BIOTECNOLOGÍA Y SOCIEDAD

Dra. María Antonia Malajovich Coordinadora de Biotecnología Instituto de Tecnologia ORT de Rio de Janeiro www.ort.org.br

ORT Uruguay, Montevideo, Agosto de 2011

1

BIOTECNOLOGÍA

Actividad basada

en conocimientos multidisciplinarios,

que utiliza agentes biológicos

para hacer productos útiles o resolver problemas

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES

Incide en varios sectores productivos: industria, energía, medio ambiente, agricultura, pecuaria, alimentos y salud.

Permite la coexistencia de tendencias globales (globalización) y locales (recursos naturales, estructura política y económica de cada país)

Envuelve empresas de diferente porte, públicas y

privadas.

IMPORTANCIA DE LA PERCEPCIÓN PÚBLICA

Impulsa, regula y/o limita el desarrollo de la biotecnología.

Ejerce su influencia de manera diferente en cada uno de los sectores productivos.

Depende de lobbies y grupos de opinión que actúan a través de campañas de marketing.

ANTIGUAS CIVILIZACIONES

6

SIGLO XIX – REVOLUCIÓN INDUSTRIAL

C&T herramientas para tratar algunos de los problemas de la sociedad.

SIGLO XX: CIENCIA & TECNOLOGÍA

Microbiología Teoría de la biogénesis (Pasteur)

Teoría microbiana de la fermentación (Pasteur)

Teorí de los gérmenes (Pasteur, Koch) e Postulados (Koch)

Métodos microbiológicos (Coloración y cultivos puros)

Princípios de antisepsis (Lister)

Biología celular Teoría celular (Schleiden y Schwann)

Cultivos de tejidos animales (Roux)

Evolución Teoría de la seleción natural (Darwin)

Genética Teoría de la herencia (Mendel)

Bioquímica Refutação del principio de la vida (Wohler), enzimas (Kuhne, Buchner)

Inmunología Fagocitosis y teoría de la inmunidad celular (Metchnikoff), inmunización (Pasteur), quimioterapia (Ehrlich)

SIGLO XX: CONFLICTOS BÉLICOS

1a Guerra Mundial (1914 – 1918)

2a Guerra Mundial (1939 – 1945)

Producción de acetona

Producción de penicilina

PRIMERA GUERRA MUNDIAL

Producción de butanol y acetona por fermentación bacteriana Chaim Weizmann (1914, Inglaterra)

PRIMERA DEFINICIÓN DE BIOTECNOLOGÍA

La ciencia de los métodos que permiten la obtención de productos a partir de materia-prima, mediante la intervención de organismos vivos (Ereky, 1919).

SEGUNDA GUERRA MUNDIAL

Fleming descubre la penicilina

Florey y Chain

Producción industrial de penicilina

Otra cepa: Penicillium chrysogenum

Scale up

PROCESOS FERMENTATIVOS

BIOLOGIA MOLECULAR

Rosalind Franklin and the Discovery of DNA Structure Media: digital Hunter Cole (2002)

TECNOLOGÍA DEL DNA-RECOMBINANTE

Bacterias Tr

Enzimas de

restricción

Bacterias Kr

rDNA

Medio + T + K

Ligase

rDNA

Bacterias Tr Kr

recombinantes

CORTAR PEGAR

COPIAR

(clonar)

SAPOBACTER O BACTESAPO?

“Fragments of amplified Xenopus laevis DNA, coding for 18S and 28S ribosomal RNA and generated by EcoRI restriction endonuclease, have been linked in vitro to the bacterial plasmid pSCl01; and the recombinant molecular species have been introduced into E. coli by transformation. These recombinant plasmids, containing both eukaryotic and prokaryotic DNA, replicate stably in E. coli. RNA isolated from E. coli minicells harboring the plasmids hybridizes to amplified X. laevis rDNA.” En Replication and Transcription of Eukaryotic DNA in Escherichia coli (MORROW J.F., COHEN S.N., CHANG A.C. Y., BOYER H.W., GOODMAN H.M.E R.B. HELLING. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 71:5, 1974

?

CONFERÊNCIA DE ASILOMAR

En la conferencia de Asilomar (EEUU, 1975) 139 investigadores de 17 países, Clasifican los experimentos en función del riesgo

(alto, medio, bajo).

Deciden no hacer experimentos de alto riesgo hasta que se definan las normas de contención adecuadas (Moratoria).

Expresan firmemente la necesidad de trabajar

con microorganismos debilitados.

