Biotecnología e Ingeniería Genética: Conceptos y Aplicaciones

¿Qué es la Biotecnología?

La biotecnología es un conjunto de técnicas que utilizan las potencialidades de los organismos vivos o de compuestos procedentes de ellos (por ejemplo, enzimas) para la obtención de productos, bienes o servicios.

Esta definición de biotecnología abarca:

• La biotecnología tradicional. Utilizada desde hace miles de años, por ejemplo, el empleo de los procesos de fermentación microbiana para producir bebidas alcohólicas, vinagre, pan, queso y yogur. A partir de principios del siglo XX también se incorporan en este campo técnicas microbiológicas que promueven la obtención de medicamentos (antibióticos y vacunas) a partir de microorganismos.
• La biotecnología moderna. Nacida de los grandes progresos científicos que han tenido lugar en los últimos 40 años en los campos de la biología celular, la bioquímica, la microbiología, la inmunología y la ingeniería genética. Estos avances han posibilitado el conocimiento y la manipulación selectiva y programada del material genético de los organismos vivos.

" La biotecnología contemporanea. Incorpora avances muy recientes como la reprogramación nuclear, las micromatrices de ADN, ARN y proteínas, la clonación celular, la aceleración de la secuenciación de genomas, la nanotecnología, el desarrollo de biomateriales, etc.

Las técnicas biotecnológicas inciden sobre todos los sectores económicos, por eso se han dividido en subdisciplinas y hoy se habla de:

• Biotecnología verde: aplicaciones agrícolas y ganaderas (uso de bacterias para favorecer el crecimiento de las plantas, desarrollo de cereales resistentes a plagas, desarrollo de animales resistentes a enfermedades, desarrollo de plantas que expresan herbicidas).
• Biotecnología roja: aplicaciones sanitarias (utilización de organismos para obtener nuevos productos y fármacos, producción de anticuerpos monoclonales, desarrollo de terapias génicas y celulares).
• Biotecnología azul: aplicaciones acuáticas y marinas (uso de plantas y productos marinos para obtener nuevos fármacos, utilización de genes de organismos acuáticos para lograr plantas resistentes a las condiciones ambientales, mejora de la efectividad de la vacunación para disminuir la mortalidad en peces, restauración o preservación de especies acuáticas).
• Biotecnología blanca: aplicaciones a los procesos industriales (producción de nuevas sustancias químicas, desarrollo de combustibles nuevos, utilización de bacterias para eliminar vertidos de petróleo, diseño de organismos para obtener productos de interés).
• Biotecnología amarilla: aplicaciones alimentarias (mejora de las cualidades de los alimentos, obtención de alimentos seguros para la población).
• Biotecnología gris: aplicaciones para la mejora del medio ambiente que incluyen entre otras, técnicas de eliminación de contaminantes de los suelos (Biorremediación).
• Biotecnología negra: aplicaciones para combatir el terrorismo biológico.

Biotecnología y sus Aplicaciones

Biotecnología Roja: Médica

PARA LA SANIDAD Trabaja en la prevención, diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Ejemplos: desarrollo de vacunas, antibióticos, fármacos antitumorales y terapias génicas.

Biotecnología Blanca: Industrial

PARA USOS INDUSTRIALES Aplicaciones en la producción de nuevos combustibles, materiales y productos químicos, de forma sostenible. Ejemplo: fabricación y uso de los bioplásticos o los biocombustibles.

Biotecnología Verde: Agrícola

PARA AGRICULTURA Aplicación en la manipulación vegetal y animal para mejorar la calidad nutricional o su producción económica. Ejemplos: uso de plantas resistentes a plagas y animales resistentes a enfermedades, los biofertilizantes (microorganismos para favorecer el crecimiento de plantas).

Biotecnología Gris: Ambiental

PARA EL MEDIO AMBIENTE Aplicación en la protección o recuperación del medio ambiente. Ejemplo: biorremediación (descontaminación de suelos y eliminación de metales).

Biotecnología Amarilla: Alimentaria

PARA LA ALIMENTACIÓN Su objetivo es aumentar la productividad y el abastecimiento de los alimentos a la población en general, garantizando su calidad e inocuidad. Ejemplo: fabricación de vinos, cervezas, quesos y pan, y la producción de alimentos funcionales (hipoalergénicos o alimentos para diabéticos).

Biotecnología Azul: Marina

PARA LA BIOLOGÍA MARINA

• Estudio de los recursos marinos para su aplicación en todos los ámbitos de la biotecnología. Ejemplos: fabricación de fertilizantes o fármacos.
• Uso de la biotecnología para la conservación del medio marino. Ejemplos: recuperación de especies acuáticas y diseño de vacunas para peces.

Biotecnología Negra: Contra Bioterrorismo

PARA COMBATIR EL BIOTERRORISMO Desarrolla aplicaciones para combatir los efectos de la guerra biológica y los biocrímenes. Ejemplos: producción de antivenenos.

Biotecnología

El término biotecnología, en su sentido más amplio, se aplica a la utilización de las propiedades de los seres vivos para fines prácticos e industriales. Los procesos industriales que utilizan los microorganismos como base para la obtención de sus productos constituyen la llamada microbiología industrial o biotecnología microbiana.

Los microorganismos utilizados en procesos industriales son organismos seleccionados cuidadosamente para producir uno o varios productos específicos, bien directamente o bien mediante transformaciones bioquímicas, y con un gran rendimiento.

