BIOTECNOLOGIA

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INTRODUCCION

GENERALIDADES

2000 a. C. Asirios y Caldeos Bebidas alcohlicas fermentadas.

1500 a. C. Egipcios Griegos Pan. Cerveza a partir de cebada Quesos. Leches fermentadas Vino.

1000 a. C. Pueblos Americanos Bebidas alcohlicas fermentadas. Aplicacin de hongos sobre heridas Spirulina como P.U.C.

Edad Media. Gremios Se transponen desde la escala familiar a la artesanal procedimientos biolgicos para producir y conservar alimentos y elaborar productos como el cuero y los tejidos. (vino, cerveza, pan, quesos).

1594. LIBAVIUS

Fermentacin Distingue Digestin

Putrefaccin

1680 Antonio LEEUWENHOEK (1632-1723) Naci en DELFT (Holanda). Comerciante en gneros y luego empleado municipal. (LUPAS) Desde 1673 (41 aos) en correspondencia con REAL SOCIEDAD de Londres, unas 200 cartas.

Descubrimientos de LEEUWENHOEK

Estras de las fibras musculares Glbulos rojos Espermatozoides Circulacin capilar de la sangre Protozoos, rotferos, algas, nemtodos, bacterias, levaduras.

Compara de manera precisa las dimensiones de estos pequeos animalitos a las de otros objetos (...aproximadamente 100 veces ms pequeo que el ojo de una pulga adulta...). Muy adelantado a su poca, combatido por otros que negaban sus descubrimientos por carecer de sus instrumentos.

1773 Otto Federico MLLER (1730, 1784) Describe numerosas bacterias y las clasifica en gneros y especies segn la NOMENCLATURA BINARIA que Carlos LINN (sueco, 1707 1778 ) terminaba de editar.

1796. Eduardo JENNER (1749 1823) Descubre la vacuna contra la viruela.

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1743 1794 Antonio L. LAVOISIER Demuestra que la levadura inicia la fermentacin alcohlica:

Azcar alcohol + CO2

Distingue : fermentacin de putrefaccin:

CH3 CH2 OH El hidrgeno

NH3, SH2

1815 GAY LUSSAC

C6 H12 O6 2CO2 + 2CH3 CH2 OH

1835 CAGNIARD-LATOUR y KUTZNIG: La levadura se reproduce por gemacin.

XIX BERZELIUS WHLER SCHWANN LIEBIG

La fermentacin es un fenmeno de naturaleza biolgica. La levadura es un ser vivo pero es el efecto y no la causa de la fermentacin.

BASE: WHLER

NH2 CO2 + 2 NH3 CO + H2O (inertes) NH2 (biolgico)

Generacin espontnea

VAN HELMONT Francisco. REDI. XVII (la refuta)

NEEDHAM Lzaro SPALLANZANI. XVIII (la refuta)

1861. Luis PASTEUR (la destruye) Memoria sobre los cuerpos organizados existentes en la atmsfera

Levadura

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1872. Inglaterra Reaparece la T.G.Espontnea: BASTIAN

TYNDALL la refuta definitivamente y crea la esterilizacin por tiempo discontinuo (TYNDALIZACIN)

Pasteurizacin 30 min a 62C.

LA OBRA DE LUIS PASTEUR (1822-1895)

- 1848: Profesor de FSICA en el Liceo de DIJON. Prof. de QUMICA en Fac. de Ciencias de ESTRASBURGO. - 1857: Fermentacin lctica. - 1858-1860: Fermentacin alcohlica. - 1859-1862: Generacin espontnea. - 1861: Fermentacin butrica. Descubre la anaerobiosis. - 1861-1864: Fermentacin actica. - 1865-1870: Enfermedades del gusano de seda. - 1866: Publica trabajos sobre Enologa. - 1868: Hemipleja - 1868: Trabajos sobre la cerveza. - 1877: Carbunco*. AUTOCLAVE (CHAMBERLAND). - 1884: Vacuna contra la rabia. - 1886: Vacuna antirrbica a J. MESTLER y J. JUPILLE. - 1888: 14 de noviembre: INSTITUTO PASTEUR.

*Carbunco, enfermedad contagiosa de animales de sangre caliente, incluyendo al hombre, producida por la bacteria Bacillus anthracis. Tambin se conoce como ntrax, carbunclo, pstula maligna. Es una de las enfermedades ms antiguas que se conocen, fue epidmica y an existe en muchas regiones del mundo. Fue la primera enfermedad de la que se aisl el agente causal en 1863 por C. J. Davaine, y para la que Robert Koch obtuvo un cultivo puro en 1876. Louis Pasteur desarroll en 1881 una vacuna eficaz para el Carbunco.

