Otras Aplicaciones de biotecnologia

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.12

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).13 Además varios microorganismos como Pseudomonas, Flavobacterium, Arthrobacter y Azotobacter pueden ser utilizados para degradar petróleo.14 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.15

Bioinformática

La bioinformática es un campo interdisciplinario que se ocupa de los problemas biológicos usando técnicas computacionales y 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."16 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.

Bioingeniería

La 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, etc. Se trata de un enfoque integrado de los fundamentos de las ciencias biológicas y los principios tradicionales de la ingeniería.

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.

Existe un creciente número de empresas de biotecnología y muchas universidades de todo el mundo proporcionan programas en bioingeniería y biotecnología de forma independiente.

Ventajas y riesgos

Ventajas

Entre las principales ventajas de la biotecnología se tienen:

Rendimiento superior. Mediante los OGM el rendimiento de los cultivos aumenta, dando más alimento por menos recursos, disminuyendo las cosechas perdidas por enfermedad o plagas así como por factores ambientales.17

Reducción de pesticidas. Cada vez que un OGM es modificado para resistir una determinada plaga se está contribuyendo a reducir el uso de los plaguicidas asociados a la misma que suelen ser causantes de grandes daños ambientales y a la salud.18

Mejora en la nutrición. Se puede llegar a introducir vitaminas 19 y proteínas adicionales en alimentos así como reducir los alergenos y toxinas naturales. También se puede intentar cultivar en condiciones extremas lo que auxiliaría a los países que tienen menos disposición de alimentos.

Mejora en el desarrollo de nuevos materiales.20

La aplicación de la biotecnología presenta riesgos que pueden clasificarse en dos categorías diferentes: los efectos en la salud de los monos que son los humanos y de los animales y las consecuencias ambientales.4 Además, existen riesgos de un uso éticamente cuestionable de la biotecnología moderna.21 (ver: Consecuencias imprevistas).

Riesgos para el medio ambiente

Entre los riesgos para el medio ambiente cabe señalar la posibilidad de polinización cruzada, por medio de la cual el polen de los cultivos genéticamente modificados (GM) se difunde a cultivos no GM en campos cercanos, por lo que pueden dispersarse ciertas características como resistencia a los herbicidas de plantas GM a aquellas que no son GM.22 Esto que podría dar lugar, por ejemplo, al desarrollo de maleza más agresiva o de parientes silvestres con mayor resistencia a las enfermedades o a los estreses abióticos, trastornando el equilibrio del ecosistema.4

Otros riesgos ecológicos surgen del gran uso de cultivos modificados genéticamente con genes que producen toxinas insecticidas, como el gen del Bacillus thuringiensis. Esto puede hacer que se desarrolle una resistencia al gen en poblaciones de insectos expuestas a cultivos GM. También puede haber riesgo para especies que no son el objetivo, como aves y mariposas, por plantas con genes insecticidas.22

También se puede perder biodiversidad, por ejemplo, como consecuencia del desplazamiento de cultivos tradicionales por un pequeño número de cultivos modificados genéticamente".4

Riesgos para la salud

Existen riesgos de transferir toxinas de una forma de vida a otra, de crear nuevas toxinas o de transferir compuestos alergénicos de una especie a otra, lo que podría dar lugar a reacciones alérgicas imprevistas.4

Existe el riesgo de que bacterias y virus modificados escapen de los laboratorios de alta seguridad e infecten a la población humana o animal.23

Los agentes biológicos se clasifican, en función del riesgo de infección, en cuatro grupos:24

Agente biológico del grupo 1: aquél que resulta poco probable que cause una enfermedad en el hombre.

Agente biológico del grupo 2: aquél que puede causar una enfermedad en el hombre y puede suponer un peligro para los trabajadores, siendo poco probable que se propague a la colectividad y existiendo generalmente profilaxis o tratamiento eficaz.

Agente biológico del grupo 3: aquél que puede causar una enfermedad grave en el hombre y presenta un serio peligro para los trabajadores, con riesgo de que se propague a la colectividad y existiendo generalmente una profilaxis o tratamiento eficaz.

Agente biológico del grupo 4: aquél que causando una enfermedad grave en el hombre supone un serio peligro para los trabajadores, con muchas probabilidades de que se propague a la colectividad y sin que exista generalmente una profilaxis o un tratamiento eficaz.

Los microorganismos y la biotecnología tradicional 

La biotecnología tradicional se define como el empleo de microorganismos para la obtención de un producto útil para la industria. El término “microorganismos” incluye a un grupo variado de organismos, relacionados entre sí por su tamaño microscópico. La gran mayoría son unicelulares, y viven en forma solitaria o formando colonias, aunque hay otros que son pluricelulares. El grupo abarca tanto a procariontes (bacterias) como a eucariontes (protozoos, algas y hongos).

A los microbios se los conoce sobre todo por las enfermedades que causan a las personas, animales y plantas. Sin embargo, son esenciales para la elaboración de alimentos, medicamentos y otros productos de interés industrial. Entre los microbios útiles se destacan las levaduras, que producen el alcohol para la elaboración del vino y el dióxido de carbono para “levantar” la masa del pan, y las bacterias ácido lácticas, que aportan el ácido láctico en los productos lácteos, cárnicos y vegetales fermentados. En muchos productos de la industria alimenticia, los microorganismos están presentes durante el proceso de producción pero ausentes como células viables en el producto final. En otros, los microorganismos vivos están en el producto final (microorganismos probióticos), y su presencia en los alimentos estaría asociada con efectos beneficiosos para la salud. Hay hongos filamentosos que también se emplean en la elaboración de alimentos, como ciertas cepas de Penicillum, que le otorgan las propiedades tan características a los quesos del tipo Roquefort y Camembert.  

Cuaderno para docentes Nº 7: la biotecnología tradicional y los alimentos 

Biotecnología tradicional y alimentación

La biotecnología comprende una amplia variedad de técnicas que utilizan sistemas biológicos, organismos vivos o sus componentes, para la obtención de productos y servicios para usos específicos. En su sentido más amplio, la biotecnología es aplicada por el hombre hace ya miles de años en la obtención de alimentos. El pan, la cerveza, el queso y el vino, resultantes de procesos de fermentación por la acción de bacterias y hongos (ver Cuaderno Nº 53), eran parte esencial de la dieta en las civilizaciones ancestrales como lo son actualmente. Sin embargo, en

aquella época no se conocía acerca de los microorganismos ni de los procesos metabólicos que realizan. No fue sino hasta la segunda mitad del siglo XIX cuando Luis Pasteur demuestra que estos procesos son consecuencia de la actividad microbiana. Entonces, se incluye a los procesos de fermentación dentro de la biotecnología tradicional. También se incluye dentro de la denominación de biotecnología tradicional otras técnicas como la selección artificial y los cruzamientos selectivos (hibridación) y la mutagénesis, que intervienen en los procesos productivos, y en la transformación genética de especies que se utilizan en la industria alimenticia (ver Cuaderno Nº 5). Evidencias históricas de la fermentación aplicada a la alimentación Existen evidencias arqueológicas y botánicas a partir de restos de semillas, prácticas y herramientas agrícolas que revelan habilidades rudimentarias en el arte de la fermentación microbiana en la Mesopotamia, alrededor del año 6000 a.C. La preparación de unas 38 comidas y bebidas alcohólicas tradicionales de los indígenas de Asia, África y América Latina involucraban la utilización de un sustrato rico en almidón para la producción de azúcares fermentables por levaduras y bacterias. Incluso, en tumbas de miembros de la corte del rey egipcio Nyuserre Ini (2453-2422 a.C.) se encontraron fórmulas para la producción de cerveza, descriptas por el alquimista Zosimus en el siglo III d.C. Desde entonces hasta la actualidad, gran parte de la alimentación humana está relacionada con el proceso de fermentación microbiana. La siguiente tabla describe algunos alimentos fermentados tradicionales y aporta datos acerca de su elaboración y del contexto socio-cultural en que surgen:

Inóculo* natural

Producto

Sustrato Uso Factor socio-cultural

Europa

Levadura Cerveza Cebada y otros sustratos de almidón

Segunda bebida después del té

La receta más antigua conocida para fabricar cerveza está escrita en una tabla de 4000 años en un himno a la diosa sumeria de

la cerveza Ninkasi. Se cree que los sumerios fueron la primera civilización en fabricar cerveza.

Mezcla de lactobacilos y levaduras

Kefir Leche fresca

Bebida alimenticia

Originario de las montañas caucásicas y relacionado a la longevidad de pobladores de Armenia, Azerbaijan y Georgia

Levaduras Kvass Centeno o cebada fermentados, o pan oscuro de centeno remojado fermentado

Bebida de bajo contenido alcohólico

Bebida nacional rusa

Lactobacilos

chukrut repollo alimento “Sahuerkohl”, preparado en los hogares alemanes como comida de invierno, era conocido en China como el

alimento de las tropas de Genghis Khan

América Latina y el Caribe

Mezcla de lactobacilos y levadura

Chicha Maíz, batata o plátanos maduros

Bebida alcohólica

Característica de la región de los Andes (Bolivia, Colombia, Ecuador, Perú). Esta bebida es consumida actualmente en eventos agrícolas, familiares, sociales y religiosos. Era considerada por los incas como el vehículo que unía al hombre con sus dioses a través de la fecundidad de la tierra

Especies de Leuconostoc

Pulque Cactus (aka agave)

Bebida alcohólica

Bebida nacional mexicana heredada de los aztecas que la usaban como ofrenda a la diosa

Mayahuel

Lactobacilos

Queso chaqueño

leche alimento El proceso actual para su producción se basa en el que usaran los jesuitas en el siglo XVI en Moxos Pampas, Bolivia.

Fuente: Adaptado de Da Silva, E. Electronic Journal of Biotechnology (2004). Artículo en inglés.* Cultivos empleados para iniciar un proceso de fermentación.

¿Qué es la fermentación?

