los nutrientes con los patógenos u otorgan resistencia a las plantas, por su capacidad de producir sustancias con propiedades antimicrobianas. El Bacillus thuringiensis (BT) produce unos cristales constituidos por proteínas que tienen propiedades insecticidas. Estas endotoxinas forman parte de formulaciones comerciales de bioinsecticidas.5

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III.5. BIOTECNOLOGÍA – PECUARIA

En esta área, las biotecnologías se aplican tanto a la producción animal (acuicultura, piscicultura, marcadores de mejora, Organismos Geneticamente Modificados –OGMs-, feromonas, técnicas reproductivas) como a la alimentación y salud de los animales.5

- Producción animal. La ingeniería genética permite modificar genéticamente animales transfiriéndose genes de una especie a otra diferente, integrarse a su genoma, ser funcional y transmitirse a la descendencia. La transgénesis animal puede tener objetivos diversos como el estudio de enfermedades humanas; como fuente de tejidos y órganos para trasplantes en humanos, el mejoramiento del ganado (aumento de la tasa de crecimiento corporal, modificación de la relación carne/grasa, resistencia a enfermedades, etc.) o la producción de moléculas de interés para diferentes industrias, como la farmacéutica, la alimenticia, la química, etc.5

Proteínas recombinantes de interés farmacológico se obtienen a partir de la leche de animales transgénicos de granja (ovejas, vacas, cerdos, cabras, etc.). De esta manera, las proteínas se pueden producir en grandes cantidades, su purificación es relativamente sencilla, su producción no interfiere con la biología del animal y tanto su impacto ambiental como su costo es muy bajo.5

Una vez obtenido el animal transgénico, éste puede ser clonado para obtener una descendencia importante genéticamente idéntica que producirá también la nueva molécula de interés.5

Entre los animales transgénicos utilizados para la producción de proteínas de interés farmacológico se encuentran ovejas transgénicas que producen la proteína alfa1proteinasa así como los factores de coagulación VII y IX y vacas que producen la hormona de crecimiento humano.5

- Alimentación y salud animal. Técnicas biológicas aplicadas a ensayos de diagnósticos y vacunas para patologías animales; suplementación con enzimas (amilasas, beta-glucanasas, xylanasas) para mejorar la digestibilidad de las mezclas nutricionales para animales, empleo de fitasas exógenas para mejorar la biodisponibilidad de fósforo en las dietas.5

III.5.1.Producción animal

A. Técnicas reproductivas

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Las técnicas reproductivas abarcan la inseminación, la congelación de semen, la micromanipulación, la producción in vitro, el clonado y la congelación de los embriones. Los tratamientos hormonales de inducción y sincronización del celo de las hembras receptoras de semen y embriones como así también de las donantes de embriones, garantizan en muchos casos que las mencionadas técnicas se cumplan con éxito.8

La técnica reproductiva de mayor aplicación es la inseminación artificial (IA) y con ella la congelación de semen. A pesar de la resistencia presentada originalmente por razones éticas se reconoció rápidamente una de las ventajas de la IA con la disminución de las enfermedades infecciosas transmitidas a través de la cópula. Con la misma celeridad se observó que era posible obtener una mayor descendencia de un solo macho dividiendo el semen de un eyaculado en porciones e inseminando con las mismas varias hembras simultáneamente. De esta forma es posible aprovechar el potencial de los machos en forma intensiva y mejorar así la estimación del valor genético de los reproductores, dado que las particularidades heredables son mejor evaluadas con un gran número de hijos.8

La conservación de semen congelado en nitrógeno líquido posibilitó su almacenamiento durante décadas, sin que ello afecte la fertilidad del mismo. La IA juega, junto con la congelación de semen, un rol de importancia en la producción bovina. La inseminación artificial en las especies ovina, porcina y equina no alcanzó un significado equivalente al existente en la especie bovina. En las dos últimas es necesario modificar aún los métodos empleados para mejorar los resultados. La técnica de inseminación artificial por medio de laparoscopía en la especie ovina permite actualmente obtener resultados satisfactorios, lo que abrió las posibilidades del comercio internacional de semen.8

La transferencia de embriones (TE) es una técnica reproductiva en constante desarrollo. Su evolución es observable particularmente en la especie bovina. La TE asociada a la superovulación de las donantes puede aumentar considerablemente el número de la descendencia por donante y de esta forma multiplicar el componente genético materno.8

A través de la TE es posible aumentar el progreso genético, porque a través del aumento del número de embriones y terneros el potencial genético de la hembra puede reproducirse y emplearse con más eficacia. Razas y animales exóticos pueden, según las necesidades, reproducirse rápidamente. La eficiencia de los programas de selección y cruzamiento aumentan considerablemente con la aplicación de la transferencia de embriones. Junto

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con la TE es preciso también mencionar la congelación de embriones por medio del método estándar y vitrificación.8

B. Técnicas génicas

Las técnicas génicas conocidas también como de ingeniería genética incluyen el clonado de genes, el análisis de los mismos para el diagnóstico de determinadas variantes génicas, que llevan consigo particularidades positivas o negativas y la transferencia génica.8

En la técnica de producción génica de sustancias por medio de la transformación de células de levaduras, de bacterias o de mamíferos se introduce un ADN recombinante en las células a fin de capacitarlas en la producción de proteínas. De esta forma pueden producirse hormonas, vacunas y otras sustancias en forma idéntica a la natural, pura y a bajos costos.8

