“Biotecnología, hoy”

ArgenBio

Mayo 2018

Primera Parte

Uno

Dos

Tres

Cuatro

Cinco

3

Contenido

La biotecnología, definiciones e historia

Biotecnología tradicional y sus aplicaciones

Ingeniería genética y biotecnología moderna Proteínas

recombinantes, industria farmacéutica y de alimentos

Clonación y transformación genética de animales, aplicaciones

4

1. La biotecnología

Es el empleo de organismos vivos para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre

5

!...3.000 años antes de nuestra era los egipcios y babilonios sabían cómo usar las levaduras salvajes para hacer pan.

!...antes aún (6.000 años), en la Mesopotamia se producían 24 clases de cerveza diferentes!

¡Biotecnología!

Biotecnología tradicional (microbios útiles)

6

Microorganismos Principalmente bacterias (eubacterias, archea) y hongos

(levaduras, filamentosos)

Anton van Leeuwenhoek (1632-1723)

Placas de Petri/colonias

Microscopios

2. Biotecnología tradicional y sus aplicaciones

8

Levaduras del vino, según Pasteur

"La ciencia y las aplicaciones de la ciencia están unidas como el fruto al árbol”

Luis Pasteur (1822-1895) •! Los microorganismos

provienen de otros pre-existentes (¡no existe la generación espontánea!)

•! Origen microbiano de la fermentación

•! Vacunación - atenuación

•! Pasteurización

9

Hongos y biotecnología

Saccharomyce cerevisiae Pan, vino, cerveza

10

Penicillium camemberti Queso Camembert

Penicillium roqueforti Queso Roquefort

Hongos y biotecnología

11

Hongos y biotecnología

Penicillium notatum Penicilina

12

Streptomyces sp. (estreptomicina, cloranfenicol, neomicina)

Bacterias y biotecnología

13

Bacterias ácido-lácticas

Bacterias y biotecnología

14

Bacterias y biotecnología

Lactobacillus d. bulgaricus Streptococcus s. thermophilus Yogurt

Bifidobacterium breve Probióticos

15

Bacterias y biotecnología: los probióticos

Microorganismos vivos que al ser ingeridos benefician la salud, porque mejoran el balance de la microflora intestinal. Tendrían actividades

antimicrobianas, inmunomodulatorias, anticancerígenas, antidiarreicas, antialergénicas y antioxidantes

Ej. Bifidobacterium, Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus termophilus, Enterococcus, etc.

16

Bacterias y biotecnología: los probióticos

17

Enzimas en detergentes

Bacillus sp amilasas, proteasas, lipasas, celulasas, mananasas, etc.

18

Enzimas de organismos extremófilos Enzimas de organismos

mesófilos

termófilos

psicrófilos halófilos

19

Bacterias en agricultura

Bacillus thuringiensis (insecticida)

Rhizobium spp. (inoculante)

20

Bio (biomasa) + combustible Bioetanol, a partir de! Almidón (maíz, trigo, papa, mandioca) Sacarosa (caña de azúcar, remolacha, sorgo dulce) Celulosa (residuos agrícolas y forestales, en desarrollo) Biodiesel, a partir de! Aceites vegetales de colza, soja, canola, girasol, jatropha, etc.

Biotecnología y biocombustibles

21 Obtención de etanol a partir de caña de azúcar (o remolacha)

fermentación

“crushing”

concentración 110ºC, decantación

fermentación

bagazo

caña de azúcar

molasas

jugo de caña

ETANOL AZÚCAR PAPEL

22

Aceites de colza, soja, girasol, jatropha, mostaza, lino, canola, palma, cáñamo, algas, aceites usados y grasas de origen animal, etc.

Biodiesel

BIODIESEL

Metanol Glicerol Éster monoalquílico de ácido graso

Ácido graso

23

Producción de biodiesel a partir de algas

24

(¿quizás en el futuro en plantas?) polihidroxialcanoatos PHA (bioplástico)

Plásticos biodegradables

25

Almidón (maíz, aunque también papa, mandioca, etc.) Ácido láctico Poliláctido

Plásticos biodegradables

Bacterias

PLA (bioplástico)

26

Tratamiento de residuos y efluentes

Degradación, absorción, acumulación y/o transformación de metales pesados, petróleo, otros contaminantes

Caso Exxon Valdez En 1989 se derramaron 40 millones de litros de petróleo en Alaska. La biorremediación involucró la acción de microorganismos autóctonos y la bioestimulación con fósforo (P), nitrógeno (N) y potasio (K). Como resultado, se incrementó unas 4 veces la velocidad de degradación.