Las cualidades del microorganismo ideal son:

• Crecer rapidamente en medios líquidos y a temperaturas moderadas.
• Producir sustancias de interés a gran escala y en el menor tiempo posible.
• Mantenerse en cultivos puros largo tiempo.
• Ser genéticamente estables.
• Ser aptos para manipulación genética.
• No ser patógenos.

Microorganismos y la Industria Alimentaria

Hay microorganismos cuya actividad es utilizada para obtener alimentos para la especie humana. Los más importantes son los capaces de fermentar diferentes alimentos como frutos, vegetales y la leche. La fermentación microbiana de estos alimentos contribuye a conservarlos y a darles un sabor y aroma característicos.

La fermentación de los alimentos se efectúa a partir de los propios microorganismos que llevan los alimentos o bien se realiza gracias a microorganismos que son añadidos al sustrato alimenticio, como ocurre con la fabricación del queso.

Entre los alimentos fermentados más frecuente se encuentran los que proceden de la fermentación de la leche (derivados lácteos), como la leche búlgara, el yogur, el kéfir (mezcla de fermentación láctea y alcohólica) y el queso.

Veamos a continuación la fabricación del pan y el yogur, como ejemplos de la utilidad de los microorganismos en el proceso de transformación de alimentos.

Fabricación del Pan

El pan se fabrica con la ayuda de la levadura Saccharomyces cerevisiae que degrada los glúcidos de la harina (almidón) siguiendo primero la vía de la glucólisis y luego de la fermentación alcohólica, produciendo CO2 y etanol (alcohol) (Ver metabolismo anaerobio).

H O Glucólisis 2 ADP +2 Pi 2 ATP H -C-OH 2HO HO-C-H H - C-OH C= 0 H - C-OH CH CH,OH Ácido pirúvico Glucosa 2 NAD 2 NADH2 2H Fermentación alcohólica 2CO, H -C-OH 2H O CH C Etanol CH, Acetaldehido

Para este proceso se mezcla harina con agua y levadura, se amasan para mezclar bien, y se deja reposar para que actúen las levaduras hasta que, por último, se hornea. Durante el proceso, el volumen aumenta, es lo que se conoce como subida de la masa y es debido a los gases desprendidos (CO2 en la fermentación) y además se produce etanol, que se evapora durante la cocción.

levadura agua sal amasamiento harina se deja en reposo varias horas, durante las cuales las células de levadura producen CO2 y la masa «sube» la masa se divide en porciones y se deja en reposo. Posteriormente, se hornea durante unos 30 minutos. pan

Fabricación del Yogur

La fabricación de alimentos derivados de la leche como el queso, yogur, kéfir o requesón se lleva a cabo mediante procesos de fermentación láctica en la que participan las bacterias del ácido láctico. Muchas bacterias del ácido láctico se encuentran normalmente en la leche y son responsables de su agriamiento espontáneo. El agriamiento de la leche proporciona un medio para conservar este alimento, de otro modo tan inestable, y la fabricación del queso y de otros productos lácteos fermentados se iniciaron indudablemente como medios de conservación.

Existe un número bastante elevado de bacterias y algunos hongos capaces de formar cantidades significativas de ácido láctico a partir de glúcidos. Son especialmente importantes en las industrias alimentarias y de fermentación los géneros Lactobacillus sp. (Lactobacillus bulgaricus) o Streptococcus sp. (Streptococcus thermopilus).

Para fabricar yogur se mezcla la leche con un poco de yogur que ya tiene estas bacterias, se agita y se mantiene a una temperatura templada durante 10 -12 horas, formándose yogur. Se produce una fermentación láctica (ver metabolismo anaerobio), generando ácido láctico, el cual contiene la acidez que impide el crecimiento de otros microorganismos.

HO Glucólisis C 2 ADP + 2 Pi 2 ATP H -C-OH 2HO Q HO-C-H H -C-OH C=0 H - C -OH CH3 CH, OH Ácido pirúvico Glucosa 2 NAD 2 NADH2 HO O C H -C-OH CH 2 Ácido láctico Fermentación láctica

Para fabricar algunas variedades de queso también intervienen hongos, como Penicillium roqueforti, responsable del color, olor y sabor característico de este queso.

Ingeniería Genética

La ingeniería genética es el conjunto de procesos y técnicas que permiten la manipulación del ADN teniendo la posibilidad de hacer cambios en los genes: copiarlos, modificarlos y volver a introducirlos en el mismo organismo o, si es necesario, en un organismo diferente. Esta técnica permite así obtener mejoras en las cualidades de los seres vivos para utilizarlas en nuestro beneficio de forma más rápida y eficiente que con los mecanismos clásicos de mejora genética animal o vegetal.

Las técnicas de ingeniería genetica permiten por tanto obtener dos tipos de organismos:

ORGANISMOS OMG O. TRANSGÉNICO Se modifica su genoma para inhibir o potencial la expresión de sus genes Se le ha insertado un fragmento de ADN que no es propio de su genoma

• Organismos modificados genéticamente (OMG): en los cuales se ha modificado artificialmente su genoma para inhibir o potenciar la expresión de sus genes de modo que cambien sus cualidades. Ejemplo: líneas de ratones de laboratorio "knock out", en los que se inactivan genes específicos de su genoma mediante un bloqueo de genes. Los genes dejan de producir ciertas enzimas y con ello se inducen ciertas enfermedades. Así se pueden obtener ratones de experimentación para el estudio de fármacos o estudios fisiopatológicos de la enfermedad.

RATONES KNOCK OUT Bloqueo de un gen. se inhibe una enzima expresión de enfermedad