El empleo de microorganismos ruminales modificados génicamente permitió reducir el nivel de hidrólisis de nitrógeno, la proteólisis y la producción de lactato regulando la relación de acetato, propionato y butirato. A través de los organismos ruminales modificados genéticamente se espera una digestión más eficiente y una mejora de la disponibilidad de aminoácidos y vitaminas. Este método de técnica génica se encuentra aún en la fase de prueba y sometido a discusión sobre su libertad de aplicación, dado que los microorganismos del rumen son liberados también en el ambiente. El análisis genómico tiene el objetivo de describir una especie animal en forma progresiva y completa con ayuda de métodos celulares y génicos. El mismo pretende identificar los genes y analizar sus secuencias de nucleótidos para aclarar finalmente el modo de efecto de genes o complejos de ellos.8

Contrariamente a la especie humana, sobre la cual se discute el conflicto ético de analizar la totalidad del genoma, ese aspecto no juega rol alguno en producción animal. Un análisis completo significa, sin embargo, costos y esfuerzos muy grandes, razón por la cual sólo se llevan a cabo análisis parciales.8

Los conocimientos obtenidos en la especie humana, más avanzados que en otras especies, convierten a la primera en una modelo adecuado para el análisis del genoma de los animales de interés zootécnico. Una vez identificado el gen deseado pueden buscarse las variantes naturales del mismo y emplear los animales portadores en programas de mejoramiento. El número de genes identificados en animales de interés productivo no supera en la

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actualidad los 100. En el hombre se identificaron hasta ahora más de 3000 genes.8

El análisis genómico comprende 3 áreas:

- Mapa génico

- Análisis de acoplamiento

- Caracterización individual de genes

El mapeo génico pretende determinar la localización de características heredables en los cromosomas y establecer una relación lineal entre ellos. Entre los métodos de mapeo se incluyen el empleo de híbridos celulares, la hibridación in situ, la microdisección cromosómica y la subordinación de una característica al efecto conjunto de varios genes. Los mapas génicos sirven de orientación en el genoma. Cuanto más exacto es el conocimiento de la estructura y localización individual de los genes, más exacto es el reconocimiento de la totalidad del genoma. El análisis de acoplamiento genético pretende determinar la distancia entre dos localizaciones génicas. En producción animal se intenta establecer una relación entre marcadores ADN y características de importancia productiva. De esta forma el marcador ADN se convierte en el punto de partida del segmento que contiene el gen de interés.8

III.5.2. Animales genéticamente modificados

Desde el principio de los tiempos, el hombre ha intentado modificar las características de los animales domésticos intentando incrementar aquellas que mejoraban sus condiciones como animales de compañía, de producción, de trabajo o de abasto, mediante la selección de los más aptos y el cruzamiento de los ejemplares que presentaban mejores características: mayor producción de leche o carne o más fuerza y resistencia. Se seleccionaban aquellos ejemplares con características deseables, apareándolos entre sí y con su descendencia, para perpetuar los rasgos de interés, recurriendo al mestizaje cuando se advertía la aparición de características fenotípicas indeseadas debido a la consanguinidad.9

Hoy en día, gracias a la reproducción asistida y a la biotecnología, se planifican y dirigen los procesos reproductivos, se transmiten los rasgos deseados y se acelera la mejora genética. El intervalo intergeneracional puede reducirse sensiblemente gracias a la combinación de la inseminación artificial, que es la más antigua y utilizada de las técnicas de reproducción asistida, con las técnicas más recientes como son: el estrosincronizado, la superovulación, la extracción de óvulos de hembras sexualmente inmaduras aun fuera de la época de cría, o

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la producción de embriones “in vitro” y la transferencia de embriones. Además, es posible seleccionar el sexo de la progenie con semen sexado para la inseminación; se puede realizar la selección genética de individuos mediante marcadores moleculares asociados a caracteres de interés.9

También se puede modificar el genoma de los organismos: introduciendo genes de interés (organismos transgénicos); modificando los genes (organismos transgénicos “knockins”); o eliminando o silenciando genes concretos (organismos transgénicos “knock-outs”). Y se puede llevar a cabo la clonación de animales por transferencia nuclear de células somáticas, germinales o embrionarias.9

La biotecnología incluye cualquier técnica que utilice organismos vivos o parte de esos organismos para fabricar o modificar productos, mejorar plantas o animales o para desarrollar microorganismos para usos específicos.9

La aplicación de metodologías de ingeniería genética en biotecnología para la cría y producción de animales tiene como finalidad la obtención de animales modificados genéticamente con características singulares que mejoran, complementan o perfeccionan las condiciones de los ancestros originales, denominados wild-type, de los que parten las líneas transgénicas.9

Hay múltiples razones que respaldan la necesidad de criar y producir animales transgénicos, entre ellas podemos destacar:9

1. Avanzar en el conocimiento y descifrar el código genético.

2. Estudiar el control genético de los procesos fisiológicos.

3. Construir modelos genéticos de enfermedades.

4. Mejorar la producción animal, enriqueciendo sus rasgos y consiguiendo nuevos productos

Dentro de este contexto general, la biotecnología ha incorporado la modificación genética en animales como una herramienta más, utilizada en: la ciencia básica, la biomedicina (modelos animales de enfermedades humanas, donación de órganos para xenotrasplantes) y la industria farmacéutica (animales transgénicos como biorreactores para la síntesis de proteínas de alto valor y como biosensores).9

III.6. BIOTECNOLOGÍA – ALIMENTOS

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La biotecnología relacionada con el sector de alimentos es la más tradicional, los más conocidos son los procesos de fermentación en productos panificados, bebidas alcohólicas (vino, cerveza) y lácteos (quesos, yogures).5

Los cultivos microbianos asociados a estos tienen una larga tradición de utilización y pueden ser mejorados utilizando métodos de ingeniería genética. Estas modificaciones pueden introducir cambios deseados en los productos mejorando por ejemplo parámetros de calidad sensorial, la capacidad para producir compuestos antimicrobianos, etc.5

Diferentes enzimas naturales y recombinantes se aplican en procesos y productos alimenticios:5

