Mentaberry 1 Introduccion a la biotecnologia PDF

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Conceptos generales

Una definición de biotecnología

“Cualquier técnica que utilice organismos o parte de organismos para obtener o modificar productos, mejorar plantas o animales o desarrollar microorganismos para usos específicos” (OTA, Congreso de Estados Unidos, 1984)

“Toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos, o sus derivados, para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos” Convenio sobre la Diversidad Biológica, Capítulo II, UNEP, 1992

Investigación y Desarrollo (índice relativo)

La biotecnología tiene una larga historia... Granja molecular Revolución Verde (’60s)

Desarrollos agrícolas clave Hitos en Biotecnología

Leyes de Mendel (ca.1865)

Cultivos híbridos Animales y plantas transgénicos (’80s)

Clonado génico (1974 Doble hélice (1953

Domesticación de plantas y animales

Pan, Queso Pasteur (ca. 1860 Vino, Cerveza Fermentación

AC DC

Escala de tiempo histórica (años)

Principales etapas en el desarrollo de las biociencias 1865: Mendel describe las leyes de la herencia genética 1915: Morgan ubica los genes en los cromosomas 1940: Delbruck inicia el estudio de la naturaleza fisicoquímica de los genes 1944: Avery muestra que los genes están compuestos por ADN 1953: Watson y Crick describen la estructura del ADN 1953-1966: Dilucidación del código genético 1966: Jacob y Monod describen los mecanismos de traducción de proteínas 1970: Smith, Wilcox y Kelly describen las enzimas de restricción 1973: Boyer y Cohen introducen el primer gen en Escherichia coli 1983: Primera planta transgénica 1982: Primer animal transgénico 1995: Se completa la secuencia del genoma de Haemophilus influenzae 2000: Se descifra el genoma de Arabidopsis thaliana 2003: Se completa la secuencia del genoma humano

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La revolución desarrollada en la biología implica el pasaje de una ciencia descriptiva a una visión mecanística de la naturaleza; de una ciencia “blanda” a una ciencia “dura” • Comprensión de los fenómenos de la vida e intervención activa sobre . ellos • Cambio en la relación entre el hombre y los seres vivos (vida “natural” . y vida “artificial”) • Aparición de nuevos problemas éticos y de responsabilidad social de . los investigadores involucrados en este área

Un nuevo paradigma tecnológico             BIOCIENCIAS (investigación básica)

BIOTECNOLOGIAS (I+D; producción)

INDUSTRIAS (mercados)

Genética Enzimología Bioquímica Microbiología Inmunología Biología molecular Cultivos celulares

Ingeniería genética Ingeniería de enzimas Tecnologías de separación y purificación Fermentación industrial Ingeniería inmunológica

Salud Alimentos Química Agricultura Energía Medio ambiente Minería

La biotecnología es un campo interdisciplinario que involucra múltiples competencias

Un nuevo paradigma tecnológico

• Incremento de la eficacia productiva de microorganismos, . animales y plantas • “Desmaterialización” de la producción • Descenso de los costos de producción • Pasaje de una industria de productos a una de procesos • Desarrollo de nuevos productos y nichos productivos • Nuevas vinculaciones entre distintos campos económicos

Un nuevo paradigma tecnológico Desarrollo de nuevas relaciones entre la ciencia y la tecnología: - La frontera entre la investigación básica y aplicada .. se vuelve cada vez más difusa (“problem driven science”). - El progreso de creación de conocimiento básico . .pierde autonomía ante las prioridades económicas. - Surge la industria “instrumental”; el desarrollo de la . tecnología condiciona la evolución de la investigación . (casos de la genómica, proteómica y metabolómica).

Características de las nuevas biotecnologías

• Rasgos característicos de la biotecnología: - Transversalidad: Rasgo derivado de la universalidad del código genético. Las técnicas de investigación utilizadas en los distintos sistemas . biológicos son esencialmente las mismas. Esta característica favorece estrategias de racimo tecnológico sobre . distintos sectores de aplicación.

- Combinatoriedad: La ingeniería genética no es suficiente para lograr una innovación

. comercial. Se requieren otras competencias técnicas para que un . producto sea posible (por ejemplo, industria de semillas y combustibles). Esta característica promueve estrategias de alianza o cooperación . con otras empresas que posean las competencias requeridas.

- Complementaridad: Se requiere la participación de los saberes tradicionales que para . una apreciación clara de los problemas del campo de aplicación. Esta característica asigna un rol importante a los profesiones tradicionales (ejemplos, mejoradores genéticos, farmacólogos). Esta característica promueve la integración de conocimientos . y constitución de equipos multidisciplinarios.

