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Guía 2014 - Biotecnología 2° Año Profesor: Alumno: División: Grupo N°: Integrantes del grupo: 1 Guía 2014 - Biotecnología Actividades Actividad Nº1 - ¿Qué es la biotecnología? ......................................................................................................... 4 Actividad Nº2 - Tarea de investigación ............................................................................................................. 8 Actividad N°3 - El microscopio ........................................................................................................................ 10 Actividad N°4 - Organismos ............................................................................................................................. 13 Actividad N°5 - Preparación de Medios de Cultivo ......................................................................................... 14 Actividad N°6 - ¿Dónde creés que podes encontrar microorganismos? ....................................................... 14 Actividad N°7 - Fermentación Alcohólica ........................................................................................................ 17 Actividad N°8 - Elaboración de productos biotecnológicos ......................................................................... 18 Actividad N°9 - Observando los microorganismos ........................................................................................ 20 Actividad N°10 - Antibióticos ........................................................................................................................... 22 Actividad N°11 - Test de sensibilidad a los antibióticos .................................................................................. 24 Actividad Nº12 - A pensar! ................................................................................................................................ 25 Actividad Nº13 - Completá el texto con la palabra correcta .......................................................................... 26 Actividad Nº14 - Verdadero o Falso ................................................................................................................. 27 Actividad N°15 - ¿Comemos genes cuando ingerimos alimentos? ................................................................. 27 Actividad N°16 - Productos de la ingeniería genética .................................................................................... 30 Actividad Nº17 - Investigar la capacidad de biorremediación de diversas plantas ....................................... 38 Actividad Nº18 - La acción de las enzimas en detergentes para la ropa ....................................................... 43 Actividad Nº19 - ¿Proteasas de krill para detergente? .................................................................................... 44 Contenidos Guía para la confección de informes .................................................................................................................. 47 Guía teórica .......................................................................................................................................................... 48 ¿Por qué se prefieren los microorganismos para el uso en biotecnología? ...................................................... 50 ¿En qué puede ayudar la biotecnología? ............................................................................................................ 50 ¿En qué áreas se aplica la biotecnología? ............................................................................................................ 51 Biotecnología de alimentos ................................................................................................................................. 51 ¿Qué es la biotecnología de alimentos? ............................................................................................................... 51 ¿Cuándo se originó la biotecnología de alimentos? ........................................................................................... 52 ¿Qué son los nuevos alimentos? ......................................................................................................................... 52 ¿Qué son los alimentos probióticos? .................................................................................................................. 53 ¿Qué son los alimentos prebióticos? ................................................................................................................... 54 ¿Hongos en el pan? .............................................................................................................................................. 55 ¿Comemos genes cuando ingerimos alimentos? ............................................................................................... 55 2 Guía 2014 - Biotecnología ¿Comemos alguna vez organismos vivos? .......................................................................................................... 56 ¿Es malo comer microorganismos? ..................................................................................................................... 56 ¿Qué son los alimentos transgénicos? ................................................................................................................ 57 ¿Puede la biotecnología ayudar a prevenir las intoxicaciones alimentarias? ................................................... 58 ¿Pueden los nuevos alimentos mejorar la salud de las personas que padecen intolerancia a determinados alimentos? ............................................................................................................................................................ 58 ¿Pueden los nuevos alimentos contribuir a mejorar la salud en los países menos desarrollados? ................. 59 ¿Qué es un gen? ...................................................................................................................................................60 ¿Qué es la ingeniería genética? ...........................................................................................................................60 ¿Qué es un organismo modificado genéticamente? .......................................................................................... 61 ¿Qué ventajas tienen las medicinas de origen biotecnológico? ........................................................................ 61 ¿Qué fármacos de origen biotecnológico están en el mercado? ...................................................................... 62 ¿Existe vida en los ambientes extremos? ........................................................................................................... 64 ¿Cómo puede la Biotecnología aprovechar la diversidad de los ambientes extremos? .................................. 65 ¿Qué se entiende por biodegradación? ..............................................................................................................66 ¿Qué son los compuestos xenobióticos y cómo se degradan? ......................................................................... 67 ¿Qué son los procesos de biotransformación? ................................................................................................... 67 ¿Es biodegradable el petróleo? ...........................................................................................................................68 ¿Qué es la biorremediación? ................................................................................................................................69 ¿Cómo puede ayudar la Biotecnología en la limpieza de los derrames de petróleo? ......................................69 ¿Qué son los biocombustibles y que ventajas tienen? ....................................................................................... 70 ¿Cómo se utilizan los residuos industriales para la producción de biogás? ....................................................... 71 ¿Se puede obtener energía de los residuos urbanos? ........................................................................................ 72 ¿Qué es el compostaje? ....................................................................................................................................... 72 ¿Se puede utilizar el compostaje como técnica de biorremediación?............................................................... 73 Glosario ................................................................................................................................................................ 73 3 Guía 2014 - Biotecnología Actividad Nº1 - ¿Qué es la biotecnología? a- Cada grupo recibirá cartelitos con los términos que se muestran a continuación. BIOCOMBUSTIBLE – BIODIESEL – ANTIBIOTICOS – INSULINA - HORMONA DE CRECIMIENTO - SOJA TRANSGENICA – YOGURT - MAIZ BIOFORTIFICADO - PAN – VINO – SIDRA - QUESO b- Coloquen sobre la mesada del laboratorio los cartelitos y elijan: ¿Cuáles de estos términos creés que se relacionan con la biotecnología? d- Leé en grupo “Qué es la biotecnología” y observá el video del campus “Tras los pasos de la Naturaleza” e- Analizá tus respuestas del punto anterior. ¿Harías alguna modificación? ¿Qué es la Biotecnología? El término biotecnología es una de las palabras más usadas en los últimos años. La biotecnología ha superado todas las fronteras y en todos los ámbitos se habla de ella, hasta en los supermercados. Pero pocos saben que dentro de la biotecnología se encuentran muchas aplicaciones que son muy antiguas, como la fabricación de cerveza que se practicaba en la antigua Babilonia. El conocimiento actual del público sobre la biotecnología se debe, en gran medida, a los descubrimientos que permitieron el desarrollo de la ingeniería genética o, como se la denomina científicamente, la tecnología del ADN recombinante. Entre las biotecnologías tradicionales y las modernas existen gran número de acontecimientos que las fueron uniendo a lo largo de los siglos. Durante el transcurso de la materia nos ocuparemos de las biotecnologías tradicionales y luego de las biotecnologías modernas como la modificación del ADN en diferentes organismos. Pero, ¿qué significa la palabra biotecnología? Convengamos ahora que su verdadero significado se puede resumir en la siguiente frase: “Son todos los procesos por los cuales se obtienen productos que el hombre utiliza y que son elaborados por microorganismos o células más complejas”. Un ejemplo de ello es la producción de antibióticos como la penicilina, producida por los hongos del género penicillium. En pocas palabras, la mayor parte de los procesos biotecnológicos pueden reducirse a la siguiente ecuación general: SUSTRATO + MICROBIO = PRODUCTO El arte de las fermentaciones era conocido por los babilonios 6000 años a.C. Estos pueblos obtenían alcohol en forma de cerveza. Aproximadamente 4000 años a.C los egipcios 4 Guía 2014 - Biotecnología descubrieron que el dióxido de carbono producido por la actividad fermentativa de las levaduras servía para preparar panes más esponjosos. Si bien la preparación de vino está comentada en la biblia, los datos sobre elaboraciones más importantes provienen de la antigua china y medio oriente. Otros procesos tan antiguos como los anteriores son los cultivos de las bacterias que producen el vinagre, las bacterias lácticas que forman el yogur, y bacterias y hongos que se emplean para producir queso. Algunos son históricamente más nuevos, como la producción de antibióticos y vitaminas, la purificación de aguas contaminadas y la elaboración de sustancias químicas como la acetona. Los microorganismos prepararan alimentos y bebidas para el hombre desde hace siglos, pero éste desconocía su existencia. Los primeros microorganismos vistos en el microscopio fueron descriptos por Anton Van Leeuwenhoek en 1674, y entre los que observó y describió se encuentran las levaduras. Figura 1. Aplicaciones de la Biotecnología. Hitos importantes en Biotecnología Cerveza Como hemos comentado anteriormente, la producción de cerveza se remonta a 6.000 años a.C en Babilonia. En la antigüedad, cada casa producía su propia cerveza, hasta que en la época medieval la producción se concentró en los monasterios y luego en las primeras fábricas comerciales. 