- En la industria del almidón y del azúcar, en la fabricación de jarabes de glucosa y fructuosa de maíz y dextrosa;

- En la producción de quesos, para romper la caseína de la leche y permitir su coagulación, para resaltar el sabor y para acelerar la maduración;

- Para la elaboración de leche deslactosada;

- En panificación, para blanquear la harina, facilitar la acción de la levadura, mejorar la estructura de la masas, etc;

- En la clarificación de jugos de frutas, para evitar su turbidez;

- Para la optimización del proceso de extracción y refinación de aceites;

- En enología, para acelerar el tiempo de prensada, acelerar el proceso de maduración, la liberación de aromas, y mejorar el color y sabor. También para remover la urea producto de la fermentación y (urea) y contrarrestar los beta glucanos producidos por Botrytis cinerea;

- En la industria de la carne, para favorecer su tiernización, facilitar la remoción de la carne de los huesos y en la producción de hidrolizados de proteínas, - en la elaboración de cerveza, para evitar su enturbiamiento durante el almacenamiento.

Los aportes que las biotecnologías han realizado en los últimos años a procesos y productos de la industria alimentaria incluyen:5

- Productos con mayor valor nutricional y organoléptico (nutrientes, poder antioxidante, etc.)

- Nuevos alimentos funcionales para la prevención de enfermedades según los diferentes grupos de consumidores (alimentos hipo-alergénicos, para diabéticos, etc.)

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- Nuevas fuentes de materias primas (algas, invertebrados, etc.) por medio de la introducción y expresión de genes específicos que incrementan el contenido de sustancias de interés para la industria alimentaria (pigmentos, proteínas, etc.)

- Uso de biosensores para control de procesos (PH, detección de contaminantes, etc.)

- Enzimas con características específicas (termo-resistentes, mayor velocidad de reacción) para su utilización en procesos de fermentación en distintos sectores.

3.6.1. Tecnología enzimática y biocatálisis

El área de tecnología enzimática y biocatálisis incluye el extenso campo de las fermentaciones en procesamiento de alimentos, así como la mejora genética de microorganismos de aplicación en tecnología de alimentos y la producción de proteínas y enzimas de uso alimentario.10

FERMENTACIONES

La fermentación es la transformación de una sustancia orgánica (generalmente un carbohidrato) en otra utilizable, producida mediante un proceso metabólico por microorganismos o por enzimas que provocan reacciones de oxidación-reducción, de las cuales el organismo productor deriva la energía suficiente para su metabolismo. Las fermentaciones pueden ser anaeróbicas, si se producen fuera del contacto con el aire, o aeróbicas, que sólo tienen lugar en presencia de oxígeno.10

Las fermentaciones más comunes en la industria de alimentos son la del azúcar, con formación de alcohol etílico, en la elaboración de vino, cerveza, sidra; la del alcohol, con formación de ácido acético, en la elaboración del vinagre; y la fermentación láctica, en la elaboración de quesos y yogures.10

Actualmente en la industria fermentativa se utilizan tanques de fermentación en los que ésta se realiza en condiciones controladas de temperatura y presión y que permiten regular constantemente la entrada y salida de productos.10

Los diversos tipos de fermentaciones en la industria de alimentos se pueden clasificar de la siguiente manera:10

Fermentaciones no alcohólicas

- Panadería (fermentación por levaduras de panadería)

-Vegetales fermentados (encurtidos en general)

- Ensilado (fermentación de forraje)

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Fermentaciones alcohólicas

-Vino (fermentación alcohólica y maloláctica)

-Cerveza

-Sidra

-Destilados

-Vinagre (transformación de alcohol en ácido acético por fermentación con acetobacter)

Fermentaciones cárnicas

-Embutidos crudos curados (salame, chorizo español, etc.)

-Jamón serrano (producto curado)

-Productos de pescado fermentado (fermentación en filetes de pescado ahumado)

Fermentaciones lácticas

-Leches fermentadas en general

-Yogur (fermentación de leche con microorganismos acidificantes, como lactobacillus)

-Quesos (fermentación con determinados cultivos bacterianos inoculados)

-Bebidas lácticas alcohólicas (kefir)

Fermentaciones locales especiales

-Salsa de soya

-Miso

-Tofu

-Otros productos

OTRAS APLICACIONES EN TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA Y BIOCATÁLISIS

Mejora genética de microorganismos. Obtención de cepas recombinantes de

microorganismos de utilidad en tecnología de alimentos, mediante técnicas

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de ingeniería genética. Se obtienen así microorganismos como levaduras

industriales que poseen una mayor adaptación y eficacia en los procesos

fermentativos, o bacterias capaces de producir determinadas enzimas de utilidad

en procesamiento de alimentos.10

Producción de proteínas y enzimas de uso alimentario. Producción de enzimas con una actividad enzimática dada, a partir de células microbianas. Esta actividad se vale de varias disciplinas, como la microbiología, la ingeniería genética, ingeniería de proteínas e ingeniería bioquímica. Se obtienen así enzimas que transforman el azúcar en polímeros, enzimas que hidrolizan la lactosa de la leche para hacerla más digerible, enzimas que se utilizan en enología, etc.10

Diseño de procesos enzimáticos con los catalizadores disponibles o desarrollados, enzimas o células, libres o inmovilizadas, se pueden llevar a cabo procesos enzimáticos o fermentativos en reactores de diversas características, las que se determinarán para cada proceso específico. Así, se ha desarrollado, por ejemplo, una línea de procesos de extracción enzimática de principios activos vegetales para la transformación de materias primas. Tal es el caso de un proceso biológico para la extracción de aceite de coco, sin usar solventes ni extractores mecánicos.10

LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN EN TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA Y BIOCATÁLISIS

En la actualidad se están llevando a cabo diversos avances en los campos de investigación referentes a tecnología enzimática y biocatálisis, en particular el estudio del metabolismo y mejoramiento genético de levaduras industriales, así como la expresión de enzimas específicas mediante cepas microbianas recombinantes.10

Algunas de las líneas de investigación en desarrollo actual son las que se describen a continuación:10

- Bacterias lácticas- Utilización de técnicas y desarrollo de métodos para la detección e

identificación de bacterias lácticas, utilizadas como cultivos iniciadores de fermentaciones alimentarias.

