Biotecnología
La biotecnología es una ciencia que involucra varias disciplinas y ciencias (biología, bioquímica, genética, virología, agronomía, ingeniería, química, medicina y veterinaria entre otras) basada en el empleo de organismos vivos para la obtención de algún producto o servicio útil para el hombre.
La biotecnología es una ciencia que involucra varias disciplinas y ciencias (biología, bioquímica, genética, virología, agronomía, ingeniería, química, medicina y veterinaria entre otras) basada en el empleo de organismos vivos para la obtención de algún producto o servicio útil para el hombre.
Biotecnología Tradicional
Aunque en un principio se desconocía la causa de que el jugo de uva fermentado se convierta en vino, de que la leche pueda convertirse en queso o yogurt, o de que se pueda hacer cerveza fermentando soluciones de malta y lúpulo, esto marcó el comienzo de la biotecnología tradicional, que se basa en el empleo de microbios o de productos que ellos fabrican para diferentes aplicaciones.
En la actualidad los conocimientos fueron aumentando y los usos que se les dan a las sustancias que son capaces de fabricar algunos microorganismos (a través de la síntesis de compuestos químicos y enzimas) son mucho más diversos. Pueden emplearse eficientemente en procesos industriales, tales como la fabricación de detergentes, manufactura del papel e industria farmacéutica.
Biotecnología Moderna
La biotecnología moderna surge en la década de los ’80 y uno de sus objetivos principales es lograr que una célula realice un trabajo específico y útil de manera previsible y controlable, además de la posibilidad de modificar su tamaño y/o su forma. Esto se consigue alterando las características genéticas de las células que serán las encargadas de realizar tales tareas; estas pueden ser producidas en un organismo diferente y luego transferidas al organismo en el que sean necesarias como en el caso de la producción de insulina humana que es realizada en bacterias para luego ser transferida a pacientes diabéticos.
Ingeniería genética
La ingeniería genética sirve para clonar fragmentos de ADN y para expresar genes (producir las proteínas para las cuales estos genes codifican) en organismos diferentes al de origen. Así, es posible no sólo obtener las proteínas de interés sino también mejorar cultivos y animales. Hoy en día es fundamental para el mejoramiento de cultivos vegetales. El uso más común es la transferencia de genes de una bacteria a una planta para fortalecerla o protegerla de agentes externos. Los genes se transmiten de una generación a la siguiente, de modo que los hijos heredan esta información de sus padres.
Las modificaciones genéticas se realizan a través del aislamiento de ciertos fragmentos de las cadenas de ADN, pudiendo insertarlas en otra molécula de ADN perteneciente a otro organismo. Las moléculas resultantes de esta restricción y reinserción se denominan recombinantes.
Usos
Los diferentes compuestos y moléculas de los microorganismos, tales como enzimas, polímeros, ácidos orgánicos, alcoholes, aminoácidos, etc., hoy se aplican a numerosas industrias entre las que cabe mencionar no sólo la alimenticia, sino también la farmacéutica, textil, del papel, de detergentes, etc.
Los metabolitos primarios son microorganismos que han crecido en un medio con gran cantidad de nutrientes por lo que ha completado sus vías metabólicas, obteniendo así productos con muchos compuestos proteínicos. Los más importantes comercialmente son el alcohol (empleado en la elaboración de bebidas y como biocombustible), los aminoácidos (como el ácido glutámico, empleado como sazonador o la lisina, que se usa como aditivo alimenticio), los nucleótidos, los ácidos orgánicos y las enzimas.