5 Guía 2014 - Biotecnología La cerveza se obtiene por la fermentación de cereales, especialmente la cebada, con el agregado de un aromatizante. Los granos de cereales poseen pocos hidratos que, al igual que la glucosa, sean fácilmente fermentados por las levaduras. El hidrato que más abunda en los cereales es el almidón pero hay pocas levaduras que puedan fermentarlo. Para ayudar en este proceso se humedecen los granos y esto permite que las semillas inicien la germinación. Durante ese proceso el embrión de la planta produce unas enzimas llamadas amilasas, necesarias para obtener glucosa a partir del almidón. Luego el grano se calienta a 65º C para matar al embrión vegetal. Todo este proceso se llama malteado. La malta producida se muele y se calienta para extraer de ella el jugo dulce. A este líquido que contiene mucha glucosa, se le adicionan levaduras que lo fermentan. Como producto de la fermentación se obtiene etanol y dióxido de carbono que se pierde por evaporación. Se pueden utilizar dos tipos de levaduras para la producción de cerveza: Saccharomyces cerevisiae (cerveza inglesa) y Saccharomyces carlsbergensis (cerveza tipo Lager) Figura 2. Los babilonios fueron los primeros en producir cerveza. Vino Los historiadores cuentan que el vino ya se producía en Asiria 2.000 a.C. Pero el desarrollo de esta producción tuvo lugar en la Grecia y Roma antiguas, donde los cultivos de vid aún se conservan. Pasteur fue el primero en demostrar que las levaduras que fermentan la uva y producen vino se encuentran en el hollejo (piel de las uvas) de las mismas. Las levaduras que se encuentran en el hollejo pertenecen al género Saccharomyces. Durante la fermentación alcohólica, las levaduras Figura 3. Las características de cada vino se deben entre otras cosas a los diferentes tipos de uva 6 Guía 2014 - Biotecnología convierten en alcohol dos azúcares sencillos (la fructosa y la dextrosa) que se encuentran en el jugo de la fruta. La concentración máxima que alcanza el alcohol es de 14% ya que las levaduras a más concentración dejan de trabajar. Por eso los vinos tienen concentración alcohólica limitada. Las características de cada vino se deben a los diferentes tipos de uvas y a las levaduras que las fermentan. Las levaduras influyen sobre el aroma y el perfume del vino. Lácteos Debido a que la leche cruda se inutiliza con rapidez, en las antiguas civilizaciones encontraron métodos para conservarla y poder emplearla en su alimentación. Los microorganismos responsables de estos procesos son las bacterias lácticas, que fermentan la lactosa y la convierten en ácido láctico. La elevada acidez que proporciona el ácido láctico evita que estos productos sean Figura 4. La fermentación de la leche permite atacados por otras bacterias o microorganismos que obtener distintos productos, los más pueden convertir a la leche en un derivado inútil para la importantes son el yogurt y el queso. alimentación del hombre. El yogur y el queso son los productos más importantes que se preparan a partir de la fermentación de la leche. Yogur El yogur se prepara a partir de leche previamente hervida, a la que se le agrega una mezcla de dos tipos diferentes de bacterias: Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus. Ambas especies bacterianas necesitan una temperatura de 40ºC para la preparación de yogur. El yogur tiene un ph=4, resultando este nivel de acidez adecuado para su mayor conservación. La leche con las bacterias se incuba durante 9 horas a 40ºC o hasta que tenga suficiente acido láctico, después se enfría y así se conserva. Queso El queso se obtiene a partir de agregar bacterias a la leche fresca. Estas bacterias agrian la leche porque fermentan el azúcar lactosa (azúcar de la leche) en ácido láctico. Luego se le agrega una enzima llamada renina que se encarga de romper las proteínas de la leche (caseína) y origina la coagulación de un producto sólido que se separa del líquido o suero. La parte sólida se envuelve 7 Guía 2014 - Biotecnología en una tela y se prensa para expulsar el agua. Luego comienza el período de maduración del queso, durante el cual se agregan otros microorganismos que le otorgan las características particulares de cada tipo. La enorme variedad de quesos se debe a la diversidad de microorganismos que se le agrega a la leche. Ej: el Penicillium roqueforti para elaborar queso roquefort, el Penicillium camemberti para producir el queso camembert. Pan La masa del pan son cultivos mixtos de bacterias ácido lácticas y levaduras, microorganismos que crecen naturalmente sobre la superficie de los granos de cereales. El principal agente en la elaboración del pan es el Lactobacillus plantarum, productor exclusivo de ácido láctico. Otros microbios participantes son Lactobacillus brevis y Lactobacillus fermenti, que producen etanol y dióxido de carbono. También fabrican bajas cantidades de ácido acético y glicerina que le dan el aroma al pan. La porosidad (agujeritos) de la masa se debe a la cantidad de dióxido de carbono que se forma mientras leva y los organismos más eficientes para ello son las levaduras. La mayor parte de las levaduras presentes en la masa del pan Figura 5. La masa del pan son cultivos mixtos de bacterias ácido lácticas y levaduras son Saccharomyces cerevisiae. Toda esta biotecnología tradicional era un arte, más que una ciencia. La gente no comprendía qué sucedía cuando se producía el pan, la cerveza o el queso. Antes de que la biotecnología pudiera desarrollarse, los científicos tuvieron que investigar mucho y conocer más acerca de estos procesos. Actividad Nº2 - Tarea de investigación Para la clase que viene te proponemos investigar dos productos que se obtengan a través de la biotecnología. En tu investigación incluí: a) Microorganismos que participan. b) Materia prima o sustrato. c) Proceso 8 Guía 2014 - Biotecnología El microscopio muestra un mundo desconocido Los microbios se han utilizado (aún sin conocer su existencia) durante miles de años para fabricar alimentos y bebidas. Hubo que esperar hasta el siglo XVII para que Anton van Leeuwenhoek viera los microbios con uno de los primeros microscopios. El desarrollo del microscopio, hace más de 300 años, mostró que la vida no está limitada a lo que se ve por observación directa. Aquel invento permitió descubrir niveles de complejidad insospechados en los organismos vivos. Mediante el microscopio aparecía un mundo Figura 6. Grabado de un nuevo que los científicos de la época no sabían cómo interpretar. microscopio compuesto del Los primeros, construidos en el siglo XVII, tenían una sola lente. Antoni van Leeuwenhoek, un vendedor de telas holandés, fue uno siglo XVII, del libro Micrographia de Robert Hooke. de los primeros fabricantes de microscopios. Su instrumento era bien simple: una sola lente montada en una placa de metal con tornillos para mover lo que se quisiera ver y enfocar la imagen. Bajo su lente, Van Leeuwenhoek observó todo lo que pasaba por sus manos: polvo de diamante, lana de cordero, pelo humano, pepita de naranja, excremento de rana, vino, restos de piel, restos de hueso, etcétera. Cientos de pequeños seres vivos totalmente desconocidos por los científicos de la época aparecían con su microscopio. Durante 50 años, Leeuwenhoek publicó regularmente el resultado de sus minuciosas observaciones en la Royal Society británica, que había sido creada recientemente. Al mismo tiempo, en Inglaterra, un empleado de esa organización, Robert Hooke, también describía las maravillas que aparecían a través de la luz del microscopio. En su libro Micrographia, que constituyó una de las primeras publicaciones sobre el tema, Hooke incluyó descripciones y dibujos detallados de diversas observaciones microscópicas y telescópicas. Si bien Hooke describió cómo el corcho y otros tejidos vegetales estaban formados por pequeñas cavidades separadas por paredes, a las que llamó Figura 6. Fotografía de células, su trabajo fue sólo descriptivo ya que no esbozó teoría alguna. un microscopio Las primeras lentes podían producir un aumento de hasta 200 veces, compuesto fabricado en pero tenían varias limitaciones. Los microscopios distorsionaban la Londres en 1750. Photo by Bob Tubbs 2005. forma y el color de los objetos y la mayoría de los científicos veía estos instrumentos como juguetes y no como algo útil para su trabajo. Lamentablemente, la ciencia no logró avanzar demasiado con estas observaciones, ya que los 9 Guía 2014 - Biotecnología primeros microscopistas no tenían ninguna preocupación más que el placer de descubrir cosas nuevas y no intentaron dar una explicación teórica a lo que veían. Tanto es así que las observaciones de Leeuwenhoek y Hooke pasaron casi inadvertidas por los científicos de la época. Esto se debe sobre todo a dos razones: Leeuwenhoek no tenía educación formal y Hooke era sólo un empleado de Royal Society, y no miembro de ella. Además, en el siglo XVII aún se valoraban más la observación y la experimentación, ideas que se continuaba desde de la Edad Media. Fuente: http://aportes.educ.ar/biologia/nucleo-teorico/influencia-de-las-tic/del-microscopio-a-latomografia-computada-tecnologias-para-mirar-por-dentro/los_microscopios.php Actividad N°3 - El microscopio a) Buscá en internet y completá el siguiente esquema con el nombre de cada una de las partes del microscopio óptico. b) Observá los microscopios que se encuentran en el laboratorio y ubica sus partes. 10 Guía 2014 - Biotecnología Los microorganismos El desfile de los microbios ¡Corre, corre, ven! El desfile ya empezó de unos raros seres que nadie imaginó. Ni piernas, ni aletas, ni boca, ni ojitos, son éstos los más diminutos bichitos. Son tan pequeños que no pueden ser vistos. “¿Seguro que no?, ¿ese zoo es tan pequeñito?” Imagínate, si es que puedes, Zac, un punto diminuto, un granito no más. Rompe cada grano en otros más chiquitos. Tendrás delante de ti miles de granitos. Cada granito que obtengas es como un cajón, donde microbios te caben más de un buen millón, Donde todos tienen espacio para nadar, dar volteretas y su cuerpo enroscar. Arthur Kornberg Premio Nobel de Medicina (1959) La definición clásica de microorganismo considera que es un organismo microscópico constituido por una sola célula o agrupación de células. Se consideran como tales a las bacterias, los hongos (levaduras y hongos filamentosos muy pequeños), e incluye también a los virus, aunque la estructura de ellos es más simple y no llega a conformar una célula. Bacterias: La célula procariota típica de una Eubacteria posee pared celular, membrana citoplasmática y el citoplasma sin organelas ni divisiones, en el cual el material genético (un solo cromosoma circular) se encuentra suelto en el citoplasma ya que no existe envoltura nuclear, en una región conocida como nucleoide. Algunas especies contienen plásmidos, que son pequeñas moléculas circulares de ADN que suelen codificar para genes que le otorgan a la bacteria ciertas ventajas adaptativas, como por ejemplo: enzimas que le permiten degradar distintas fuentes de carbono, enzimas que producen antibióticos o incluso otras enzimas que le permiten tolerar la presencia de ciertos antibióticos. Entre las especies bacterianas de interés industrial están las bacterias del ácido acético, Gluconobacter y Acetobacter que pueden convertir el etanol en ácido acético, principal componente del vinagre. Las bacterias del ácido láctico incluyen, entre otras, las especies de los géneros Streptococcus, Lactobacillus y Leuconostoc que producen yogur y queso. 