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12/6/2010
Curso “Bioseguridad y Biotecnología Moderna”
La Molina-Lima, 6-10 de diciembre de 2010
PERÚ: CRECIMIENTO POBLACIONAL
50
45
40
Millones
personas
35
30
U rb a n a
25
R u ra l
To ta l
20
15
10
5
0
19 9 7 19 9 9 2 0 0 1 2 0 0 3 2 0 0 5 2 0 0 7 2 0 0 9 2 0 11 2 0 13 2 0 15 2 0 17 2 0 19 2 0 2 1 2 0 2 3 2 0 2 5 2 0 2 7 2 0 2 9 2 0 3 1 2 0 3 3 2 0 3 5 2 0 3 7 2 0 3 9 2 0 4 1
Año:
1997
Población:
24’681,045
Fuente: INEI
Año:
2007
Población:
28’750,770
En el año 2020
habrá que alimentar
a 7 millones más de
peruanos
Año:
2041
Población estimada:
45’700,000
TASA DE CRECIMIENTO ANUAL: 500,000 PERSONAS
1
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Disponibilidad de tierra cultivable para alimentación
(Tierra cultivable en el Perú: 4’000,000 ha)
Perú
0.16
0.14
0.11
0.09
Para tener en el 2020 los valores del 2007 se debe:
1.Incrementar la superficie cultivable en mas de 2 millón de hectáreas
(¿de la Amazonía?); e
2.Incrementar los rendimientos agrícolas en más de 30% (¿cómo?)
Fan chart de la temperatura y pronósticos 1000-2100
1.4 –
5.8º C
Proliferación del uso de combustibles fósiles - petróleo, carbón y gas natural
Fuente: Ⓒ Mitsubishi Corporation
2
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140
130
Junio 2008: El precio superó los US$130 por barril
Julio 2008: El precio superó los US$ 140 por barril
El 4 de enero del 2010 el precio fue de US$ 81.68 por barril
La creciente presión de los biocombustibles
resultante del cambio climático
Bioetanol: En 2007,
13.000 millones de
galones en 162 plantas,
7% de la gasolina.
EEUU en 2008 utilizó
ili ó ell
29% del área de maíz
Biodiesel: En 2007,
2.000 millones de
galones. La U. Europea
en 2015 absorbería
62% de sus cosechas
de oleaginosas
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1999
2005
2010
USD 549,000 M
USD 158,000 M
USD 21,200 M
USD 2,000 M
Industria Biotecnológica: Progreso y Promesa
2025
• La Biotecnología será uno
de los motores clave en
l próximos
ó i
ñ
los
años
• En el 2010, el mercado de
químicos será afectado
por la biotecnología con
un valor total de ~USD
158,000 millones
• A mitad del presente siglo
la totalidad de químicos
será producida por
biotecnología
OECD, Bioeconomy to 2030, p. 121
Una economía basada en la biotecnología
que usa materias primas renovables,
particularmente biomasa y recursos
p
genéticos para producir alimentos,
productos industriales y energía al menor
costo ambiental.
Implica el cambio de la unidad de
comercio: de la molécula de
hidrocarburo a la molécula de ADN
Es decir:
Del petróleo a los genes
M. Gutiérrez-Correa, Perú Económico, Enero 2007, p. 27.
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Económicos
Ambientales
Costos reducidos, mejor
control de las propiedades
del p
producto
Nuevos productos y
oportunidades de mercado
Sociales
Prevención de la polución,
emisiones reducidas de gases y
tóxicos
Combustibles, químicos y
materiales ‘Verdes’
Productos reusables y reciclables
Miniaturización y
modularidad
Diversificación y crecimiento
de la economía rural
Potencial económico de la biodiversidad
génica en el Perú
Organismos
Animales
Plantas
TOTAL
Número de
especies
endémicas*
dé i
*
Número total de
VDP**
VDC**
genes
US$ Billones
US$
endémicos
dé i
Billones/año
disponibles*
771
0.13 x 108
3.9
390
5,530
2.70 x 108
81.0
8,100
6 301
6,301
2 83 x 108
2.83
84 9
84.9
8 490
8,490
*Datos genómicos tomados de la ref. 1
**VDP = Valor dinámico potencial (0.01% de los genes); VDC = valor dinámico
comercial
GUTIERREZ-CORREA, Marcel. 2009. El Valor de los Genes: Una Visión Preliminar. Bios 2(3), 4-7.
