biotecnología industrial 1ra unidad
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INTRODUCCIÓN
La biotecnología, juega un rol muy activo en la producción :nuevas moléculas, fármacos, química fina, bioingredientes, energía, alimentos y bioelectrónica
La biotecnología involucra formas vivientes activas,microorganismos, y otras entidades celulares animal y vegetal, que en conjunto ofrecen una gran biodiversidad de sistemas genómicos y metabólicos
. Gracias a numerosos avances científicos en la actualidad esposible efectuar mejora genética
y molecular de microbios, plantas y animales para generar biomoléculas y proteinas de importancia industrial y comercial.
Biotecnologíaproviene de dos vocablos:Bio = vivo o vivienteTecnología = la aplicación de la ciencia para alcanzar objetivos industriales o comerciales.
Es el campode la biologíaaplicadaqueutiliza organismos vivos y
procesos biológicos eningeniería, tecnología, medicina y otras
áreas que utilizan procesos biológicos.
«La biotecnología se refiere a todaaplicación
tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificaciónde productos o procesos para
usos específicos »(Convenio sobre la Diversidad Biológica,
Artículo 2. Uso de términos, Naciones Unidas. 1992)
“Un conjunto de técnicas que modifican organismosvivos, transforman sustancias de origen orgánico o utilizan procesos biológicos para producir un nuevo conocimiento o desarrollar productos y servicios”(Organización para la Cooperación y el DesarrolloEconómico)
“El conjunto de técnicas oprocesos que emplean
organismos vivos o sustancias que provengan de ellos para producir o modificar un alimento, mejorar las plantaso animales de los que
provienen los alimentos, odesarrollar microorganismos
que intervengan en los procesos de elaboración de los mismos” (Sociedad Española de Biotecnología)
CRONOLOGÍA DELA
BIOTECNOLOGÍA
CRONOLOGÍA DE LA BIOTECNOLOGÍA
10000
AC
• En la antigua babilonia se usaban las plantas con fines anestésicos
8000 AC
• Recolección de semillas para replantación• Mesopotamia utilizó la crianza selectiva de ganado
6000 AC
• En medio Oriente se elaboraba cerveza utilizando levaduras.
5000 AC
• Los humanos descubren que pueden mejorar cultivos plantando las semillas de las mejores plantas.
4000 AC
• China elaboró queso y yogur aplicando la fermentación láctica.
2300AC
• Egipto produce pan con levadura
323AC
• Aristóteles especula sobre la naturaleza de la reproducción y la herencia.
1590
• Zavarías Janssen inventa el microscopio
1665
• Robert Hooke utiliza por primera vez la palabra célula en su libro Micrographia.
1856
• Gregor Mendel, realiza experimentos de cruzamientos con guisantes efectuados en el jardín del monasterio que le permitió descubrir las tres leyes de la herencia o leyes de Mendel.
1861
• Louis Pasteur, descubrió que la fermentación, que es el proceso que se usa para hacer cervezas y vinos que se lleva a cabo a través de diminutos animales. Pasteur llamó a estos microorganismos "gérmenes" y descubrió que estos también son responsables de esparcir enfermedades contagiosas. De esta manera logró resolver el problema de la rabia, y creó vacunas para ésta y otras enfermedades mortales, salvando así muchas vidas.
1919
• Karl Ereky,
utilizó por primera vez la palabra Biotecnología, para ese tiempo, el termino significaba todas las líneas de trabajo por las cuales aquellos productos eran producidos de las líneas de materiales con la ayuda de organismos vivos.
1953
• James Watson y Francis Crick describen la estructura de doble hélice del ADN.
1965
• Robert Holley, determinó que un gen de levadura estaba compuesto por 77
bases nitrogenadas.
1970
• Har Gobind Khorana, obtuvo valiosas síntesis de polinucleótidos con secuencias
de bases conocidas y consiguió construir en el Laboratorio un gen completo.
1973
• Stanley Cohen y Herbert Bayer desarrollan la Tecnología de recombinación del
ADN.
1976
• Har Gobind Khorana, sintetiza una molécula de ácido nucleico compuesta por 206 bases nitrogenadas• Robert Swuanson y Herbert Bayer crean Genentech, la primera companía de Biotecnología.