11 Guía 2014 - Biotecnología Hongos: Las levaduras son organismos eucariontes, y como tales tienen el material genético en el núcleo, cuentan con organelas y sistema de membranas (mitocondrias, retículos, etc), y tienen pared celular. La levadura más conocida y utilizada para la mayoría de los procesos fermentativos es Saccharomyces cerevisiae. Con ella se produce el pan, el vino y la mayoría de las demás bebidas alcohólicas Existen otros tipos de hongos asociados a los alimentos y que no son levaduras. Se trata de los hongos filamentosos, pluricelulares que presentan regiones del cuerpo diferenciadas. Sus células son eucariontes, con pared celular. Dentro del grupo de los hongos filamentosos se encuentran aquellos que son fuente de enzimas comerciales (amilasas, proteasas, pectinasas), ácidos orgánicos (cítrico, láctico), quesos especiales (Camembert, Roquefort) y de las setas. Uso de microorganismos a escala industrial El uso de microorganismos para la obtención de alimentos es una de las aplicaciones más antiguas de la biotecnología. En la actualidad se han ido seleccionando las mejores cepas y se han desarrollado grandes industrias y economías en base a ellos. Ya sea bacteria o levadura, existen varias características que debe cumplir un microorganismo para su uso en la industria: El tamaño de la célula debe ser pequeño para facilitar el intercambio de sustancias con el entorno y permitir, de esta forma, una elevada tasa metabólica. Producir la sustancia de interés. Estar disponible en cultivo puro. Ser genéticamente estable. Crecer en cultivos a gran escala. Crecer rápidamente y obtener el producto deseado en un corto período de tiempo. No ser patógeno para el hombre o para los animales o plantas. El medio de cultivo debe estar disponible en grandes cantidades y ser relativamente barato. 12 Guía 2014 - Biotecnología Actividad N°4 - Organismos a- ¿Qué organismos se utilizan en biotecnología? _________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ b- ¿Cuál es el tipo de organismo más utilizado en biotecnología? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ c- ¿Cuáles son las características principales que poseen las bacterias? ___________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ d- Observá en el campus el video sobre Multiplicación de bacterias. Medios de cultivo El medio de cultivo constituye el aporte de nutrientes indispensables para el crecimiento de los microorganismos. La composición precisa dependerá de la especie que se quiera cultivar, porque las necesidades nutricionales varían considerablemente. Hay microorganismos muy poco exigentes que crecen bien en medios de laboratorio normales y microorganismos muy exigentes que necesitan determinadas sustancias como vitaminas, suero o sangre para crecer. 13 Guía 2014 - Biotecnología Actividad N°5 - Preparación de Medios de Cultivo 1. Disolver los componentes del medio en agua destilada. En muchos casos se parte de un preparado comercial con todos los componentes deshidratados. Siguiendo las instrucciones del fabricante o del profesor, añadir la cantidad de agua adecuada para conseguir la concentración deseada de los mismos. Si el medio contiene un agente solidificante (agar-agar) hay que calentar el preparado hasta la ebullición del mismo agitando de vez en cuando, para asegurar una completa disolución del agar (medios sólidos y semisólidos); para medios líquidos no es necesario calentar, únicamente se agita la mezcla hasta la Figura 7. Medio completa disolución de la misma. de cultivo 2. Esterilizar la disolución: Una vez disuelto el medio se debe esterilizar para disuelto evitar el crecimiento de contaminantes. Dependiendo de la forma en que vaya a utilizarse el medio, el procedimiento será diferente. Medios sólidos en placa: Tapar el matraz con tapón de algodón y cubrir con papel de aluminio. Llevar a esterilizar al autoclave (121ºC) durante 15Figura 8. Placas de Petri con medio de cultivo en reposo 20 minutos. Una vez estéril repartir en placas de Petri estériles y dejar en reposo para que solidifique. Actividad N°6 - ¿Dónde creés que podes encontrar microorganismos? Materiales Hisopo Marcador indeleble Agua Estufa Caja de petri con medio Procedimiento 1. Tomá una muestra de diferentes superficies con un hisopo humedecido con agua 2. Desplazá el hisopo sobre el medio de cultivo que se encuentra en la caja de petri formando un zig - zag 14 Guía 2014 - Biotecnología 3. Tapá nuevamente la placa de petri y rotulala en la base (colocá el nombre del grupo); nunca en la tapa porque podría intercambiarse con otra. 4. Llevá las placas a la estufa de 37ºC donde permanecerán entre 24 y 48 horas para que las bacterias crezcan y se reproduzcan. Resultados a. Esquematizá y describí los resultados de tu grupo. b. ¿Qué quisimos probar con estas experiencias? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ c. ¿Qué importancia práctica tienen los microorganismos del aire para la persona que trabaja en un laboratorio? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 15 Guía 2014 - Biotecnología d. ¿Cuál es la diferencia entre célula bacteriana y colonia? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ e. ¿Cuáles son tus conclusiones de los resultados obtenidos? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Biotecnología de alimentos La fermentación El proceso común que interviene en la fabricación del pan, el vino y los quesos (por citar sólo algunos alimentos), es la fermentación que realizan los microorganismos presentes en la materia prima. Se estima que los alimentos fermentados contribuyen aproximadamente con la tercera parte de la dieta mundial. El término fermentación, en su acepción estricta, se refiere a la obtención de energía en ausencia de oxígeno. Pasteur denominó a la fermentación "la vie sans l'air" o "la vida sin aire". Existen diferentes tipos de procesos de fermentación que se denominan según el nombre del producto final que se obtiene. Entre ellos: Fermentación láctica: Se produce en muchas bacterias (bacterias lácticas), también en algunos protozoos y en el músculo esquelético humano. El producto de la reacción es el ácido láctico responsable de la obtención de productos lácteos acidificados como yogurt, quesos, cuajada, crema ácida, etc. El ácido láctico tiene excelentes propiedades conservantes de los alimentos. En las células musculares humanas, la acumulación de ácido láctico produce los dolorosos “calambres”. Fermentación alcohólica: Esta fermentación la realizan, por ejemplo, las levaduras del género Saccharomyces. Se obtiene como producto alcohol etílico o etanol, y dióxido de carbono (CO2). Se trata de un proceso de gran importancia industrial que, según el tipo de levadura empleada, da lugar a una variedad de bebidas alcohólicas: cerveza, vino, sidra, etc. También en la fabricación del pan se añade a la masa una cierta cantidad de levadura que, al realizar la fermentación a partir del almidón de la harina, hará que el pan sea más esponjoso por las burbujas de CO2 que se 16 Guía 2014 - Biotecnología desprenden e inflan la masa. En este último caso el alcohol producido desaparece durante la cocción. La reacción de la fermentación láctica sería: Glucosa ---------> Ácido Láctico + energía + H2O La reacción de la fermentación alcohólica sería: Glucosa -------> Etanol + energía + CO2 Actividad N°7 - Fermentación Alcohólica Materiales Levadura en cuadraditos. 2 globos. Jugo de uva / jugo de manzana (1 litro). 2 probetas. 2 frascos de vidrio pequeños (botellas). 1 densímetro Procedimiento 1. Coloquen en el frasco un cuadradito de levadura (lo pueden romper en trozos pequeños). 2. Disuelvan la levadura con pequeños agregados del jugo de uva. 3. Agreguen el resto del litro de jugo de uva. 4. Tapen el cuello del frasco con el globo. 5. Agiten y esperen que el globo se infle (debido a la producción de dióxido de carbono). 6. Repitan la experiencia utilizando el segundo frasco y reemplazando el jugo de uva por jugo de manzana. 7. Una vez que el globo se infló lo suficiente (comparen en el mismo tiempo cuál de los dos globos se infla más) 8. Midan el contenido alcohólico mediante la utilización de un densímetro 9. Busquen el contenido alcohólico del vino y la sidra, y comparen con los porcentajes obtenidos en las mezclas preparadas en el laboratorio. Resultados 1. ¿Para qué se requiere en este proceso del azúcar (jugo)? ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ 17 Guía 2014 - Biotecnología 2. ¿Por qué pensás que se inflaron los globos? ________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 3. ¿Cuál de los globos se infló más? ¿Por qué? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ Actividad N°8 - Elaboración de productos biotecnológicos En grupos vamos a fabricar nuestro propio proyecto biotecnológico. a) Elaboración de yogur Ingredientes 1 litro de leche entera pasteurizada 1 pote (200 o 250 cm3) de yogurt Natural 1 envase de yogurt vacío y limpio (uno por cada integrante del grupo) Preparación 1) Colocar la leche en un recipiente y calentar hasta 45 ºC. 2) Agregar el yogurt natural batiendo bien hasta formar una mezcla homogénea. 3) Dividir la mezcla en los potes y llevar a estufa de laboratorio a 27 ºC. 4) Dejar incubar unas 6 a 7 horas, luego retirar y llevar a heladera. Los resultados pueden observarse luego de dos días. Respondé: a) ¿Por qué se requiere de la pasteurización de la leche? _________________________________________________________________________________ b) ¿Por qué se agrega el yogur a la leche? _________________________________________________________________________________ c) ¿Por qué el yogur se debe colocar en leche tibia (ni muy fría ni muy caliente)? _________________________________________________________________________________ d) ¿Cuál es la acción de las bacterias lácticas? _________________________________________________________________________________ 18 Guía 2014 - Biotecnología e) ¿Por qué el producto resultante tiene sabor ácido? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ b) Elaboración de pan Materiales levadura de panadería 50 grs 1 cucharada sopera de manteca 3 tazas de harina común 2 ½ cucharaditas de sal 2 ½ tazas de agua a 30°C 1 recipiente hondo 2 cucharadas soperas de azúcar Procedimiento 1. Agregar al agua tibia: azúcar, manteca, sal y levadura 2. Volcar la harina en el recipiente hondo 3. Cuando el líquido este espumoso añadirlo a la harina 4. Amasarlo convenientemente 5. Dejarlo levar durante 20 minutos cerca del mechero encendido 6. Cocinar hasta dorar Mientras leva la masa, observá levaduras al microscopio. Respondé: 1. ¿Por qué se requiere en este proceso agua tibia y azúcar? _________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 2. ¿Por qué pensás que leva la masa del pan? _________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 3. ¿A qué se deben los agujeritos en la miga del pan? _________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 19 Guía 2014 - Biotecnología 4. ¿Por qué se dice que la elaboración de pan es un proceso biotecnológico? _________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 5. ¿Estás comiendo microorganismos cuando comes el pan? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ Actividad N°9 - Observando los microorganismos a) Actividad Campus Virtual: Observá el siguiente video y respondé las preguntas: http://campus.belgrano.ort.edu.ar/cienciasnaturales/articulo/262286/probi- ticos-y-prebi-ticos (Podés buscar información adicional en la guía teórica) 1. ¿Hay microorganismos en nuestro cuerpo? ¿Dónde? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 2. ¿Todos los microorganismos son perjudiciales para la salud? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 3. ¿Cuáles son las funciones que cumplen los microorganismos que habitan normalmente el organismo humano? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 4. ¿Qué es un probiótico? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 5. ¿Qué es un prebiótico? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 20 Guía 2014 - Biotecnología ¿Qué son los antibióticos? La mayoría de las personas conoce acerca de la existencia de antibióticos, y su empleo es un hecho frecuente en el mundo entero desde hace varios años. Los antibióticos pueden definirse como moléculas con actividad antimicrobiana y, originalmente, son el producto del metabolismo de hongos y bacterias, capaces de inhibir en pequeñas dosis los procesos vitales de ciertos microorganismos, destruyendo o impidiendo su desarrollo y reproducción. Qué nos cuenta la historia sobre la aparición de los antibióticos… Remontémonos a 1911 junto con Alexander Fleming: el científico trabajaba en su laboratorio con un cultivo de bacterias, cuando accidentalmente se introdujo un hongo microscópico en la caja de Petri. Fleming, obviamente no se dio cuenta de lo sucedido hasta unos días más tarde, al observar que algunas de las bacterias cercanas al hongo (ya desarrolladas y visibles) no habían formado colonias. El hongo que inhibía el crecimiento bacteriano fue identificado como Penicilium notatum y la sustancia fue llamada penicilina. Interesado en este hallazgo, Fleming cultivó los hongos para poder aislar la penicilina, pero la tarea le resultó muy difícil y abandonó el intento. Diez años más tarde, en 1940 dos investigadores estadounidenses lograron purificar la penicilina, que comenzó a industrializarse. La segunda guerra mundial fue un gran incentivo para la producción masiva de penicilina, que logró evitar las infecciones de heridas y salvó innumerables vidas. A partir de este experimento se investigó una gran cantidad de hongos, de los cuales derivan otros antibióticos utilizados actualmente. Por este descubrimiento, Fleming ganó el Premio Nobel en 1945. Tanto hongos como bacterias liberan espontáneamente distintas sustancias que se utilizan para producir antibióticos. De este modo, sustancias producidas por algunas bacterias y hongos se emplean para destruir a otras bacterias. En la actualidad, la penicilina se obtiene por técnicas de biotecnología, tal como se muestra en el esquema que figura más abajo. 21 Guía 2014 - Biotecnología Figura 9. Técnica de obtención actual de la penicilina Actividad N°10 - Antibióticos 1. ¿Qué error de procedimiento cometió Fleming que lo llevó al descubrimiento de la penicilina? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 2. ¿Por qué la producción de penicilina se considera un proceso biotecnológico? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 3. ¿Por qué hasta 1940 no se pudo producir la penicilina a escala industrial? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 22 Guía 2014 - Biotecnología 4. Investiga otros ejemplos de antibióticos usados en medicina. _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 5. Últimamente existe evidencia de que las bacterias son capaces que adquirir una resistencia a un antibiótico cuando es suministrado repetidamente. ¿Es bueno usar antibióticos ante cualquier síntoma de enfermedad? ¿Qué soluciones se pueden dar ante este problema? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ Antibiograma Las bacterias no pueden verse a simple vista. Sin embargo, es posible observar sus colonias, que son agrupaciones de bacterias que se originan a partir de la multiplicación de una bacteria original (son genéticamente iguales). Para obtener colonias en el laboratorio se siembran bacterias en agar (medio de cultivo sólido que contiene los nutrientes necesarios para el crecimiento bacteriano). Para medir la efectividad de un antibiótico sobre un tipo de bacteria, se realiza un antibiograma. Para ello se hacen crecer bacterias genéticamente iguales sobre una superficie de agar contenida en una caja de Petri y se colocan sobre ella discos embebidos en diferentes antibióticos (discos de antibiograma). Luego se la incuba a una temperatura similar a la del cuerpo humano (37°C) durante 48 horas. Cuando el antibiótico difunde fuera del disco, inhibe el crecimiento de las bacterias sensibles, dejando un espacio libre en el agar (halo de inhibición). Cuanto mayor es el diámetro del halo de inhibición alrededor del disco más efectivo es el antibiótico frente a ese tipo de bacterias. Figura 10. Pasos de un antibiograma 23 Guía 2014 - Biotecnología Actividad N°11 - Test de sensibilidad a los antibióticos Materiales Placas de Petri Ansa rulo Discos de antibiograma Cultivo bacteriano Varilla de vidrio triangular o rastrillo Procedimiento 1) Sembrar las bacterias para un crecimiento en césped. 2) Colocar un disco de antibiograma sobre el medio ya sembrado. 3) Incubar en estufa a 37ºC por 48hs. Resultados Esquematizá claramente los resultados. Una vez obtenidos los resultados, respondé: 1. ¿De qué manera actúan los antibióticos? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 24 Guía 2014 - Biotecnología 2. ¿En qué casos resulta conveniente realizar un antibiograma? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 3. ¿Por qué se prueban diferentes tipos de antibióticos? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 4. ¿Cómo se podría determinar cuál de los antibióticos examinados es el más efectivo? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ Actividad Nº12 - A pensar! Una población de bacterias es expuesta a los efectos de ciertos antibióticos, destinados a eliminarlas y proteger la salud humana. El gráfico 1 representa la curva de crecimiento normal para una población de bacterias cultivada en el laboratorio en condiciones óptimas de temperatura, con una provisión abundante de nutrientes y suficiente espacio para el crecimiento de la población. El gráfico 2 representa las variaciones en el crecimiento de una población similar de bacterias, en las mismas condiciones de crecimiento que la población representada en el gráfico 1, pero con una variante: a diferentes tiempos se le agrega al cultivo de bacterias antibióticos destinados a eliminarlas. En el Tiempo 1 (T1) se agrega al cultivo el antibiótico X. En T2 se le suministra otra dosis del mismo antibiótico. En T3 se le agrega el antibiótico Y. 1 2 n° de individuos n° de individuos Antibiótico X Antibiótico Y Antibiótico X 0 Tiempo 0 25 T1 T2 T3 Tiempo Guía 2014 - Biotecnología Respondé: a. Analizá el gráfico 1 y explicá que sucedió con la población de bacterias de esta experiencia. _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ b. Analizá el gráfico 2 y respondé: i. ¿Cuál fue el efecto que provocó el antibiótico X sobre la población de bacterias en el tiempo T1? _____________________________________________________________________________ ii. ¿Por qué creés que después de haber aplicado el antibiótico la curva no llego a 0? _________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ iii. ¿La respuesta de la población de bacterias al antibiótico X aplicado en el tiempo 2 es igual a la ocurrida en el tiempo 1? ¿Por qué? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ iv. ¿Cómo se explicaría el hecho de que la curva haya llegado a 0 después de la aplicación del antibiótico Y? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ Actividad Nº13 - Completá el texto con la palabra correcta Hongo Bacteriostáticos Halo Antibiograma Antibiótico Microorganismos Antimicrobiana Resistencia Antibióticos Penicilina Casual Ampicilina La ___________es el ___________ que revolucionó el tratamiento de las infecciones bacterianas. Su descubrimiento fue un hecho______, que se debe al trabajo del bacteriólogo Alexander Fleming, quien mientras se encontraba trabajando con bacterias observó que una de las placas de cultivo había sido contaminada por un ______. Decepcionado, pero sorprendido, Fleming 26 Guía 2014 - Biotecnología observó que alrededor del hongo se formaba un enorme _____ sin bacterias. Era evidente que el hongo (que luego se supo era de la especie Penicillum notatum) producía “algo” capaz de matar a las bacterias. Fleming llamó a este principio activo penicilina y en 1929 publicó sus experimentos. Los antibióticos son moléculas con actividad ___________ y pueden ser bactericidas o____________, es decir matan o impiden el crecimiento de ciertas clases de bacterias. Actualmente, los laboratorios farmacéuticos dedican tiempo y dinero a la búsqueda de nuevos antibióticos debido a que los __________ desarrollan ____________ frente a __________ que en el pasado resultaban efectivos. Actividad Nº14 - Verdadero o Falso 1) Un antibiótico puede ser bactericida o bacteriostático. V F 2) Los antibióticos naturales son producidos por ciertos hongos y bacterias. V 3) La penicilina fue el primer antibiótico fabricado por la industria farmacéutica. V F F 4) Un antibiograma permite conocer que antibióticos son efectivos contra un determinado microorganismo. V F 5) Para realizar un antibiograma las bacterias deben sembrarse sobre el medio de cultivo en forma de zigzag. V F 6) Un antibiótico es una molécula con actividad antimicrobiana. V F Biotecnología moderna Actividad N°15 - ¿Comemos genes cuando ingerimos alimentos? Materiales: 1 vaso de plástico (por grupo) Sal de mesa Licuadora 1 gotero Una cuchara plástica para medir y 1 tubo de ensayo sellado que contenga mezclar 2 filtros de papel de café Nº 2 (conos) 20 ml de agua destilada Shampoo de color claro 1 banana 95% de etanol 1 conservadora con hielo para enfriar los tubos con alcohol 27 1 varilla de vidrio o 1 pipeta Pasteur. Guía 2014 - Biotecnología Procedimiento: Vamos a preparar una solución de banana procesada con sal, agua destilada y shampoo, mediante los siguientes pasos: 1. En una licuadora, mezclar una banana por taza de agua destilada (250ml). 2. Licuar por 15-20 segundos, hasta que la solución se mezcle. 3. En otra taza, preparar una solución con una cucharadita de shampoo y dos pizcas de sal y luego agregar 20 ml (aprox. 4 cucharaditas) de agua destilada. Revolvé lentamente evitando formar espuma. 4. A la solución preparada en el paso 3, agregale tres cucharaditas de la mezcla de banana del paso 1. 5. Mientras uno de ustedes mezcla la solución durante 5-10 minutos, otro pondrá el filtro Nº 2 de café dentro de un recipiente doblando sus bordes para evitar que el filtro toque el fondo del mismo. 6. Verter la mezcla dentro del filtro y dejar que la solución drene por algunos minutos hasta obtener lo suficiente para pipetear. 7. Tomar un tubo de ensayo y llenar 1/3 del mismo con alcohol frío. 8. Llenar la pipeta plástica con la solución de banana filtrada y agregarla al tubo con alcohol. Dejar la solución reposar por 2 a 3 minutos sin mover. Es importante no batir el tubo de ensayo. NOTA: El ADN no es soluble en alcohol pero los otros componentes si por lo que permanecen en la solución mientras el ADN precipita como sólido en la capa de alcohol. Se puede observar el ADN como un mucus blanco y fibroso. Con la ayuda de una varilla de vidrio podrás enrollarlo y extraerlo. Respondé: 1. ¿Por qué se puede suponer que la banana contiene ADN? ¿Dónde se encuentra ese ADN? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 2. ¿Qué otro tipo de sustancias es posible encontrar entre los componentes de la banana? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 28 Guía 2014 - Biotecnología 3. ¿Cuál es la función del detergente en la experiencia? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 4. ¿Cuál es la función de la sal en la experiencia? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 5. ¿Cuál es la función del alcohol en la experiencia? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 6. Al finalizar la experiencia se obtiene un mucus blanco y fibroso que sería el ADN. ¿Es posible que la molécula de ADN se visualice a simple vista? ¿Por qué? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 7. ¿Cómo se podría proceder si se quisiera obtener, a partir del ADN extraído, los nucleótidos que lo forman? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 8. Suponiendo que el ADN extraído tiene un gen de interés que aporta una característica deseable para otros organismos, ¿cuáles serían los pasos a seguir para aislar ese gen y transferirlo a la otra planta? Diseñen un esquema que resuma las etapas a seguir en el laboratorio _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 29 Guía 2014 - Biotecnología Ingeniería genética De los genes a la ingeniería genética Cuando los científicos comprendieron la estructura de los genes y cómo la información que portaban se traducía en funciones o características, comenzaron a buscar la forma de aislarlos, analizarlos, modificarlos y hasta de transferirlos de un organismo a otro para conferirle una nueva característica. Justamente, de eso se trata la ingeniería genética, que se podría definir como un conjunto de metodologías que permite transferir genes de un organismo a otro y expresarlos (producir las proteínas para las cuales estos genes codifican) en organismos diferentes al de origen. El ADN que combina fragmentos de organismos diferentes se denomina ADN recombinante. En consecuencia, las técnicas que emplea la ingeniería genética se denominan técnicas de ADN recombinante. Así, es posible no sólo obtener proteínas recombinantes de interés sino también mejorar cultivos y animales. Los organismos que reciben un gen que les aporta una nueva característica se denominan organismos genéticamente modificados (OGM) o transgénicos. A su vez, la ingeniería genética es lo que caracteriza a la biotecnología moderna que implementa estas técnicas en la producción de bienes y servicios útiles para el ser humano, el ambiente y la industria. Actividad N°16 - Productos de la ingeniería genética Leé los siguientes artículos, y respondé: Pampa Mansa, una vaca clonada En agosto de 2002 la compañía Argentina de Biotecnología Bio Sidus anunció el nacimiento de su primer ternero clonado en un campo de Buenos Aires, Argentina. La vaca clonada pertenece a la raza Jersey y fue bautizada “Pampa”. Esta clonación es parte de un proyecto que apunta a producir hormona de crecimiento humana mediante la introducción del gen humano (que codifica para la hormona de crecimiento humano) en el genoma de la ternera. En octubre de 2003, Bio Sidus anunció que Pampa Mansa estaba produciendo leche con buena cantidad de hormona de crecimiento humana. 30 Guía 2014 - Biotecnología 1. ¿Dónde se realizan estos desarrollos? _________________________________________________________________________________ 2. ¿Cuál es el organismo modificado en cada caso? _________________________________________________________________________________ 3. ¿Cuál es la modificación practicada? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 4. ¿Cuál es el organismo de origen, del cual se obtiene el gen de interés? _________________________________________________________________________________ 5. ¿Cuáles son las ventajas que ofrecería el nuevo producto (al consumidor y/o al productor)? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ Petunias transgénicas tolerantes a heladas Un grupo de investigadores de la Universidad de Toledo (Ohio, Estados Unidos) creó petunias que sobreviven a temperaturas muy bajas. A través de la introducción de un gen proveniente de la planta Arabidopsis thaliana, la cual es tolerante a condiciones extremas como: bajas temperaturas, alta salinidad y sequías. Lograron que las petunias sobrevivieran a esas condiciones extremas. Las plantas tolerantes a heladas les permitirían a los productores reducir la temperatura de los invernaderos considerablemente. "Suena interesante", declaró Gene Klotz, propietario de Klotz Flower Farm. "Los costos de calefacción hoy constituyen al menos el 35% de los costos totales de la producción". Las petunias serán ensayadas por el Departamento de Agricultura, que además financió el proyecto. Probarán a qué temperatura pueden cultivarse y cómo crecen y cuánto tiempo las petunias transgénicas sobreviven a esa temperatura. 1. ¿Dónde se realizan estos desarrollos? _________________________________________________________________________________ 2. ¿Cuál es el organismo modificado en cada caso? _________________________________________________________________________________ 31 Guía 2014 - Biotecnología 3. ¿Cuál es la modificación practicada? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 4. ¿Cuál es el organismo de origen, del cual se obtiene el gen de interés? _________________________________________________________________________________ 5. ¿Cuáles son las ventajas que ofrecería el nuevo producto (al consumidor y/o al productor)? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ La insulina y las bacterias transgénicas En los años 80 tuvo lugar un hito para la medicina: la producción y comercialización de la insulina humana (insulina recombinante o biosintética) gracias a los avances conseguidos en ingeniería genética. ¿Cómo fue posible la producción en grandes cantidades de insulina humana sin tener que extraerla de humanos? Los pasos fueron los siguientes: -Se aisló y se cortó el gen productor de la insulina humana del resto del ADN humano. -Se insertó dicho gen en la bacteria Escherichia coli. -Se potenció la multiplicación de las E. coli transgénicas que producían insulina en cultivos bacterianos para obtener un gran número de ellas. De esa población de E. coli se extraía la insulina producida. En la actualidad el patrón básico sigue siendo el mismo aunque se utilizan otras bacterias a parte de la E. coli, como la levadura del pan. Gracias a esas bacterias transgénicas, fue posible la comercialización a nivel mundial de la insulina humana. Al ser propia de nuestra especie, no tenía los riesgos de las insulinas de vacas y cerdos y como la obtención era mucho más rápida y eficiente, el precio de la insulina bajó enormemente. Hoy, millones de diabéticos se administran lo que una bacteria transgénica produce. Sin polémicas, sin miedos pero, eso sí, sin que la mayoría de ellos conozcan la fuente de su insulina. 32 Guía 2014 - Biotecnología Respondé: 1. ¿Cuál es el organismo modificado en este caso? ________________________________________________________________________________ 2. ¿De qué organismo proviene el gen de interés? ________________________________________________________________________________ 3. ¿A que crees que se refiere el artículo cuando dice: no tenía los riesgos de las insulinas de vacas y cerdos? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ 4. ¿Cuáles son las ventajas que ofrece el nuevo producto al consumidor y al productor? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ Biorremediación: organismos que limpian el ambiente Hoy en día existen dos importantes áreas que relacionan a la biotecnología con la producción de energía. Estas son la producción de etanol como combustible líquido y la producción de metano como combustible gaseoso. El alcohol como combustible Actualmente se relaciona la energía con el petróleo ya que se fabrica etanol usando materiales petroquímicos. La preocupación mundial por la limitada disponibilidad de petróleo impulsa el desarrollo de nuevas técnicas que permitan la producción de etanol para combustible a partir de recursos vegetales en otras palabras las plantas. Como vimos anteriormente el etanol se puede producir por fermentación biológica empleando la levadura Saccharomyces cerevisiae (utilizada para el pan o cerveza) u otros microorganismos. Brasil es uno de los países que planea reemplazar la nafta por el alcohol. Una de las fuentes de carbono empleadas para producir etanol es la caña de azúcar. El jugo de la caña de azúcar exprimida proporciona el medio de cultivo líquido donde los microorganismos actúan. También 33 Guía 2014 - Biotecnología se pueden emplear como recurso el almidón proveniente de los restos vegetales de una cosecha, los granos sobrantes y la celulosa de la madera. Existen muchos otros microorganismos que se usan para producir etanol, algunos son bacterias y otros levaduras. Una de las mayores dificultades para la obtención de etanol es la baja resistencia de los microorganismos fermentadores a la elevada cantidad de alcohol que ellos mismos producen dentro del tanque. Como consecuencia de esto los microorganismos se “emborrachan” y dejan de trabajar. El metano como combustible El metano es el principal componente del gas natural o envasado, el que utilizás en la cocina. Se lo conoce como el “gas de los pantanos “porque se produce como emanaciones de las aguas en estado de putrefacción. Es el resultado de una fermentación anaeróbica. Las bacterias responsables de la producción de metano son un grupo de bacterias incapaces de vivir cuando hay oxígeno presente. El oxígeno les resulta tóxico por ello se las encuentra en los sedimentos de los fondos marinos, en los pantanos y en la panza de los rumiantes como la vaca. El principal alimento de las vacas es el pasto u otros vegetales cuyas células tienen celulosa. Ni el hombre ni las vacas pueden degradar celulosa. Este trabajo lo realizan las bacterias que se encuentran en el sistema digestivo del hombre y las vacas. Durante este proceso se produce entre otras cosas metano. Actualmente los biotecnólogos intentan producir metano a partir de materias primas disponibles y baratas. Por ejemplo: aguas residuales de explotaciones agrícolas, de industrias, estiércol y fangos. La producción de metano por degradación bacteriana de fangos, estiércol o aguas residuales se le llama producción de biogás. Ningún procedimiento industrial es tan adaptable y eficiente como una célula viva en su facultad para extraer energía a partir de los materiales disponibles y transformarla en una forma utilizable (para ellas en ATP para nosotros en gas o alcohol). Biotecnología y medio ambiente El crecimiento de la población y el avance de las actividades industriales a partir del siglo XIX trajeron aparejados serios problemas de contaminación ambiental. Desde entonces, los países generan más desperdicios, muchos de ellos no biodegradables o que se degradan muy lentamente en la naturaleza, lo que provoca su acumulación en el ambiente sin tener un destino 34 Guía 2014 - Biotecnología seguro o un tratamiento adecuado. De este modo, en lugares donde no existe control sobre la emisión y el tratamiento de los desechos, es factible encontrar una amplia gama de contaminantes. Habitualmente, los casos de contaminación que reciben mayor atención en la prensa son los derrames de petróleo. Pero, en el mundo constantemente están sucediendo acontecimientos de impacto negativo sobre el medio ambiente, incluso en el entorno directo, generados por un gran abanico de agentes contaminantes que son liberados al ambiente. Un ejemplo lo constituyen algunas industrias químicas que producen compuestos cuya estructura química difiere de los compuestos naturales, y que son utilizados como refrigerantes, disolventes, plaguicidas, plásticos y detergentes. El problema principal de estos compuestos es que son resistentes a la biodegradación, por lo cual se acumulan y persisten en el ambiente y lo perjudican tanto como a los seres vivos, entre ellos el ser humano. En las últimas décadas, entre las técnicas empleadas para contrarrestar los efectos de los contaminantes, se comenzó a utilizar una práctica llamada biorremediación. El término biorremediación fue acuñado a principios de la década de los ‘80, y proviene del concepto de remediación, que hace referencia a la aplicación de estrategias físico-químicas para evitar el daño y la contaminación en suelos. Los científicos se dieron cuenta que era posible aplicar estrategias de remediación que fuesen biológicas, basadas esencialmente en la observación de la capacidad de los microorganismos de degradar en forma natural ciertos compuestos contaminantes. Entonces, la biorremediación surge como una rama de la biotecnología que busca resolver los problemas de contaminación mediante el uso de seres vivos (microorganismos y plantas) capaces de degradar compuestos que provocan desequilibrio en el medio ambiente, ya sea suelo, sedimento, fango o mar. Tipos de biorremediación En los procesos de biorremediación generalmente se emplean mezclas de ciertos microorganismos o plantas capaces de degradar o acumular sustancias contaminantes tales como metales pesados y compuestos orgánicos derivados de petróleo o sintéticos. Básicamente, los procesos de biorremediación pueden ser de tres tipos: 1. Degradación enzimática Este tipo de degradación consiste en el empleo de enzimas en el sitio contaminado con el fin de degradar las sustancias nocivas. Estas enzimas se obtienen en cantidades industriales por bacterias que las producen naturalmente, o por bacterias modificadas genéticamente que son comercializadas por las empresas biotecnológicas. 