Biorremediación

+ Producción de biogás y electricidad

27

Biotecnología tradicional: Empleo de (micro)organismos para la obtención de un

producto útil para la industria

Probióticos Enzimas Alcoholes Ácidos orgánicos Aminoácidos Polímeros Antibióticos Bacterias Bacterias

yogurt detergentes bebidas alcohólicas gaseosas edulcorantes plásticos medicamentos biorremediación inoculantes, insecticidas

28

Biotecnología tradicional (Empleo de organismos para la obtención de un producto útil para la industria). Desde 7.000 a.c.

Biotecnología, hoy

Ingeniería genética o metodología del ADN recombinante. Desde 1970s

Biotecnología moderna (Emplea la ingeniería genética). Desde 1980s

Investigación científica

3. Ingeniería genética y biotecnología moderna

30

El ADN y los genes

31

ADN

codones en el ADN

proteína

32

Expresión: de ADN a Proteína

!"#$%&'&()%(*+,((!"#$%&'&%()*

!"#$%&'&()%(*-,(+,')-&,%#&%()*

!"#$%&'&()%(./0$%"#1&(+,'./&&%()*

*-,(

*+,(

.-2345,*(

*6'#078')0&(

0%12-%)'**

*3.")%)'******4,'&%$2*5+%6%)'7**

* **8/')%)'****

**

33

El código genético es universal

34

Ingeniería genética = Metodología del ADN recombinante Conjunto de técnicas que permiten transferir genes de un organismo a otro

bacterias plantas levaduras células en cultivo animales

organismo de origen

Organismo transgénico o genéticamente modificado (OGM) o recombinante produce una proteína recombinante

gen de interés

transgén

organismo receptor

35

Biotecnología moderna Es la que emplea las técnicas de ingeniería genética

(permite transferir genes de un organismo a otro)

Mejoramiento animal y vegetal

Producción o sobre-producción de enzimas, fármacos y otras moléculas

¿Para qué?

4. Proteínas recombinantes, industria farmacéutica y de alimentos

37

Industria Porcentaje de todas

las enzimas

1985 1994 2000 Detergentes Proteasas, amilasas, celulasas, lipasas

0 80 95

Almidón y derivados Amilasas, maltasas, isomerasas

0 95 95

Panadería Amilasas, glucanasa, xilanasa, proteasas

0 20 50

Aceites y grasas Lipasas, esterasas

0 10 100

Alimentos para animales Fitasas, amilasas, glucanasa, xilanasa

0 30 90

Porcentaje de las enzimas recombinantes que se emplean en diferentes industrias

38

Bacterias

Hongos

Alfa-amilasa

Pan, bebidas, almidón

Aminopeptidasa

Queso, lácteos, sabores

Fosfolipasa

Pan, grasas

Glucosa isomerasa

Almidón

Hemicelulasa

Pan, almidón

Lactasa

Lácteos

Lipasa

Grasas, quesos, sabores, pan

Pectinasa

Bebidas, derivados de frutas

Proteasa

Queso, pan, bebidas, derivados de carne y pescado

Quimosina

Queso

Xilanasa

Bebidas, almidón, pan

Enzima

Aplicación (elaboración de...) Enzimas

recombinantes que se emplean en la industria alimenticia

39

Producción de proteínas recombinantes con valor terapéutico

Primer fermentador para la producción de fármacos a partir de microorganismos

genéticamente modificados. Liverpool, 1982 (insulina en Escherichia coli)

Escherichia coli

40

purificación bioquímica

Páncreas

Insulina de cerdo

Antes...

bacterias o levaduras (ingeniería genética)

ADN (gen de la insulina humana)

Insulina humana (recombinante)

Ahora...

41

Hormona de crecimiento (somatotropina) humana recombinante

Antes, a partir de cadáveres

Ahora, a partir de bacterias recombinantes

42

Producción de interferón de glóbulos blancos humanos •! 45.000 litros de sangre humana (aprox. 100.000 dadores) •! 250.000 millones de unidades de IFN (aprox. 1 gramo) •! Para tratar a 100.000 pacientes con enfermedades virales leves, 2.000 con

enfermedades virales crónicas y 500 pacientes con cáncer. •! Costos para producir 1 gramo: 5-20 millones de dólares

Desde 1986 se produce IFN recombinante para el tratamiento de hepatitis B y C, herpes y ciertos tipos de cáncer.