Se estima que los alimentos fermentados contribuyen aproximadamente con la tercera parte de la dieta mundial. El proceso de fermentación se encuadra dentro de la biotecnología tradicional, que también incluye el mejoramiento por cruzamiento sexual de distintas variedades de plantas y animales, y la mutagénesis (ver cuaderno Nº5). El término fermentación, en su acepción estricta, se refiere a la obtención de energía en ausencia de oxígeno. Pasteur denominó a la fermentación "la vie sans l'air" o "la vida sin aire". En otras palabras, es el proceso de transformación de sustancias orgánicas por los microorganismos (bacterias, levaduras y otros hongos) en condiciones anaeróbicas, o por complejos enzimáticos de origen animal, vegetal o microbiano. Existen diferentes tipos de procesos de fermentación que se denominan según el nombre del producto final que se obtiene. Entre ellos:   Fermentación láctica: Se produce en muchas bacterias (bacterias lácticas), también en algunos protozoos y en el músculo esquelético humano. El producto de la reacción es el ácido láctico responsable de la obtención de productos lácteos acidificados como yogurt, quesos, cuajada, crema ácida, etc. El ácido láctico tiene excelentes propiedades conservantes de los alimentos. En las células musculares humanas, la acumulación de ácido láctico produce los dolorosos “calambres”. Fermentación alcohólica: Esta fermentación la realizan, por ejemplo, las levaduras del género Saccharomyces. Se obtiene como producto alcohol etílico o etanol, y dióxido de carbono (CO2). Se trata de un proceso de gran importancia industrial que, según el tipo de levadura empleada, da lugar a una variedad de bebidas alcohólicas: cerveza, vino, sidra, etc. También en la fabricación del pan se añade a la masa una cierta cantidad de levadura que, al realizar la fermentación a partir del almidón de la harina, hará que el pan sea más esponjoso por las

burbujas de CO2 que se desprenden e inflan la masa. En este último caso el alcohol producido desaparece durante la cocción.  

Durante el proceso de fermentación, el metabolismo microbiano resulta en la producción de una diversidad de metabolitos (productos intermedios de las reacciones del metabolismo). Entre ellos, enzimas capaces de degradar carbohidratos, proteínas y lípidos, también se producen suplementos y aditivos (vitaminas, conservantes, aromatizantes y colorantes naturales, compuestos antimicrobianos, agentes que aportan textura, aminoácidos y ácidos orgánicos, entre otros). Muchos de estos compuestos son producidos a nivel industrial para utilizarlos en el procesamiento de alimentos (ver Cuaderno Nº 75). Por ejemplo, en la preservación de un amplio rango de materiales crudos (cereales, raíces, tubérculos, frutas y vegetales, leche carne, pescado, etc.), en la producción de alimentos fermentados (queso, yogurt, leches fermentadas, salchichas y salsa de soja, entre otros). Es por ello que muchos grupos de investigación, públicos y estatales, están interesados en la biotecnología aplicada al mejoramiento de la producción, calidad y rendimiento de metabolitos microbianos.

Biotecnología tradicional en el mejoramiento de los alimentos

Los cultivos microbianos, que tienen una larga tradición de utilización en la industria alimentaria, pueden ser mejorados utilizando métodos tradicionales o por ingeniería genética. Estas modificaciones pueden introducir, a su vez, cambios deseados en los productos de consumo. ¿Qué parámetros se pueden mejorar? Entre otros, la calidad sensorial (aroma, apariencia visual, textura y consistencia), la resistencia a virus, la capacidad para producir compuestos antimicrobianos, la degradación o inactivación de toxinas naturales, de micotoxinas y de factores antinutricionales. Los métodos tradicionales para el mejoramiento genético tales como la mutagénesis (también aplicada al mejoramiento de plantas) y la conjugación bacteriana han sido las bases de la industria de desarrollo de inóculos bacterianos (cultivos empleados para iniciar un proceso de fermentación), mientras que la hibridización ha sido usada en el mejoramiento de cepas de levadura utilizadas ampliamente en la industria de la panificación y fabricación de cerveza. Estos métodos se describen a continuación: a) Mutagénesis clásica: Esta metodología involucra la producción de mutantes por la exposición de cepas microbianas a sustancias mutagénicas químicas o rayos ultravioletas que inducen cambios azarosos en sus genomas. Las cepas así producidas son seleccionadas en base a propiedades específicas deseadas, tales como la resistencia a virus. Sin embargo, la mutagénesis puede originar cambios secundarios, no buscados, que podrían influenciar el comportamiento del cultivo durante la fermentación, u otros procesos metabólicos. b) Conjugación: Es un proceso natural donde se transfiere material genético entre especies microbianas emparentadas, como resultado de un contacto físico entre un microorganismo dador y otro aceptor. El intercambio de genes por conjugación permite la transferencia de genes situados en el cromosoma o en plásmidos (molécula de ADN circular extra cromosómica que se encuentra

presente en muchas bacterias, y que puede transferirse de una bacteria a otra).c) Hibridización (o reproducción sexual): Las levaduras son hongos unicelulares (eucariotas) que usualmente se reproducen asexualmente por división de sus células, pero también pueden hacerlo “sexualmente” por la fusión de dos células que forman un nuevo organismo unicelular que continúa  dividiéndose por mitosis. La reproducción sexual, con el consiguiente fenómeno de recombinación genética, ha llevado a mejoramientos en este tipo de microorganismos.

Probióticos y prebióticos: otra aplicación de la biotecnología tradicional

Actualmente, es habitual escuchar acerca de los productos “bio”, “probio” y “prebio”, que se promocionan como beneficiosos para la salud. De hecho, existen actualmente en el mercado productos  probióticos y prebióticos (ver Cuaderno Nº 25). ¿Qué son los probióticos? Una de las definiciones más aceptadas es la de “microorganismos vivos que administrados confieren beneficios a la salud del huésped” (FAO, WHO. 2002). Actualmente existe un gran número de probióticos disponibles en los alimentos fermentados, especialmente en los yogures donde las bacterias ácido-lácticas funcionan como habitantes naturales del tracto gastrointestinal y ejercen allí una función de defensa ante potenciales agentes patógenos. Algunas especies de bacterias ácido-lácticas son administradas vivas a los humanos como suplementos dietarios para mejorar la composición de la microbiota intestinal. Se incluyen cepas seleccionadas de Lactobacillus, Bifidobacterium, Lactococcus y Saccharomyces.¿Qué son los prebióticos? Son ingredientes alimenticios no digeribles o de baja digestión que benefician al organismo huésped estimulando selectivamente la acción de una bacteria benéfica –o de un grupo de ellas- presentes en su intestino. Algunos hidratos de carbono fermentables no digeridos en el intestino delgado cumplen esta función, ya que estimulan el crecimiento de bifidobacterias entre otras.Algunos microorganismos asociados a los alimentos fermentados, en particular distintas cepas de Lactobacilos, son prebióticos, es decir, utilizados como suplementos dietarios microbianos vivos o como ingredientes en la alimentación que tienen efecto beneficioso en el huésped al influenciar la composición y/o actividad metabólica de la flora del tracto gastrointestinal.

Otras aplicaciones de la biotecnología tradicional a la alimentación

La biotecnología tradicional también interviene en el mejoramiento de cultivos y de especies animales que forman parte de la alimentación. De hecho, la gran mayoría de los cultivos que utiliza el agricultor en la actualidad han sido generados desde hace miles de años por métodos convencionales, como la selección artificial y la hibridación (cruzamientos selectivos) que aprovechan la diversidad y promueven la reproducción y la supervivencia de determinadas especies o variedades que resultan favorables. También en la actividad ganadera se seleccionan

artificialmente y se cruzan determinados ejemplares que resultan más productivos o que ofrecen productos de mejor calidad.

A los métodos tradicionales de modificación genética, se suma en la actualidad la biotecnología moderna como una herramienta más que emplea técnicas de ingeniería genética para el mejoramiento de especies y la obtención de productos con múltiples aplicaciones en la agricultura, la salud, el ambiente y en diferentes industrias.

Además de la industria alimenticia, hay otras industrias que se benefician de los productos de los microorganismos, entre ellas, la farmacéutica. Hay bacterias que producen una variada gama de antibióticos, como ciertas cepas del género Streptomyces (estreptomicina, tetraciclina, eritromicina), y también hongos filamentosos, como Penicillium, del cual se obtiene la penicilina.

Biotecnología y producción de antibióticos

Los antibióticos, un hito de la biotecnología

La mayoría de las personas conoce acerca de la existencia de antibióticos, y su empleo es un hecho frecuente en el mundo entero hace varios años. La biotecnología, por su parte, se considera un desarrollo reciente. Sin embargo, la biotecnología se encuentra presente en la vida cotidiana más de lo que la gente se imagina, hace muchos años. Por ejemplo, pocos conocen la relación que existe entre los antibióticos y la biotecnología. De hecho, la producción de antibióticos que se inició a mediados del siglo XX, se considera la primera aplicación de la biotecnología a la vida cotidiana de las personas. Para comprender mejor esta afirmación, se debe recordar a qué se llama biotecnología y definir qué es un antibiótico. La biotecnología se define tradicionalmente como “el empleo de organismos vivos para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre”. Actualmente, la biotecnología moderna emplea técnicas de ingeniería genética, e incluye la producción de proteínas recombinantes, el mejoramiento de cultivos vegetales y del ganado, el empleo de organismos para limpiar el medio ambiente, y otras aplicaciones industriales”. Los antibióticos pueden definirse como moléculas con actividad antimicrobiana y, originalmente, eran el producto del metabolismo de hongos y bacterias.De lo anterior se desprende que los antibióticos para uso humano que se obtienen a partir de los microorganismos son productos biotecnológicos, y se consideran la primera aplicación de la biotecnología a la industria farmacéutica.

¿Qué son los antibióticos?

Como ya se adelantó, los antibióticos en un principio involucraban productos del metabolismo de hongos y bacterias, capaces de inhibir en pequeñas dosis los procesos vitales de ciertos microorganismos, destruyendo o impidiendo su desarrollo y reproducción. Los antibióticos naturales son productos del metabolismo secundario de ciertos microorganismos provenientes del suelo, como los hongos del género Penicillium o las bacterias del género Streptomyces. El metabolismo secundario comienza cuando el microorganismo detiene su crecimiento por alguna razón (por ejemplo, por agotamiento de nutrientes), y los intermediarios metabólicos o productos finales comienzan a acumularse dentro de la célula. Estos intermediarios y productos finales pueden resultar tóxicos, y por eso la célula los convierte en productos menos tóxicos, como los antibióticos. La producción y secreción de las sustancias antibióticas no afectan al microorganismo productor, y le ofrecen una ventaja desde el punto de vista de la supervivencia ya que le permiten colonizar ambientes con más eficacia que sus competidores.

Antibióticos sintéticos y semi-sintéticos

En la actualidad no sólo se fabrican antibióticos naturales, es decir, a partir del cultivo a gran escala de microorganismos, sino que también hay antibióticos sintéticos y semi-sintéticos. Los antibióticos sintéticos se producen en el laboratorio a través de procesos de síntesis química, como es el caso de las sulfamidas. Otros antibióticos se obtienen a partir de cultivos microbianos y luego se modifican químicamente. Éstos últimos son los antibióticos semi-sintéticos, como por ejemplo, la ampicilina, derivada de la penicilina.