35 Guía 2014 - Biotecnología 2. Remediación microbiana En este tipo de remediación se usan microorganismos directamente en el foco de la contaminación. Los microorganismos utilizados en biorremediación pueden ser los ya existentes (autóctonos) en el sitio contaminado o pueden provenir de otros ecosistemas, en cuyo caso deben ser agregados o inoculados. La descontaminación se produce debido a la capacidad natural que tienen ciertos organismos de transformar moléculas orgánicas en sustancias más pequeñas, que resultan menos tóxicas. El hombre ha aprendido a aprovechar estos procesos metabólicos de los microorganismos. De esta forma, los microorganismos que pueden degradar compuestos tóxicos para el ambiente y convertirlos en compuestos inocuos o menos tóxicos, se aprovechan en el proceso de biorremediación. 3. Remediación con plantas (fitorremediación) La fitorremediación es el uso de plantas para limpiar ambientes contaminados. Aunque se encuentra en desarrollo, constituye una estrategia muy interesante, debido a la capacidad que tienen algunas especies vegetales de absorber, acumular y/o tolerar altas concentraciones de contaminantes como metales pesados, compuestos orgánicos y radioactivos. La fitorremediación ofrece algunas ventajas y desventajas frente a los otros tipos de biorremediación: Ventajas: Las plantas pueden ser utilizadas como bombas extractoras de bajo costo para depurar suelos y aguas contaminadas. Algunos procesos degradativos ocurren en forma más rápida con plantas que con microorganismos. Es un método apropiado para descontaminar superficies grandes o para finalizar la descontaminación de áreas restringidas en plazos largos. Limitaciones: 36 Guía 2014 - Biotecnología El proceso se limita a la profundidad de penetración de las raíces o aguas poco profundas. Los tiempos del proceso pueden ser muy prolongados. La biodisponibilidad de los compuestos o metales es un factor limitante de la captación. Las plantas pueden incorporar las sustancias contaminantes mediante distintos procesos que se representan en la siguiente ilustración y se explican en la tabla que continúa: Figura 11. Tipos de TIPO FItoextracción Rizofiltración fitorremediación. PROCESO INVOLUCRADO CONTAMINACIÓN TRATADA Las plantas se usan para concentrar metales Cadmio, Cobalto, Cromo, Níquel, en las partes cosechables (hojas y raíces). Mercurio, Plomo, Selenio, Zinc. Las raíces de las plantas se usan para Cadmio, Cobalto, Cromo, Níquel, absorber, precipitar y concentrar metales Mercurio, Plomo, Selenio, Zinc, pesados a partir de efluentes líquidos Isótopos radiactivos, compuestos contaminados y degradar compuestos fenólicos. orgánicos. Fitoestabilización Las plantas tolerantes a metales se usan para Lagunas de desechos de reducir la movilidad de los mismos y evitar el yacimientos mineros. Propuesto 37 Guía 2014 - Biotecnología pasaje a napas subterráneas o al aire. para fenólicos y compuestos clorados. Fitoestimulación Se usan los exudados radiculares para Hidrocarburos derivados del promover el desarrollo de microorganismos petróleo y poliaromáticos, degradativos (bacterias y hongos). benceno, tolueno, atrazina, etc. Fitovolatilización Las plantas captan y modifican metales Mercurio, Selenio y solventes pesados o compuestos orgánicos y los clorados (tetraclorometano y liberan a la atmosfera con la transpiración. triclorometano). Fitodegradación Las plantas acuáticas y terrestres captan, Municiones (TNT, DNT, RDX, almacenan y degradan compuestos nitrobenceno, nitrotolueno), orgánicos para dar subproductos menos atrazina, solventes clorados, DDT, tóxicos o no tóxicos. pesticidas fosfatados, fenoles y nitrilos, etc. Actividad Nº17 - Investigar la capacidad de biorremediación de diversas plantas Materiales Tubos de ensayo Azul de metileno (colorante) Agua (igual cantidad en todos los Azolla, Lemna y Salvinia rotundifolia tubos) (Plantas) Procedimiento 1. Cada grupo recibirá una especie diferente de planta para realizar el experimento 2. Siguiendo la información de la tabla (abajo) prepara los tubos para el experimento 38 Guía 2014 - Biotecnología N˚de Cantidad de gotas de Azul de metileno Azolla, Lemna o Salvinia rotundifolia tubo (colorante) que debes agregar (segun el grupo) 1 1 Si 2 1 Control (no agregar plantas) 3 2 Si 4 2 Control 5 3 Si 6 3 Control 7 4 Si 8 4 Control 3. Evalúa los resultados luego de una semana _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 4. Esquematizá claramente los resultados obtenidos Respondé 39 Guía 2014 - Biotecnología 1. ¿Qué podés observar al cabo de una semana? (Observá también los tubos de los demás grupos) _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 2. ¿Qué planta bioacumula más pigmento? _________________________________________________________________________________ 3. ¿En qué parte/s de la planta se acumula más pigmento? _________________________________________________________________________________ 4. ¿Cuál creés que es el objetivo de armar tubos Control (con colorante pero sin plantas)? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 5. ¿Qué uso/s se le podría dar a la Fitorremediacion y con qué objetivo? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ Limpiando la ropa con enzimas Los procesos biotecnológicos que hemos descripto anteriormente como la obtención de alcohol, la producción de cerveza o la fermentación de la uva para fabricar vino, son realizados por las enzimas que sintetiza cada microorganismo y que emplea para realizar su propio metabolismo. Estas enzimas, ¿pueden funcionar separadas del microorganismo al que pertenecen? Los biotecnólogos pudieron purificar las enzimas separadas del microorganismo y ellas pueden realizar muy bien su trabajo. Como dijimos, la mayoría de las enzimas provienen de bacterias y hongos. Estas enzimas son en su mayoría extracelulares, es decir que los microorganismos las liberan al medio de cultivo cuando metaboliza y el hombre las purifica a partir de allí. En el mercado las más utilizadas son: proteasas, descomponen proteínas. amilasas, descomponen almidón durante la producción de cerveza y elaboración de jarabes que se usan como aditivos para medicamentos y alimentos. 40 Guía 2014 - Biotecnología celulasas, estas degradan la celulosa que se encuentra en las fibras vegetales y se utiliza en la industria textil y la del papel. lipasas, desarman lípidos y junto con las proteasas se utilizan en detergentes y jabones en polvo para eliminar las manchas de la ropa. Para que veas que la biotecnología y las enzimas no están tan lejos de tu vida cotidiana los jeans “gastados” fueron previamente tratados con enzimas (proteasas y celulasas) para que rompan parte de las fibras de la tela. Antes de introducirnos en el tema de las enzimas y el jabón es importante que sepamos: ¿Por qué limpia el jabón? Un jabón es una sal alcalina (generalmente de sodio o potasio). Posee dos partes, la cola que es lipofílica (afín a las sustancias grasas) y repele el agua (hidrófoba), y la cabeza que es hidrófila (afín al agua). La acción limpiadora del jabón reside en la facultad que tiene la cola hidrocarbonada de la molécula de jabón de disolver las gotitas de grasa insolubles en agua. Las moléculas de jabón rodean a la suciedad hasta incluirla en una envoltura denominada micela, la parte apolar (hidrófoba) de la molécula de jabón se disuelve en la gotita de grasa mientras que los grupos polares, se orientan hacia la capa de agua que los rodea. La repulsión entre cargas iguales evita que las gotas de grasa se unan de nuevo. Se forma así una emulsión que se puede separar de la superficie que se está lavando. El comienzo de los detergentes enzimáticos y su producción En 1913 un alemán llamado Otto Roohm observó que una enzima extraída del páncreas de animales era capaz de digerir proteínas y que podía optimizar el proceso de lavado de ropa. Fue entonces que fabricó el primer jabón enzimático de pre-lavado, un producto revolucionario que fue comercializado en Alemania. Una pequeña dosis podía ser agregada a 10 litros de agua para remover manchas de la ropa. Recién a mediados del siglo XX comenzó la producción masiva de enzimas provenientes de bacterias en fermentadores, que fueron aplicadas en los detergentes enzimáticos. Hoy día, es familiar el uso de polvos o líquidos detergentes con enzimas. Estos detergentes han encontrado un amplio rango de aplicaciones en el lavado de ropa y vajilla y en la industria textil, entre otras. Las enzimas usadas en la industria son manufacturadas a gran escala a través de la 41 Guía 2014 - Biotecnología fermentación producida por bacterias u hongos comunes. Esto se ha visto favorecido en las últimas décadas por el rápido avance de la enzimología y la tecnología de fermentación. ¿Cuál es la importancia del uso de enzimas en los detergentes? Desde los años 60 el uso de enzimas se masificó, y en la actualidad es común encontrar enzimas en la formulación de los detergentes. Las enzimas optimizan la eficiencia de los detergentes, a la vez que permiten el trabajo de limpieza a bajas temperaturas y períodos más cortos de lavado, reduciendo significativamente el consumo de energía y las emisiones de CO2. Otro beneficio ambiental asociado al uso de enzimas en los detergentes es que estas son biodegradables y reemplazan a los químicos constituyentes de los detergentes sintéticos que se vienen liberando al ambiente desde hace muchos años. Las enzimas usadas en los detergentes de lavado de ropa actúan sobre los materiales que constituyen las manchas, facilitando la remoción de estos materiales de forma más efectiva que los detergentes convencionales. Una molécula de enzima puede actuar sobre muchas moléculas de sustrato (leche, sangre, barro), por lo cual una cantidad pequeña de enzima agregada a un detergente de lavado proporciona un beneficio grande en la limpieza Estas enzimas se nombran según los materiales que pueden degradar: Enzimas Materiales que degradan Proteasas Aceleran la degradación de proteínas y producen pequeños péptidos o aminoácidos individuales los cuales pueden ser fácilmente solubilizados y removidos de los tejidos Amilasas Aceleran la degradación de los residuos de almidón de alimentos como papa, chocolate, etc. Lipasas Celulasas Deben mezclarse con los lípidos para romperlos por hidrólisis Aceleran la degradación de pequeñas fibras que endurecen la ropa y opacan los colores sin afectar las fibras principales de la ropa, mejorando así la suavidad y los colores de la misma. 42 Guía 2014 - Biotecnología Actividad Nº18 - La acción de las enzimas en detergentes para la ropa Las proteasas son enzimas que aceleran la degradación de proteínas. Muchos fabricantes de detergentes para lavadoras de ropa las agregan a las formulaciones para remover manchas derivadas de proteínas como huevo, sangre, etc. Muchas de estas proteasas son derivadas de cepas bacterianas de Bacillus sp. Las proteasas bacterianas son extremadamente estables a pH alcalino, largos períodos de almacenamiento y temperaturas variables. Estas bacterias también han sido modificadas por ingeniería genética para aumentar la capacidad de las proteasas que ellas producen, ante la presencia de blanqueadores que de otro modo podrían afectarlas. La gelatina está compuesta por cadenas proteicas que son fácilmente degradadas en sus aminoácidos componentes. Se prepara del colágeno, una proteína presente en tendones y piel de animales. Materiales Frasco o vaso de precipitado de 250 ml. Marcadores 2 tubos o frascos de 100 ml. Detergentes para lavarropas 1 sobre de gelatina con azúcar Agua Precaución! Los detergentes para lavar ropa son extremadamente básicos. No aspirarlos porque pueden causar daños en las vías respiratorias. Procedimiento 1. Preparar la gelatina: por cada 50 ml de agua, usar 18 g de gelatina. 2. Llenar dos tubos o vasos de precipitado graduado con 10 ml de la solución de gelatina cada uno (tubo 1 y tubo 2) y colocarlos en heladera hasta que solidifique. 