- Estudios sobre el metabolismo de bacterias lácticas, incluyendo metabolismo de azúcares, regulación de la glucólisis e incidencia en la producción de volátiles y la calidad de productos lácteos.

- Biología molecular de levaduras industriales.- Estudio de mecanismos moleculares implicados en la fisiología de levaduras

industriales durante los procesos fermentativos que llevan a cabo.

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- Estudio de los mecanismos moleculares de la respuesta a estrés osmótico en levaduras industriales.

- Modificación genética de cepas de levaduras industriales para conseguir una mayor adaptación y eficacia en los procesos fermentativos.

- Enzimas y levaduras vínicas.- Utilización de técnicas de selección e identificación de levaduras vínicas.- Estudios de la fisiología de levaduras vínicas durante los procesos de

fermentación.- Modificación genética de levaduras vínicas.- Estudios sobre la aplicación de enzimas en enología.- Producción de enzimas de interés enológico.- Estructura y función de enzimas. - Estudios de la relación entre estructura y función de proteínas.- Producción heteróloga de enzimas por cepas microbianas.- Levaduras de panadería.- Aislamiento y caracterización de microorganismos con aplicación potencial

en la industria de panadería.- Estudios sobre el metabolismo de levaduras de panadería.- Expresión heteróloga de genes que codifican enzimas de interés en los

procesos de panificación.- Taxonomía molecular.- Aplicación de técnicas moleculares para la detección e identificación de

bacterias en alimentos.

3.6.2. Alimentos genéticamente modificados

La demanda de alimento global ha aumentado la necesidad de cultivos mejorados. La biotecnología ofrece la tecnología necesaria para producir alimentos más nutritivos y de mejor sabor, rendimientos más altos de cosecha y plantas que se protegen naturalmente contra enfermedades, insectos y condiciones adversas.10

La tecnología de alimentos genéticamente modificados (también llamados alimentos transgénicos) permite efectuar la selección de un rasgo genético específico de un organismo e introducir ese rasgo en el código genético del organismo fuente del alimento, por medio de técnicas de ingeniería genética.10

Esto ha hecho posible que se desarrollen cultivos para alimentación con rasgos ventajosos específicos u otros sin rasgos indeseables. En lugar de pasar 10 o 12 años desarrollando plantas a través de métodos de hibridación tradicional, mezclando millares de genes para mejorar un cultivo determinado, la biotecnología actual permite la transferencia de solamente uno o pocos genes

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deseables, obteniendo cultivos con las características deseadas en tiempos muy cortos.10

A. Principales aplicaciones en alimentos genéticamente modificados

Las ventajas ofrecidas por la biotecnología de modificación genética se aplican fundamentalmente en el mejoramiento de cultivos agrícolas.

Las principales aplicaciones se ven en cultivos con las siguientes características:

- Resistencia a enfermedades y plagas.- Resistencia a sequías y temperaturas extremas.- Aumentos en la fijación de nitrógeno (permitiendo reducir el uso de

fertilizantes).- Resistencia a suelos ácidos y/o salinos.- Resistencia a herbicidas (permitiendo eliminar malezas sin afectar el

cultivo)- Mejoramientos en la calidad nutricional.- Modificaciones para obtener cosechas más tempranas.- Mejor manejo de post-cosecha.- Otras características de valor agregado.

B. Ventajas de los alimentos genéticamente modificados

Las ventajas ofrecidas por los alimentos gm pueden resumirse en los siguientes aspectos principales:

- Mejoras nutricionales: Se pueden efectuar modificaciones genéticas para obtener alimentos enriquecidos en aminoácidos esenciales, alimentos con contenido modificado de ácidos grasos, alimentos con alto contenido de sólidos, o alimentos enriquecidos en contenido de determinadas vitaminas o minerales, entre otras características de calidad nutricional.

- Mayor productividad de cosechas: Se pueden obtener cultivos para alimentación genéticamente modificados que presenten resistencia natural a enfermedades o plagas, condiciones climáticas adversas o suelos ácidos o salinos, aumento en la fijación de nitrógeno de las plantas, resistencia a herbicidas. todo esto permite reducir notablemente el daño a los cultivos y aumentar la productividad agrícola en cifras cercanas al 25%.

- Protección del medioambiente: Los cultivos biotecnológicos que son resistentes a enfermedades e insectos reducen la necesidad del uso de pesticidas agroquímicos, lo que se traduce en una mucho

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menor exposición de aguas subterráneas, personas y ambiente en general a residuos químicos.

- Alimentos más frescos: Cultivos a los cuales se ha modificado los genes que regulan la velocidad de maduración de frutos permiten obtener variedades de maduración lenta, de modo de permitir manejos de post-cosecha o transportes de más larga duración sin que los alimentos lleguen al consumidor en estados avanzados de madurez.

