Historia de la Biotecnología (PDF)

Modulo 1 Introducción a la Biotecnología La biotecnología es una ciencia multidisciplinaria que asocia las potencialidades de una entidad viva o de una parte de esta a diferentes técnicas y procesos con fines económicos. Actualmente la biote...

Modulo 1 Introducción a la Biotecnología La biotecnología es una ciencia multidisciplinaria que asocia las potencialidades de una entidad viva o de una parte de esta a diferentes técnicas y procesos con fines económicos. Actualmente la biotecnología es considerada entre las tecnologías más emergentes, debido a los grandes avances de la biología molecular en los últimos años. La palabra biotecnología se compone de dos términos: - Bio cuyo origen griego es Bios que significa la vida. Este término evolucionó a la palabra Biología a principios del siglo XIX. - Tecnología del griego Technologia. Esta palabra apareció en los textos franceses en 1656 para designar estudio de técnicas, herramientas, máquinas y materiales. Según Robert Bud, el término «biotecnología» fue utilizado por el húngaro Károly Ereky en 1919 para describir una tecnología basada en la conversión de materias primas orgánicas en un producto más útil en un libro titulado: “La biotecnología de la carne, la grasa y la producción de leche en agricultura a gran escala”. Desde su aparición, el concepto de biotecnología ha sido definida de diversas maneras. AIDAMALIA VARGAS PHD. 6 Figura 1. Ereky acuñó la palabra "biotecnología" en Hungría durante 1919 en un libro que publicó en Berlín llamado Biotechnologie der Fleisch-, Fett-und im Milcherzeugung landwirtschaftlichen Grossbetriebe Evolución de la Biotecnología Los orígenes de la biotecnología Se distinguen tres etapas desde el Neolítico hasta principios del siglo XX: Figura 2. Origen y desarrollo de las biotecnologías. Cronología de la biotecnología La cronología muestra el progreso desde las primeras domesticaciones (cultivos y animales) a los métodos modernos de biotecnología del siglo XXI. Biotecnología antigua Los primeros antecedentes relacionados con la alimentación y la vivienda, incluida la domesticación. Biotecnología clásica Construida sobre la biotecnología antigua. Producción de alimentos por fermentación. AIDAMALIA VARGAS PHD. 7 Biotecnología moderna Manipulación de la información genética. La ingeniería genética. 1. Biotecnología Antigua (antes de 1800) Figura 3. Biotecnología antigua La mayoría de los desarrollos en este periodo pueden denominarse “descubrimientos” o “desarrollos”. Si estudiamos todos estos desarrollos, podemos concluir que todas estas invenciones se basaron en observaciones comunes de la naturaleza, que podrían ser probados para mejorar la vida humana en ese momento. La comida, la ropa y refugio son las necesidades básicas más importantes de los seres humanos, ya sea en la antigüedad o en el período moderno. El único factor que ha cambiado son sus tipos y sus orígenes. La comida ha sido una necesidad fundamental desde la existencia para la existencia continua de seres humanos. El hombre primitivo comía carne cruda, cada vez que encontraba un animal muerto. Sin embargo, durante las condiciones climáticas difíciles, hubo escasez de alimentos, lo que llevó a la domesticación de los productos alimenticios, Lo que conocemos hoy en día como agricultura. Desde tiempos antiguos, los humanos han explorado las posibilidades de poner a disposición alimentos cultivando cerca de sus refugios. Trajeron semillas de plantas AIDAMALIA VARGAS PHD. 8 (principalmente semillas) y los sembraron cerca. Comprendieron la importancia del agua, de la luz y otros requisitos para el crecimiento óptimo de las plantas alimentarias. Principios y necesidades similares también los han llevado a comenzar la domesticación de diferentes animales salvajes, lo que les ayudó a mejorar sus condiciones de vida. Entonces, se puede decir que fue el período inicial de evolución de la agricultura, lo que condujo a otras necesidades como el desarrollo de métodos de conservación y almacenamiento de alimentos. La levadura es uno de los microbios más antiguos explotados por los seres humanos para su beneficio. La levadura se ha utilizado ampliamente para producir pan, vinagre y otros productos de fermentación, incluida la producción de bebidas alcohólicas como el whisky, vino, cerveza, etc. El vinagre tiene una importancia capital debido a su bajo pH. El vinagre es capaz de prevenir el crecimiento de ciertos microbios y, por lo tanto, el vinagre se puede utilizar con éxito para la conservación de alimentos. Los descubrimientos y los beneficios de estas observaciones llevó a la gente a trabajar en la mejora del proceso. 