♣ Productos de limpieza
Las enzimas son biocatalizadores, es decir, proteínas que hacen posible la degradación de sustancias y la transformación de una sustancia en otras. Estas están presentes en los jabones en polvo y remueven selectivamente las manchas de nuestra ropa. Según la sustancia que se desea degradar se usan diferentes enzimas que generalmente están presentes en conjunto en los jabones en polvo. Por ejemplo: las lipasas, proteínas que degradan a las grasas, y que son útiles para disolver manchas de aceite, manteca o lápiz de labios; las proteasas que remueven las manchas proteicas, como las de sangre y huevo; y las amilasas degradan las manchas que contienen almidón. Las enzimas que se usan actualmente son producidas por bacterias y hongos, los cuales se reproducen en grandes tanques, llamados fermentadores, al mismo tiempo que fabrican grandes cantidades de enzimas. Más del 90% de las enzimas que están hoy en el mercado provienen de microorganismos recombinantes o genéticamente modificados para optimizar su proceso de fabricación.
♣ Industria Farmacéutica
Los medicamentos que produce la industria farmacéutica son obtenidos de diversas maneras. Las moléculas relativamente simples se producen por procesos de síntesis química. Las moléculas más complejas generalmente son extraídas y purificadas a partir de microorganismos, plantas u órganos de animales.
§ Proteínas recombinantes
Es posible obtener enormes cantidades de una proteína, aislada de todos los componentes celulares del organismo de origen por introducción y expresión del gen de interés en un organismo hospedador fácil de cultivar. Este organismo se denomina entonces “organismo genéticamente modificado” o “transgénico” y la proteína obtenida, “proteína recombinante”. La primera proteína recombinante aprobada como medicamento fue la insulina, en 1982, para el tratamiento de pacientes con diabetes.
Pueden producirse proteínas que no existen en la naturaleza, como ciertas estructuras de anticuerpos denominadas “anticuerpos de cadena simple”, útiles en el diagnóstico y tratamiento de algunas enfermedades. Actualmente los organismos empleados con este fin son microorganismos (bacterias y levaduras) y células de mamífero cultivadas in vitro, pero también es posible fabricar proteínas recombinantes en plantas y en la leche de animales como vacas y cabras.
§ Antibióticos
Los antibióticos son sustancias que se usan para matar o inhibir el crecimiento de las bacterias. El antibiótico pionero fue la penicilina, que revolucionó el tratamiento de las infecciones, como la neumonía y la tuberculosis, y su producción, a partir de hongos, constituyó la primera aplicación de la biotecnología a la industria farmacéutica. La producción comercial comenzó en 1943. Actualmente, la mayoría de los antibióticos, denominados "naturales", se obtienen a partir de los microorganismos que los producen. Así, mientras algunas especies de Penicillum producen penicilina, otras fabrican antibióticos tan importantes como las cefalosporinas. Otros antibióticos naturales muy conocidos, como la tetraciclina, la estreptomicina y la eritromicina, son elaborados por bacterias del género Streptomyces. Los antibióticos denominados "semi-sintéticos" son extraídos de microbios y luego mejorados en el laboratorio. Tal es el caso de la ampicilina, que surge de la modificación química de la penicilina. Finalmente, algunos antibióticos, como las sulfamidas, son fabricados enteramente en el laboratorio y por eso son llamados "antibióticos sintéticos".
♣ Industria Alimenticia
Los microorganismos son esenciales para la producción de muchos alimentos: las levaduras producen el alcohol en la elaboración del vino y el dióxido de carbono para “levantar” el pan, y las bacterias ácido lácticas aportan el ácido láctico en los productos lácteos, cárnicos y vegetales fermentados. En estos casos los microorganismos están presentes durante el proceso de producción pero ausentes como células en el producto final.
En otros, los microorganismos vivos están en el producto final, como los yogures “bio”, donde se promociona su presencia debido a sus efectos beneficiosos para la salud.
§ Fabricación de queso
La quimosina es la enzima coagulante de leche que se utiliza para la fabricación del queso. Esta puede ser extraída del estomago de terneros ya que poseen alto contenido de quimosina pero también existen coagulantes microbianos, derivados de hongos. La quimosina producida por microorganismos recombinantes o genéticamente modificados se denomina quimosina producida por fermentación (FPC) y tiene exactamente la misma secuencia de amino ácidos que la quimosina presente en el cuajo de ternero.