C. Principales especies cultivadas de alimentos genéticamente modificados

Los principales cultivos genéticamente modificados para alimentación que se utilizan hoy en día son soya, maíz, canola, tomate, papas y calabaza; considerándose los tres principales soya, canola y maíz.10

Por su repercusión en Europa, los casos de la soya y el maíz transgénicos resultan de especial relevancia. La soya se utiliza en un 40-60% de los alimentos procesados: aceite, margarina, alimentos dietéticos e infantiles, cerveza, etc. el 2% de la soya producida en estados unidos es transgénica, de la que un 40% se exporta a Europa.10

La utilización de plantas transgénicas en programas de mejora se va incrementando día a día. Algunos expertos han llegado incluso a predecir que hacia el año 2005, el 25% de la producción agrícola en Europa lo será de plantas transgénicas.10

La canola fue desarrollada por cultivadores canadienses con técnicas tradicionales de cultivo, específicamente por sus cualidades nutricionales. Las semillas se prensan, obteniéndose el aceite de canola para consumo humano, y el resto se procesa para obtener alimento para ganado. Reconocida ya por sus beneficios para la salud, la investigación ahora se está llevando a cabo para mejorar aun más el perfil nutricional de la canola.10

Ejemplos de alimentos genéticamente modificados:10

- Soya resistente a glifosato: Es una variedad de soya transgénica obtenida por la compañía estadounidense monsanto, a la que se le ha transferido un gen que produce resistencia al glifosato, componente activo del herbicida "roundup". esto permite la utilización del herbicida sin afectar el cultivo, permitiendo que se alcancen mayores niveles de productividad.

- Maíz resistente a glufosinato y a ostrinia nubilabis: Maíz transgénico producido por la multinacional ciba-geigy (hoy novartis), resistente al glufosinato de amonio (componente activo del herbicida "basta"), y resistente además al ostrinia nubilabis, un insecto que horada el tallo de la planta destruyéndola.

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- Tomate de maduración lenta: Se han obtenido plantas transgénicas de tomate con genes que alargan el período de conservación y almacenamiento evitando la síntesis de la poligalacturonasa que produce el reblandecimiento del fruto. así, se tienen ventajas en cuanto al manejo post-cosecha de tomates, que pueden soportar períodos más largos de almacenamiento o transporte y llegar en buenas condiciones al consumidor final.

- Arroz dorado: Es una variedad de arroz obtenida por modificación genética para contener beta-caroteno, una pro-vitamina que en el organismo se transforma en vitamina a. esto puede significar una gran ayuda para países en vías de desarrollo en los que se sufre masivamente de deficiencia de vitamina a, condición que puede llevar a muchos casos de ceguera. Muchos de estos países, además, tienen justamente al arroz como la base de su alimentación.

D. Consideraciones de seguridad para alimentos genéticamente modificados

El uso de procesos biotecnológicos, particularmente modificación genética, es extremadamente importante al idear nuevas maneras de aumentar la producción de alimentos, mejorar la calidad nutricional y proporcionar mejores características de proceso o almacenaje. Cuando se desarrollan nuevos alimentos o componentes de alimentos usando biotecnología, hay requisitos legales nacionales y expectativas del consumidor para que existan sistemas y procedimientos eficaces de evaluación de la seguridad de los alimentos para el consumo. Las técnicas tradicionales de evaluación de la seguridad de los alimentos, basadas en pruebas toxicológicas (según lo utilizado para los aditivos alimentarios, por ejemplo), pueden no aplicarse siempre a los alimentos o componentes de alimentos obtenidos por biotecnología.10

De acuerdo a una reunión de consulta conjunta de la FAO y la OMSen 1996, las consideraciones de seguridad de alimentos con respecto a los organismos producidos por las técnicas que cambian los rasgos hereditarios, como la tecnología de DNA recombinante, son básicamente las mismas que se relacionan con otras maneras de alterar el genoma de un organismo, tal como la hibridación convencional. Éstas incluyen:10

- Las consecuencias directas (nutricionales, tóxicas o alergénicas) de la presencia en los alimentos de nuevos productos genéticos codificados por los genes introducidos durante la modificación genética.· las consecuencias de los niveles alterados de productos genéticos existentes codificados por los genes introducidos o modificados durante la modificación genética.

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- Las consecuencias indirectas de los efectos de cualquier nuevo producto genético, o de niveles alterados del producto genético existente, en el metabolismo del organismo fuente del alimento, que conduzca a la presencia de nuevos componentes o de niveles alterados de componentes existentes.

- Las consecuencias de las mutaciones causadas por el proceso de modificación genética del organismo fuente del alimento, como interrupción de secuencias de codificación o control, o la activación de genes latentes, conduciendo a la presencia de nuevos componentes o de niveles alterados de componentes existentes.

- Las consecuencias de la transferencia genética a la microflora gastrointestinal desde organismos genéticamente modificados o alimentos o componentes alimenticios derivados de ellos.

- El potencial de efectos adversos para la salud asociados a los microorganismos genéticamente modificados de los alimentos.

La presencia en alimentos de genes nuevos o introducidos per se no es considerada como un riesgo a la seguridad de los alimentos, puesto que todo el DNA se compone de los mismos elementos.10

E. Futuro de los alimentos genéticamente modificados

La próxima generación de productos obtenidos por biotecnología, muchos de los cuales ya han sido desarrollados pero no están todavía en el mercado, se concentran en una cantidad de características que subrayarán su uso en sistemas de producción de alimentos, como también mejorarán sus aspectos de calidad final.10

Estos alimentos posibles incluyen soya con cualidades nutricionales mejoradas mediante un incremento en el contenido de proteínas y aminoácidos; cultivos con aceites, grasas y almidones modificados para mejorar el procesamiento y la digestibilidad, tales como canola con alto contenido de estearato, maíz bajo en fitato o ácido fítico.10

Otros productos que están siendo desarrollados incluirán nuevas características de calidad para el consumidor, como los llamados alimentos funcionales, que son cultivos desarrollados para producir medicinas o suplementos alimentarios dentro de la planta. Estos podrán proporcionar inmunidad contra enfermedades o mejorar características saludables de los alimentos tradicionales.10