En 1976, el NIH reglamenta las

normas de trabajo y se levanta la

moratoria

LA TECNOLOGIA DE HIBRIDOMAS

Linfocitos B

Hibridomas Células de

mieloma

ANTICUERPOS

POLICLONALES

ANTICUERPOS

MONOCLONALES

LENTA EXPANSIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA (1980- 1990)

1977 Hormona de crecimiento

1982 Insulina humana

1983 Test de diagnóstico (Chlamydia)

1984 Fingerprint

1986 Vacuna contra la hepatitis B

1987 Factor activador del plasminógeno (tPA)

1987 OGM para evitar las heladas

BASES COMERCIALES Y PRIMERAS PATENTES (1980-1990)

1980 - Chakrabarty (microorganismo genéticamente diseñado para tratar derrames de petróleo)

1980 - Boyer e Cohen (tecnología del rDNA)

1985 - Mullis (PCR o reacción en cadena de la polimerasa)

1987 - Universidad de Harvard (animal genéticamente diseñado para el estudio del cáncer)

OTRAS TECNOLOGÍAS

TECNOLOGIA DEL DNA

Extraer, cortar y pegar

Separar Identificar Copiar Secuenciar

PROYECTO GENOMA (1989 – 2001)

LOS MAPAS DEL GENOMA

Mapa genético Mapa físico

Cromosoma DNA

LAS BIOTECNOLOGÍAS

Antiguedad Pan, queso, cerveza, vino

Siglo XIX Microbiología, Bioquímica, Inmunologia, Genética, Biología celular

1907-1909 Cultivo in vitro de tejidos animales y humanos

1914-1918 Producción de acetona por fermentación

1919 Éreky define la biotecnologia

1939 Cultivo in vitro de tejidos vegetales

1944 Produción de penicilina Biología molecular

1953 Modelo de la doble hélice del DNA

1973 Tecnología del DNA-recombinante

1975 Tecnología de hibridomas - Asilomar

1975-1990 Tecnología del DNA, bases comerciales y primeras patentes

1990-2000 Bienes y servicios em varios sectores productivos

2001 Genoma humano y de otros organismos

2009 Obtención de células troncales iPS

LA BIOTECNOLOGÍA DEL SIGLO XXI

PROCESOS FERMENTATIVOS

CULTIVO DE CÉLULAS Y TEJIDOS

INGENIERÍA GENÉTICA

APORTES GENÓMICOS

GRANDES PROBLEMAS DEL SIGLO XXI

Aumento de la población mundial

Cambios climáticos

UN PANORAMA PREOCUPANTE

Procesos industriales que degradan el ambiente

Recursos energéticos tradicionales empobrecidos

Pérdida de biodiversidad

Falta de alimentos

Enfermedades conocidas y emergentes

Amenazas a la seguridad

QUE NOS OFRECE LA BIOTECNOLOGÍA?

?

Bienes y servicios

Indústria Química Energía Medio ambiente Agricultura

Pecuaria Biodiversidad Alimentos Salud

HerramientasAlicerces

INDÚSTRIA: BT DETRÁS DE LOS BASTIDORES

CARACTERÍSTICAS DE LA INDUSTRIA QUÍMICA

Producir substancias que atiendan a las necesidades otras industrias.

Ajustarse rapidamente a cualquier cambio en el costo de la materia-prima o de la energía.

Metabolitos primarios

Alcoholes y solventes (Etanol, butanol, acetona etc.)

Ácidos orgánicos ( Ácido láctico, ácido cítrico, ácido acético etc.)

Aminoácidos (Monoglutamato de sodio, aspartame etc.)

Polisacáridos (Xantana, dextranos, agar, alginatos)

Nucleótidos y nucleósidos

Vitaminas (B2, C y B12)

Colorantes (β-caroteno etc.)

Metabolitos secundarios

Moléculas para la salud humana y animal (Anti-bacterianos, anti-virales, sueros, vacunas, etc.)

Moléculas para la agricultura (Insecticidas y pesticidas, factores de crecimiento)

Moléculas para la industria de alimentos (Condimentos y aromatizantes)

Enzimas

Bioplásticos

Biocombustibles

LOS PRODUCTOS DE LA VÍA BIOLÓGICA

LAS TECNOLOGÍAS DE LA VÍA BIOLÓGICA

BIOCOMBUSTIBLES

Inicio del siglo XX – Motores de ignición

Por centella / etanol de maíz (Henry Ford)

Por compresión / aceite de maní (Rudolf Diesel)

Década de 1920

Gasolina y aceite diesel

Crisis del petróleo (1970)

Etanol y biodiesel como fuentes alternativas

ALMIDÓN SACAROSA CELULOSA

ETANOL

CALDO AZUCARADO (MOSTO)

Hidrólisis enzimática Hidrólisis ácida o enzimática

Fermentación

Destilación

ETANOL

PAÍSES PRODUCTORES

Brasil, Estados Unidos, Canadá, China,

Unión Europea (Francia, Alemania, India).

BRASIL

36 billones de litros de etanol (2012).

400 industrias productoras de etanol.

Más de 3.000.000 de coches utilizando alcohol hidratado.