§ Fabricación de yogurt
Para la fabricación del yogurt se utilizan bacterias ácido-lácticas que le confieren a la leche fermentada ese sabor ligeramente acidulado, y otros derivados de la fermentación producen a menudo otros sabores y aromas. El acetaldehído, por ejemplo, da al yogurt su aroma característico, mientras que el di-acetilo confiere un sabor de manteca a la leche fermentada. Las bacterias ácido lácticas también son usadas como cultivos probióticos en determinados yogures, ya que se complementan con las bacterias presentes en nuestra flora intestinal y contribuyen al buen funcionamiento del aparato digestivo.
Agro-biotecnología
La biotecnología vegetal o agro-biotecnología consiste en la incorporación de nuevos genes a las plantas para mejorar los cultivos. Se emplea la ingeniería genética o transgénesis en el mejoramiento vegetal.
♣ Objetivos
§ Aumentar la productividad de los cultivos
§ Mejorar los alimentos derivados de los vegetales
§ Eliminar o disminuir de los niveles de factores anti-nutritivos, toxinas o alérgenos.
§ Introducir o aumentar los niveles de factores promotores de la salud
§ Modificar la proporción de sus componentes según lo que se requiera
§ Emplear las plantas como bioreactores
§ Producir medicamentos, anticuerpos, vacunas, biopolímeros y biocombustibles en base a los vegetales transgénicos
♣ Beneficios
§ Contribuye a una agricultura sustentable
§ Utiliza los recursos respetando al medio ambiente y pensando en las generaciones futuras
§ Pueden obtenerse alimentos mas saludables o con mayor contenido nutricional
El mejoramiento vegetal
Sin utilizar la ingeniería genética desde los inicios de la agricultura se han modificado las características de los cultivos. Así por ejemplo si uno toma una naranja de un árbol silvestre notará que es mucho mas ácida, sin embargo las que encontramos en el supermercado son mas dulces. Mediante métodos que 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. Este método de cruzamiento y selección 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.
Cultivos transgénicos
Según sus aplicaciones pueden distinguirse distintos tipos de cultivos transgénicos:
aquellos que se obtienen con el propósito de mejorar rasgos agronómicos, como ciertas características morfológicas (por ej. tamaño del fruto o del grano, altura del tallo, etc.), resistencia a plagas (por ej. virus, insectos, etc.) y tolerancia a herbicidas o a condiciones ambientales extremas (por ej. salinidad, frío, sequía, etc.). Actualmente se utilizan muchos cultivos modificados de esta forma por ejemplo: soja tolerante a herbicida, maíz y algodón resistentes a insectos, papaya resistente a virus, etc.
cultivos transgénicos comestibles que generan alimentos más sanos y nutritivos que los convencionales. Son ejemplos el arroz con alto contenido en vitamina A, papas que absorben menos aceite, frutas de maduración retardada, maní hipoalergénico, batata con mayor contenido proteico y soja con una composición de ácidos grasos más saludable.
aquellos que se utilizan como fábricas de moléculas de interés industrial, como por ej. medicamentos, vacunas, biopolímeros, etc.
aquellos obtenidos por mutagénesis que son obtenidos a través de radiación (rayos gamma, rayos X, protones, neutrones) o químicos (etilmetanosulfonato, azida sódica, etc) que producen cambios en el ADN (mutaciones). Son ejemplos de este tipo de cultivos el pomelo rosado obtenido a partir del pomelo blanco mutagenizado por radiación, trigo, arroz, lechuga y porotos modificados.
Modificación genética de una planta
Los cultivos genéticamente modificados se obtienen a través de un proceso por el cual son introducidos nuevos genes. Este proceso consta de los siguientes pasos:
1- Introducción del gen de interés en las células vegetales
Este proceso también se denomina transformación. En muchas especies vegetales es posible introducir genes a través de una bacteria del suelo, llamada Agrobacterium tumefaciens, que infecta a la planta y las células de ésta proliferan como un tumor. Estas células pueden crecer en cultivo y se multiplican aún en ausencia de hormonas. Durante la infección ciertas características de la bacteria son transferidas a la planta al integrarse algunos cromosomas al ADN de la planta. Por ingeniería genética se puede insertar un gen de interés en la región que luego es integrada por la bacteria así, luego de la infección, el nuevo gen será también transferido a la célula vegetal e insertado en el genoma de la planta.