¿Qué tipo de antibióticos existen?

Los antibióticos pueden clasificarse tomando en cuenta diferentes criterios: • Según su mecanismo de acción, algunos antibióticos impiden la síntesis de la pared celular de los microorganismos, otros alteran la membrana plasmática, y la mayor parte de ellos inhiben la síntesis de ácidos nucleicos o proteínas.• Según la estructura química se diferencian las penicilinas, cefalosporinas, aminoglucósidos, tetraciclinas, sulfamidas u otros.• Según su espectro de acción, es posible dividirlos en agentes de amplio espectro, que actúan frente a multitud de bacterias, y agentes de espectro restringido que solo actúan frente a algunos tipos de bacterias.

Alexander Fleming y el descubrimiento de la penicilina

La penicilina es el antibiótico que revolucionó el tratamiento de las infecciones bacterianas, como la neumonía, sífilis, tuberculosis y gangrena, y dio origen a la industria farmacéutica. El descubrimiento de la penicilina fue un hecho casual, que se debe al trabajo de Alexander Fleming, bacteriólogo del Hospital St. Mary de Londres, quien estaba interesado en el desarrollo de métodos de profilaxis y asepsia. Mientras se encontraba trabajando con bacterias del tipo estafilococos

observó que una de las placas de cultivo había sido contaminada por un hongo. Decepcionado, pero sorprendido, Fleming observó que alrededor del hongo se formaba un enorme halo sin bacterias. Era evidente que el hongo (que luego se supo era de la especie Penicillum notatum) producía “algo” capaz de matar a las bacterias. Fleming llamó a este principio activo “penicilina notatum”. El 1929 publicó sus experimentos, aunque no despertó el interés de la comunidad científica.

En 1938 fueron los ingleses Howard Walter Florey y Ernst Boris Chain quienes retomaron las investigaciones de Fleming, aislaron la penicilina y realizaron los experimentos claves en ratones. Los ensayos clínicos se iniciaron en 1941, y en 1943 comenzó la producción comercial en Estados Unidos. Fleming compartió en 1945 el Premio Nobel de Fisiología y Medicina con Florey y Chain por sus contribuciones al desarrollo de la penicilina.

Fabricación industrial de la penicilina

El hongo utilizado industrialmente para la producción de penicilina es Penicillum chrysogenum. El primer sistema de producción de penicilina fue el conocido como “método de superficie”, donde el hongo crecía en la superficie de una capa de medio de cultivo en bandejas. Pero después de 1944, el desarrollo del método de “fermentación sumergida” permitió disminuir los requerimientos de espacio y, consecuentemente, los costos de producción.

Los fermentadores para la producción de penicilina alcanzan los 20.000 a 115.000 litros de capacidad. El medio de cultivo para la fermentación se compone básicamente de un caldo de maíz, con el agregado de lactosa y compuestos inorgánicos. Después de ajustar el pH (4,5-5,0), el medio de cultivo se pasa al fermentador equipado con un agitador vertical y con un sistema de inyección de aire estéril y serpentinas para mantener la temperatura entre 23 y 25 ºC. El hongo se introduce estérilmente y se inicia la fermentación, durante la cual el aire estéril permite el crecimiento del hongo y la agitación facilita su distribución en el fermentador. Después de unas 50 a 90 horas la tasa de crecimiento del hongo disminuye, el fermentador se enfría a 5 ºC para prevenir la desestabilización del antibiótico y el hongo se separa por filtración.

La penicilina se extrae posteriormente empleando solventes, se concentra, se esteriliza por filtración y luego el producto se cristaliza y se envasa.

En búsqueda de nuevos antibióticos

La búsqueda de nuevos antibióticos es probablemente más urgente en la actualidad que en los tiempos de Fleming, ya que muchos antibióticos que fueron alguna vez altamente efectivos han perdido utilidad frente a los organismos patógenos. Este hecho es el resultado de un proceso por el cual los microorganismos desarrollan resistencia frente a antibióticos que en el pasado les resultaban letales.

Si bien los antibióticos son compuestos químicos producidos naturalmente por los microorganismos, y la adquisición de resistencia a los antibióticos también es un proceso natural en los seres vivos, se considera que el hombre ha influido en este acontecimiento evolutivo. Se cree que el uso indiscriminado de antibióticos por parte del hombre, ha acelerado el proceso de selección natural por el cual las bacterias más resistentes se han visto beneficiadas frente a las más sensibles. Estas cepas resistentes sobreviven a la presencia del antibiótico y pueden propagarse exitosamente.

Concientes del riesgo que significa que los antibióticos sean inocuos para los microorganismos patógenos, diferentes centros de investigación o compañías farmacéuticas en todo el mundo realizan extensas búsquedas de microorganismos o de nuevas moléculas antibióticas con diferentes mecanismos de acción.

Además, la industria farmacéutica está interesada en encontrar antibióticos más baratos y más seguros para la salud humana, ya que algunos de los existentes, aunque efectivos, presentan efectos colaterales indeseables. Los nuevos antibióticos generalmente se obtienen por modificación química de los que ya se usan, para otorgarles nuevas propiedades.

Sin embargo, el mayor desafío es encontrar antibióticos completamente nuevos. Para eso, se realiza un arduo y sistemático trabajo de búsqueda o rastreo, llamado “screening”, que se podría resumir en los siguientes pasos:

1) Se obtiene la mezcla de microorganismos que hay en diferentes muestras de tierra o de agua.2) Se analiza la capacidad que tiene cada muestra de producir algún tipo de antibiótico a través de antibiogramas u otros tipo de ensayos. 3) Si el resultado es positivo, se aíslan los diferentes componentes de la muestra, se los cultiva por separado y se analiza su efecto antibacteriano, con el objetivo de individualizar al microorganismo productor de antibióticos.4) Se estudia de qué tipo de antibiótico se trata para comprobar que no sea uno ya conocido. 5) Se estudia de qué bacteria u hongo se trata para ver cómo puede crecer en cultivo.6) Se ensaya la producción del antibiótico haciendo crecer al microorganismo en pequeños fermentadores, para pasar luego a más grandes. 7) Se estudia detalladamente al antibiótico, desde su estructura química y modo de acción hasta su eficacia, toxicidad y efectos colaterales en animales y humanos.

Mejoramiento de los antibióticos

Los productos del metabolismo secundario, como los antibióticos, suelen generarse en concentraciones muy bajas. Es por eso que una vez elegidas las bacterias productoras, se busca la manera de mejorarlas en el laboratorio para transformarlas en “superproductoras”.

Una de las técnicas empleadas para lograrlo es la mutagénesis, que introduce cambios azarosos en el ADN que pueden favorecer o acelerar la síntesis del antibiótico. Otra alternativa es, una vez conocidas las enzimas que participan en la síntesis del antibiótico, dirigir la mutación a los genes que codifican para estas enzimas para que trabajen más y fabriquen más producto.

Otra técnica que se puede emplear es la ingeniería genética para aumentar el número de copias de los genes que codifican para las enzimas que intervienen en la producción del antibiótico. De esta forma se fabricará, a partir de una misma célula, más cantidad del producto final.

Finalmente, la ingeniería genética permite también transferir los genes de las enzimas mencionadas a organismos más fáciles de crecer y manipular, como Escherichia coli, para que éstos produzcan el antibiótico deseado.

Las levaduras y el etanol: bebidas, combustibles y un poco de historia

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Los descubrimientos de Pasteur Los hombres utilizan las fermentaciones para su provecho desde la

prehistoria. El pan fermentado se conoce desde hace varios miles de años. Los jeroglíficos y otras representaciones gráficas demuestran que el hombre fabricaba bebidas alcohólicas ya varios milenios antes de Cristo. Al preparar el pan, vino o la cerveza, los hombres empleaban sin saberlo, y de una manera empírica, unos microorganismos muy útiles: las levaduras. Son hongos unicelulares capaces de transformar azúcares en alcohol.Este proceso se denomina fermentación alcohólica y fue descubierto y descrito por Luis Pasteur recién en 1856.En la época de Luis Pasteur, las teorías científicas reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, pero estas levaduras eran consideradas como un producto de la fermentación. Luis Pasteur demostró que las células viables de levaduras causan fermentación en condiciones anaeróbicas (baja concentración de oxígeno); durante dicha fermentación el azúcar de la uva es convertido en etanol y CO2. Sus ilustraciones claramente muestran auténticas levaduras vínicas y en sus escritos él las diferenciaba claramente de otros componentes.En 1856, M. Bigo, un fabricante de alcohol en el norte de Francia sufría repetidos fracasos en obtención de sus productos. El proceso involucraba la fermentación de la caña de azúcar para producir alcohol etílico, pero frecuentemente el contenido de los recipientes se agriaba y en lugar de alcohol, se obtenía una sustancia parecida a la leche agria. M. Bigo le solicitó a Pasteur que investigara el caso, y éste accedió. Primero, analizó químicamente el contenido agrio de los recipientes y concluyó que contenían una considerable cantidad de ácido láctico en lugar de alcohol. Después comparó los sedimentos de diferentes recipientes, observó que en aquellos donde había ocurrido la fermentación alcohólica se veía una gran cantidad de levaduras, mientras que en las que había ácido láctico se veían "glóbulos mucho más pequeños que los de la levadura". Este hallazgo indicaba que se encontraba frente a dos tipos de fermentaciones (en este caso alcohólica y láctica), que involucraban a dos tipos de microorganismos (en este caso, levaduras y bacterias, respectivamente). En los años siguientes, Pasteur identificó y aisló los microorganismos responsables de la fermentación en la producción del vino, cerveza y vinagre. Demostró además, que si calentaba el vino, la cerveza y la leche por unos minutos, podía matar a los microorganismos y así esterilizar el producto (pasteurización).El descubrimiento de la fermentación por Luis Pasteur representó un paso gigante para la ciencia. En esa época, la ciencia estaba dominada por las leyes de los químicos (el propio Pasteur lo era), quienes suponían que el alcohol se producía por vibraciones que hacían inestables a los azúcares al punto de degradarlos a moléculas más pequeñas. Aunque reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, las consideraban productos o catalizadores de la fermentación. Pasteur demostró, nada más ni nada menos, que las levaduras eran la causa de la fermentación y que

los microorganismos podían realizar reacciones químicas complejas. Por sus trabajos sobre el origen de los microorganismos, la fermentación y otros (pasteurización, producción de vacunas, etc.), Luis Pasteur es considerado el creador de la microbiología.