1982
• Se produce la insulina como la primera hormona sintetizada por biotecnología, su nombre comercial
Humalina® de la compañía Eli - Lilly
1983
• Se creó la primera planta transgénica y en 1994 apareció el tomate Flavr Svr, el primer alimento modificado genéticamente producido para el consumo masivo, modificado para que resistiera más tiempo después de madurar.
• Estos son plenamente aceptados en Estados Unidos (63%), Argentina (21%), China (4%) y otros muchos países.
1987
• Se aplicó las huellas genéticas (conjunto de métodos para la detección delpatrón genético único de un organismo) pués utilizando rastros de tejido, sangreo fluídos corporales dejados en la escena de un crimen se usó para declararculpable a un violador en Inglaterra.
1996
• La oveja Dolly (5 de julio de 1996 – 14 de febrero de 2003) fue el primer mamífero clonado a partir de una célula adulta.
• La célula de la que venía Dolly era una ya diferenciada o especializada, procedente de un tejido concreto, la glándula mamaria, de un animal adulto(una oveja Fin Dorset de seis años), lo cual suponía una novedad. Hasta ese momento se creía que sólo se podían obtener clones de una célula embrionaria,es decir, no especializada
2003
• Se completa la secuencia del genoma Humano. (Iinformación contenida en los
cromosomas, que hacen que el ser humano sea como es y que se pueda diferenciar deotros seres vivos. El genoma humano es lo que da identidad a cada uno de nosotros ytiene que ver con nuestra historia genética así como también con rasgos físicos ypsicológicos que puedan estar determinados de ante mano: 20.500
2004
• Se organiza el primer foro global de biotecnología en la Cuidad de Concepción, organizado por Chile y la ONU.
2006
• A finales del mes de octubre 2006la industria delsector se reunió en Marsella (Francia)
en la octava edición de la Conferencia Europea de Biotecnología, salieron iniciativasmuy interesantes.
2000-2012
• Arroz transgénico rico en β-caroteno, podría evitar miles decasos de ceguera y de otras enfermedades causadas por faltade vitamina A en la dieta, pero todavía no se ha aprobado sucomercialización.
2009
• En Noviembre la Revista Sciencie manifestó que un grupode investigadores logró detener una enfermedad mortalcerebral Adrenoleucodistrofia,
2012
• Nano-patch, vacuna que prescinde de pinchazos, requiere unamenor dosis y no necesita refrigeración.
• En marzo del congreso Biotecnología Habana 2012, dedicadoa aplicaciones médicas, mostró los resultados de vacunascontra el cáncer que no revierten la enfermedad pero mejoranla calidad de vida del paciente
CLASIFICACION DE LA BIOTECNOLOGÍA
1. BIOTECNOLOGÍA ROJA: se aplica a la utilización de biotecnología enprocesos médicos. Algunos ejemplos son el diseño de organismos para producir antibióticos, el desarrollo
de vacunas y nuevos fármacos, losdiagnósticos moleculares, las terapias regenerativas y
el desarrollo de la ingeniería genética para curar enfermedades a través de la terapia génica.
2. BIOTECNOLOGÍA BLANCA: conocida como biotecnología industrial, esaquella aplicada a procesos industriales. Un ejemplo de ello es el diseño de microorganismos para producir un producto químico o el uso de enzimas como catalizadores industriales, ya sea para producir productos químicos valiosos o destruir
contaminantes químicos peligrosos (porejemplo utilizando oxidorreductasas). También se
aplica a los usos de la biotecnología en la industria textil, en la creación de nuevos materiales, como plásticos biodegradables y en la producción de biocombustibles. Su principal objetivo es la creación de productos fácilmente degradables, que consuman
menos energía y generen menos deshechos durante su producción. La biotecnología blanca tiende a consumir menos recursos que los procesos tradicionales utilizados para producir bienes industriales.
3. BIOTECNOLOGÍA VERDE, es la biotecnología aplicada aprocesos agrícolas. Un ejemplo de
ello es el diseño de plantastransgénicas capaces decreceren condiciones ambientales
desfavorables o plantas resistentes a plagas y enfermedades. Se espera que la
biotecnología verde produzca soluciones más amigables con el medio ambiente que los métodos tradicionales de la agricultura industrial.Un ejemplo es el maízBt , un maíz
transgénico o genéticamente modificado que produce en sus flores proteína Cry (Bacillus thuringiensis). Así, cuando las larvas de los insectos comúnmente denominados "barrenadores del tallo" intentan alimentarse de la hojao
del tallo del maízBt, mueren.