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La biomasa es una materia prima
energéticamente más eficiente
Entalpía
CxHy
Nafta
45 GJ/ton
CxHy
CxHyOz Grasas y aceites
CxHyN
CxHzOyN Sv Proteínas y
aminoácidos 20-30 GJ/ton
CxHyOz(OCHz)v Lignina
CxHyO
CxHyOz Carbohidratos
Enfoque
Petroquímico
Productos
químicos
Enfoque de
Biorefinería
Adapatado de:S cott et al. Appl Microbiol Biotechnol (2007) 75:751–762
Herramientas biotecnológicas en los
Bioprocesos
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Biochip de DNA
(eSensorTM)
PCR Lab-on-a-chip
Lipasa inmovilizada en
nanopartículas de Fe3O4
Microbiorreactor sumergido
(18 ml) de tanque agitado
Biorefinerías
Biomasa
vegetal
Agrorefinerías
Sistemas enzimáticos
Factorías celulares
Nutrientes
reciclados
Pérdida de Nutrientes
(minimizar)
Allimentos
Com
mbustibles y
bioproductos
Buenas prácticas
agrícolas (Fijación
Biol. N2, Labranza
cero, biochar, etc)
Cultivos y
biomasa
S l
Suelo
Fertilizante
(optimizar)
Pesticidas
(minimizar)
M. Gutiérrez-Correa. Rev. Agronegocios, 2009
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Ecotipos
EXPORTACION
Digitalización
de DNA
Enzimas
FructoFructooligosacáridos
YACON
Mejoramiento
Genético
Ind. Alim.
Enzimas
Fructosa
Edulcorantes
Biomasa
residual
Conservación
ex situ e in situ
YACON CON NUEVOS
FRUCTANOS –
reducción de azúcares
Alimentos
Combustibles
Plásticos
Materia prima agrícola convencional
(Bio)químicos Biomateriales
Biomasa
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Actividad Específica
Enzima nativa
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
35 40 45 50 55 60 65 70
75 ºC
Conjunto de secuencias
seleccionadas procedentes
de fuentes nativas y
mutantes
Conjunto de
nuevas
secuencias
seleccionadas
Reensamblaje
recombinativo (shuffling)
Actividad Específica
Tamizado
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
35 40 45 50 55 60 65 70
Expresión
Transformación
Evaluación
Clonación
Enzima
evolucionada
75 ºC
Recolección de datos
Secuencia genómica
Análisis funcional de ORFs desconocidas
Genómica funcional
Transcriptoma
Metaboloma
Proteoma
•Expresión diferencial de genes
•Regulación global de genes
•Niveles de proteína
•Interacciones proteicas
•Estructura/función
• Parámetros cinéticos
• Modelamiento de
vías metabólicas
Flujoma
• Análisis de
flujos
metabólicos
Bioinformática
•Estadística
•Análisis de bases de datos
•Reconocimiento
Reconocimiento de patrones
•Simulaciones de célula completa
Aplicaciones
•Ingeniería metabólica
•Nuevas drogas y sitios de acción
•Optimización de bioprocesos
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Concepto de una
Factoría Celular
GUTIERREZ-CORREA, Marcel. 2008. Bioeconomía (Primera Parte). Revista Agronegocios 2(3), 14 – 17.