Gasolina con 20 a 24% de alcohol anhidro.

Tecnología Flex fuel.

Utilización de material ligno-celulósico con tecnología enzimática (2012)

Substitución de la gasolina dependerá del precio del petróleo, de la tecnología disponible y del proceso productivo.

Usinas São Martinho,

Cosan e Bunge

ETANOL

Evaluación Justificativa

(-) Desmatamiento y pérdida biodiversidad causada por la expansión de un producto agroindustrial.

(+/-) Substitución de las quemadas y mecanización (2014).

(+) Integración del proceso productivo (aglomerado, ración animal, adobo, celulosa, bagazo y generación de energía).

(+)

Mejoramiento genético de la caña de azúcar y de la levadura (genómica).

MATERIAL SÓLIDO FIBROSO EFLUENTE LÍQUIDO

ESTIÉRCOL

BIOGÁS

Moléculas complejas (polímeros)

Moléculas simples (monómeros)

Ácidos y alcoholes

Acetato

Microorganismos fermentativos Bacterias acidogénicas Bacterias acetogénicas Bacterias metanogénicas

BIOGÁS

BIOGÁS ( H2O, CH4 e CO2 )

PAÍSES PRODUCTORES

Dinamarca, Estados Unidos, Alemania, Francia, Japón, Suecia, India, China, Cuba.

MATERIA-PRIMA: RESIDUOS

Rurales (estiércol)

Agroindustriales (vinazas y efluentes de industrias lácteas o mataderos)

Domésticos o comunitarios (fango de cloaca)

TECNOLOGÍA

Simple o compleja, en rellenos sanitarios o biodigestores .

BIODIESEL

REACCIÓN DE TRANSESTERIFICAÇÃO

Triglicerídeos Alcohol Glicerol Ésteres

BIODIESEL

PAÍSES PRODUCTORES

Union Europea (60%), Estados Unidos, China, Indonesia, Malasia. Brasil, diesel aditivado de 5% de biodiesel (até 20 % em 2020).

MATERIA-PRIMA Soja, dendé, canola, girasol, ricino.

TECNOLOGÍA

Concepto de biorrefinería Biología sintética: la aprovación por la CTNBio de una levadura

transgénica que sintetiza farneseno, um precursor del biodiesel, permitirá fabricarlo a partir de caña de azúcar (2011)

BIOLOGÍA SINTÉTICA

BENNER S.A. Y SISMOUR A.M. Synthetic biology. Nature Reviews Genetics 6:553, 2005

Utilizar componentes no naturales

para construir sistemas que funcionen

de manera natural (vida artificial)

Utilizar componentes naturales

para construir sistemas que funcionen

de manera no natural

The combination of enzymes from three sources in an Escherichia coli host generated a strain of the bacterium that produced a precursor for artemisinin, an antimalarial drug.

Synthetic biological ‘toys’ can also be created. For example, an artificial oscillatory network (a ‘repressilator’) was constructed in E. coli by Elowitz and Leibler. These synthetic biologists placed into an E. coli host three transcriptional repressor systems that are not together part of any natural biological system, and coupled these to the synthesis of green fluorescent protein. The fluorescent output of the cell oscillated as a function of time, providing a visual signal of the state of the oscillator in the cell. The oscillation period of hours was longer than the time typical to complete a cycle of cell division. This indicates that the state of the oscillator was transmitted from generation to generation, and became a property of a colony of cells.

MEDIO AMBIENTE: BT CON PRECAUCIÓN

EL ESCÁNDALO FROSTBAN (ICE-MINUS)

AGS scientist Julie Lindemann sprays Frostban on strawberry plants in the first approved release of genetically engineered organisms (1987).

DESARROLLO SOSTENIBLE

Capacidad de atender las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras en atender sus propias necesidades.

Informe Brütland, 1987.

PREVENCIÓN DE LA DEGRADACIÓN AMBIENTAL

DESARROLLO SOSTENIBLE

Substituir productos y procesos industriales por otros, menos agresivos al medio ambiente

TECNOLOGÍAS LIMPIAS

TECNOLOGIAS LIMPAS

Substitución de productos y procesos industriales por otros, menos agresivos al medio ambiente.

Tratamientos químicos x tratamientos enzimáticos

Combustíbles fósiles x biocombustibles

Plásticos x bioplásticos

Fertilizantes químicos x fertilizantes biológicos

Agrotóxicos x biopesticidas

USO INDUSTRIAL DE ENZIMAS

VENTAJAS Son específicas,

Operan en condiciones controlables

Efluentes menos poluentes

ALGUNAS APLICACIONES Alimentos (pectinases).

Detergentes (lava-ropas biológicos).

Papel e celulose (pasta Kraft).

Têxtil (stone washed).