2. La Biotecnología Clásica La segunda fase de la evolución y el desarrollo de la biotecnología puede llamarse “Biotecnología clásica”. Esta fase se extiende desde 1800 hasta casi a mediados del siglo XX. Durante este período, varias observaciones se extendieron a la evidencia científica. Todo ello fuer muy útil para resolver los enigmas de la biotecnología. Cada contribución de diferentes individuos ha ayudado a resolver el rompecabezas y allanar el camino para nuevos descubrimientos. Los fundamentos de la transferencia de la información genética es el núcleo de la biotecnología. Esta premisa fue descifrada en las plantas, por medio de la especie, Pisum sativum, comúnmente conocido como la planta de guisantes. AIDAMALIA VARGAS PHD. 9  Figura 4. Las leyes de la herencia Estas observaciones fueron decodificadas por Gregor John Mendel (1822-1884), monje agustiniano austriaco. Mendel en ese momento presentó "Las leyes de la herencia " a la Sociedad de Ciencias Naturales en Brunn, Austria. Mendel propuso que las unidades de información interna invisible explicaban las características observables, y que estos “factores”, llamados más tarde genes, se transmiten de una generación a otra. Casi 34 años después de su muerte, otros científicos como Hugo de Vries, Erich Von Tschermak y Carl Correns validaron el trabajo de Mendel en 1900. En ese momento, Robert Brown había descubierto el núcleo en las células, mientras que, en 1868, Fredrich Miescher, un biólogo suizo informó de una nucleína, un compuesto que consistía en un ácido nucleico que extrajo de las células de pus, es decir, de los glóbulos blancos. Seguidamente, el descubrimiento del ADN como material genético y el papel del ADN en la transferencia de información genética están en la base de la biología molecular moderna. En 1881, Robert Koch, un médico alemán, describió las colonias bacterianas que crecen en rodajas de patata (primer medio sólido). Walter Hesse, un colega del laboratorio de Koch, descubrió el agar. En 1888, Heinrich Wilhelm Gottfried Von Waldeyer-Hartz, un científico alemán acuñó el término “cromosoma”, que es AIDAMALIA VARGAS PHD. 10 Considera como una estructura organizada de ADN y proteínas presentes en las células o de una sola pieza de ADN enrollado que contiene numerosos genes, elementos reguladores y otras secuencias nucleotídicas. Otros descubrimientos importantes durante este período fueron la vacunación contra la viruela y la rabia desarrollada por Edward Jenner, un médico británico y Louis Pasteur, un biólogo francés. En ese momento, el desarrollo y el crecimiento de las ciencias biológicas parecían alcanzar la fase exponencial. El principio de la herencia de genes fue redefinido por T. H. Morgan, que mostró la herencia y el papel de los cromosomas en la herencia utilizando moscas de la fruta, es decir, Drosophila melanogaster. Este trabajo histórico de Morgan fue nombrado “La teoría del gen” en 1926. Antes de la publicación del trabajo de Morgan, en 1909, el término “Gen” ya había sido inventado por Wilhelm Johannsen (1857-1927), que describió “el gen” como el portador de la herencia. Johannsen inventó los términos “genotipo” y “fenotipo”. El genotipo fue destinado a describir la constitución genética de un organismo, mientras que el fenotipo era destinado a describir el organismo real. En este momento, la genética comenzó a ganar importancia. Casi al mismo tiempo, en Gran Bretaña, Alexander Fleming, un médico, descubrió los antibióticos, cuando observó que un microorganismo puede ser utilizado para matar a otro microorganismo. Fleming señaló que todas las bacterias (estafilococos) morían cuando un moho crecía en el medio de cultivo. Más tarde descubrió la penicilina, la toxina antibacteriana del moho Penicillium notatum, que podría ser utilizado contra numerosas enfermedades infecciosas. 3. Biotecnología moderna Después del final de la segunda guerra mundial, nuevos descubrimientos presentaron aspectos cruciales que allanaron el camino para la biotecnología moderna y su estado actual. En 1953, J.D. Watson y F.H.C. Crick despejaron por primera vez los misterios alrededor del ADN como material genético, dando un modelo estructural de ADN, AIDAMALIA VARGAS PHD. 11 conocido como “Modelo Doble Hélice del ADN”. Este modelo permitió explicar diversos fenómenos relacionados con la replicación del ADN y su papel en la herencia. Más tarde, Jacob y Monod dieron el concepto de operón en 1961, mientras que Kohler y Milestein en 1975, postularon el concepto de hibridación citoplasmática y produjeron los primeros anticuerpos monoclonales, que revolucionaron los diagnósticos. Figura 5. En 1953, los aportes de Watson, Crick y Franklin desvelaron por primera vez los misterios alrededor del ADN como