2- La regeneración de la planta completa a partir de una única célula transformada
Luego de la transformación, son introducidos genes ‘‘marcadores de selección’, que sirven para darles mas resistencia a las células, en aquellas células que han recibido los genes en la etapa anterior. Las demás células, que no tienen las características deseadas mueren al no ser tan resistentes como las otras frente a los herbicidas y los antibióticos. Las células vegetales de cualquier parte de la planta tienen la particularidad de poder multiplicarse y generar una planta nueva. Para que esto se produzca las células son llevadas a un medio de cultivo adecuado y en presencia de determinadas hormonas vegetales. Así se obtiene una planta completa que lleva el gen de interés en cada una de sus células.
3- El mejoramiento por cruzamiento para transferir el gen incorporado a variedades de alto rendimiento.
Los animales transgénicos
La ingeniería genética permite modificar genéticamente animales, con diferentes aplicaciones que van desde el mejoramiento de las razas domésticas hasta el empleo de los animales como fábricas de fármacos. La modificación genética se realiza de dos maneras:
Alterando ciertos genes presentes en un animal de manera que esta modificación se transmita a la descendencia, o bien transfiriendo genes a un animal de la misma especie o de una especie diferente. Los animales más grandes, como ovejas, cabras, cerdos y vacas pueden modificarse genéticamente gracias al desarrollo de las técnicas de clonación.
Los animales transgénicos se utilizan para varias cosas, entre ellas para aislar los genes y así entender cómo funcionan, como modelos de enfermedades para poder desarrollar nuevas drogas o nuevos tratamientos, como fuente de tejidos y órganos para transplantes en humanos, para mejorar el ganado, para producir leche de mayor calidad o que tenga proteínas de importancia farmacéutica.
La biorremediación
La biorremediación o biocorrección consiste en el empleo de organismos vivos para eliminar o neutralizar contaminantes del suelo o del agua. Se realiza mediante la introducción de determinadas bacterias o plantas en ambientes contaminados con el objetivo de acelerar el proceso natural por el cual los microorganismos degradan o alteran moléculas orgánicas transformándolas en moléculas más pequeñas y no toxicas.
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 y plantas genéticamente modificadas para ser empleadas en biorremediación.
Existen varios tipos de procesos de biorremediación:
1. Degradación enzimática
Se utilizan enzimas en el sitio contaminado para degradar las sustancias nocivas. Estas son previamente producidas en bacterias transformadas genéticamente.
2. Remediación microbiana
En este proceso la utilización de microorganismos se hace 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. Cuando no es necesaria la inoculación de microorganismos, suelen administrarse más nutrientes 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. Estas características también pueden lograrse por ingeniería genética.
3. Fitorremediación
Consiste en el uso de plantas para limpiar ambientes contaminados. Algunas especies vegetales tienen la asombrosa capacidad de absorber, acumular y/o tolerar altas concentraciones de contaminantes como metales pesados, compuestos orgánicos y radioactivos, etc. La fitorremediación es mucho más ventajosa que los procesos anteriores ya que es de muy bajo costo y los procesos degradadores pueden llevarse a cabo con mayor rapidez. Según la planta y el agente contaminante, la fitorremediación puede producirse por:
§ acumulación del contaminante en las partes aéreas de la planta
§ absorción, precipitación y concentración del contaminante en raíces
§ reducción de la movilidad del contaminante para impedir la contaminación de aguas subterráneas o del aire (por ej. lagunas de deshecho de yacimientos mineros)
§ desarrollo de bacterias y hongos que crecen en las raíces y degradan contaminantes
§ captación y modificación del contaminante para luego liberarlo la atmósfera con la transpiración
§ captación y degradación del contaminante para originar compuestos menos tóxicos