Bacillus anthracis Es uno de los agentes ms ampliamente estudiado para la Guerra Biolgica. EEUU de A e Inglaterra desarrollaron cepas resistentes a los antibiticos e hicieron ensayos durante la 2da. Guerra Mundial en Gruinard Island, pequea isla de la costa escocesa. sta permaneci deshabitada hasta 1987. La infeccin respiratoria con estas cepas es mortal.

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CRONOLOGA DE LA MICROBIOLOGA ( XIX y XX )

- 1877. R. KOCH. Tcnicas de fijacin y coloracin de bacterias. - 1877. LISTER. Aislamiento de bacterias lcticas, dilucin en medio lquido. - 1881. Esterilizacin por aire caliente. KOCH y WOLFF HGEL - 1881. KOCH. Tcnica de aislamiento en medio slido (GELATINA). - 1882. HESSE. Empleo del AGAR. - 1883. KOCH. Bacillus anthracis, Vibrio cholerae y Mycobacterium tuberculosis. - 1884. GRAM. coloracin de GRAM - LOEFFER: Bacilo de la difteria (Corynebacterium diphteriae) - 1885. ESCHERICH: Colibacilo. - 1887. PETRI. Caja de Petri. - 1889. KITASATO. Clostridium tetani. - 1891. WELCH Y NUTTAL. Cl. perfringens (gangrena), Cl. welchii - 1896. DURHAM. Aglutinamiento. de bacterias con antisueros especficos (SERODIAGNSTICO). - 1905. SCHAUDIN y HOFFMAN. Treponema pallidum.

1914-1918. Primera Guerra Mundial

ClONa: heridas (Agua de JAVEL) Acetona: plvora Glicerina: dinamita Otros: butanol, cidos: actico, lctico, oxlico, glucnico (cultivo sumergido y anaerbico).

- 1923. PFIZER. cido ctrico. Cultivo en superficie. - 1928. Alexander FLEMING. Penicilina. - 1935. STANLEY. Logra cristalizar virus del mosaico del tabaco. - 1937. KREBS. Ciclo de Krebs. - 1941. MERCK PFIZER WINTHROP estudios para producir industrialmente penicilina SQUIBB ABBOT - 1943. Se inaugura primera planta. Reactor: Tanque agitado discontinuo Cultivo: aerobio sumergido. - 1943. Jacques MONOD: basado en trabajos de MICHAELIS y MENTEN establece los principios de la cintica de crecimiento de los microorganismos. Dcada del 1940-1950. Se perfecciona el reactor tanque agitado discontinuo para el cultivo aerobio sumergido. Controles automticos. - 1962. F. JACOB y J. MONOD. Establecen los principios de la regulacin bioqumica de la actividad celular. - Dcada del 60-70. Vitaminas. Corticoides. Aminocidos. - Dcada del 70-80. Enzimas. P.U.C. CULTIVO CONTINUO. Introduccin de los principios de la Ingeniera Qumica al clculo y diseo de reactores biolgicos para el tratamiento de efluentes.

Otros avances de la dcada del 80

- Se producen polmeros microbianos (xantanos y dextranos) como aditivos alimentarios y como insumos de la recuperacin secundaria de petrleo.

- Se desarrolla la cintica enzimtica y se la aplica al modelado de reactores de produccin de metabolitos y de tratamiento de efluentes.

Por fermentacin

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DECADA DEL 90 Y POCA ACTUAL

A partir de 1950, tiene lugar significativos descubrimientos.

El ADN es la sustancia gentica La estructura del ADN El Cdigo Gentico El aislamiento del primer gen natural Avances importantes en:

Gentica Enzimologa Virologa Nacimiento de la BIOLOGA MOLECULAR

Consecuencias

Paul BERG, Universidad de Stanford, EE.UU., recibe el PREMIO NOBEL DE QUIMICA en 1980 por haber desarrollado los mtodos de la manipulacin de genes. (INGENIERA GENETICA)

Esta tcnica permite transponer las barreras de las especies.!!!!

En la naturaleza, la aparicin de nuevas caractersticas genticas se debe a 2 fenmenos:

Mutaciones : cambios del ADN, naturales y espontneos, o bien inducidos por agentes qumicos o fsicos. Recombinaciones : incorporacin de nuevos caracteres por conjugacin de organismos del mismo gnero

y especie.

Cul es causa de la barrera de las especies?

LAS ENZIMAS DE RESTRICCIN

Cuando a una clula penetra material gentico extrao (ADN), las enzimas de restriccin lo destruyen.

La destruccin consiste en cortar en sitios especficos al ADN.

