Dr Marcelo Marcet Profesor de Bioqumica Facultad de

Dr Marcelo Marcet Profesor de Bioquímica Facultad de Ingeniería Química Universidad de Matanzas. CUBA.

La Ingeniería Bioquímica un enfoque Biotecnológico de futuro

Objeto de estudio BIO TECNOLOGÍA Bio = Vida el prefijo Bio significa Vida Las Biotecnologías son ¿tecnologías “vivas”?

BIO TECNOLOGÍA la parte viva, la constituyen: • Microorganismos • Células animales • Células vegetales • Extractos de células animales y vegetales • Organismo vegetal • Organismo animal

BIOTECNOLOGÍA ¡Son procesos vivos!

ESQUEMA DE UN PROCESO BIOTECNOLÓGICO Agente Biológico Material o Sustrato Producto Útil al hombre Económicamente viable,

Examinemos cada uno de los componentes del esquema

PROCESO BIOTECNOLÓGICO Producto Útil al hombre Como resultado del desarrollo del proceso biotecnológico se obtiene un PRODUCTO. Este producto tiene que ser útil, es decir cubrir una necesidad y además, FACTIBLE DE PRODUCIR.

Algunos Ejemplos de Productos Estudiados • • • Cervezas Etanol anhidro Vinos Biomasa Microorganismos probióticos y prebióticos • Residuales

PROCESO BIOTECNOLÓGICO Parte VIVA de la Biotecnología Agente Biológico • Microorganismos • Plantas • Animales • (o sus extractos)

PROCESO BIOTECNOLÓGICO Material o Sustrato EL MATERIAL o SUSTRATO debe ser un producto de bajo costo o fuente de desecho, capaz de ser transformado por la acción de los elementos vivos en otro producto de utilidad.

Materiales o Sustratos más estudiados. • • • Sacarosa Frutas tropicales Mieles y jugo de caña Cebada y adjuntos amilaceos. Lignocelulosas Residuales de procesos.

PROCESO BIOTECNOLÓGICO Este proceso tiene que ser Económicamente viable La utilidad del producto final que se obtiene incluye la factibilidad económica de su producción, que lo haga rentable y que origine ganancias.

¿Cuáles son las ciencias que contribuyen a la Biotecnología en los estudios universitarios • Ciencias Básicas • Ciencias Naturales • Ciencias Ingenieriles • Ciencias Económicas • Ciencias Jurídicas

• Como se conoce la Biotecnología es MULTIDISCIPLINARIA, • Muchas Ciencias, muchas tecnologías forman parte de la misma y contribuyen a su desarrollo. • Mencionaremos algunas disciplinas Biológicas e Ingenieriles que tributan a la Biotecnología.

Bioquímica

BIOQUÍMICA Posee un amplio campo de acción en el desarrollo biotecnológico relacionado con: • Aislamiento y purificación de moléculas biológicas (ADN, ARN, enzimas, otras proteínas, lípidos, carbohidratos). • Obtención y purificación de extractos celulares. • Estudios enzimáticos de los procesos biotecnológicos. • Desarrollo de la Ingeniería enzimática.

BIOQUÍMICA Algunas técnicas que desarrolla: • Aislamiento y purificación de ADN y ARN. • Obtención y purificación de proteínas. • Inmovilización de enzimas. • Síntesis y secuenciación de proteínas y ADN. • Construcción de sondas. • Hibridación de moléculas (ADN y ARN). • Modificación química de enzimas y proteínas. • Construcción de vectores. • Construcción de oligonucleótidos. • Construcción de oligopéptidos. • Mutación dirigida.

BIOLOGÍA Se han revitalizado en este campo técnicas tradicionales y se han desarrollado otras novedosas que aportan importantes avances al campo biotecnológico. Entre ellas se encuentran: . Micropropagación. Transgénesis y clonación. Cultivo de organismos de interés (pequeña, mediana y Cultivo (in vitro) de células y tejidos (vegetales y gran escala). animales).

Microbiología

La Microbiología aborda el estudio de los microorganismos MICROBIOLOGÍA MICRO BIOLOGÍA pequeño

MICROBIOLOGÍA Los microorganismos son agentes biológicos por excelencia en los procesos biotenológicos. El conocimiento de los microorganismos y su amplia diversidad, y la búsqueda de nuevas cepas microbianas constituye una de las tareas más importantes de la Microbiología Contemporánea.