Utilización de la genómica funcional en la
optimización de bioprocesos
Flujoma
Qresp
Glucosa
+
2
NADPH,H
CO2
%pO2
ATP
Glucosa6-P
Pentose P
Fructosa-PNADH,H
ATP
+
ATP
glicerol
GlicerolP
TriosaP
Sedoheptulosa7 P
pH
+
NADH,H
ATP
Glicerato3P
Gli
t 3P
Eritrosa-4P
+ H 0 + 4+H
NADH,H
2
NAD
FADH2
PEP
Tiempos
FAD
ATP
+ ATP
NADPH,H
CO2
CO2
1/2 O2
3 H+
ATP
Piruvato
HS-CoA
+
NADH,H
CO2
CO2
Acetil CoA
Acetato
HS-CoA ATP
+ ATP
NADPH,H
OAA
Citrato
ANABOLISMO
Malate
+
NADH,H
Expresión de genes
(Transcriptoma)
1/2 O2
H 02 + 2+H
IsoCitrato CO NADH,H
+
2
Fumarato
FadH2 Succinato
SH-CoA
aKglu
+
NADPH,H
CO2
Suc-CoA
GTP
SH-CoA
Expresión de proteínas
(Proteoma)
Expresión metabólica
(Metaboloma)
Incremento del
rendimiento,,
rendimiento
concentración y
productividad
CO2
+
NADH,H
S n × Vn = b
Metabolito
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“Comóditis” a partir de Materiales Agrícolas
Residuos Agrícolas
Etanol
Acido Cítrico
Almidón
Acido Láctico
Celulosa
Hemicelulosa
Acido Glucónico
Sacarificación
Enzimática
Acido Acético
Acetona
Butanol
Pretratamiento
Enzimático
Sacarificación
Azúcares
Conversiones Microbianas
Antibióticos
Carotenoides
Acido
Etanol
Butilenglicol
Fumárico
Calor
Química
Deshidratación
Enzimas
Polisacáridos
Vitaminas
Anhidrido
Maléico
Aminoácidos
Etileno
Butadieno
Proteína
Unicelular
Plásticos, Fibras, Jebes, Resinas, etc.
Biopesticidas
Biosurfactantes
Estados en la conversión de biomasa a etanol
Azúcares (caña,
remolacha)
Almidones
(cereales,
tubérculos, raíces)
Lignocelulosa
(madera, residuos
agroindustriales)
Extracción de
jugo
Hidrólisis
enzimática
Pretratamiento e
hidrólisis
Estado I: FERMENTACIÓN
Conversión de los azúcares a etanol
Estado II: RECUPERACIÓN DEL ETANOL
Destilación
Deshidratación
ETANOL ANHIDRO
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M. Gutiérrez-Correa.
BIOTECNOLOGIA,
BIODIVERSIDAD Y
BIOECONOMIA EN
EL PERÚ. 2006
Comparación de la producción de etanol entre la
caña y el maíz
Estado de la Producción
Caña de
Azucar
Maíz
Rendimiento del cultivo (T ha-11)
Rendimiento de etanol max (L ha-1)
Rendimiento de etanol prom (L ha-1)
Eficiencia promedio de Ferment.* (%)
Tiempo típico de fermentación (h)
80-100
80
100
9000
7750
92
6-10
12
4400
2750
89
40
Bagazo seco producido (T ha-1)
Azúcares fermentables en bagazo (T ha-1))**
Rendimiento de etanol de bagazo (L ha-1)
Eficiencia promedio de ferment.* (%)
26.4
21 0
21.0
13,200
95
6.6
48
4.8
3,080
95
*Basado en una producción teórica máxima de 511 g Etanol (Kg glucosa)-1
**Considerando 72 % de carbohidratos (celulosa y hemicelulosa)
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Hidrólisis Enzimática de la Celulosa
Regiones
Amorfas
Regiones
Cristalinas
Celulosa
Endo-β-glucanasa
Celobiohidrolasa
EG/CBH
β-glucosidasa n
Glucosa
Biomasa
celulósica
Bordes del proceso
Pretratamiento
Calor y
electricidad
Pasos Biológicos:
Producción de celulasas
hidrólisis fermentación
Electricidad
exportada
Servicios
Recuperación de Etanol
Liberación de
azúcares y exposición
de la biomasa a las
enzimas
Formar enzima,
romper la celulosa a
glucosa y fermentar
los azúcares
Etano
l
Procesam. de residuos
Efluentes
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Factoría Celular para etanol