Producción de bebidas alcohólicasLas bebidas alcohólicas se producen a partir de diferentes sustratos, dependiendo de la región geográfica. Las materias primas de partida pueden ser azúcares simples, como los presentes en el jugo de uva (para el vino) o de alto peso molecular, como el almidón de los granos de cebada (para la cerveza). Para la obtención de las bebidas se emplean levaduras del género Saccharomyces, las que en condiciones anaeróbicas (muy baja concentración de oxígeno) metabolizan estos azúcares convirtiéndolos en etanol. Este proceso se conoce como fermentación alcohólica.Existen dos tipos de bebidas alcohólicas: aquellas que se obtienen directamente por fermentación de los diferentes sustratos y las destiladas, producidas por destilación del producto de la fermentación. Ejemplos de sustratos que se emplean en la fermentación alcohólica para la obtención de bebidas alcohólicas:

Sustratos Bebidas

cebada y otros cereales cerveza

arroz sake

jugo de manzana sidra

jugo de uva vino

cebada whisky escocés*

malta, trigo, centeno, avena whisky irlandés*

maízwhisky americano bourbon)*

caña de azúcar ron*

granos triturados, con saborizantes de semillas de enebro, anís, etc.

ginebra*

grano o papa, aromatizado con semillas de alcaravea

aquavit*

grano o papa, sin vodka*

saborizantesjugo del cactus Agave tequilana

tequila*

uvas blancas de Cognac, Francia

coñac*

frutas variadas brandy*

jugo de cerezas kirsch*

* Bebidas destiladasFuente: Alan Wiseman. 1980. Principles of Biotechnology. Surrey University Press. 

Biotecnología tradicional: La fabricación del vino

  La producción de bebidas alcohólicas es, al igual que la fabricación del pan, un proceso que se remonta a las civilizaciones más antiguas (ver Cuadernos Nº 1, 7, 13, 53). Aun así, el mecanismo en que se basan estos procesos se descubrió mucho más tarde. Hoy se sabe que en estos procesos intervienen microorganismos que transforman componentes del jugo de frutas o de cereales en alcohol, en el proceso de fermentación. Desde entonces, el hombre pudo intervenir y obtener una variedad más amplia de productos. La mayoría de los jugos de frutas son fermentados por levaduras “salvajes” presentes naturalmente en las frutas, muchas de ellas pertenecientes a la especie Saccharomoyces cerevisiae.  A partir de esas fermentaciones naturales, se han ido seleccionando levaduras para llevar a cabo procesos más controlados, y actualmente la producción del vino y otras bebidas alcohólicas es una industria extensa en todo el mundo. Las bebidas alcohólicas más importantes son: el vino, producto de la fermentación de jugos frutales, la cerveza, producto de la fermentación de granos malteados, y las bebidas destiladas, productos de la concentración por destilación del alcohol obtenido de una fermentación.

¿Qué es el vino?

El vino es aquella bebida que se obtiene por fermentación alcohólica (por levaduras) de jugos frutales u otras materias con alta cantidad de azúcares, y tiene un contenido de alcohol mínimo del 7% (v/v a 20°C). Prácticamente todo

el vino se produce a partir de la uva (cuyo nombre científico es Vitis vinifera). Es por ello que la denominación vino se refiere al producto resultante de la fermentación del jugo de uva. En los vinos no fortificados, el contenido final de alcohol varía entre el 8 y el 14%. En los vinos fortificados, como el jerez, el contenido de alcohol puede alcanzar el 20%. En estos casos, esa concentración del alcohol se logra con el agregado de bebidas alcohólicas destiladas como el brandy.La fabricación de vino existe en cada lugar del mundo donde se puedan cultivar vides de manera económicamente favorable. Entre los países con mayor producción de vino se encuentran Italia, Francia, Argentina, España, Portugal y Estados Unidos.

La historia del vino

Los historiadores creen que, probablemente, el vino fue descubierto accidentalmente en el área fértil entre el Nilo y el Golfo Pérsico entre los años 4000 y 3000 a.C. Las culturas antiguas estaban familiarizadas con las uvas, según demuestran dibujos en las paredes de cavernas ancestrales. Los historiadores creen que las uvas fermentaron en una primera etapa por accidente, debido a las levaduras que debían estar presentes en la piel de las uvas almacenadas. Alrededor del año 3000 a.C., los egipcios y los persas parecían tener métodos sencillos para la fabricación del vino. Los egipcios crecían las uvas en la zona fértil próxima al río Nilo, y preparaban un vino blanco con la variedad de uva que hoy se conoce como uva Muscat de Alejandría.  Estrujaban y fermentaban las uvas en grandes tinas, y atribuían la bebida resultante al Dios Osiris, por lo que era utilizada en los rituales funerarios. En Persia, también creían que el vino era un regalo divino. De todas formas, se cree que los fenicios, maestros de la navegación, fueron el pueblo responsable de esparcir las técnicas para preparar el vino por toda la región Mediterránea y eventualmente Europa, conjuntamente con el conocimiento de la fabricación del vino. Mientras que el vino era popular en Roma,  estaba prohibido por el Islam, y por ende las áreas bajo control musulmán, como el sur de España, norte de África y norte de India, dejaron de producirlo. En cambio, la fabricación de vino prosperó enormemente con la Iglesia Católica y con ella en la Europa cristiana. Eventualmente, la práctica se extendió a Inglaterra. Los monjes cristianos de Francia y norte de Italia guardaron registros de sus prácticas relacionadas con el cultivo de la vid y la fabricación del vino. Los mismos ayudaron a varias regiones a encontrar las mejores variedades de uva para sus tierras, y gracias a ello, para el año 1800 d.C. Francia sería reconocida como la mejor región productora de vino del mundo.Pero, no solo en Europa se producía vino. La viticultura chilena comienza en el

siglo XVI, la surafricana en el siglo XVII, la estadounidense en el XVIII y la australiana en el siglo XIX. La tradición de los vinos franceses llegó a América junto con los españoles, que transportaban durante la Conquista las especies vegetales mas importantes para ellos: la higuera, el olivo y la vid. A la Argentina la vid llegó desde Chile junto a los primeros colonizadores.

Anforas de arcilla horneadas al sol en Ica, PerúFuente:  http://www.lifeinitaly.com/wines/history.asp

En América, antes de la llegada de los españoles, se empleaban estas grandes ánforas de arcilla  para preparar distintas bebidas alcohólicas basadas en maíz, molle, y otros (figura 1). En épocas de la conquista y desde las primeras cosechas de la vid, la extracción de los mostos o jugos de uva se depositaron en ese tipo de vasijas.

Durante la primera mitad del siglo XX, los conflictos políticos y las guerras afectaron la viticultura y la fabricación de vino, incluyendo la adulteración, el fraude y la sobreproducción, problemas controlados parcialmente a partir de 1930. Para la segunda mitad del siglo XX, se observaron grandes avances tecnológicos tanto en el cultivo de la vid como en la fabricación del vino, junto con la globalización de su producción, aumentando la variedad y la calidad de la oferta.

El proceso de la fermentación

Antes de los descubrimientos de Luis Pasteur vinculados con la presencia de microorganismos, se interpretaba la fermentación como un proceso de descomposición espontánea del mosto (producto del prensado de la uva). Hoy se sabe que esta labor de transformar el azúcar del jugo de la uva en alcohol y otras sustancias, la realizan las levaduras, microorganismos formados por una

sola célula. Cuando las condiciones en bodega son óptimas las levaduras comienzan a reproducirse, y en ausencia de oxígeno transforman los azúcares por un proceso fermentativo. La fermentación es el proceso mediante el cual las células obtienen energía de los nutrientes en ausencia de oxígeno, es decir, de manera anaeróbica. Existen diferentes tipos de fermentación, según el organismo que la realiza:

fermentación láctica: la realizan bacterias y se emplean industrialmente durante la fabricación del yogurt, y de otros lácteos. También ocurre la fermentación láctica en las células musculares que deben actuar y no tienen suficiente suministro de oxígeno.

fermentación alcohólica: realizada por células eucariotas y procariotas. En el caso de la fabricación de bebidas alcohólicas, el proceso es realizado por levaduras. En ambientes ricos en azúcares como la mayoría de los jugos de frutas y néctares, las levaduras pueden llevar a cabo también el proceso de respiración celular por el cual obtienen energía en presencia de oxígeno. El cambio de metabolismo aeróbico a anaeróbico es crucial, por lo que se debe tener mucho cuidado, al fabricar bebidas alcohólicas, para asegurar que el aire no ingrese al tanque de fermentación. El proceso de la fermentación se puede representar mediante la siguiente ecuación:

Durante la fermentación alcohólica, y como lo indica la ecuación, se libera energía (proceso exotérmico). Por ello es necesario controlar la temperatura en la producción del vino, porque si supera los 25-30º, se inhibe el crecimiento de las levaduras, y por ende la fermentación. Otro de los compuestos obtenidos durante la fermentación es el dióxido de carbono (CO2) que provoca burbujeo y un aroma característico durante la fermentación.

Tipos de levaduras

Hay dos tipos de levaduras que se utilizan en la fabricación del vino:

• las levaduras “salvajes”, que están presentes naturalmente en el campo y en la fruta, y que son transferidas al jugo,

• la levadura del vino cultivada, de la especie Saccharomyces cerevisiae que es adicionada al jugo de uva para comenzar la fermentación.

Microscopía electrónica de Saccharomyces cerevisiae. Fuente: http://www.torinoscienza.it/

Una diferencia importante entre estos dos tipos de levaduras es su tolerancia al alcohol. La mayoría de las levaduras salvajes puede tolerar un 4% de alcohol, y cuando durante el proceso de fabricación se alcanza esta concentración, la fermentación se detiene. En cambio, las levaduras provenientes de cultivos pueden llegar a tolerar hasta un 14% de alcohol antes de que su crecimiento se detenga completamente. Además de la baja tolerancia al alcohol, las levaduras salvajes no producen algunos de los compuestos aromáticos deseables para el producto final, y por ello la presencia y el crecimiento de las levaduras salvajes durante la fermentación es indeseado

El alcohol como combustibleEl etanol presenta varias ventajas sobre los derivados del petróleo para ser empleado como combustible:

Se produce a partir de cultivos agrícolas, que son fuentes renovables de energía

Puede obtenerse a partir de cultivos propios de una región, permitiendo la producción local del biocombustible

Permite disponer de combustible independientemente de las políticas de importación y fluctuaciones en el precio del petróleo

Produce mucho menos emisiones nocivas para los seres vivos, el agua y el aire

La producción podría realizarse a partir de desechos agrícolas, forestales, industriales o municipales.