material genético, dando un modelo estructural del ADN conocido como «Modelo de doble hélice del ADN». En ese momento parecía que la comunidad científica mundial disponía de casi todas las herramientas y conceptos básicos para asentar el camino a importantes descubrimientos científicos. Dr. Hargobind Khorana fue capaz de sintetizar el ADN en un tubo de ensayo, mientras que Karl Mullis añadió valor al descubrimiento de Khorana amplificando el ADN en un tubo de ensayo, mil veces más que la cantidad de ADN original. Utilizando este progreso tecnológico, otros científicos pudieron insertar ADN extraño en otro huésped e incluso fueron capaces de monitorear la transferencia de un ADN extranjero en la generación siguiente. AIDAMALIA VARGAS PHD. 12 Craig Venter, en 2000, pudo secuenciar el genoma humano; el primer genoma públicamente disponible proviene de J.D. Watson y el propio Craig Venter. Estos descubrimientos tienen implicaciones y aplicaciones ilimitadas. Los retos actuales de la biotecnología y la bio nanotecnología Nanotecnologías Un nanómetro es: 500.000 veces más fino que la línea de la pluma de bola; 30.000 veces más fino que el grosor de un cabello; 100 veces menor que la molécula de ADN; 4 átomos de silicio colocados uno al lado del otro. Los nano objetos son partículas, fibras o tubos de entre 1 y 100 nm y que pueden utilizarse como tales. Los nanomateriales pueden definirse como materiales compuestos o constituidos por nano objetos que confieren a estos materiales propiedades o mejoras específicas relacionadas con la dimensión nanométrica. Se presentan en forma de partículas libres o fijas, fibras o de tubos, cristales o láminas, o de porosidades y que tengan desarrollo industrial notable en el campo de los nanotubos de carbono. Las nanopartículas pueden existir de forma natural (hollín y cenizas de los incendios forestales, polvo volcánico...), o emitidos involuntariamente por actividades industriales (humo de soldadura), domésticas como la cocina, el humo del cigarrillo, el transporte (emisiones de motores diésel), o estar diseñados específicamente para productos de consumo y tecnologías avanzadas. Las nanotecnologías representan el conjunto de técnicas que permiten fabricar, observar, medir objetos, estructuras y sistemas de tamaño entre 1 a 100 nm y cuyas propiedades se derivan específicamente de este tamaño nanométrico. AIDAMALIA VARGAS PHD. 13 El desarrollo de la nanotecnología se inició a principios de los años 1980 gracias a la invención del microscopio de efecto túnel, que fue la primera herramienta en permitir la observación de esta escala. Las nanotecnologías son por naturaleza transversales y utilizan disciplinas como la física, la química y la biología, al tiempo que hacen más permeables las fronteras entre las disciplinas científicas y tecnológicas tradicionales. Los ámbitos de aplicación de las nanotecnologías son principalmente las tecnologías de información (aumento de la potencia y disminución del tamaño de los componentes electrónicos, mayores posibilidades de almacenamiento), la salud (nuevas herramientas de diagnóstico médico), tratamiento específico de células enfermas), los nuevos materiales y la energía (ahorro de energía en el transporte, nuevas células fotográficas voltaicas). La definición de nano biotecnología puede variar enormemente. E incluso, según varios, la bio-nanotecnologías no es sinónimo de nano-biotecnología. En particular, Gazit (2007) que ofrece la siguiente distinción concisa. Utiliza la palabra nano biotecnología para describir la aplicación de técnicas nanotecnológicas para el desarrollo y mejora de productos y procesos biotecnológicos y reserva el uso de la palabra Bio nanotecnologías para describir el uso de componentes biológicos básicos y la utilización de actividades y especificidades biológicas para el desarrollo a escala nanométrica (Gazit, 2007). A todos los efectos prácticos, combinamos los elementos agrupados bajo cada una de estas definiciones en la misma categoría, que de ahora en adelante nombraremos nano biotecnología. Colores de la Biotecnología La biotecnología es hoy en día un campo muy amplio de la investigación científica y el término “biotecnología” abarca muchos procesos y aplicaciones. Por tal razón, la biotecnología se ha clasificado en colores, dependiendo del sector al que está dirigido. AIDAMALIA VARGAS PHD. 14  Figura 6. Código de colores para clasificar las aplicaciones y procesos de la biotecnología. https://metodoscientia.com/aplicaciones-de-la-biotecnologia-y-sus-colores/ Por ejemplo, la biotecnología verde está relacionada con la agricultura, rojo relacionado con la medicina, blanco con la industria, etc. (ver Fig. 6). La biotecnología roja