4. BIOTECNOLOGÍA AZUL, también llamada biotecnologíamarina, es un término utilizado para describir las aplicaciones de la biotecnología en ambientes marinos y acuáticos.
MULTIDISCIPLINARIDAD DE LA BIOTECNOLOGÍA
BIOLOGÍA CELULAR
BIOLOGÍA
MOLECULAR
GENÈTICA
MOLECULAR
INDUSTRIAS: F
ARMACEUTICAS, ALIMENTARIA Y FORRAJERA, DE
LA F
ERMENTACIÓNQUÍ MICA
BIOTECNOLOGÍA
INGENIERÍA DE PROCESOS
DIAGNÓSTICOS MÉDICOS
Q
UÍMICABIOLOGÍA
M
ICROBIOLOGÍA
BIOQUÍMICA
IMPACTO DE LA BIOTECNOLOGÍA APLICADA ENDIVERSOS SECTORES
1. La biotecnología y los alimentos2. La biotecnología y la industria textil3. La biotecnología y la
salud4. La biotecnología y la industria del
papel5. La biotecnología y el medio
ambiente6. La biotecnología y la energía7. La biotecnología y la química8. La biotecnología y el agro9. La biotecnología y los animales
POSIBLES APLICACIONES EN OTROSS
ECTORES
• Desarrollo de diversos tipos de enzimas y microorganismos
genéticamente modificados que pueden producir productos químicos enun solo paso, algunos de ellos identificados a través de modernos métodos de bioprospección.
• Biosensores para el monitoreo en tiempo real de contaminantes ambientales y técnicas biométricas para identificación de personas.
• Biocombustibles de alta densidad de energía producidos a partir de la caña de azúcar y fuentes celulósicas de biomasa.
• Mayor proporción de mercado para biomateriales como los
bioplásticos, especialmente en nichos en los que pueden ofrecer algunas ventajas .
MARCO NORMATIVO DE LA BIOTECNOLOGÍA.
Un aspecto muy importante del negocio de la biotecnología lo constituyen
los procesos de regulación que rigen la industria para maximizar la seguridadla mayoría de los productos deben examinarse cuidadosamente , antes de aprobar su uso. El proceso de regulación conlleva dos aspectos importantes:
1. El control de calidad y2. Aseguramiento de la Calidad
Los productos biotecnológico están regulados por:a. FDA (Food and Drug Administration)b. EPA (Environmental Protection Agency)c. USDA (U.S. Department of Agriculture)
TECNOLOGIAS APLICADAS
1. PCR2. FINGERPRINT3. CLONACIÓN4. BACTERIAS
GENETICAMENTE MODIFICADAS
5. GENÓMINA6. PROTEÓMICA
TÉCNICAS BASE DE LA BIOTECNOLOGÍA
Proceso de bioseparación
Definición: Recuperación, aislamiento, purificación y refinamiento de productos sintetizados por procesos biotecnológicos.
Definición extendida: Etapas de refinamiento final de procesos tales como tratamiento de efluentes y purificación de agua por biotecnología.
Necesitamos aplicar métodos de bioseparación para:
• Enriquecimiento del producto objetivo.• Reducción de volumen.• Remoción de impurezas específicas.• Mejoramiento de la estabilidad del producto.• Alcanzar las especificaciones del producto.• Prevención de la degradación del producto.• Prevención de otras catálisis diferentes a las deseadas.• Prevención de envenenamiento del catalizador.
RETOS EN INGENIERÍA DE BIOSEPARACIONES
•Bajas concentraciones de producto.•Gran número de impurezas.•Termolabilidad de bioproductos.•Estrecho margen de operación de pH y fuerza iónica.•Baja solubilidad de bioproductos en solventes orgánicos.•Inestabilidad de bioproductos en solventes orgánicos.•Estrictos requerimientos de calidad.•Porcentaje de pureza.•Ausencia de impurezas específicas
Un proceso ideal de bioseparación debe combinar alta capacidad conalta selectividad, y debe asegurar estabilidad del producto.
PRODUCTOS BIOLÓGICOS
Product
o
Naturaleza de la bioseparación requerida
Bebidas alcohólicas:
Clarificación, destilación.