Etapas de desarrollo de la biotecnología moderna

Biotecnología: la etapa de gestación • La biotecnología surge en el entorno norteamericano a mediados de . los años 70. - Posición dominante en biociencias en el período de posguerra - Modelo de desarrollo de la informática (el “garage californiano”) - Presencia de abundante capital de riesgo • El modelo inicial es el de las nuevas empresas de biotecnología . NEB), organizadas alrededor de un idea novedosa con la . participación de investigadores universitarios y capital de riesgo • El objetivo inicial de las NEB es multiplicar su capital inicial por . el ingreso en el mercado bursátil y el establecimiento de acuerdos . con las grandes corporaciones para poder superar el período de . desarrollo inicial e ingresar al mercado. • Genentech, creada por Herbert Boyer, se convierte en el caso . paradigmático de estas nuevas compañías

Biotecnología: la etapa de gestación La creación de las NEBs en Estados Unidos

Año de creación

1970-75 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984

Número de empresas

5 3 3 3 4 26 43 22 3 3

Ejemplos

Cetus, Bioreponse Genentech Genex Biogen, Hybritech, Collaborative Research Molecular Genetics, Monoclonal Antibodies Calgene Genetic Systems

La etapa de emergencia : Estados Unidos • Extensa base de recursos humanos en biociencias • Abundante disponibilidad de capital de riesgo • Fuerte financiación pública del sector académico y . universitario • Universidades fuertemente vinculadas al sector productivo • Ausencia de objetivos tecnológicos localizados • Enfasis en el contexto económico favorable a la innovación • Asociaciones entre corporaciones y las NEBs • Desarrollo de iniciativas científicas estratégicas: . el Genoma Humano

La etapa de emergencia : Comunidad Europea • Definiciones tardías; dificultades para armonizar políticas . de promoción • Cultura de innovación relativamente pobre. • Desinterés del sector académico; vinculación dificultosa . con el sector privado • Excepto el Reino Unido, escasa o nula creación de NEBs • Políticas dirigidas a sectores tecnológicos definidos • Rol preponderante de empresas del sector farmacéutico • Planes comunitarios; el programa Eureka • Creación de parques y polos tecnológicos para incentivar . la innovación tecnológica • Dificultades con la percepción pública de la tecnología

La etapa de emergencia: Japón • Políticas dirigidas a estimular la innovación • Base pobre de recursos humanos • Estímulo estatal a la interacción entre grandes institutos . de investigación y grandes corporaciones • Programas de investigación aplicada dirigidos a objetivos . determinados • Programas de colaboración internacional: el proyecto . Human Frontiers • Adquisición tecnológica a través de asociaciones con . NEBs americanas o europeas • Fuerte involucramiento de la industria agroalimentaria y . farmacéutica (fermentación industrial) • Comercialización mediante implantación externa

Biotecnología en China e India - Formación masiva de recursos humanos en el exterior - Fuerte inversión en programas agroalimentarios y de salud - Promoción de Centros Internacionales de Investigación y de Polos Tecnológicos - Participación en iniciativas estratégicas (Genoma de Arroz) - Desarrollo de programas aplicados dirigidos a campos prioritarios - Política ambivalente en temas regulatorios

La etapa de maduración: la biotecnología tiene un peso creciente en la producción de la industria farmacéutica

Fármacos biotecnológicos aprobados (acumulativo de EEUU)

Fármacos biotecnológicos (1996-2005) 200 150 100 50

39

45

57

60

72

84

94

107

115

127

0 1996 1997 1998 1999 2000

2001 2002 2003 2004 2005

Año

Ingresos (U$S millones x 1000)

Ingresos de la industria biotecnológica (EEUU, 1996-2004) 100 80

60

60 40 15

20

18

20

29

39

32

43

48

n/a

0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Año

Negocios biotecnológicos (1996-2005) Capitalización del mercado biotecnológico (U$S millones x 1000)

La etapa de maduración: desarrollo creciente de los negocios biotecnológicos

600 487

441

500

382

400

342

312

300 200

400 224

110

109

149

100 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Año

Países que crecen cultivos transgénicos

Cultivos transgénicos (1996-2005) 25

21

20

16

15

13

12

18

17

13

9

10

6

5

5 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Año

Cultivos plantados a nivel mundial (millones de acres)

La etapa de maduración: impacto de los cultivos transgénicos en la agricultura mundial

300 250

200

200 150

99

100 50

109

130

145

222

167

70 4

28

0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Año

Aplicaciones comerciales

Productos biotecnológicos que han llegado al mercado 1996 Fragmento Fab murino contra CEA Monoclonal murino contra PSMA Plasminógeno tisular recombinante Maíz transgénico Interferón beta-1a recombinante Factor de crecimiento eritropoyético recombinante