Reúne todos los usos de la biotecnología relacionados con la medicina. La biotecnología roja incluye la producción de vacunas y antibióticos, el desarrollo de nuevos medicamentos, técnicas de diagnóstico molecular, terapias de regeneración y el desarrollo de la ingeniería genética para curar las enfermedades por manipulación genética. Algunos ejemplos relevantes de biotecnología roja son la terapia celular y medicina regenerativa, terapia génica y medicamentos a base de moléculas biológicas tales como anticuerpos terapéuticos Biotecnología blanca/ Industria La biotecnología blanca incluye todos los usos de la biotecnología relacionados con procesos industriales, es llamada también la biotecnología industrial. AIDAMALIA VARGAS PHD. 15 La biotecnología blanca presta especial atención al diseño de procesos y productos de bajo consumo de recursos, lo que los hace más eficientes energéticamente y menos contaminantes que los tradicionales. La utilización de microorganismos en la producción de productos químicos, diseño y producción de nuevos materiales para uso diario (plásticos, textiles...) y el desarrollo de nuevas fuentes de energía sostenibles como los biocarburantes. Biotecnología verde/ Agricultura La biotecnología verde se centra en la agricultura como área de trabajo. Las enfoques biotecnológicos verdes y las aplicaciones incluyen la creación de nuevas variedades vegetales de interés agrícola, la producción de bio fertilizantes y bio pesticidas, utilizando cultivos in vitro y plantas de clonación. El primer enfoque es el que debe desarrollarse y suscitar el mayor interés y controversia social. La producción de variedades vegetales modificadas se basa casi exclusivamente en la transgénesis, o la introducción de genes de interés de otra variedad u organismo en la planta. Tres objetivos principales se buscan utilizando esta tecnología. En primer lugar, se espera que las variedades sean resistentes a plagas y enfermedades, por ejemplo, variedades de maíz, actualmente se utilizan y comercializan resistentes a plagas como el piral del tallo maíz. En segundo lugar, el uso de plantas transgénicas tiene como objetivo desarrollar variedades con propiedades nutricionales mejoradas (por ejemplo, mayor contenido de vitaminas). Por último, la transgénesis en las plantas también se estudia como medio de desarrollar variedades vegetales que puedan utilizarse como bio plantas y producir sustancias de interés médico, biomédico o industrial en cantidades fáciles de aislar y purificar. Biotecnología azul/ Mar La biotecnología azul se basa en la explotación de los recursos marinos para crear productos y aplicaciones de interés industrial. Teniendo en cuenta que el mar presenta la mayor biodiversidad, existe potencialmente una amplia gama de AIDAMALIA VARGAS PHD. 16 sectores para beneficiarse del uso de este tipo de biotecnología. Muchos productos y aplicaciones de la biotecnología azul siguen siendo objeto de estudio e investigación, aunque algunos se utilicen realmente a diario. Sin duda, el uso de las materias primas del mar representa la biotecnología azul la más extendida en muchos sectores diferentes. Estos materiales, principalmente hidro coloides y gelificantes, ya son ampliamente utilizados en la dieta, la salud, el tratamiento, etc. La medicina y la investigación son otros grandes beneficiarios del desarrollo de la biotecnología azul. Algunas moléculas marcadoras de organismos marinos se utilizan actualmente en la investigación. Moléculas enzimáticamente activas son útiles en el diagnóstico y la investigación. Determinados biomateriales y agentes farmacológicos o regenerativos se producen o estudian para su uso en estos sectores. Por último, sectores como la agricultura y los cosméticos analizan el potencial de la biotecnología azul para su desarrollo futuro. Biotecnología gris/ Medio ambiente La biotecnología gris incluye todas las aplicaciones de la biotecnología directamente relacionadas con el medio ambiente. Estas aplicaciones pueden ser el mantenimiento de la biodiversidad y la eliminación de contaminantes. Por lo que se refiere al primero, conviene mencionar la aplicación de la biología molecular al análisis genético de poblaciones y especies que forman parte de los ecosistemas, su comparación y su clasificación, así como técnicas de clonación destinadas a preservar las tecnologías de almacenamiento de las especies y del genoma. En lo que se refiere a la eliminación de los contaminantes o la biorremediación. La biotecnología gris utiliza microorganismos y plantas para aislar y eliminar sustancias tales como metales pesados e hidrocarburos, posibilidad adicional de utilizar posteriormente dichas sustancias o subproductos de