Una investigación substancial también se ha dedicado al desarrollo de pescado genéticamente modificado, como el salmón. Algunos de estos

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productos ya están disponibles para el uso, no obstante la mayoría está a años de la producción comercial generalizada.10

Algunos ejemplos destacables de alimentos genéticamente modificados que podrían desarrollarse en el futuro son los siguientes:10

- Leche con biodisponibilidad de calcio mejorada.- Huevos con menos colesterol.- Papas y tomates con mayor contenido de sólido.- Maíz y soya con contenido aumentado de aminoácidos esenciales

para ser utilizados en alimentación humana y animal.- Café descafeinado naturalmente.- Cultivos con contenido modificado de ácidos grasos que permitan la

producción de aceites más saludables.- Rasgos que controlan la maduración de pimientos y fruta tropical,

permitiendo un aumento en los tiempos necesarios para transportes de larga distancia.

Las ventajas generales que se visualizan en la agricultura de alimentos GM incluyen básicamente la protección de cultivos contra pérdida de productividad, reducción en el uso de pesticidas, mayor protección medioambiental, protección contra insectos por temporadas largas, y ahorros de trabajo y energía porque los agroquímicos serían aplicados con menor frecuencia.10

III.7. BIOTECNOLOGÍA – SALUD: VACUNAS

La tecnología de ADN recombinante han permitido el surgimiento de una nueva generación de vacunas: las vacunas recombinantes y las vacunas de ADN.5

En las vacunas recombinantes, los genes que codifican para las proteínas que provocan la respuesta inmune (el antígeno) son aislados y clonados y se introducen mediante técnicas de ingeniería genética en un huésped alternativo no patógeno (bacterias, levaduras o células de mamíferos) para que lo produzca en cantidad en el laboratorio.5

En las nuevas vacunas de ADN desnudo se utiliza una porción de ADN purificado que codifique para la proteína que estimula la respuesta inmune. El gen se introduce

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directamente en el individuo y son las propias células del individuo las que sintetizan el antígeno.5

También se aplican técnicas de ingeniería genética para eliminar o inactivar selectivamente, los genes de virulencia de un agente infeccioso manteniendo la habilidad de provocar una respuesta inmune.5

III.7.1. Vacunas Transgénicas

Mientras los científicos no pueden esperar para usar las plantas transgénicas, para curar trastornos y proveer vacunas comestibles a los países en el tercer mundo, es necesario que estudien estos organismos modificados genéticamente para comprobar que los genes funcionan exactamente como se desea. 11

Por ejemplo, hay varias proteínas que tienen una conformación y/o modificaciones únicas que no se permite en las plantas porque no tienen los mecanismos para crearlas. No obstante, las plantas transgénicas han demostrado una gran capacidad para ser máquinas para producir los anticuerpos, que ya veremos en otro apartado.11

Estos anticuerpos son utilizados en la diagnosis y tratamiento de varios tipos de cáncer y también de muchos microorganismos y virus como la hepatitis, la rabia, y el citomegalovirus. Las plantas de tabaco, papa, soya, alfalfa, y arroz han sido transformadas para producir toneladas y toneladas de estas proteínas.11

Además de la habilidad para tratar trastornos, las plantas transgénicas pueden cultivar vacunas comestibles también. Estas vacunas ofrecen muchas ventajas en vez de las inyecciones.11

Las vacunas comestibles son más seguras y no producen basura peligrosa como las agujas hipodérmicas. También, las vacunas comestibles pueden ser más fáciles y más baratas para administrar. Con nuevas técnicas, como la bioencapsulación para protegerlos anticuerpos en el sistema de gastrointestinal, las vacunas comestibles deben ser una realidad en países en vías de desarrollo en pocos años.11

III.7.2. Vacunas recombinantes en plantas

Actualmente la mayoría de las vacunas de uso clínico emplean microorganismos inactivados o atenuados. Los microorganismos atenuados (p. ej., la vacuna oral de la polio) son incapaces de replicarse en individuos normales, sin embargo en personas inmunodeprimidas pueden originar la

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enfermedad. Esto puede prevenirse utilizando proteínas antigénicas individuales que inducen, en el individuo inmunizado, una respuesta equivalente a la originada por el germen completo.11

Esta técnica requiere la clonación del gen o de los genes de interés a partir del germen patógeno, su introducción en otro organismo (transformación) donde pueda expresarse para su posterior purificación y administración en humanos, por vía parenteral.11

Los métodos convencionales de obtención de vacunas podrían ser sustituidos por sistemas vegetales transgénicos productores de la proteína recombinante.11

Además la generación de plantas transgénicas comestibles evitaría la purificación e inyección de la proteína recombinante. La ingesta oral de la planta transgénica permitirá la absorción intestinal y la posterior estimulación del sistema inmunitario del individuo. Estudios recientes demuestran que la ingestión oral de plantas transgénicas puede estimular una respuesta de humoral protectora frente a diferentes agentes patógenos (Vibrio cholerae, E. coli enterotoxigénica y virus de la hepatitis B).11

En la actualidad se está trabajando en el desarrollo de sistemas de expresión efectivos en bananas, las cuales se cultivan de forma generalizada en la mayoría de los países en vías de desarrollo y pueden ingerirse crudas, lo cual permitiría producir vacunas comestibles frente a las enfermedades prevenibles incluidas en el Programa Ampliado de Inmunizaciones (PAI) de la OMS: difteria, tétanos, tos ferina, sarampión, polio y tuberculosis, ampliándose a hepatitis B, fiebre amarilla y determinadas diarreas virales.11