celulósico
Glucosa
Lignocelulasas
Pentosas
Xilosa
Escherichia coli
ATP
ADP
Glucosa-6-P
Gluconolactona-6-P
Xilulosa
6-P-Gluconato
Xilulosa
Quinasa
Xil-5-P
Glucosa
Vía de la pentosa
introducida de
Xilosa
isomerasa
ATP
ADP
2-Ceto-3-deoxi-6-P-gluconato
Ribl-5-P
Ribosa-5-P
Transcetolasa
Sedoheptul-7-P
1,3-P-Glicerato
Gliceraldehído-3-P
Transaldolasa
Frut-6-P
Frut-6-P
Erit-4-P
Gliceraldehído-3-P
Glicerald-3-P
Trancetolasa
ATP
ADP
3-P-Glicerato
2-P-Glicerato
ADP ATP
Fosfoenolpiruvato
Vía Entner-Doudoroff de
Zimomonas mobilis
Piruvato
ETANOL
Sacarificación y Fermentación
• Hidrólisis enzimática de celulose a
glucosa
• Fermentación de azúcares a etanol por
Z. mobilis
• Tiempo de residencia de 2 días a 37ºC
y 20% de sólidos
Rendimientos:
Glucosa a Etanol
92%
Xilosa a Etanol
85%
Arabinosa to Etanol
85%
Pérdida por Contaminación
5%
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Biodiesel
contaminante
Triglicéridos
Petróleo
NaOH/KaOH
Triglicéridos
+
Metanol
Petróleo
Metil-ésteres
Biocombustible
Biodiesel
+
Metanol
Glicerol
contaminante
Metil-ésteres
Biocombustible
Biodiesel
Glicerol
Lipasas
1,3 Propanodiol;
Dihidroxiacetona; Ac.
Succínico; Ac.
Propiónico; Ac. Cítrico;
Etanol; Astaxantina;
Polihidroxi alcanoato;
Biocombustible
Microdiesel
Factoría Celular para biodiesel
Lignocelulasas
Pentosa
Glucosa
Zymomonas mobilis
KDPG
ETANOL
=
O
Acinetobacter baylyi
Ac. GRASOS
CH3CH2OCR
Wax ESTER SINTASA
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Factoría celular de
S.. elongatus
Synechococcus elongatus
para biocombustible
rbcLS
Bacillus subtilis
Escherichia coli
Lactococcus lactis
Isobutiraldehído
(Alcali)
Enzimas
Agua
Pretratamiento
Biomasa
Sacarificación
Levadura
o
Bacteria
Recuperación
Alcohol
Fermentación Destilación
Etanol
Butanol
Tanque de pasta
Molienda
Celulasa
Xilanasa
Isobutanol
Pegamentos
Plásticos
Lignina
DDGS
Alimento Animal
Vapor
Electricidad
Acido
Cítrico
Acido
Láctico
Recuperación
de agua
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Factoría Celular para plásticos
Metabolismo de E. coli (factoría)
Glucosa
E. coli
G-3-P
DHAP
TCA
Pyr
Gly-3-P
Gly
3HPA
Propanodiol
Vía del glicerol de
Extensión metabólica
levaduras
de Klebsiella
Polipropilen tereftalato
[
O
O
]
O
O
Factoría celular para la producción de
plástico poliláctico
poliláctico..
Lactato
Lactato
PCT
Glucosa
=
O
O
=
Lactil-CoA
Biomasa
Láctido
Catalizador
metálico
Enzima
polimerizante de AL
Factoría
celular
Poliéster
Poliláctico
Sustitución
Poliéster Poliláctico
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Glucosa
Piruvato
LDH
Lactato
Acetil CoA
LDH = lactato deshidrogenasa
PCT = propionil-CoA transferasa
PhaA
PCT
PhaA= β-cetotiolasa
Lactil Co A
PhaB= acetoacetil-CoA reductasa
NADPH-dependiente
AcetoAcetil CoA
PhaB
PhaC= PHA sintasa
(R)-3-Hidroxibutiril-CoA
De Pseudomonas sp. 61-3,
modificada por evolución dirigida
PhaC
PLA
P(LA--co
P(LA
co--3HB)
Industria Textil
Biopelícula
Celulasas
xilanasas
Factoría celular
(produce celulasa)
Genes de
celulasas
xilanasas
Optimización
de procesos
Biomasa
Factoría celular
(produce celulasas y etanol)
ETANOL
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