esta actividad. Productos de la biotecnología Materiales biológicos AIDAMALIA VARGAS PHD. 17 La producción de materiales biológicos y organismos vivos se encuentran entre las primeras aplicaciones de la biotecnología: Medicamentos y salud La alimentación humana y animal Agricultura y ganadería Los cosméticos Enzimas y otros productos químicos intermedios Energía: reducción del consumo y producción de biomasa para producir bioenergía El medio ambiente: reducción o reprocesamiento de los residuos, saneamiento del aire o del agua Materias primas (materiales pasivos) En el campo de la producción de medicamentos, la creación de nuevas moléculas no crece como se podría pensar, sino que disminuye : ⇒ De 1986 a 1990: 238 nuevas moléculas activas ⇒ De 1990 a 1995: 211 nuevas moléculas activas ⇒ De 1996 a 2000: 211 nuevas moléculas activas ⇒ De 2001 a 2005: 149 nuevas moléculas activas Los sistemas mecánicos Figura 7. robot de ADN autopropulsado que opera en la membrana celular para controlar la migración de una célula. H. Li, J. Gao, L. Cao, X. Xie, J. Fan, H. Wang, H.-H. Wang, Z. Nie, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 26087. AIDAMALIA VARGAS PHD. 18 Los robots moleculares sintéticos pueden ejecutar sofisticadas tareas moleculares a resolución nanométrica. En el 2021, un grupo de investigadores de la Universidad de Hunan, China desarrollaron micro robots con ADN que pueden caminar sobre la membrana celular (Li et. al, 2021). Sectores industriales Para el desarrollo sostenible, los procesos enzimáticos son las aplicaciones industriales “limpias” más interesantes y utilizadas: Industria textil, almidón y fécula, cerveza, pastelería y panificación, vinos y zumos de frutas, degradación del almidón en azúcares para la fabricación de alcohol como disolvente. Industria alimentaria de aditivos para la mejora de las cualidades nutritivas de los alimentos, industria láctea para la conversión de lactosa en azúcar asimilable, aromas de quesos, aromas alimentarios biosintéticos, colorantes alimentarios. Alimentación animal (hidrólisis de proteínas para la producción de harinas de alto rendimiento), Industria cosmética (producción de bases de cremas y colágenos), industria papelera (disolución de la pasta, blanqueo, control de la viscosidad de los almidones), procesos de curtido (eliminación de pelo y grasa), tratamiento de grasas (hidrólisis de grasas y lecitinas, esterificación), producción de agentes de solubilidad, bio-detergentes, jabones y procedimientos de saponificación), química fina (productos farmacéuticos). Procesos de fermentación tradicionales: fermentación alcohólica, ácidos orgánicos (ácido cítrico, ácido acético), Producción de antibióticos, producción de derivados químicos, biopolímeros, la ayuda de cultivos de microorganismos. El uso de enzimas y biocatalizadores: procesos alimentarios, sustancias químicas, quimioterapia, biosensores, equipos médicos de diagnóstico. AIDAMALIA VARGAS PHD. 19  La industria de combustibles y productos orgánicos alternativos al petróleo: fotólisis de hidrógeno, digestores de biomasa para la producción de metano, alcoholes (a partir de azúcares vegetales). La biología molecular e ingeniería genética del ADN recombinante (ADN donante, ADN vector o ADN huésped): utilización para la síntesis de productos orgánicos (productos químicos; bio-proteínas: hormonas de síntesis, anticuerpos, factores sanguíneos). Las tecnologías de los interferones y anticuerpos monoclonales: desarrollo terapéuticas, equipos de diagnóstico. Cultivos de células vegetales y proteínas unicelulares: producción biomasa, productos químicos (esteroides, alcaloides, etc.). Biorremediación para el tratamiento y la utilización de residuos: tratamiento aguas residuales, descontaminación o desintoxicación del suelo (metabolización de contaminantes por de microorganismos), herbicidas, tratamiento y reconversión de subproductos de la industria agroalimentaria (residuos de celulosa, del suero de leche de la fabricación de quesos y mantecas, grasas animales, extracción de grasas y harinas animales, etc.). Los procesos biológicos de fijación del nitrógeno: reducción del uso fertilizantes nitrogenados para la producción agrícola, producción de amoniaco a partir de nitrógeno gaseoso atmosférico. Otros procesos industriales asociados: sistema de reciclado de aguas residuales; recogida, pretratamiento y filtración de las captaciones de agua potable, extracción y purificación de productos mineros, desarrollo de reactores sin combustible fósil y libre de contaminantes químicos, aislamiento/concentración y recuperación o filtración de catalizadores y organismos utilizados en la fabricación de subproductos. AIDAMALIA VARGAS PHD. 20