Esta nueva forma vacunación empleando plantas transgénicas comestibles es una estrategia socio sanitaria prometedora, especialmente en países en vías de desarrollo, los cuales carecen de la infraestructura necesaria para la administración de vacunas convencionales que requieren refrigeración, material especializado para su administración (agujas y jeringuillas), así como de la existencia de personal cualificado y de programas coordinados de salud, lo cual hace que las medidas preventivas sean, si cabe, aún más necesarias, mostrándose el uso de plantas comestibles como una modalidad terapéutica y profiláctica muy esperanzadora.11

No en vano, la inmunización es una de las intervenciones en Salud de mejor coste-eficacia, sin embargo, todavía hoy casi 2 millones de niños mueren cada año por enfermedades prevenibles mediante vacunación (datos de la OMS).11

III.8. BIOTECNOLOGÍA – SALUD: PRUEBAS DE DIAGNÓSTICO

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RECAPITULACIÓN SOBRE LAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN EN BIOTECNOLOGÍA

Una de las aplicaciones de mayor impacto de la tecnología del ADN es el desarrollo de nuevas técnicas para diagnóstico clínico. Esto ha permitido contar con tecnologías más eficientes para el reemplazo de las pruebas serológicas clásicas, y nuevos métodos para el diagnóstico de enfermedades infecciosas y genéticas. Entre éstas se encuentran:5

- Las técnicas de base inmunológica basadas en la reacción antígeno-cuerpo. Los anticuerpos monoclonales tienen la propiedad de unirse al antígeno de forma muy específica con lo cual los métodos de análisis y diagnóstico desarrollados a partir de ellos son muy precisos (técnica ELISA, citometría de flujo, inmunofluorescencia, etc.).

- Las técnicas de base genética como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) que permite amplificar pequeñas fracciones de ADN para su posterior análisis.

III.9. BIOTECNOLOGÍA – SALUD: MEDICAMENTOS

El desarrollo de nuevas modalidades terapéuticas, más efectivas y económicas, es una constante preocupación de la medicina moderna. Los avances en el campo de la biología molecular y el progreso de la biotecnología, han permitido obtener medicamentos recombinantes (biomedicamentos) que se muestran como una alternativa terapéutica eficaz, segura y económica.11

Tradicionalmente los biomedicamentos se producen utilizando sistemas de cultivo celular de origen eucariótico o procariótico, los cuales requieren un control riguroso de las condiciones de cultivo (temperatura, pH, concentración de oxígeno, control de metabolitos, etc.).11

En este sentido, la generación de plantas transgénicas, obtenidas mediante técnicas de Ingeniería Genética, representa una alternativa eficaz y económica para la producción de biomedicamentos.11

III.9.1. Biomedicamentos

El primer paso para la producción de medicamentos recombinantes en plantas es la generación de una línea transgénica estable empleando técnicas estándar de transferencia genética.11

Los sistemas de transferencia genética (transformación) más utilizados son la transformación mediada por Agrobacterium tumefaciens (AMT) y el bombardeo con microproyectiles (biobalística) formados por partículas de oro o tungsteno recubiertas con ADN del gen deseado. Las líneas transgénicas generadas se reproducen por esquejes o semillas, siguiendo una herencia Mendeliana.11

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Las especies vegetales más utilizadas son la Nicotiana tabacum, la Nicotiana bethamiana y la Arabidopsis thaliana, aunque también se han utilizado tomates, plátanos, patatas, arroz, trigo, maíz, habas, nabo y semillas de colza.11

La transformación estable supone la integración de un transgen en el ADN cromosómico, o en los cloroplastos. El potencial de la transformación en ADN cromosómico es bien conocido, sin embargo la transformación en cloroplastos, es una alternativa muy interesante dado que el genoma del cloroplasto muestra una herencia maternal, lo que minimiza el riesgo de diseminación indeseable de los transgenes a través del polen, además no se han observado fenómenos de silenciamiento genético.11

Aunque no es una práctica muy extendida, se conocen unos 25 genes expresados con este sistema. Su principal inconveniente es que no sería adecuado para la síntesis de proteínas que requieran de una maquinaria de glicosilación especializada.11

Otra estrategia para obtener plantas transgénicas son los virus recombinantes capaces de expresar transgenes durante su replicación en el huésped. Uno de los sistemas virales más utilizados es el virus del mosaico del tabaco (VMT) y los vectores derivados. La principal ventaja de los sistemas virales es su capacidad para amplificar el número de copias del gen insertado, lo que se traduce en un mayor nivel de expresión. Los inconvenientes son la inestabilidad y la necesidad de inocular cada planta, lo cual dificulta mucho la producción a gran escala.11

Teniendo en cuenta que la extracción y purificación de biomedicamentos a partir de tejidos vegetales puede ser un proceso laborioso, la producción comercial debería dirigirse hacia la utilización de semillas como maíz, arroz, trigo, soja. Estas semillas, con las proteínas recombinantes en su interior, podrían desecarse y almacenarse durante largos periodos de tiempo sin perder sus cualidades, facilitándose también su distribución, de forma que sólo cuando fuese necesario esas semillas se transformarían en harinas, para la extracción y purificación del producto recombinante.11

Por otra parte, el proceso de extracción y purificación no siempre sería necesario ya que es posible la ingesta directa de plantas comestibles, o de las semillas y/o aceites, lo cual supondría una nueva forma de administración de biomedicamentos, y abarataría su coste.11

III.10. BIOTECNOLOGÍA – SALUD: NUEVOS TRATAMIENTOS

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Las inmunoterapias se basan en el control de la respuesta inmune a través de la aplicación de anticuerpos monoclonales para la prevención de enfermedades virales, en el tratamiento de enfermedades autoinmunes y contra el cáncer, para reducir la respuesta inmune evitando el rechazo al trasplante, etc.5