Ácidos orgánicos:Ácido acético, ácido cítrico
Precipitación, filtración, adsorción, extracción con
Vitaminas:Vitamina C, vitamina B12, riboflavina
Precipitación, filtración, adsorción, extracción con
Amino ácidos:Lisina, glicina, fenilalanina
Precipitación, filtración, adsorción, extracción con
Antibióticos:Penicilinas, Noemicita, Bacitacina
Precipitación, filtración, adsorción, extracción con
Carbohidratos:Almidón, azúcares, dextrinas
Precipitación, filtración, adsorción
Lípidos:Glicerol, grasas, ácidos grasos
Precipitación, filtración, adsorción, extracción con
PRODUCTOS BIOLÓGICOS
Product
o
Naturaleza de la bioseparación requerida
Proteínas:Alimentos y sus aditivosNutracéuticos Enzimas industriales HormonasEnzimas farmacéuticasProductos derivados de plasma Anticuerpos monoclonales Factores de crecimiento TrombolíticosProteínas derivadas de r-DNA Proteínas de
Filtración, precipitación, centrifugación, adsorción, cromatografía, separaciones basadas en membranas
PRODUCTOS BIOLÓGICOS
Product
o
Naturaleza de la bioseparación requerida
Productos basados en DNA: Pruebas de DNA, plásmidos, nucleótidos,
Filtración, precipitación, centrifugación, adsorción,
Un buen proceso de separación:• Asegura la pureza deseada del producto.• Asegura la estabilidad del producto.• Mantiene costos bajos.• Es reproducible.• Es escalable.• Cumple con las regulaciones establecidas.
La economía del proceso está determinada por:
• Capital invertido
• Costos de operación
Otros factores
Eficiencia de las operaciones unitarias individuales
Pérdidas en cada etapa
Destrucción o degradación del productodurante el proceso
Estado físico del producto al final de cada etapa.
• Costo del tratamiento del efluente
ESTRATEGIAS PARA BIOSEPARACIÓN
La estrategia está basada en como estos métodos pueden ser mejorutilizados para una separación dada.
Se necesita tomar en cuenta lo siguiente:
• El volumen de la corriente de proceso
• La abundancia relativa del producto en esta corriente de proceso.
• El uso que se le intenta dar al producto, esto es, requerimientos
de pureza.
• El costo del producto.
• Requerimientos de estabilidad.
ESTRATEGIA CONVENCIONAL
• Recuperación, aislamiento, purificación y refinamiento.
• Las técnicas de baja resolución, alta capacidad (por ejemplo, precipitación,filtración, centrifugación, cristalización) se usan primero para recuperación y aislamiento
• Las técnicas de alta resolución (por ejemplo,adsorción, cromatografía, electroforesis) son entonces usadas para purificación y aislamiento
MÉTODOS DE BIOSEPARACIÓN
BAJA RESOLUCIÓN –ALTA CAPACIDAD
ALTA RESOLUCIÓN – BAJA CAPACIDAD
• Ruptura celular• Precipitación• Centrifugación• Extracción líquido-líquido• Percolación• Filtración• Extracción con fluídos supercríticos• Microfiltración• Diálisis
• Ultracentrifugación• Adsorción• Cromatografía de lecho empacado• Separación por afinidad• Electroforesis
MÉTODOS DE BIOSEPARACIÓN
ALTA RESOLUCIÓN-ALTA CAPACIDAD
•
Ultrafiltración• Cromatografía de lecho fluidizado• Cromatografía de membrana• Cromatografía de columna iónica
PROPIEDADES DE LAS TÉCNICAS DE PURIFICACIÓN COMÚNMENTE USADAS
Técnica Propiedad
Capacidad
Resolución
Rendimiento
Costo Composición
Composición
Precipitación por pH
Carga alta MUY BAJA MEDIA BAJO >1 mg/ml Volumen pequeño Concentraci
Precipitación con(NH4)2SO4
Hidrofobicidad
ALTA MUY BAJA ALTO BAJO >1 mg/ml I alto Volumen pe
Extracción en dos fases acuosas
MEZCLA BIOAFINIDAD
ALTA ALTA
MUY BAJA ALTA
ALTO VARIABLE
BAJO ALTO
Puede contener
Concentración de polímero
Cromatografía dei
CARGA MEDIO MEDIO MEDIO MEDIO I BajopH correcto
I altopH diferente
Cromatografía dei
Hidrofobicidad
MEDIO MEDIO MEDIO MEDIO I alto I BajopH diferente
PROPIEDADES DE LAS TÉCNICAS DE PURIFICACIÓN COMÚNMENTE USADAS
Técnica Propiedad
Capacidad
Resolución
Rendimiento
Costo Composición
Composición C
romato- e
Carga / pI BAJA ALTO MEDIO ALTO I BAJO Presencia de anfolitos
Cromatogra- fía de afinidad
Mezcla MEDIA ALTO MEDIO MEDIOpH neutral pH
diferente
Cromatogra- fía de afinidad de ligando
Bioactividad
MEDIA-BAJA
MUY ALTA BAJO ALTO Dependiente sobre el ligando
Condiciones de desnaturaliz
Cromatogra- fía de p
Tamaño MUY BAJA BAJA ALTO MEDIO Volumen bajo
Diluido
MANEJO DE MICROORGANISMOS
Todos los paquetes que contengan cepas microbianas deben ser abiertos en unlaboratorio equipado para trabajar con microorganismos.Por tanto, los cultivos han de ser manejados por personal entrenado y competente en técnicas microbiológicas o hacerlo bajo supervisión del mismo.