Immunomedics Anticuerpo Cytogen Johnson & Johnson Bayer AG Biogen IDEC Amgem/Immunex

1997 Anticuerpo monoclonal contra el receptor IL-2 Anticuerpo monoclonal contra el receptor CD20 contra la glicoproteína Iib/IIIa Interleucina 11 recombinante Condrocitos autólogos cultivados Soja con alto nivel de ácido oleico

Hoffman-La Roche Biogen IDEC Fragmento Fab Centocor Wyeth/Genetics Institute Genzyme DuPont/Pionner

1998 Oligonucleótidos fosforotionato antisentido Anticuerpo monoclonal contra HER Claveles de senescencia retardada Anticuerpo monoclonal contra TNF Hormona estimulante de la tiroides recombinante Anticuerpo monoclonal contra RSV

Isis Pharmaceuticals Genentech Nufarm Ltd./Florigene Centocor Genzyme MedImmune

Productos biotecnológicos que han llegado al mercado 1999 Proteína de fusión antagonista de TNF Fusión interleucina 2-toxina diftérica recombinante Factor sanguíneo VIIa recombinante Maíz tolerante a herbicidas Centeno resistente a sulfonilurea

Amgen Ligand Pharmaceuticals Zymogenetics Bayer AG University of Saskatchewan

2000 Anticuerpo monoclonal humanizado contra CD33 Plasminógeno tisular recombinante Factor sanguíneo VIII recombinante Interferón gamma 1b recombinante Arroz tolerante a fosfinotricina Sustituto vivo de piel

UCB/Celltech Pharmaceuticals Genentech Genetics Institute InterMune Bayer AG/Aventis Crop Science Organogenesis

2001 Anticuerpo monoclonal contra CD53 Insulina de corta acción recombinante Primer interferón alfa 2b pegilado Antagonista del receptor de interleucina 1 Factor de crecimiento eritropoyético recombinante

Genzyme/Ilex Oncology Novodisk Schering Amgen Amgen

Productos biotecnológicos que han llegado al mercado 2002 Test de deteccción FISH para el gen her2 Anticuerpo monoclonal contra TNF alfa Factor de hematopoyético pegilado recombinante Interferón alfa 2a pegilado recombinante Tabaco de baja nicotina Anticuerpo monoclonal contra receptor GD20

Genentech Abbot Laboratories Amgen Hoffman-La Roche Vector Group/Vector Tobacco IDEC Pharmaceuticals

2003 Césped tolerante a glifosato Galactosidasa alfa recombinante Vacuna viva atenuada contra la influenza tipo 5 recombinante portador del gen p53 Anticuerpo monoclonal contra IgE Anticuerpo monoclonal contra CD11

Scotts Co/ Scotts Seeds Genzyme MedImmune/ AvironAdenovirus Shenzhen SiBiomo/ Genentech Tanox Biosystems /Genentech Xoma / Genentech

2004 Tripsina bovina recombinante producida en plantas Anticuerpo monoclonal contra VEGF Anticuerpo monoclonal contra el receptor de EGF Microarreglo para genotipeado de citocromo p450 Adaptámero pegilado anti-VEGF de crecimiento de queratinocitos recombinante

Prodigene Genentech Imclone Affymetrix/ Roche Diagnostic Gilead Sciences/ NextarFactor Amgen

Productos biotecnológicos que han llegado al mercado 2005 Variante de N-acetilgalactosamina 4 sulfatasa Análogo funcional del péptido 1 de tipo glucagón Factor de crecimiento de tipo insulina recombinante Complejo proteica del factor de crecimiento 1 Análogo sintético de amilina Endostatina recombinante modificada Maíz con alto contenido de lisina

Biomarin Pharmaceuticals Amylin Pharmaceuticals Tercica/ Genentech Insmed Amylin Pharmaceuticals Medgenn Monsanto

El futuro... Factor de transcripción SB-509 activador de VEGF Arroz que produce pro-vitamina A Anticuerpos monoclonales contra EGF Anticuerpos monoclonales contra CTLA-4 siRNA de interferencia del receptor 1 de VEGF siRNA de interferencia de VEGF

Sangamo Biosciences Centro Internacional del Arroz Amgen/ Abgenix Medarex Sirna Teherapeutics Acuity

Biocombustibles, bioplásticos, intermediarios de fármacos y vitaminas, enzimas industriales, microorganismos industriales.