Actualmente el alcohol se produce principalmente a partir de caña de azúcar o maíz (en algunos casos el maíz es mezclado con un poco de trigo o cebada), cuyos hidratos de carbono son fermentados a etanol por las levaduras del género Saccharomyces. La caña de azúcar es sin duda la fuente más atractiva para la producción de etanol, ya que los azúcares que contiene son simples y fermentables directamente por las levaduras. El mayor inconveniente es que resulta cara como materia prima.Los cultivos como el maíz son ricos en almidón, un hidrato de carbono complejo que necesita ser primero transformado en azúcares simples. Este proceso se denomina sacarificación, e introduce un paso más en la producción, con el consecuente aumento en los costos.Las materias primas ricas en celulosa, como los desechos agrícolas y forestales son las más abundantes y baratas, sin embargo la conversión de la celulosa en azúcares fermentables es un proceso complejo y costoso que hace que la obtención de etanol a partir de desechos no sea rentable, al menos por ahora. Los principales productores de alcohol como combustible son Brasil, Estados Unidos y Canadá. Brasil lo produce a partir de la caña de azúcar y lo emplea como “hidro-alcohol” (95% etanol) o como aditivo de la gasolina (24% de etanol). Estados Unidos y Canadá lo producen a partir de maíz (con un poco de trigo y cebada) y lo utilizan en diferentes formulaciones que van desde el 5% al 85% de etanol.

Cuaderno para docentes Nº 58: los biocombustibles 

Algo más sobre las levaduras

 

Además de su papel protagónico en la producción de alimentos, la levadura de cerveza, Saccharomyces cerevisiae, es también una especie modelo para estudios biológicos y genómicos, y ha resultado una herramienta poderosa para el entendimiento de los genes de organismos eucariontes superiores, como los humanos.

La simplicidad de manipulación genética de la levadura permite que sea utilizada convenientemente para analizar la función de los productos génicos de organismos eucariontes superiores. En cuanto a su utilización biotecnológica como fábrica de moléculas recombinantes, la levadura es de gran utilización para la preparación de proteínas recombinantes de uso comercial. La importancia de esta levadura en la producción de productos por ingeniería genética puede verse en la primera vacuna recombinante aprobada para humanos (contra la hepatitis B), y el primer producto alimenticio recombinante aprobado, la renina (o quimosina) utilizada en la fabricación de queso, que fueron producidos en sistemas de levaduras. Con 12.000.000 de pares de bases y 6.000 genes en 16 cromosomas, Saccharomyces cerevisiae fue, en 1997, el primer organismo eucarionte en tener su genoma secuenciado.

Las bacterias ácido-lácticas en la industria alimenticia

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Las bacterias ácido lácticas se vienen empleando para fabricar alimentos desde hace al menos 4 mil años. Su uso más corriente se relaciona con la producción de productos lácteos fermentados, como el yogurt, el queso, la manteca, la crema de leche, el kefir y el kumis. Constituyen un gran grupo de microorganismos benignos que producen ácido láctico como producto final del proceso de fermentación. Se encuentran en grandes cantidades en la naturaleza y también en nuestro sistema digestivo. Aunque se las conoce sobre todo por sus aplicaciones en la industria láctea, también se las usa para curar pescado, carne y embutidos.

Las bacterias ácido lácticas transforman la lactosa de la leche en ácido láctico, el que modifica la estructura de las proteínas de la leche (cuajan). De esta manera se modifica la textura del producto, aunque existen otras variables, como la temperatura y la composición de la leche, que influyen en las cualidades de los distintos productos resultantes. El ácido láctico le confiere a la leche fermentada ese sabor ligeramente acidulado, y otros derivados de la fermentación producen a menudo otros sabores o aromas. El acetaldehído, por ejemplo, da al yogurt su aroma característico, mientras que el diacetilo confiere un sabor de manteca a la leche fermentada. Pueden agregarse levaduras a la fermentación, como es el caso del kefir, el kumis y el leben (variedades de yogurt), donde el alcohol y el dióxido de carbono producidos por la levadura dan una frescura y una textura características. Entre otras técnicas empleadas cabe mencionar las que consisten en eliminar el suero o añadir sabores, que permiten crear una variada gama de productos.

Con respecto al yogurt, en su elaboración se emplean dos bacterias: Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus, que se caracterizan porque cada una estimula el desarrollo de la otra. Esta interacción reduce considerablemente el tiempo de fermentación y el producto resultante tiene peculiaridades que lo distinguen de los fermentados con una sola cepa de bacteria.

Además de su empleo en la elaboración del yogurt y otros productos, las bacterias ácido lácticas son explotadas como cultivos probióticos, ya que se complementan con las bacterias presentes en nuestra flora intestinal y contribuyen al buen funcionamiento del aparato digestivo. Ante la creciente demanda de los consumidores, cada día más preocupados por la salud, el mercado internacional de estos productos va en aumento.

Microorganismos productores de antibióticos

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Además de la industria alimenticia, la industria farmacéutica también se beneficia de los productos de los microorganismos. Hay bacterias que producen una variada gama de antibióticos, como ciertas cepas del género Streptomyces (estreptomicina, tetraciclina, eritromicina), y también hongos filamentosos, como Penicillium, del cual se obtiene la penicilina. 

Antibiótico

Organismo productor

Organismos blanco

Sitio o modo de acción

Penicilina

Penicillium chrysogenum (H)

Bacterias Gram +

Síntesis de la pared

Cefalosporina

Cephalosporium acremonium (H)

Bacterias Gram + y -

Síntesis de la pared

Bacitracina

Bacillus subtilis (B)

Bacterias Gram +

Síntesis de la pared

Polimixina B

Bacillus polymyxa (B)

Bacterias Gram +

Membrana celular

Anfotericina B

Streptomyces nodosus (B) Hongos

Membrana celular

Eritromicina

Streptomyces erythreus (B)

Bacterias Gram +

Síntesis proteica

Neomicina Streptomyces fradiae (B)

Bacterias Gram + y

Síntesis proteica

-

Streptomycin

Streptomyces griseus (B)

Bacterias Gram -

Síntesis proteica

Tetraciclina

Streptomyces rimosus (B)

Bacterias Gram + y -

Síntesis proteica

Vancomicina

Streptomyces orientalis (B)

Bacterias Gram +

Síntesis proteica

Gentamicina

Micromonospora purpurea (B)

Bacterias Gram + y -

Síntesis proteica

Rifampicina

Streptomyces mediterranei (B)

M. tuberculosis

Síntesis proteica

Griseofulvina

Penicillium griseofulvum (H)

Hongos dermatófitos

Microtúbulos

Tabla: Principales antibióticos obtenidos de microorganismos.

Historia y producción de la penicilina

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Alexander Fleming y el descubrimiento de la penicilina

La penicilina fue el antibiótico que revolucionó el tratamiento de las infecciones bacterianas como la neumonía, sífilis, tuberculosis y gangrena, y dio origen a la industria farmacéutica. Su descubrimiento de debe a

Alexander Fleming, bacteriólogo del Hospital St. Mary de Londres, quien estaba interesado en el desarrollo de métodos de profilaxis y asepsia. En 1920, descubrió la lisozima, enzima presente en las secreciones corporales y que poseía efectos antibacterianos, aunque no muy potentes. Continuando su búsqueda, un día observó una vieja placa de Petri que había quedado en el estante. En la placa había cultivado estafilococos (bacterias), los que inicialmente habían cubierto toda la placa de cultivo. Pero al cabo de un tiempo la placa se había contaminado con hongos. Sorprendentemente, alrededor del hongo se observaba un enorme halo sin bacterias. Era evidente que el hongo (Penicillum notatum) producía “algo” capaz de matar a las bacterias y Fleming llamó a este principio activo “penicilina notatum”. El 1929 publicó sus experimentos en el British Journal of Experimental Pathology, aunque no despertó el interés de la comunidad científica. En 1938 fueron los ingleses Howard Walter Florey y Ernst Boris Chain quienes retomaron las investigaciones de Fleming, aislaron la penicilina y realizaron los experimentos claves en ratones. Los ensayos clínicos se iniciaron en 1941 y en 1943 c omenzó la producción comercial en Estados Unidos.Fleming compartió en 1945 el Premio Nobel de Fisiología y Medicina con Florey y Chain por sus contribuciones al desarrollo de la penicilina.  

Fabricación industrial de la penicilina

El hongo utilizado industrialmente para la producción de penicilina es Penicillum chrysogenum y es especialmente activo contra estafilococos, estreptococos, neumococos y la mayoría de las bacterias Gram positivas. A la penicilina producida comercialmente se la llama penicilina G (bencil-penicilina), aunque el mismo hongo produce varios tipos más. Estos compuestos son ácidos fuertes inestables y por eso se los comercializa como sales de sodio, calcio, aluminio, etc.El primer sistema de producción de penicilina fue el conocido como método de superficie, donde el hongo crecía en la superficie de una capa de medio de cultivo, en bandejas. Pero después de 1944, el desarrollo del método de fermentación sumergida permitió disminuir los requerimientos de espacio y, consecuentemente, los costos de producción. Los fermentadores para la producción de penicilina alcanzan los 20.000 a 115.000 litros de capacidad. El inóculo constituye casi el 10% del cultivo total y se prepara a partir de un cultivo (starter) del hongo preparado de esporas liofilizadas. El medio de cultivo para la fermentación se compone básicamente de un caldo de maíz, con el agregado de lactosa y compuestos inorgánicos. Después de ajustar el pH (4,5-5,0), el medio de cultivo se pasa al fermentador equipado con un agitador vertical y con un sistema de inyección de aire estéril y serpentinas para mantener la temperatura entre

23 y 25 ºC. El hongo se introduce estérilmente y se inicia la fermentación, durante la cual el aire estéril permite el crecimiento del hongo y la agitación facilita su distribución en el fermentador. Después de unas 50 a 90 horas la tasa de crecimiento del hongo disminuye, el fermentador se enfría a 5 ºC para prevenir la desestabilización del antibiótico y el micelio (hongo) se separa por filtración. La penicilina se extrae posteriormente empleando solventes (acetato de amilo y cloroformo), se concentra y se trata con bicarbonato de sodio para formar la sal sódica. La esterilización de hace por filtración y luego el producto se cristaliza y se envasa en polietileno o frascos de vidrio.

Innovación

Los extremófilos

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Los microorganismos extremófilos

Hasta hace no mucho se pensaba que la vida era incompatible con los ambientes extremos tales como la oscuridad absoluta, concentraciones salinas tan altas como la de la salsa de soja, lagos helados o aguas termales. Pero hoy sabemos que existen una gran cantidad de microorganismos que viven y prefieren estos ambientes, y por eso reciben el nombre de “extremófilos” (amantes de lo extremo). Se los encuentra en los lugares menos pensados: en los géiseres del fondo de los océanos, en el Mar Muerto, adentro de los volcanes o en las aguas congeladísimas de la Antártida.