EN QU CONSISTE LA INGENIERA GENTICA?

fragmentar in vitro ADN de distintos orgenes mediante una misma enzima de restriccin. utilizar otras enzimas, ADN ligadas, para unir ADN de distintos orgenes. este ADN se llama ADN recombinante. introducir ADN r en las clulas para que se exprese.

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Ejemplo : INSULINA HUMANA por Escherichia coli.

INSULINA HUMANA

ADN ligasas clulas

enzima de restriccin

(Clulas de pncreas humano) + (clulas de E. coli)

ADN fragmentado

(Escherichia coli con ADN-r)

Secrecin de insulina Esta imagen tomada con microscopio ptico es un corte de pncreas humano y muestra uno de los islotes de Langerhans (en el centro), un grupo de clulas glandulares modificadas. Estas clulas secretan insulina, una hormona que ayuda al cuerpo a metabolizar los azcares, las grasas y el almidn. Las lneas azules y blancas de los islotes de Langerhans son vasos sanguneos que transportan la insulina al resto del organismo. La deficiencia de insulina causa la Diabetes mellitus.

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BIOTECNOLOGA

Es el USO INTEGRAL de:

Las Ciencias Naturales

Microbiologa Bioqumica Gentica Enzimologa

La ingeniera Qumica Mecnica Electrnica Informtica Civil

constituidos por clulas microbianas, vegetales, animales o sus partes PARA SER APLICADOS A

para proveer a la Sociedad de BIENES Y SERVICIOS, mediante soluciones PRCTICAS Y RENTABLES.

Biologa

(Molecular)

Para su aplicacin en BIOSISTEMAS

Guerra Biolgica

Agricultura y Ganadera

Bioindustrias (Farmacutica Alimentaria)

Saneamiento Ambiental

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PROCESO BIOLGICO

MICROORGANISMOS + SUBSTANCIAS NUTRITIVAS + CONDICIONES (substratos) AMBIENTALES

MICROORGANISMOS + PRODUCTOS + CO2

FERMENTACIN

Desde el punto de vista tecnolgico, entendemos por fermentacin a la sucesin de reacciones de oxido reduccin a que por accin de los microorganismos son sometidas substancias orgnicas (o no), que actan como fuentes de carbono (o no) y energa. Los compuestos intermedios actan como donantes y aceptores de hidrgeno y constituyen los productos de la fermentacin.

[C, H, N, O, S, P, etc.] [ph, temp., agitacin, O.D.] [bacterias, levaduras, hongos, algas, etc.]

[biomasa] [antibiticos, alcoholes, ac. orgnicos, enzimas, efluentes depurados, etc.]

[si es aerobio]

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glucosa

CH2OH CH2ONO2

triosa P CHOH CHONO2 NO3H M CH2OH SO4H2 CH2ONO2

CH3 ferm. alcohlica CH3

CO Saccharomyces cerevisiae CH2OH COOH CIDO ferm. propinica CH3 PIRVICO Clostridium propionicum CH2

COOH

ferm. actica CH3

Acetobacter aceti COOH

CH3 CH2

caucho sinttico CHOH CH

Bacillus polimyxa CHOH CH

CH3 CH2

ferm. aceto-butlica

Clostridium acetobutylicum

butanol + etanol + ACETONA

CH2ONO2 celulosa PLVORA O SIN NO3H soluble en acetona HUMO SO4H2 ONO2 O

S. cerevisiae

D I N A M I T A

ONO2 Nitrocelulosa

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CARACTERSTICAS COMUNES A TODOS LOS SERES VIVOS

1. Poseen una misma unidad fsica: LA CLULA. Una: unicelulares. Muchas: pluricelulares.

2. Presentan la misma composicin qumica.

protenas En todas las clulas ADN

ARN

Todos los constituyentes celulares se forman a partir de 30 molculas sencillas:

20 aminocidos 5 bases nitrogenadas: A, G, T, U, C 1 cido graso (palmtico, C16) 2 azcares: glucosa y ribosa glicerina 1 alcohol nitrogenado

CH2OH

CH2 CH3 colina N CH3 CH3

3. Realizan actividades qumicas comunes. Su conjunto se llama METABOLISMO

Constituyentes celulares Trabajo:

Medio nutrimentos de sntesis Ambiente (METABOLISMO) mecnico osmtico

Energa: _Calrica (isotermia)

_Qumica

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METABOLISMO

CATABOLISMO

ANABOLISMO

Degradador Oxidante Generador de energa Variedad de materias iniciales pero productos finales bien definidos

Sintetizador Reductor Consumidor de energa Materiales iniciales definidos pero gran variedad de productos finales

PROCESOS COMPLEMENTARIOS INTEGRADOS (nivel ptimo de eficiencia)