INDUSTRIA DE PAPEL Y CELULOSA

Madera Lignina + celulosa + hemicelulosa

Extracción alcalina a alta temperatura

Lignina (90%) Pasta Kraft (10%)

Lignina (10%) + celulosa +hemicelulosa

Blanqueamiento con cloro Blanqueamiento con xilanase Derivados clorados Eliminación de la lignina de la lignina Pulpa blanca Efluente Efluente

BIOPOLÍMEROS Y BIOPLÁSTICOS

Síntesis biológica

Celulosa, almidón y aceites vegetales.

Polimerización de una molécula básica, proveniente de una fuente renovable.

Ejemplo: Polilactato (PLA).

Polímeros de origen bacteriana

Polihidroxialcanoatos (PHA) y polihidroxibutiratos (PHB).

BIOPLÁSTICOS

PLA (Natureworks, Ingeo)

PHBs / Biopol

Polietileno verde

Sorona

FERTILIZANTES BIOLÓGICOS

TURFAL

Laboratorio ORT (RJ)

Empresas en Brasil: Bio Agro, Bio Soja, Microquímica, Nitral Urbana, Stoller, Total Biotecnologia, Rizobacter etc.

MONITORAR

INDICADORES BIOLÓGICOS

TÉCNICAS INMUNOLÓGICAS

TÉCNICAS GENÉTICAS

BIOSENSORES

METAGENÓMICA

Extracción del DNA de una comunidad biológica, a partir de una muestra del ambiente

Construcción de una biblioteca génica

Determinación de la secuencia y la función de los genes

Sabemos cultivar menos del 1% de las especies microbianas del planeta

REMEDIAR

REDUCCIÓN DE RESÍDUOS Degradación de la basura, tratamiento de aguas residuales y de efluentes industriales.

Petróleo

(MEOR, microbially enhanced oil recovery).

RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS NATURALES

Titan Oil Recovery Inc. http://www.titanoilrecovery.com/titanprocess3.html

BIORREMEDIAR

Condiciones necesarias

1 - Existir algún microorganismo capaz de metabolizar el

contaminante, liberando productos metabólicos seguros.

2 - Condiciones ambientales favorables.

3 - Relación costo-beneficio interesante.

Evaluación Justificativa

(+) Problemas puntuales, tratamiento particular

(+) Se presta um servicio, no hay producto para patentear.

(+) Tecnología en manos de organizaciones gubernamentales

o de pequeñas firmas que actúan localmente.

SUBSTANCIAS INORGÁNICAS

Metales (cadmio, mercurio, plata, cobalto, plomo, cobre, cromo, hierro), isótopos radioactivos, nitratos, nitritos, fosfatos, cianuros, asbestos. Productos gaseosos como: SO2, CO2 y Nox

SUBSTANCIAS ORGÁNICAS

Efluentes y residuos sólidos de origen doméstica, agrícola e industrial. Residuos petroquímicos: petróleo, gasoil compuestos aromáticos (benceno, tolueno, etilbenceno, xileno). Productos sintéticos: tricloroetileno (TCE) y pesticidas orgánicos halogenados, como los bifenilos poli clorados (PCBs) o los hidrocarbonatos poli aromáticos (PHAs). Productos gaseosos: metano, clorofluorocarbonatos (CFCs), compuestos orgánicos volátiles (VOCs).

TRATAMIENTOS DE BIORREMEDIACIÓN

In situ

Colocar microorganismos específicos en el suelo

(Caso de las bacterias ice minus, 1987).

Adicionar nutrientes para estimular la actividad de los microorganismos presentes en el sitio contaminado.

Ex situ

Excavar el suelo y transferirlo a un biorreactor.

Microorganismos del ambiente

Microorganismos seleccionados

Microorganismos GM (en sistemas confinados)

Medio contaminado

Medio descontaminado

Optimización de factores que estimulen la acción microbiana (estructura del suelo, pH, aceptores de electrones)

Suplemento de nutrientes

ESTUDIO DE CASO: DERRAMES DE PETRÓLEO Navíos (Prestige, Exxon Valdez, Torrey

Canyon, Amoco Cádiz, Braer and Sea Empress etc.)

Plataformas (British Petroleum)

Guerra del Golfo

OGM de Chakrabarty (1971), poco éxito en Alasca (Exxon Valdez, 1989), no se sabe si fué utilizado en la Guerra del Golfo (?). Investigaciones actuales: Alcanivorax borkumensis que metaboliza 70% de los compuestos del petróleo, y especialmente los de bajo PM .

Deinococcus radiodurans

http://sciencetechnonews.com/2010/12/

CONTRIBUICIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA

ECONOMÍA Disminución del costo de la materia-prima y de la producción industrial.

SOCIEDAD Conservación y creación de empleos en nuevas plataformas tecnológicas.

AMBIENTE Prevención, remediación y monitoreo de la contaminación.