MICROBIOLOGÍA En este campo se incursiona en: • Los microorganismos que desarrollan un proceso biotecnológico particular • Adaptabilidad • Optimización y el recobrado de los procesos • Escalado • Desarrollo de la Ingeniería celular

MICROBIOLOGÍA Principales técnicas desarrolladas: Técnicas de búsqueda, muestreo o “screening”. • Conservación de Cepas. • Fermentación • Inmovilización de células • Utiliación de microondas.

Genética

GENÉTICA La revolución tecnológica que tuvo lugar en esta ciencia con la profundización del conocimiento biológico, permitió combinar las técnicas tradicionales, con el surgimiento de nuevas tecnologías e impulsar el desarrollo de la Biología Molecular.

Las Ciencias Ingenieriles

INGENIERÍAS El impacto de las ingenierías en el desarrollo de la Biotecnología ha sido decisivo. Al tratarse de procesos que se desarrollan en condiciones específicas y que requieren de equipamientos tecnológicos particulares, la Ingeniería Química, la Ingeniería de Procesos y la Ing. Bioquímica, además de la Automatización entre otras, han desempeñado un papel muy importante y son áreas del conocimiento imprescindibles para el desarrollo y avance de esta Rama.

Bioinformática

BIOINFORMÁTICA El descifrado de la información genética y el gran número de datos producidos por el desarrollo de las investigaciones biológicas exige la unión de estas disciplinas.

¿Cómo ha evolucionado la Biotecnología? • Biotecnología de PRIMERA GENERACIÓN • Biotecnología de de SEGUNDA GENERACIÓN • Biotecnología de de TERCERA GENERACIÓN • Biotecnología de de CUARTA GENERACIÓN

Primera Generación Desde 6000 -4000 años A. N. E. hasta finales del siglo XIX. El pan y la cerveza constituían una forma de alimentación básica para los antiguos egipcios

• La Biotecnología de Primera Generación, está representada por productos de gran demanda como: Pan, Cerveza, Vino, Vinagre, Quesos, Yogurt • Obtenidos por “fermentación espontánea” • En esta etapa el hombre no tiene conciencia de por qué ocurren estos “procesos”.

Desarrollo científico-técnico EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA Primera etapa de desarrollo Inicio de la civilización Yogurt Vino Pan Queso Primera Etapa Procesos espontáneos Finales Siglo XIX Tiempo Vinagre Productos

Segunda Generación Inicios del siglo XX hasta la segunda mitad del siglo. Biotecnología de Segunda Generación o “Era de los Antibióticos”. Desarrollo más acelerado del conocimiento científico técnico. Productos: Antibióticos, Vacunas naturales, Vitaminas, Proteínas unicelulares, Enzimas, polisacáridos, Alcohol industrial, Acetona, Butanol y otros productos de gran utilidad para el hombre.

Esta etapa se caracteriza por: • Desarrollo científico-técnico de la ingeniería de procesos • Transformaciones microbianas • Inmovilización de células • Cultivos de tejidos • Fermentaciones continuas

Desarrollo científico-técnico EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA Segunda etapa de desarrollo Antibióticos Vitaminas Proteínas Productos Enzimas Primera Inicio de la civilización Finales Siglo XIX Primera mitad Siglo XX Tiempo Finales Siglo XX Principio Siglo XXI

EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA Segunda etapa de desarrollo Figuras relevantes que contribuyeron al desarrollo de los antibióticos Premios Nobel de Medicina, 1945 Alexander Fleming Ernest B. Chain Howard W. Florey

Tercera Generación Segunda mitad del siglo XX hasta finales del siglo. • Surge con el desarrollo de la Biología Molecular y la Ingeniería Genética. • Ya es posible traspasar las barreras entre especies e introducir genes de un organismo en otro no relacionado. • Ocurre una explosión en el desarrollo científico técnico de las ciencias afines a la Biotecnología. • Productos: Insulina Humana, Anticuerpos Monoclonales, Vacunas y Fármacos Recombinantes, Transgénesis (Plantas y Animales recombinantes).

Esta etapa se caracteriza por: Desarrollo de la Ingeniería Genética y la Técnica de los Hibridomas.