Tomado de Bio!¿Qué?, Alberto Díaz 2005

43

Escherichia coli Levaduras Cultivo de células animales y vegetales

(Próximamente... también en plantas transgénicas y animales transgénicos)

Factores de coagulación

Hemofilia Insulina

Diebates mellitus Hormona de crecimiento

Deficiencia de la hormona en niños Eritropoyetina (EPO) Anemia

Interferón alfa (IFN alfa) Hepatitis B y C, cáncer

Vacuna anti-hepatitis B Inmunización contra la hepatitis B

Anticuerpos monoclonales recombinantes

Asma, arthritis reumatoidea

Proteína C

Sepsis severa

Beta-glucocerebrosidasa Enfermedad de Gaucher

DNAsa Fibrosis quística

Producto Indicación terapéutica

Proteínas recombinantes empleadas como fármacos

44

Biotecnología moderna (la que emplea a la ingeniería genética)

Cultivos vegetales mejorados (resistentes a insectos y tolerantes a

herbicidas)

Reactivos de diagnóstico

Enzimas

textil

alcohol

papel

quesos, galletitas, pan, embutidos, bebidas, etc.

jabones en polvo

Edulcorantes y resaltadores de sabor

Medicamentos y vacunas (insulina,

interferón, hormona de crecimiento,

vacuna contra la hepatitis B)

Animales mejorados y modelos de estudio

5. Clonación y transformación genética de animales, aplicaciones

46

Biotecnología animal: ratones transgénicos ¿Para qué sirven los ratones transgénicos? - Como herramientas para estudiar la función y la expresión de los genes - Como modelos de enfermedades para el desarrollo de drogas y estrategias de tratamiento Se demostró que un gen de otra especie puede introducirse en el ratón, integrarse a su genoma, ser funcional y transmitirse a la descendencia 1982 - Ratón transgénico para el gen

de la hormona de crecimiento de rata

47

1)!Para mejoramiento del ganado y otros animales de importancia económica (peces, animales de granja, etc.)

2) Para producir leche con mayor valor nutricional o que contenga proteínas de importancia farmacéutica

Animales transgénicos y biotecnología (objetivos)

48

Transgénicos: mejoramiento animal

Annie, una vaca transgénica resistente a la mastitis (en desarrollo)

49

Transgénicos: mejoramiento animal Salmones transgénicos con más hormona de crecimiento para que crezcan más rápido

50

Animales transgénicos que producen fármacos

Tracy (1991-1998), la primera oveja transgénica. Producía 40g/L de alfa-1-antitripsina en la leche.

51

Dolly (1997-2003)

La primera oveja obtenida por clonación a partir de células adultas

52

Oveja adulta A

Clonación de animales

Oveja adulta donante

céula de ubre de la oveja A

fusión entre la célula de la oveja A y el óvulo no

fecundado sin núcleo

óvulo no fecundado de la oveja donante

eliminación de núcleo (ADN) del óvulo

desarrollo del embrión (in vitro)

Dolly (clon de A)

Oveja adulta receptora

implante del embrión en el útero de una oveja receptora

53

En 2007 Argentina (Goyaike) obtiene el primer clon ovino de América, y se transforma en el 5to. país en clonar ovinos, luego de Escocia, Nueva Zelandia, Australia e Italia.

54

Los Caballos de Cambiaso Colibrí, Lapa, Nona, Aiken Cura, Cuartetera y Small Person

Foto: Infobae

N°5, 2010 (

55

Clonación de mascotas

Barbra Streisand con los dos clones de su perra Samantha: Miss Violet y Miss Scarlett.

Foto: revista Variety

56

Clonación y trangénesis

La introducción de genes por transfección y posterior selección de células totipotenciales permite producir animales transgénicos con muy alta eficiencia.

57

Mansa (nació en 2002)

Primera ternera clonada y transgénica.

Produce la hormona de crecimiento humana en la leche.

58

¿Cómo se genera una vaca transgénica?

59

Dinastía Patagonia

Produce insulina humana en su leche.

60

Rosita-ISA

Posee dos genes humanos que codifican dos proteínas presentes en la leche humana, de gran importancia para la nutrición de los lactantes: lactoferrina y lisozima

Tienen funciones antibacterianas, de captura de hierro y, además, son inmunomoduladores

61

62

FIN de la primera parte