La mayor parte de los extremófilos son bacterias del dominio Archea (o arquibacterias), aunque también hay muchas eubacterias y unas pocas especies de eucariontes que viven en condiciones extremas. A medida que los fueron descubriendo, los científicos comenzaron a estudiar cómo estos organismos podían lidiar con semejantes condiciones tan adversas para la vida. Así descubrieron que los extremófilos tienen enzimas y compuestos diferentes al resto de los organismos vivos, que justamente les permiten hacer lo mismo que hacen todos, pero en condiciones extremas. Esto resultó muy interesante para la industria, ya que hay procesos industriales que ocurren a altísimas temperaturas, o muy bajas, o a altas concentraciones salinas o alta alcalinidad. Por ejemplo, los detergentes en polvo tienen biocatalizadores (enzimas) que quitan las manchas en agua fría. Por su parte, la industria del cuero usa enzimas que degraden

proteínas de la piel de los animales en condiciones de alta salinidad. La síntesis química de ciertos productos farmacéuticos debe realizarse a temperaturas bajísimas.

Otra aplicación de las enzimas obtenidas de los extremófilos es la investigación científica. Por ejemplo, en laboratorios de biología molecular se utilizan técnicas que requieren de enzimas estables a altas o bajas temperaturas. Un caso puntual es la técnica conocida como Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR por sus siglas en inglés), en la cual se requiere una enzima (ADN polimerasa) que tolere temperaturas tan altas como 94 ºC. Para lograrlo se utiliza la ADN polimerasa obtenida del termófilo Thermus aquaticus. Tipos de organismos extremófilos:

Acidófilo: vive a pH igual o menor que 3. Alcalófilo: vive a pH igual o mayor que 9. Barófilo o piezófilo: vive en ambientes con alta presión líquida o

gaseosa. Endolito: vive en espacios microscópicos en rocas. Halófilo: requiere al menos 2M de sales (NaCl) para vivir. Hipertermófilo: vive a temperaturas mayores a 80-121 °C, como los

sistemas hidrotermales. Hipolito: vive dentro de las rocas de los desiertos fríos. Litoautotrofo: pueden obtener energía por reducción de compuestos

minerales como la pirita, por ejemplo.   Metalotolerante: capaz de tolerar altas concentraciones de metales

pesados en solución, como cobre, cadmio, arsénico, y zinc. Oligotrofo: que puede crecer en ambientes con nutrientes limitados.   Osmófilo: que puede crecer en ambientes con alta concentración de

azúcares.   Poliextremófilo: extremófilo para mas de una categoría. Psicrófilo o criófilo: que vive a temperaturas de 15 °C o menos. Radio-resistente: que resiste a altos niveles de radiaciones

ionizantes, como UV, o radiación nuclear. Termófilo: que vive a temperaturas entre 60 y 80 °C. Xerófilo: que puede vivir en ambientes extremadamente secos, como

los desiertos.

Aplicaciones biotecnológicas de los extremófilos

Debido a que muchos procesos industriales requieren altas o bajas temperaturas o pH ácidos o alcalinos, los extremófilos se han convertido para las industrias en atractivas fuentes de biocatalizadores (enzimas) estables a condiciones extremas.

Por ejemplo, en la industria de los detergentes y jabones para la ropa de uso hogareño se utilizan biocatalizadores que quiten las manchas a baja temperatura, mientras que en tratamientos de esterilización de ropa de quirófano se prefiere un jabón que tenga biocatalizadores que funcionen a altas temperaturas. La industria del cuero y las pieles requiere enzimas que degraden proteínas de la piel de los animales en condiciones de alta salinidad o minerales. En cada caso se emplearán enzimas provenientes de diferentes extremófilos.

En una primera instancia, los propios organismos eran la fuente de donde se extraían las enzimas. Luego, se clonaron los genes de los extremófilos que codifican dichas enzimas y actualmente se las produce a escala industrial en microorganismos recombinantes que fueron transformados para que sobreproduzcan la enzima de interés en biorreactores.

Algunas de las enzimas más empleadas son:

Proteasas: degradan proteínas, por ejemplo, la hemoglobina de la mancha de sangre.

Celulasas: degradan celulosa, principal componente de la pared de la célula vegetal.

Xilanasas y hemicelulasas: degradan componentes de la pared vegetal y se utilizan en la obtención de productos panificados y de jugo de frutas.

Lipasas: degradan ácidos grasos, aceites y otras grasas. Amilasas: se utilizan en la industria alimenticia para degradar el almidón de

los cereales a azúcares más simples.

Otra aplicación de las enzimas obtenidas de los extremófilos es la investigación básica. Por ejemplo, en laboratorios de biología molecular se utilizan técnicas que requieren de enzimas estables a altas o bajas temperaturas. Un caso puntual es la técnica conocida como Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR por sus siglas en inglés), en la cual se requiere una enzima (ADN polimerasa) que produce cadenas de ADN a 94 ºC. Para lograrlo se utiliza la ADN polimerasa obtenida del termófilo Thermus aquaticus.

Metabolitos importantes para la industria (aminoácidos, ácidos orgánicos,

alcoholes, vitaminas, enzimas y metabolitos secundarios)

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Metabolitos microbianos importantes para la industria

Los productos de la biotecnología se aplican hoy a un gran número de industrias entre las que cabe mencionar no sólo la alimenticia, sino también la farmacéutica, textil, del papel, de detergentes, etc. Antes del advenimiento de la ingeniería genética ya se obtenían diversos productos

(metabolitos) derivados de bacterias, levaduras y hongos filamentosos.

Cuando un microorganismo crece en un medio con nutrientes en exceso, consigue completar sus vías metabólicas generando los productos finales del metabolismo energético y todos los compuestos necesarios para su ciclo de vida (aminoácidos, proteínas, nucleótidos, ácidos orgánicos, vitaminas, azúcares, grasas, alcoholes). Estas moléculas se denominan metabolitos primarios, y los más importantes, desde el punto de vista comercial, son los alcoholes (especialmente el etanol), los aminoácidos, los ácidos orgánicos, las vitaminas y las enzimas. 

Entre las enzimas, se pueden mencionar a las proteasas y lipasas para la fabricación de detergentes en polvo, la celulasa y otras enzimas para la industria textil, y la pectinasa, empleada en la industria alimenticia para la elaboración de jugos de fruta. Además de ser altamente específicas en sus reacciones, la enorme variedad de enzimas disponible permite optar por versiones resistentes al calor, pH bajos, solventes o altas concentraciones salinas. Además, son biodegradables, y reemplazan a procesos físicos o químicos generalmente contaminantes, corrosivos, y que requieren más energía. Cabe mencionar que la mayor parte de las enzimas hoy se producen a partir de bacterias u hongos genéticamente modificados, y se cree que luego de un 2009 complicado, el mercado mundial de enzimas se recuperará, alcanzando los 7 mil millones de dólares para 2013.

Los metabolitos secundarios, en cambio, se producen cuando algún nutriente del medio se encuentra en concentraciones limitantes. Los más importantes comercialmente son los antibióticos, los pigmentos, las toxinas, los inhibidores enzimáticos y los alcaloides.

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La biotecnología blanca

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El término “biotecnología blanca” hace referencia a la rama de la biotecnología dedicada a optimizar los procesos industriales, buscando reemplazar a las tecnologías contaminantes por otras más limpias o amigables con el ambiente. Básicamente, emplea organismos vivos y enzimas para obtener productos más fáciles de degradar, y que requieran menos energía y generen menos desechos durante su producción.

El uso de enzimas o biocatalizadores es uno de los avances más significativos en el área de la biotecnología blanca. Las ventajas de su uso residen en la alta selectividad y eficiencia de las enzimas en comparación con los procesos químicos. Mientras los procesos químicos convencionales requieren alta presión y alta temperatura, los microorganismos y sus enzimas trabajan a presión y temperaturas normales. Además, las enzimas son biodegradables y muchas de ellas pueden funcionar en solventes orgánicos, alta concentración de sales y otras condiciones extremas. Las enzimas hoy se aplican a prácticamente todas las industrias, incluyendo la farmacéutica, alimenticia, química, textil, de detergentes, del papel, etc.  Los detergentes son probablemente el mejor ejemplo de cómo el empleo de enzimas reduce los costos, ya que el lavado sin enzimas requiere casi el doble de energía que el lavado sin enzimas. En la industria textil, se estima que la incorporación de enzimas al lavado reduce el consumo de energía y de agua en un 50%.

 Las enzimas en los jabones para la ropa  

La biotecnología aplicada a la industria de papel y celulosa también es un buen ejemplo de biotecnología blanca. Durante el tratamiento de la madera, la remoción de la lignina requiere de altas temperaturas y de tratamientos con oxígeno y cloro, que resultan en la formación de derivados clorados tóxicos. Como alternativa puede emplearse el "biopulping", un tratamiento con xilanasas, enzimas que degradan el xilano de la hemicelulosa, eliminando la lignina a la que está asociada. Muchos investigadores están intentando también disminuir (o modificar) el contenido de lignina por modificación genética de los árboles destinados a la producción de papel y celulosa. En este sentido cabe mencionar también la obtención de papa y mandioca transgénicas para la obtención de almidón con más amilopectina, óptimo para esta industria. 

Cuaderno para docentes Nº 97: la historia del papel

El reemplazo parcial de fertilizantes y plaguicidas químicos por agentes biológicos también puede considerarse parte de la biotecnología blanca

aplicada a la actividad agropecuaria. Como ejemplos, cabe mencionar el uso de: 

 Microorganismos libres o simbiontes para la fijación de nitrógeno. Baculovirus, virus que infectan y matan a las orugas que parasitan a

los cultivos de soja y otras leguminosas. Esporas del hongo Metarhizium anisopliae para combatir la cigarrita

de la hoja de la caña de azúcar o la broca de los cítricos. Toxinas de la bacteria Bacillus thuringiensis o Bt, en sus varias

formulaciones, e incluso formando parte de cultivos genéticamente modificados para resistir el ataque de insectos (como el maíz y el algodón Bt).