Descubrimientos más relevantes 1. Estructura y funciones de las proteínas (Moléculas de la vida). 1953 - F. SANGER: Logra por primera vez establecer la estructura de la proteína Insulina Frederick Sanger Premio Nobel de Química 1958

Descubrimientos más relevantes 2. Definición que el ADN forma una doble cadena donde la unidad estructural son los nucleótidos. 1953 - J. WATSON y F. CRICK: Demuestran la estructura en doble hélice de la cadena del ácido desoxirribonucleico (ADN), portador de la información genética J. Watson y F. Crick Premio Nobel de (transmisoras de la herencia). Medicina 1962

Descubrimientos más relevantes 3. Elementos del Código Genético y su Universalidad. 1963 - NIREMBERG: Descubre el Código Genético contenido en las moléculas de ADN, y el descifrado y Universalidad del mismo. 4. Producción de anticuerpos. 5. Recombinación genética. 1960 -1970 - Se producen grandes progresos en los estudios de la estructura de proteínas y de ácidos nucleicos. Marshall Nirenberg

Desarrollo científico-técnico EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA Tercera etapa de desarrollo Ingeniería genética Productos Organismos transgénicos Tercera Segunda Primera Inicio de la Finales civilización Siglo XIX Primera mitad Siglo XX Tiempo Finales Siglo XX

Cuarta Generación Finales del siglo XX en adelante. • Búsqueda de nuevos productos, donde la satisfacción de las necesidades del hombre sigue siendo el principal objetivo tanto en la alimentación, salud y bienestar social. • Auge extraordinario de las ciencias que soportan a la Biotecnología. • Son un hecho en sí la Genómica y la Proteómica. • Surge la Bioinformática. • Productos: Terapia génica y Medicina personalizada.

Esta etapa se caracteriza • Desarrollo de la Bioinformática. • Acumulación de gran cantidad de conocimiento en grandes bases de datos

Desarrollo científico-técnico EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA Cuarta etapa de desarrollo Genómica Medicina Personalizada Terapia génica Proteómica Primera Inicio de la Finales civilización Siglo XIX Cuarta Tercera Segunda Primera mitad Siglo XX Tiempo Finales Siglo XX Principio Siglo XXI

Sectores de influencia de la Biotecnología en la EELUSP.

FERMENTACIONES MICROBIANAS Transformación de sustancias que ocurre por la acción de microorganismos o enzimas producidas por estos.

¿CÓMO SE HACE LA CERVEZA?

CERVEZA Producto obtenido originalmente por la fermentación de un extracto acuoso de malta mediante la acción de las levaduras.

Etapas biotecnológicas principales en la elaboración de la cerveza • • Malteado. Maceración (saborización). Fermentación. Maduración.

Malteado Remojo, germinación y secado de la semilla (cebada) para obtener malta.

Maceración • Mezclado de la malta triturada con agua caliente. • Las amilasas hidrolizan los almidones de la semilla a azúcares simples para que puedan ser fermentados por la levadura. • Terminada la cocción, esta mezcla se filtra y el extracto acuoso obtenido es el mosto, medio rico nutritivo.

Saborización • Añadir el lúpulo al mosto. El lúpulo proporciona color, sabor y aroma. • El mosto se hierve junto con el lúpulo. Humulus lupulus

Fermentación • Añadir la levadura al mosto. • Fermentación de los azúcares del mosto, produciéndose alcohol y dióxido de carbono.

Envejecimiento y maduración

¡¡Y ahora la cerveza!!

ENZIMAS Son proteínas que catalizan reacciones químicas en los seres vivos.

ENZIMAS INDUSTRIALES Origen Vegetal • • Amilasas Papaína Bromelina otras

ENZIMAS INDUSTRIALES Microbiana • • Amilasas Celulasas Dextranasas Proteasas Beta galactosidasas Glucosaisomerasas Invertasas

Ventajas de la producción enzimas por microorganismos • Pueden obtenerse cantidades. en de grandes • Posibilidades de mejorar la producción y aumentar los rendimientos. • Proceso de obtención menos costoso.

¿Qué es la alfa amilasa?

Es un preparado enzimático de origen bacteriano o fúngico (hongo) que hidroliza el almidón hacia compuestos azucarados trayendo como consecuencia una disminución de la viscosidad de la solución.

PRODUCCIÓN DE ALFA AMILASA

Bacterias del género Bacillus • B. subtilis • B. coagulans • B. licheniformis Hongos • Aspergillus oryzae

e-biocurso Bacillus subtilis

Bacillus coagulans

e-biocurso Aspergillus oryzae

La alfa amilasa puede utilizarse para aumentar los rendimientos de la malta en la producción de cervezas.

Almidón Glucosa

Conclusiones • Podemos afirmar que la biotecnología tiene un importante campo te trabajo en cuanto a mejorar el entorno donde se desarrolla el hombre. • La biotecnología moderna se ha comprometido grandemente con el futuro del propio hombre.

BIBLIOGRAFIA