Las terapias génicas buscan inhibir la expresión de un gen o la inactivación de su producto o sustituir un gen inactivo por una copia funcional que se exprese y sintetice la proteína necesaria.5

III.10.1. Terapia génica

La terapia génica es un campo emergente de la genética aplicada en la que se utilizan técnicas de ADN recombinante. En este caso, se emplean las propias moléculas de ADN recombinante con fines de tratamiento. La terapia génica consiste en la introducción de genes, creados mediante tecnología del ADN recombinante, en las células y los tejidos de los pacientes para tratar sus enfermedades. Los científicos están estudiando terapias génicas para tratar varias enfermedades humanas hereditarias en las que intervienen genes defectuosos. La idea es sustituirlos por genes funcionales nuevos.12

Desde el inicio del primer ensayo clínico en 1990, la investigación en terapia génica se ha extendido en gran medida, con un número cada vez mayor de ensayos en seres humanos. Este campo, aún en fases experimentales, centra sus esfuerzos en pacientes con enfermedades graves y potencialmente mortales que suelen contar con pocas opciones terapéuticas o en los que han fracasado todos los tratamientos disponibles.12

Células madre: Las células madre son células no especializadas que pueden renovarse de manera indefinida para producir más células madre. Pueden madurar y desarrollar funciones especializadas o diferenciarse en unas condiciones de crecimiento determinadas. En último término, las células madre se diferencian para formar todos los tipos diferentes de células que conforman el organismo. El amplio potencial de una célula madre indiferenciada de transformarse en diversas células diferentes es el centro de atención de la investigación con células madre.12

El tratamiento con células madre, que aún se encuentra en fases experimentales, supone hacerlas crecer en el laboratorio y guiarlas hacia un tipo celular deseado mediante la adición de distintos factores de crecimiento. A continuación se implantan quirúrgicamente las células diferenciadas. La teoría es que las células madre pueden integrarse en el tejido patológico, sustituir a las células patológicas y neutralizar los efectos de la enfermedad. También podrían desarrollarse terapias celulares en las que se implanten células madre

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indiferenciadas junto con factores de crecimiento para guiar su diferenciación en el organismo del paciente. El objetivo es sustituir las células lesionadas por células sanas y exentas de enfermedad, de ahí el término medicina regenerativa que recibe esta estrategia. La esperanza es que las células madre, dirigidas a diferenciarse en tipos celulares específicos, podrían ser una fuente renovable de células y tejidos de sustitución utilizados para tratar una amplia variedad de enfermedades.12

III.10.2. Nanotecnología

La nanotecnología tiene que ver con la manipulación de moléculas y estructuras a escala nanométrica (milmillonésima parte de un metro) o atómica. La aplicación de la nanotecnología para mejorar la salud humana se denomina nanomedicina. En la nanomedicina biotecnológica se emplean organismos vivos o sus componentes a una escala muy pequeña.12

Un ejemplo de nanomedicina es el uso experimental de nanoproyectiles que actúan selectivamente y destruyen las células neoplásicas a escala celular. Los nanoproyectiles son lentes metálicas nanoscópicas que se hacen llegar selectivamente a órganos concretos o tumores a través del torrente circulatorio. Los nanoproyectiles tienen la capacidad de captar luz infrarroja aplicada a través de la piel de un paciente con cáncer y convertirla en calor, que destruye únicamente las células neoplásicas objetivo.12

Las nanopartículas conocidas como buckyballs, unas moléculas de carbono con una forma y una construcción exclusivas, también presentan potencial de hacer llegar medicamentos a moléculas o células objetivo. Quizá hagan posible la aplicación de fármacos que no se disuelven en agua. Además, debido a su pequeño tamaño, permiten administrar una mayor cantidad de fármaco por volumen. Los científicos están trabajando con nanopartículas para desatascar las arterias obstruidas.12

Nuevos sistemas de administración de fármacos: Los investigadores biomédicos están estudiando nuevas formas de administrar fármacos en el interior del organismo que podrían mejorar su eficacia. Un ejemplo es el desarrollo de partículas microscópicas denominadas microesferas que poseen orificios diminutos con el diámetro suficiente para transportar y aplicar medicamentos a sus objetivos. Están elaboradas con materiales que se asemejan a las grasas naturales que hay en las membranas celulares y se administran en forma de pulverización nebulizada en la nariz o la boca.12

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En la actualidad, existen tratamientos con microesferas para combatir el cáncer de pulmón y enfermedades respiratorias. La investigación actual está estudiando el empleo de microesferas para aplicar fármacos antineoplásicos en tumores activos y su uso con anestésicos en el tratamiento del dolor.12

CONCLUSIONES

En el texto anterior consideramos a la biotecnología de una manera amplia, definida como una actividad basada en conocimientos multidisciplinarios, que utiliza agentes biológicos para hacer productos útiles o resolver problemas. Ésta definición es lo suficientemente amplia como para englobar actividades tan variadas como la de ingenieros, químicos, agrónomos, veterinarios, microbiólogos, biólogos, médicos, abogados, empresarios, economistas, etc.

Gracias al impacto de la biotecnología, ya no se trata de promesas o de perspectivas futuras; los productos y procesos biotecnológicos forman parte de nuestra vida cotidiana, ofreciendo oportunidades de empleo e inversiones. Se trata de plantas resistentes a enfermedades, plásticos biodegradables, detergentes más eficientes, biocombustibles y también procesos industriales menos contaminantes, menor necesidad de pesticidas, biorremediación de contaminantes, y centenas de ensayos de diagnóstico y medicamentos nuevos.

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Concluimos en que la propuesta de este trabajo es revisar los fundamentos de la biotecnología y mostrar cómo se aplican en diversos sectores de la sociedad, contribuyendo con el desarrollo de nuevas tecnologías y el avance de la ciencia.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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