Los bioplásticos

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Casi todo lo que compramos, la mayor parte de la comida que comemos y muchas de las bebidas que bebemos vienen envasados en plástico. Estos plásticos generalmente son sintéticos, fabricados por polimerización de compuestos derivados del petróleo, y no son biodegradables. Si bien hay métodos para reciclar plásticos, en el caso de los envases de alimentos estos procesos son muy limitados, ya que los materiales que los componen están formados por estructuras difíciles o casi imposibles de separar en capas o partículas menores. Debido a estos inconvenientes, el tratamiento de los plásticos descartados como basura se ha vuelto un problema ambiental cada vez más serio. Considerando además que los plásticos actuales derivan del petróleo, que es una fuente no renovable de energía, hoy hay mucho interés y esfuerzos destinados a la fabricación de embalajes para alimentos basados en bioplásticos.

Se denominan bioplásticos a aquellos plásticos que son biodegradables, y que esencialmente derivan de recursos renovables, como el almidón y la celulosa de las plantas, por ejemplo. Se dice que un material es biodegradable cuando puede ser degradado por microorganismos para originar moléculas sencillas asimilables por el ambiente. Como los microorganismos no tienen las enzimas necesarias para romper las uniones químicas de las moléculas que forman parte de los plásticos sintéticos comunes, como el polietileno, polipropileno, policloruro de vinilo, polietilentereftalato, etc., estos plásticos no resultan biodegradables.

Los bioplásticos hoy se producen esencialmente a partir de los cultivos o sus deshechos (almidón, celulosa) o a través de procesos de fermentación bacteriana. El mayor foco se ha centrado en el uso del almidón como materia prima, debido a su disponibilidad, sus antecedentes como parte de plásticos compostables, y a que es económicamente competitivo con el petróleo. Se emplea generalmente almidón de maíz, aunque se están investigando otras fuentes, como la papa, cebada y avena. Los bioplásticos hechos de almidón resultan quebradizos, y a menos que el almidón se mezcle con otros materiales, o se lo modifique químicamente, no sirve para fabricar films flexibles y resistentes. Sin embargo, resultan interesantes para bandejas rígidas de bombones u otros productos secos, ya que desde el punto de vista de su degradación, prácticamente se disuelven en agua.

Otra materia prima que puede usarse para hacer bioplásticos es la celulosa. Este polímero es el principal componente de los tejidos vegetales, y por lo tanto el polímero más abundante en la naturaleza. Como el almidón, está compuesto de moléculas de glucosa, pero unidas de forma diferente, impidiendo la firme compactación de las fibras. Por eso la celulosa rinde bioplásticos quebradizos, poco flexibles y bastante permeables a la humedad. Como una alternativa, las investigaciones se han volcado al desarrollo de materiales basados en celulosa modificada químicamente, como el acetato de celulosa. Este compuesto es empleado para hacer envoltorios, ya que tiene buenas propiedades para hacer films flexibles y resistentes a rupturas y perforaciones.

Debido a las limitaciones que presentan los polímeros naturales como materias primas para la elaboración de bioplásticos, hoy el mayor desarrollo se enfoca en los bioplásticos obtenidos por fermentación bacteriana, como los poliláctidos (PLA) y los polihidroxialcanoatos (PHA).Los PLA son poliésteres alifáticos, biodegradables y termoplásticos, derivados del ácido láctico. Éste se genera por fermentación ácido-láctica del almidón o deshechos agrícolas ricos en almidón. Los PLA resultan flexibles, fácilmente moldeables, resistentes y con buena capacidad de barrera a la humedad. Ya se lo emplea para vajillas y utensilios descartables y para envasar alimentos y bebidas.

Los PHA son polímeros lineales de hidroxiácidos, y se obtienen a partir de microorganismos que los acumulan como sustancias de reserva. Debido a que a veces estos microorganismos son difíciles de cultivar, resulta muy interesante la posibilidad de usar bacterias de laboratorio, mejor caracterizadas, a las que se les ha incorporado por ingeniería genética los genes necesarios para la síntesis de PHA. De la misma manera, estos genes podrían introducirse en plantas y así abaratar los costos de producción. El PHA más conocido es el polihidroxibutirato (PHB), y el más

usado en el envasado de alimentos. Además de la biodegradabilidad, los PHA presentan propiedades termoplásticas y una buena capacidad de barrera a la humedad, asemejándose en parte al polipropileno en sus propiedades mecánicas. Sin embargo, es más quebradizo, lo que limita, además de los altos costos de producción, su aplicación masiva.

Hoy hay un gran número de empresas en todo el mundo volcadas al desarrollo de nuevos y mejores bioplásticos, ya sean derivados de almidón o celulosa, u obtenidos por fermentación microbiana. Las empresas líderes se encuentran en Estados Unidos, Canadá, Japón, y la Unión Europea, aunque otros países como Australia, Brasil, Corea y China se están agregando a la lista. Las innovaciones intentan cubrir una amplia gama de aplicaciones: vajilla y utensilios descartables, botellas, bolsas de supermercado, bolsas para snacks, bandejas y embalajes de alimentos, films, etc. Por otro lado, cada vez son más las cadenas de supermercados que han comenzado a adoptar estos productos, fundamentalmente para envasar agua y alimentos frescos. 

La biorremediación

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La biodegradación es el proceso natural por el cual los microorganismos degradan o alteran moléculas orgánicas transformándolas en moléculas más pequeñas y no tóxicas. Sin embargo, este proceso es muy lento y puede acelerarse introduciendo determinadas bacterias o plantas en los ambientes contaminados. Esta intervención se denomina “biorremediación” o “biocorrección” y se define como el empleo de organismos vivos para eliminar o neutralizar contaminantes del suelo o del agua. En los procesos de biorremediación generalmente se emplean mezclas de microorganismos, aunque algunos se basan en la introducción de cepas definidas de bacterias u hongos. Actualmente se están desarrollando microorganismos, algas (especialmente cianobacterias o algas azules) y plantas genéticamente modificadas para ser empleadas en biorremediación.  

Básicamente, los procesos de biorremediación pueden ser de tres tipos: la degradación enzimática, la remediación microbiana, y la fitorremediación. 

Degradación enzimática

Consiste en el empleo de enzimas en el sitio contaminado con el fin de degradar las sustancias nocivas. Dichas enzimas son previamente producidas en bacterias transformadas genéticamente. Esta aplicación de la biotecnología lleva décadas en el mercado y hoy las compañías biotecnológicas ofrecen las enzimas y los microorganismos genéticamente modificados para tal fin.  

Remediación microbiana

Se refiere al uso de microorganismos directamente en el foco de la contaminación. Estos microorganismos pueden ya existir en ese sitio o pueden provenir de otros ecosistemas, en cuyo caso deben ser inoculados en el sitio contaminado (proceso de inoculación). Cuando no es necesaria la inoculación de microorganismos, suelen administrarse más nutrientes, como fósforo y nitrógeno con el fin de acelerar el proceso.

Hay bacterias y hongos que pueden degradar con relativa facilidad petróleo y sus derivados, benceno, tolueno, acetona, pesticidas, herbicidas, éteres, alcoholes simples, entre otros. También pueden degradar, aunque parcialmente, otros compuestos químicos como el PCB, arsénico, selenio, cromo. Los metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradables, pero las bacterias pueden concentrarlos de tal manera de aislarlos para que sean eliminados más fácilmente.

Sin embargo, existen contaminantes difíciles de degradar y para los cuales no se han encontrado microorganismos capaces de transformarlos. La biotecnología moderna puede solucionar en parte este problema, generando organismos genéticamente modificados con nuevas capacidades para eliminar tales contaminantes. La base de esta estrategia se basa en la búsqueda de las enzimas adecuadas y la posterior transferencia de los genes correspondientes a los microorganismos que se inocularán en el lugar contaminado.

Algunos desarrollos en curso relacionados con la remediación microbiana:

Bacterias Pseudomonas transgénicas capaces de degradar compuestos tóxicos que contienen cloro (como el cloruro de vinilo).

Bacterias capaces de degradar algunos de los componentes del petróleo.

Bacterias capaces de reducir las formas altamente tóxicas de mercurio en otras menos tóxicas y volátiles.

Bacterias que transforman metales del suelo (como el cromo) en formas menos tóxicas o insolubles.

Microorganismos capaces de degradar TNT, un explosivo de gran potencia y muy agresivo para el entorno.

Bacterias que pueden eliminar el azufre de los combustibles fósiles, como en el caso del carbón o del petróleo, para permitir combustiones más limpias.

La utilización de la bacteria Deinococcus radiodurans para eliminar elementos radiactivos presentes en el suelo y aguas subterráneas. Este microorganismo es un extremófilo que resiste la radiación, la sequedad, agentes oxidantes y diversos compuestos mutagénicos.

Cianobacterias a las que se le han introducido genes de bacterias Pseudomonas con capacidad de degradar diferentes hidrocarburos o pesticidas.

Bacterias transgénicas que se usan para extraer metales valiosos a partir de residuos de fábricas o de minas, o para eliminar los vertidos de petróleo, o el sulfuro causante de la lluvia ácida que producen las centrales energéticas de carbón.

Alimentos Transgénicos

El término “alimento transgénico” hace referencia generalmente a aquel que deriva de un organismo transgénico o genéticamente modificado. Un organismo genéticamente modificado (OGM) es aquella planta, animal, hongo o bacteria a la que se le ha agregado por ingeniería genética uno o unos pocos genes con el fin de producir proteínas de interés industrial o bien mejorar ciertos rasgos, como la resistencia a plagas, calidad nutricional, tolerancia a heladas, etc.En su sentido más amplio, un alimento puede ser transgénico porque está formado en gran parte por materiales derivados de un OGM (por ejemplo polenta de maíz GM), o bien porque en su fabricación se emplean microorganismos GM (levaduras, bacterias ácido-lácticas) o ingredientes que provienen de OGM, como aceites, aminoácidos, ácidos orgánicos, enzimas, jarabe de alta fructosa (el que a su vez se obtiene por acción de enzimas derivadas de microorganismos GM).

 

La biotecnología y el mejoramiento vegetal

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Las plantas que hoy se cultivan son diferentes a sus antepasados silvestres, ya que el hombre ha modificado y seleccionado sus propiedades a lo largo de más de diez mil años en función de sus necesidades. Los cultivos que utiliza el agricultor en la actualidad han sido generados por los métodos convencionales en centros públicos o privados dedicados al mejoramiento y producción de nuevas variedades. Estos métodos se basan en el cruzamiento entre individuos de la misma especie pero que muestran características diferentes, y una posterior selección de los ejemplares que presentan las características deseadas. El cruzamiento seguido de la selección artificial se repite sucesivamente de manera de lograr, en la variedad final, la incorporación de los genes que llevan información para los rasgos deseados y la eliminación de aquellos relacionados con las características no deseadas. Este proceso de generación de nuevas variedades ha sido (y continúa siendo) muy útil en la agricultura y ha originado a las variedades que se cultivan hoy en día. 

