1. No category

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
el prefijo Bio significa Vida
BIO TECNOLOGÍA
Bio = 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
Agente
Biológico
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
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 y
Cultivo (in vitro) de células y tejidos (vegetales
animales).
gran escala).
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 SEGUNDA GENERACIÓN
• Biotecnología de TERCERA GENERACIÓN
• Biotecnología 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” .
EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA
Primera etapa de desarrollo
Yogurt
Vino
Pan
Productos
Queso
Primera Etapa
Procesos espontáneos
Inicio de la
civilización
Finales
Siglo XIX
Tiempo
Vinagre
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
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
(transmisoras de la herencia).
J. Watson y F. Crick
Premio Nobel de
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
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
EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA
Cuarta etapa de desarrollo
Genómica
Medicina
Personalizada
Terapia génica
Cuarta
Proteómica
Tercera
Primera
Inicio de la Finales
civilización Siglo XIX
Segunda
Primera mitad
Siglo XX
Tiempo
Finales
Siglo XX
Principio
Siglo XXI
Sectores de influencia
de la Biotecnología en
la EEL-USP.
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 de
enzimas por microorganismos
• Pueden
obtenerse
cantidades.
en
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