3. Sacar los tubos de la heladera. La gelatina debe estar sólida. 4. Marcar sobre el vidrio de cada tubo con el marcador la altura de la gelatina sólida. Preparar una jarra con la solución de detergente (10ml de detergente en 90ml agua = 10%). 5. En el tubo 1 agregar 30 gotas de la solución enzimática sobre la gelatina sólida. 6. En el tubo 2 agregar 30 gotas de agua sobre la gelatina sólida. 7. Dejar reposar durante la noche y chequear ambos tubos a las 24 horas. Marcar la posición de la gelatina sólida. 43 Guía 2014 - Biotecnología 8. Chequear nuevamente a las 48 horas, y marcar la altura de la gelatina sólida. Respondé: 1. ¿Cuál es el principal componente de la gelatina? ________________________________________________________________________________ 2. ¿Qué sucede cuando la solución enzimática entra en contacto con la solución de gelatina? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ 3. ¿Qué cambio se observa en la gelatina sólida? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ 4. ¿Qué se utiliza como control en este experimento? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Actividad Nº19 - ¿Proteasas de krill para detergente? A continuación se presenta un artículo sobre un proyecto de investigación a realizarse en Chile. Se sugiere analizar el texto y responder el cuestionario. “El uso de enzimas a bajas temperaturas posee un gran potencial, tanto en las formulaciones de detergentes (proteasas y lipasas), como en la industria de alimentos, salud, etc, fundamentalmente por el ahorro de energía. El krill antártico es extraordinariamente interesante como fuente de enzimas de propiedades únicas, específicamente de proteasas y lipasas que son altamente activas a bajas temperaturas. En este proyecto diseñado por investigadores chilenos se utilizarán conocimientos de avanzada de biotecnología, bioquímica y química que permitan la caracterización y purificación de proteínas; como así también conocimientos de ingeniería de proteínas para investigar, caracterizar, y mejorar la producción de proteasas y lipasas criofílicas (de acción a bajas temperaturas) de krill antártico para ser utilizadas en la formulación de detergentes y en la industria de alimentos. Los investigadores participarán activamente en el clonado de las enzimas óptimas, tanto para la caracterización fina de las proteínas como para presentar alternativas de aplicación industrial viables y de bajo costo en caso que las enzimas de interés se encuentren en el extracto de krill en concentraciones relativamente bajas o si por condiciones impredecibles la captura del krill se hiciera 44 Guía 2014 - Biotecnología difícil. Se realizará un estudio detallado de la proteasas de krill que incluye la secuenciación de las mismas y posteriormente mediante ingeniería de proteínas se intentará mejorar las propiedades, por ejemplo para obtener proteasas que funcionen eficientemente a bajas temperaturas. Por otro lado se hará un estudio detallado de todas las lipasas presentes en extractos de krill, con alta actividad a baja temperatura, su caracterización y estabilidad en presencia de los diferentes componentes de los detergentes y la separación y purificación de las enzimas. Las proteasas y lipasas serán caracterizadas en detalle y aquellas con mayor potencial industrial para la formulación de detergentes serán seleccionadas”. Respondé: 1) ¿Cuál es el objetivo del proyecto? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 2) ¿Qué beneficio trae el uso de enzimas a bajas temperaturas según el texto? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 3) ¿Qué otros beneficios representa para el lavado de ropa? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 4) ¿Qué función cumplen las proteasas y las lipasas en el lavado de ropa? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 5) Investigar qué es el Krill y dónde habita. A partir de lo investigado deducir por qué el Krill es fuente de enzimas criofílicas. _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ 45 Guía 2014 - Biotecnología _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ Historia de la biotecnología En link que figura más abajo pueden ver una línea de tiempo de la biotecnología: http://www.centrobiotecnologia.cl/pop-up/pop-up.html 46 Guía 2014 - Biotecnología Guía para la confección de informes CURSO: ............ GRUPO Nº: .......... INTEGRANTES:................................ ................................. ................................. ................................. INFORME DEL TRABAJO PRACTICO Nº .... TITULO: .................................................................................................. OBJETIVOS:.............................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. RESULTADOS OBTENIDOS: (se pueden utilizar tablas y/o gráficos que expresen los resultados en forma concreta, sin detalles de los métodos utilizados que figuran en la guía de TP) …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… CONCLUSIONES: (comenten brevemente las conclusiones obtenidas a partir del análisis de los resultados) …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… 47 Guía 2014 - Biotecnología Guía teórica Este apunte fue realizado con material extraído de los libros: -Biotecnología y alimentos -Biotecnología y medio ambiente -Biotecnología y salud Editados por la sociedad Española de Biotecnología (SeBiot) -Biotecnología. De Maria Muños de Malajovich, Universidad de Quilmes. -Programa Educativo Por que Biotecnologia de ArgenBio – el Consejo Argentino para la Información y el Desarrollo de la Biotecnología. ¿Qué es la Biotecnología? Para muchos de nosotros el término “biotecnología” puede parecer ajeno aún cuando el ser humano ha utilizado esta ciencia desde hace miles de años. Esta actividad se define en términos generales como el uso de seres vivos, sus procesos o sus partes para la obtención de bienes y/o servicios, y ofrece soluciones reales a los grandes retos a los que nos enfrentamos en la actualidad, tanto en el sector salud como en el agropecuario. Existen muchas definiciones sobre lo que es la biotecnología. Una es la propuesta de la OTA (que es la oficina de evaluación tecnológica) que dice que la biotecnología incluye a cualquier técnica que utiliza organismos vivos (o partes de ellos) para obtener o modificar productos, mejorar plantas y animales, o desarrollar microorganismos para usos específicos, como productos comerciales o servicios. Otra definición importante y que quizás muchos pensamos, fue la propuesta por la organización de la industria biotecnológica, que propuso que la biotecnología es “bio”+“tecnología”, es decir, el uso de procesos biológicos para resolver problemas o hacer productos útiles. 48 Guía 2014 - Biotecnología ¿Cómo "funciona" la biotecnología? En la actualidad, los científicos que investigan en biotecnología estudian y trabajan sobre el material genético, o ADN, de los organismos. Más precisamente, trabajan con los genes de los seres vivos. Los genes se encuentran en todas las células de todos los seres vivos, y serían como las "recetas" que hacen que un organismo sea cómo es. Más precisamente, los genes son fragmentos del ADN, y tienen la información que determina las características y funciones del organismo. Por ejemplo, hay genes que determinan el color de ojos, la forma de las alas, el color de las flores, el tamaño de los frutos, el crecimiento del individuo, la tolerancia al frío o al calor, los mecanismos de defensa, y mucho más. ¿Qué puede hacer un investigador con estos genes? Por ejemplo, pasar un gen de un individuo al otro. ¿Para qué haría esto? Si un organismo tiene una característica que es beneficiosa y otro organismo diferente no la tiene, se puede pasar esa característica de uno al otro y así mejorarlo. En realidad, lo que se transfiere de un organismo al otro es el gen que tiene la información para que ese producto beneficioso se fabrique en el organismo receptor. Al organismo "transformado" se lo llama transgénico o recombinante (porque combina material genético de otro organismo). Por ejemplo, se puede insertar un gen específico en una planta que la ayude a adaptarse a las condiciones del ambiente, o hacerla más resistente a una peste, o hacer que sea más nutritiva. La planta así transformada se dice que es transgénica o también se la llama OGM, siglas de "organismo genéticamente modificado". ¿Qué organismos se utilizan en biotecnología? Como la definición lo indica, se pueden utilizar cualquier ser vivo o parte de ellos, esto incluye a los seres complejos como animales y plantas (también 49 Guía 2014 - Biotecnología sus células), así como seres microscópicos como hongos, bacterias, algas y virus. ¿Por qué se prefieren los microorganismos para el uso en biotecnología? Para muchos procesos se prefieren microorganismos, esto se debe a que: Son de muy pequeño tamaño: esto permite que se puedan producir en espacios reducidos. Se reproducen rápidamente: podemos tener gran cantidad de microorganismos en poco tiempo. Por ejemplo, algunas bacterias se dividen cada 20 minutos. Colonizan muchos ambientes: esto quiere decir que pueden crecer en diversos lugares, algunos inclusive crecen en ambientes extremos, como en el fondo del mar, en zonas volcánicas o en zonas de muy baja temperatura. Poseen rutas metabólicas muy variadas: esto indica que distintos microorganismos pueden alimentarse de una gran variedad de sustancias y eliminar otras, permitiendo que al elegir el microorganismo y la sustancia utilizada, se puedan obtener una gran diversidad de productos. Su material genético puede ser estudiado y modificado fácilmente, lo que permitiría la obtención de organismos genéticamente modificados (OGM). El medio de cultivo está disponible en grandes cantidades y es barato. Los microorganismos que se utilizan no son patógenos, o sea no causan enfermedad al hombre. ¿En qué puede ayudar la biotecnología? Aunque la mayoría de la gente no lo sabe, hay muchos productos biotecnológicos que ya están disponibles, y muchos más que están en investigación. En general, se puede decir que la biotecnología en la actualidad se emplea para: 1) Mejorar el crecimiento de cultivos que se usan como alimentos; 2) Contribuir al cuidado y limpieza del medio ambiente; 3) Producir alimentos más nutritivos que contribuyen con la salud; 4) Obtener nuevos medicamentos y vacunas; 5) Fabricar productos para diferentes industrias. 50 Guía 2014 - Biotecnología ¿En qué áreas se aplica la biotecnología? La biotecnología tiene aplicaciones en importantes áreas industriales como lo son la atención de la salud, con el desarrollo de productos y ensayos para el tratamiento de enfermedades; la agricultura con el desarrollo de cultivos y alimentos mejorados; usos no alimentarios de los cultivos, como por ejemplo plásticos biodegradables, aceites vegetales y biocombustibles; y cuidado medioambiental a través de la biorremediación, como el reciclaje, el tratamiento de residuos y la limpieza de sitios contaminados por actividades industriales. Biotecnología de alimentos ¿Qué es la biotecnología de alimentos? Es un conjunto de técnicas o procesos que emplean organismos vivos o sustancias que provengan de ellos para producir o modificar un alimento, mejorar las plantas o animales de los que provienen los alimentos, o desarrollar microorganismos que intervengan en los procesos de elaboración de los mismos. La inmensa mayoría de los alimentos que comemos sufren diversas transformaciones biotecnológicas para obtener el producto que llegará al mercado. Los animales y las plantas de los que provienen estos alimentos han sido modificados por el hombre en múltiples aspectos para adecuarlos a las necesidades de producción, para mejorar sus propiedades nutritivas, o para cambiar sus cualidades sensoriales (olor, sabor, forma, color, textura, etc.). 