Antes de manejar material microbiológico, el usuario ha de ser consciente delas regulaciones existentes a nivel
nacional para el trabajo con microorganismos y cumplirlas.El cultivo y el manejo de microorganismos están restringidos a laboratorios que cumplan los requerimientos de contención establecidos por la autoridadnacional para evitar el escape o dispersión del agente biológico.
1. IDENTIFICACIÓN DEL AGENTE BIOLÓGICO
El material proporcionado es de uso exclusivo de laboratorio y vieneidentificado con el nombre científico de la cepa, el número de catálogode la colección y la forma de presentación (liófilo, cultivo activo u otras).
2. IDENTIFICACIÓN DE LA PELIGROSIDAD
•Cada microorganismo suministrado está clasificado deacuerdo con la legislación. Cualquier
microorganismo, independientemente del grupo de
riesgo al que pertenezca, puede serpatógeno en determinadas
condiciones.
•Conocer que microorganismos tienen la capacidad deproducir Toxinas.
•Se debe evitar cualquier contacto directo con elmicroorganismo o sus aerosoles, en especial la inhalación o el contacto con piel y ojos.
3. PRIMEROS AUXILIOS
En caso de contacto, lavar bienla piel contaminada con jabón antiséptico y agua abundante. Si se sospecha la contaminación de heridas, o se haproducido una ingestión o inhalación fortuita, se deberá buscar inmediatamente atención médica, y seinformaráal facultativo
del nombre delmicroorganismo.
4. MEDIDAS EN CASO DE VERTIDO O DERRAME DEL CONTENIDO DEL ENVASESUMINISTRADO. PRECAUCIONES AMBIENTALES
•Descontaminar/esterilizar/autoclavar todo elmaterial que haya podido estar en contacto conel cultivo microbiano.
• Mantener los cultivos alejados de desagües,agua superficial o subterránea y suelo.
•Si se rompe accidentalmente el liófilo/envaseque contiene los microorganismos, empapar el área contaminada con un desinfectante apropiado. Los fragmentos de vidrio han de ser eliminados con pinzas, para evitar cortes accidentales.
5. MANEJO Y ALMACENAMIENTO
Los liófilos o envasesconteniendo los
cultivos han deser abiertosy manejados
por personal entrenado en un laboratorio del nivel
adecuado de seguridad.
6. CONTROLES DE EXPOSICIÓN. PROTECCIÓN DEL PERSONAL
Depende del grupo de riesgo alque pertenezca el microorganismo y está
regulado por lalegislación nacional. Se
minimiza la exposición delos trabajadorescombinando por
ejemplo el uso de recintos controlados, tales como cabinas de seguridad
biológica, con otras medidas de precaución,
como guantes
protectores, gafas y batas de laboratorio.
7. ELIMINACIÓN DEL MATERIAL
Todos los recipientes que contienen cultivosdeben esterilizarse una vez utilizados. La esterilización se llevará a cabo mediante tratamiento por calor húmedo en autoclave a121ºC durante 20 minutos. Esto es aplicable también a las batas de laboratorio u otros materiales resistentes al calor. El material inerte (vidrio, metal) puede ser esterilizadotambién en estufa de calor seco a 170-180ºCdurante 2 horas.