 

A fines de la década de 1920 los investigadores descubrieron que se podían obtener mutaciones (cambios en el ADN) exponiendo a las plantas a agentes mutágenos físicos (rayos X y gamma, neutrones, protones, etc.) o químicos (etilmetanosulfonato, azida sódica, etc.).

Estas mutaciones ocurren al azar en el genoma y generan una gran variabilidad que puede dar lugar a la aparición de características interesantes, las que son seleccionadas por el fitomejorador. Así se obtuvo el pomelo rosado, a partir del pomelo blanco mutagenizado por radiación.

Hay más de 2.000 especies vegetales que se consumen en el mundo y que fueron mejoradas en algún momento por mutagénesis, incluyendo al trigo, arroz, lechuga, porotos, etc. En la base de datos de la FAO/IAEA se puede encontrar una lista con más de 2.000 cultivos que se consumen en el mundo y que fueron mejorados por mutagénesis. 

La biotecnología moderna se suma hoy a las prácticas convencionales como una herramienta más para mejorar o modificar los cultivos vegetales. En este sentido, esta metodología ofrece tres ventajas fundamentales respecto a las técnicas convencionales de mejora genética:

-   Los genes que se van a incorporar pueden provenir de cualquier especie, emparentada o no (por ejemplo, un gen de una bacteria puede incorporarse al genoma de la soja).-   En la planta mejorada genéticamente se puede introducir un único gen nuevo preservando en su descendencia el resto de los genes de la planta original.-   Este proceso de modificación demora mucho menos tiempo que el necesario para el mejoramiento por cruzamiento.  

En resumen, con esta tecnología es posible incorporar características que no existen en una determinada especie, y de una manera más rápida y precisa. Sin embargo, presenta algunas limitaciones, especialmente en el caso de caracteres gobernados por muchos genes, y para rasgos para los cuales se desconocen los genes correspondientes. En este sentido, los proyectos genoma son una herramienta fundamental, ya que están permitiendo identificar más rápidamente a los genes de interés.

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Objetivos y aplicaciones de las plantas transgénicas

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Así como la ingeniería genética se emplea para introducir genes en las bacterias para que produzcan medicamentos o enzimas industriales, también sirve para incorporar nuevos genes a las plantas con el fin de mejorar los cultivos. El empleo de la ingeniería genética o transgénesis en

el mejoramiento vegetal es lo que se denomina agrobiotecnología o biotecnología vegetal. Sus objetivos consisten en aumentar la productividad de los cultivos contribuyendo a una agricultura sustentable, que utiliza los recursos respetando al medio ambiente y pensando en las generaciones futuras. También se propone mejorar los alimentos que derivan de los cultivos vegetales, eliminando sustancias tóxicas o alergénicas, modificando la proporción de sus componentes para lograr alimentos más saludables o aumentando su contenido nutricional. Otra aplicación de la biotecnología vegetal es el empleo de las plantas como bioreactores o fábricas para la producción de medicamentos, anticuerpos, vacunas, biopolímeros y biocombustibles. Estos objetivos y aplicaciones pueden agruparse como sigue: 

       El mejoramiento de rasgos agronómicos (también llamados en inglés “input traits”), como ciertas características morfológicas (tamaño del grano, altura de la planta, etc.), resistencia a plagas y enfermedades (virus, insectos, hongos, etc.) y tolerancia a herbicidas o a condiciones ambientales adversas (salinidad, heladas, sequía, etc.). Son ejemplos de estas mejoras los cultivos que actualmente se comercializan en el mundo: soja, maíz, algodón y canola tolerantes a herbicida, maíz y algodón resistentes a insectos, papaya resistente a virus, entre otros.       La mejora de características relacionadas con la calidad (también llamadas en inglés “output traits”), a través de la modificación en las vías metabólicas y la composición de los cultivos. Dentro de estas aplicaciones se encuentran:

       La generación de alimentos más saludables y seguros, como aceite de soja con una composición más saludable de ácidos grasos, maní hipoalergénico y arroz con niveles aumentados de pro-vitamina A.       La obtención de mejores alimentos para animales, como pasturas más fáciles de digerir, y maíz con mayor contenido de aminoácidos esenciales.       Las mejoras de los cultivos para determinadas aplicaciones industriales, como granos con más aceite o con diferente composición de ácidos grasos, y madera con menos lignina para la fabricación del papel. También pueden incluirse en este grupo las frutas con maduración retardada.       Los cambios en las propiedades de las plantas para fitorremediación (la remediación de suelos y aguas contaminadas usando plantas).       Las modificaciones en las características decorativas de las plantas ornamentales (color y duración de las flores, calidad del césped, etc.)

       El empleo las plantas como fábricas de moléculas de interés industrial, como anticuerpos, vacunas, enzimas, etc.

Avances en biotecnología

Alimentos transgenicos

Mandioca más seguraLa yuca o mandioca es un cultivo de gran importancia como alimento en los países tropicales. Sin embargo sus raíces y hojas producen laminarina, un glucósido cianógeno que en el tracto digestivo genera cianuro, altamente tóxico. Aunque la laminarina se destruye normalmente en el procesamiento y cocción de la mandioca, existe un importante riesgo de envenenamiento en el caso de consumo de mandioca insuficientemente procesada (basta mencionar un caso reciente en Filipinas, en el que 27 chicos murieron por ingestión de un alimento basado en mandioca mal cocida). Los científicos en este caso emplearon a la biotecnología moderna no para agregar genes, sino para “silenciarlos”, con el fin de disminuir el contenido de laminarina. Lograron plantas de mandioca con un 99% menos de laminarina en las raíces que las plantas normales. Cabe destacar con este ejemplo el papel relevante que podría jugar la biotecnología moderna en mejorar la seguridad alimentaria en el mundo. Otros ejemplos basados en el silenciamiento de genes son los desarrollos de maní y soja hipoalergénicos, café con menos cafeína y trigo libre de gluteninas.  

El proyecto “Protato”La papa, como otros tubérculos, es una fuente muy importante de calorías y la base de la alimentación de algunas regiones del mundo. Por eso muchos investigadores están trabajando en la posibilidad de incrementar su contenido de proteínas. India, por ejemplo, ya cuenta con papas genéticamente modificadas con alto contenido proteico listas para iniciar los ensayos de campo. Estas papas tienen un 35% más de proteínas que las papas comunes, debido a la introducción de un gen de una proteína de reserva del amaranto, y que tiene una muy buena proporción de aminoácidos esenciales. Este proyecto, al que los propios investigadores llamaron “protato”, allanó el camino para incrementar los niveles de proteínas también en otros cultivos, como el arroz, la batata y la mandioca. 

Mejores aceitesLa biotecnología moderna brinda también la posibilidad de modificar el contenido de los aceites. En la lista de estas modificaciones se destacan las destinadas a evitar la hidrogenación (soja alto esteárico, alto oleico o bajo linolénico), incorporar omega 3 (en soja, canola y lino) y aumentar los niveles de vitamina E (en maíz, soja y canola).

La ingeniería genética amplía la posibilidad de modificar la composición de ácidos grasos y permite obtener una mejor composición lipídica de los aceites de manera más rápida y precisa que las técnicas de cultivo tradicionales, sin alterar el normal crecimiento y desarrollo de las plantas modificadas. Esto puede aplicarse a la confección de una dieta más saludable o para ampliar los usos industriales de los aceites vegetales.

Las plantas como biorreactores o fábricas de moléculas

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El término “fábrica de moléculas” o “molecular pharming” se refiere al empleo de plantas para producir moléculas interesantes para la industria, como la farmacéutica, química, etc. En este tipo de cultivos transgénicos se trata de modificar genéticamente a las plantas con el fin de alterar sus rutas metabólicas y así producir el compuesto de interés o bien introducir genes cuyos productos nada tienen que ver con el metabolismo vegetal. Como ciertos biopolímeros, enzimas y fármacos proteicos. Las plantas pueden ser usadas como fábricas de fármacos, ya que es posible expresar en estos organismos genes de cualquier origen, inclusive humanos. Los sistemas de producción de fármacos como proteínas recombinantes actualmente emplean bacterias, levaduras y células de mamífero en cultivo, pero cada uno de estos sistemas presenta sus limitaciones. Las ventajas de las plantas superan a las de los sistemas mencionados, ya que incluyen los bajos costos, la producción a gran escala, la falta de contaminación con patógenos y la posibilidad de obtener una molécula igual, en la mayoría de los casos, a la deseada. 

Tabla: comparación de los sistemas de producción de fármacos como proteínas recombinantes1

Sistema

Costo de producción

Costo de almacenamiento

Tiempo de producción

Capacidad de producción a gran escala

Calidad del producto2

Riesgos de contaminación

Bacterias

Bajo Medio Corto AltaIntermedia

Endotoxinas

Levaduras

Medio Medio Medio AltaIntermedia

Muy bajo

Células de

Alto Alto Largo Muy baja

Muy buena

Virus y priones

mamíferoAnimales transgénicos

Alto AltoMuy largo

BajaMuy buena

Virus y priones

Plantas transgénicas

Muy bajo

Muy bajo LargoMuy alta

Buena Muy bajo

1Los fármacos que actualmente se sintetizan como proteínas recombinantes y se encuentran disponibles en el mercado, se producen en bacterias, levaduras o células de mamífero. Los productos recombinantes obtenidos de animales o plantas transgénicas están siendo evaluados para su uso en humanos.

2Se refiere a cuánto se asemeja a la proteína original en su estructura y función, y en términos  generales, ya que la expresión de ciertas proteínas simples y no glicosiladas puede realizarse con éxito en bacterias y levaduras.

Además de hormonas y enzimas de interés farmacéutico, resulta particularmente interesante la producción de anticuerpos y vacunas en plantas. Con respecto a los anticuerpos, se emplean en el desarrollo de métodos de diagnóstico y tratamiento de ciertas enfermedades, como el cáncer. Las plantas permiten la producción de inmunoglobulinas completas y funcionales, capacidad hasta ahora limitada al cultivo de células de mamífero. En cuanto a las vacunas, además de las ventajas ya mencionadas, la producción en plantas ofrece la posibilidad de generar vacunas comestibles, que resultan más baratas, estables y fáciles de administrar. Hay muchas vacunas comestibles que se están desarrollando en el laboratorio, y algunas ya se están ensayando en humanos, con resultados satisfactorios. Entre estos desarrollos cabe destacar las vacunas contra la rabia, la hepatitis B, el cólera, producidas en espinaca, lechuga y papa, respectivamente.

http://www.argenbio.org/index.php?action=biotecnologia&opt=4