Campos de aplicación

Campos de aplicación: salud humana • Antígenos vacunales • Péptidos con actividad biológica • Vacunas de nueva generación • Anticuerpos terapéuticos • siRNA de interferencia • Tejidos “artificiales” • Terapia génica

Campos de aplicación: salud humana

Test diagnósticos basados en:

• Anticuerpos monoclonales • Reacción de PCR • Microarreglos de DNA

Campos de aplicación: producción animal • Salud animal - Vacunas - Reactivos diagnósticos • Reproducción animal - Reproducción asistida - Sexado de semen - Clonado de distintas especies • Mejoramiento asistido y mapeo genómico - Calidad de carne, lana, etc. • Transgénesis - Mejoramiento de calidad - Molecular farming

Campos de aplicación: producción vegetal Ingeniería genética:

controles

transgénicas

• Caracteres cuantitativos - Resistencia a enfermedades, pestes y malezas - Tolerancia a sequía, salinidad y temperatura

• Caracteres cualitativos - Cambios en la composición y el valor nutricional - Cambios en el desarrollo, la morfogénesis y la arquitectura de las plantas

Mejoramiento asistido: - Incremento de los rendimientos - Mejoramiento de calidad - Adaptación a distintos agroecosistemas

Plantas transgénicas de papa resistentes a bacterias

Campos de aplicación: especies forestales • Mejoramiento de especies tradicionales - Métodos de propagación masiva - Calidad de madera - Velocidad de crecimiento - Arquitectura del árbol • Mejoramiento de especies autóctonas - Métodos de propagación masiva - Desarrollo de huertos clonales - Mapeo y mejoramiento de caracteres

Campos de aplicación: acuicultura y recursos marinos • Cultivos a mar abierto - Reproducción de peces, crustáceos y moluscos - Algas marinas

• Cultivos de agua dulce - Reproducción de especies nativas y exóticas

• Salud animal - Vacunas y reactivos diagnósticos

• Transgénesis y mejoramiento asistido - Velocidad de crecimiento - Caracteres de calidad

Campos de aplicación: industria alimentaria • Fortalecimiento nutricional - Modificaciones en la composición de aminoácidos, ácidos grasos e hidratos de carbono - Producción y superproducción de vitaminas - Mejoramiento de la digestibilidad de los alimentos - Enriquecimiento en disponibilidad de micronutrientes - Enriquecimiento en metabolitos secundarios “saludables“ - Eliminación de tóxicos, alérgenos y antimetabolitos 

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Campos de aplicación: industria alimentaria • Desarrollo de procesos industriales - Producción o eliminación de enzimas en la materia prima - Control de los procesos de maduración y oxidación en frutos y hortalizas - Producción de enzimas, colorantes, saborizantes y edulcorantes - Producción de ingredientes y probióticos

Campos de aplicación: industria alimentaria Algunas enzimas utilizadas en alimentación humana Alimentos

Panadería

Alimento animal

Bebidas

Proteasa Lipasa Lactasa Pectin metilesterasa Pectinasa Transglutaminasa Amilasa Xilanasa Lipasa Fosfolipasa Glucosa oxidasa Lipo-oxigenasa

Queso, formulas infantiles, gustos Gusto de quesos Conversión lactosa Productos basados en frutas Productos basados en frutas Modificación de la viscosidad Ajuste de harina, ablandado del pan Condicionamiento de la masa Estabilidad de la masa Estabilidad de la masa Fortaleza de la masa Fortaleza de la masa, blanqueamiento del pan Proteasa Galletitas Transglutaminasa Fortaleza de la masa Fitasa Liberación de fósforo Xilanasa Digestibilidad ß-glucanasa Digestibilidad Pectinasa De-pectinización, clarificación de jugos Amilasa Tratamiento de jugos, cerveza de bajas calorías ß-glucanasa Degradación de tejido vegetal Acetolactato decarboxilasa Maduración cerveza Lacasa Clarificación de jugos, gusto (cerveza)

Campos de aplicación: sectores industriales

Algunas enzimas utilizadas en sectores industriales Producción de Detergentes

Almidón y combustibles

Tipo enzima Proteasa Amilasa Lipasa Celulasa Mananasa Amilasa Amiloglucosidasa Pululanasa Glucosa isomerasa Ciclodextrinaglicosiltransferasa Xilanasa Proteasa

Textiles

Celulasa

Papel y pulpa

Amilasa Pectato liasa Catalasa Lacasa Peroxidasa Lipasa Proteasa Amilasa Xilanasa Lacasa

Aplicación Limpiar manchas proteicas Limpiar manchas de almidón Limpiar manchas de grasa Limpieza, clarificación de colores, antiredeposición Limpiar manchas de mananos Licuefacción de almidón y sacarificación Sacarificación Sacarificación Conversión glucosa a fructosa Producción de ciclodextrina Reducción de la viscosidad Nutrición levadura Terminación de jeans, s...