51 Guía 2014 - Biotecnología ¿Cuándo se originó la biotecnología de alimentos? La biotecnología de alimentos existe desde unos 14000 años, cuando el hombre abandonó sus hábitos nómadas, se hizo sedentario y empezó a utilizar la agricultura y la ganadería para producir alimentos. Los primeros agricultores en el Oriente cultivaron trigo, cebada y posiblemente centeno. Las cabras y ovejas les proporcionaban leche, queso, mantequilla y carne. Los sumerios, hace unos 7000 años, ya utilizaban una biotecnología algo más desarrollada y producían alimentos fermentados como vino, cerveza, pan, yogur o queso. Rápidamente surgió la necesidad de conservar los alimentos para poder consumirlos en los momentos de escasez, desarrollándose tecnologías de conservación como el uso de la sal, el frío, el secado, el ahumado o la fermentación. La obtención de alimentos a partir de plantas, animales o microorganismos se ha llevado a cabo de manera espontánea mediante procesos que podrían denominarse de biotecnología tradicional. La consecuencia de todo esto es que no existe en la práctica ningún alimento que pueda denominarse natural en un sentido estricto, ya que, con excepción de unos pocos animales que se cazan en libertad, o algunas plantas o frutos que se recolectan espontáneamente, casi todos los animales y plantas destinados a alimentación, así como los microorganismos que intervienen en los procesos de fabricación, han sufrido un proceso de selección artificial y mejora por parte del hombre. Mediante métodos tradicionales, se han transferido una amplia colección de características genéticas entre los organismos, durante muchas generaciones, originando una gran variedad de plantas y animales, en los que se ha mejorado la producción, la apariencia o sus propiedades alimenticias. De igual manera, en los alimentos fermentados se han seleccionado empíricamente los microorganismos que mejor realizan dicha fermentación. ¿Qué son los nuevos alimentos? Entran en esta categoría todos los que consistan, contengan o se hayan obtenido a partir de organismos modificados genéticamente (OGM); los que siendo habituales en otras culturas se incorporan en calidad de alimentos exóticos a nuestra dieta; o los que usen procesos de producción no utilizados normalmente. Aunque se hace énfasis, al hablar de nuevos 52 Guía 2014 - Biotecnología alimentos, a los que contienen organismos modificados genéticamente, no hay que olvidar que un alimento puede ser nuevo en virtud de la manera en que se ha procesado (por ejemplo, la esterilización por pulsos eléctricos) a pesar de fabricarse a partir de productos tradicionales. Los cambios en el estilo de vida debidos a factores sociales y culturales, unidos a los avances en investigación a nivel nutricional, así como de los procesos tecnológicos, han llevado a desarrollos de nuevos productos con valor añadido, cada vez más demandados por el consumidor. Estos productos surgen, no sólo con el objetivo de aportar propiedades nutricionales específicas, sino también con el fin de mejorar el estado de salud y bienestar sin perder las cualidades sensoriales. ¿Qué son los alimentos funcionales? Un alimento puede ser considerado funcional si se ha demostrado de forma satisfactoria que posee un efecto beneficioso sobre una o varias funciones específicas en el organismo, más allá de los efectos nutricionales habituales, siendo esto relevante para la mejora de la salud y el bienestar o la reducción del riesgo a contraer una enfermedad. Es importante tener en cuenta que debe seguir siendo un alimento además de ejercer su efecto beneficioso con las cantidades que normalmente son consumidas en la dieta. A veces a estos alimentos funcionales se les denomina también nutracéuticos por entender que cumplen una doble función nutritiva y farmacéutica. ¿Qué son los alimentos probióticos? Son alimentos que contienen microorganismos vivos que, al ser ingeridos en cantidades suficientes, ejercen algún efecto beneficioso sobre la salud más allá de sus propiedades nutricionales. Los grupos bacterianos más utilizados como probióticos son los lactobacilos y las bifidobacterias, que se administran en alimentos fermentados como el yogur y otros productos lácteos fermentados, vegetales fermentados, o incluso en derivados cárnicos. Algunos de los efectos beneficiosos sobre la salud que se les atribuyen son: mejorar la respuesta inmunitaria, aumentar el equilibrio de la microbiota intestinal (evitar diarreas y estreñimiento), reducir las enzimas fecales implicadas en los 53 Guía 2014 - Biotecnología procesos de iniciación del cáncer, ayudar en la terapia con antibióticos, reducir el colesterol, aumentar la resistencia a la gastroenteritis, proteger contra microorganismos patógenos que pueden contaminar algunos alimentos, y reducir los síntomas de la mala absorción de la lactosa. ¿Qué son los alimentos prebióticos? Son alimentos prebióticos los que contienen ingredientes no digeribles de la dieta, que benefician al consumidor por estimular el crecimiento o la actividad microbiana intestinal. En esta categoría se encuentran, por ejemplo, la fibra, los fructooligosacáridos, la inulina, y la lactulosa. Estas moléculas pueden formar parte de la propia composición de los alimentos o añadirse a los mismos. Los prebióticos mejor caracterizados son los hidratos de carbono similares a la inulina y se usan en la industria alimentaria como sustitutos de azúcares y grasas, aportan textura, estabilizan la formación de espuma, mejoran las cualidades sensoriales (organolépticas) de los productos lácteos fermentados, mermeladas, galletas, pan y leche para lactantes. La estructura molecular de la inulina resiste a la digestión en la parte superior del intestino, lo que evita su absorción y le permite continuar su recorrido intestinal hasta que llega al colon, donde se convierte en alimento para las bacterias allí presentes. Es interesante saber que se está planteando la utilización de ciertos probióticos y prebióticos en las fórmulas infantiles en un intento de modificar la colonización bacteriana del intestino del recién nacido y así contribuir a prevenir las enfermedades infecciosas intestinales. Se denominan alimentos simbióticos a los que combinan alimentos probióticos y prebióticos. ¿En qué se diferencian los distintos tipos de yogures y leches fermentadas? Las leches fermentadas se producen por la acción de microorganismos específicos que generan una mayor acidez (reducción del pH), por la formación de ácido láctico, y la coagulación de las proteínas de la leche. Estos microorganismos específicos deben estar vivos, ser activos y abundantes en el producto final, en el momento de la venta para su consumo. Existen dos grandes grupos de leches fermentadas: ácidas y ácido-alcohólicas. Entre las primeras se encuentra el yogur, elaborado exclusivamente mediante la acción de las bacterias 54 Guía 2014 - Biotecnología Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus y Streptococcus thermophilus. En el mercado podemos encontrar distintos tipos de yogur, según el contenido graso, la consistencia, el aroma y el sabor que presentan, la adición de frutas, de cereales, o la adición de azúcar u otros edulcorantes. Actualmente se obtienen otras leches fermentadas con otras especies bacterianas, destacando bifidobacterias y lactobacilos acidófilos, que actúan como probióticos y pueden tener repercusiones digestivas e inmunitarias positivas. Las leches fermentadas ácido-alcohólicas, de menor consumo, se elaboran a partir de microorganismos que conducen a la formación, además de ácido láctico, de alcohol etílico y de dióxido de carbono (CO2). El representante más conocido de este tipo de leches fermentadas es el Kefir (Cáucaso), aunque hay otros como el Kumis (Rusia), o el Fuli (Finlandia). ¿Hongos en el pan? Desde el año 2300 a.c., cuando los egipcios descubrieron de forma casual el proceso de la fermentación, existe evidencia de que utilizó levaduras en la fabricación del pan. La especie de levadura más utilizada para la fermentación del pan normal es Saccharomyces cerevisiae, aunque se utilizan también otros microorganismos para influir sobre el aroma y sabor. El proceso que ocurre es una fermentación alcohólica. Utilizando los componentes de la harina, la levadura fermenta expulsando al medio dióxido de carbono y alcohol. El alcohol obtenido se evapora en el momento del horneado del pan, y el dióxido de carbono desprendido de dicha fermentación, en vez de convertirse en burbujas como en el champán o en la cerveza, es el responsable de los agujeritos y aspecto esponjoso de la miga del pan. ¿Comemos genes cuando ingerimos alimentos? La mayoría de los alimentos que ingerimos proceden de los seres vivos (animal, vegetal o microorganismo), y dado que todos los seres vivos contienen genes se puede afirmar que comemos una gran cantidad de genes. El ADN (los genes) es un componente importante de nuestra nutrición. No obstante, no siempre ingerimos genes con todos los alimentos. Por ejemplo, la leche es un fluido animal que no contiene células cuando procede de un animal sano y por eso si no se contamina con microorganismos la leche estará libre de genes. Por otro lado, cuando los alimentos son sometidos a tratamientos tecnológicos muy intensos que incluyan procesos de extracción, horneado, destilación, tratamientos enzimáticos, etc., los genes se 55 Guía 2014 - Biotecnología pueden eliminar o pueden sufrir una degradación muy elevada, por lo que quedan ausentes de ellos. Este es el caso, entre otros, de los aceites vegetales muy refinados o de las bebidas alcohólicas sometidas a destilación. ¿Comemos alguna vez organismos vivos? En numerosas ocasiones comemos organismos vivos. No sólo comemos microorganismos que puedan estar incluidos en grandes cantidades en alimentos fermentados (yogur), sino también otros seres vivos macroscópicos como los vegetales (frutas, verduras, etc.) que una vez recolectados siguen siendo materia viva sujeta a cambios, aunque de una forma distinta que cuando se encontraban en el árbol o en el campo, a no ser que se inactiven por procesos de conservación o estabilización. Ni qué decir de las ostras y otros animales que según las diferentes culturas y tradiciones se ingieren vivos. ¿Es malo comer microorganismos? Depende de su naturaleza y de su cantidad. Es bien sabido que algunos alimentos pueden contener microorganismos patógenos que ingeridos en suficiente cantidad desencadenan una enfermedad, como sucede con los alimentos contaminados con la bacteria Salmonella. Sin embargo, un número importante de alimentos denominados fermentados como por ejemplo el yogurt, el queso, o el chorizo, contienen microorganismos (bacterias, levaduras, hongos) cuya ingesta no sólo no comporta daño para la salud del consumidor sino que confieren propiedades nutricionales y sensoriales. Más aún, como ya se ha comentado existen microorganismos denominados probióticos, como ciertos lactobacilos y bifidobacterias, que introducidos en la dieta e ingeridos en cantidad suficiente ejercen un efecto positivo en la salud, más allá de los efectos nutricionales tradicionales. De todas formas es difícil pensar que alguien que tuviese una dieta compuesta mayoritariamente por microorganismos sobreviviese mucho tiempo, ya que su composición es incompleta para los requerimientos nutricionales humanos. 56 Guía 2014 - Biotecnología ¿Qué diferencias existen entre la producción de alimentos por biotecnología tradicional o por biotecnología moderna? Los alimentos producidos por estas dos tecnologías tan sólo se diferencian en la técnica genética utilizada para mejorar los organismos utilizados en la elaboración del alimento. Tradicionalmente, para la mejora genética de las especies se usó la variación genética natural o la generada mediante mutagénesis, y aplicando dos técnicas genéticas: el cruzamiento y la selección de individuos con los caracteres de interés en las siguientes generaciones. Recientemente, a estas dos técnicas se les ha añadido la mejora mediante Ingeniería Genética, que permite trabajar con genes aislados de una forma más controlada, lo que supone grandes ventajas frente a la situación tradicional en la que se manejaban los genomas completos (miles de genes) de manera poco controlada. Ahora se puede controlar y conocer mejor la modificación genética introducida y se pueden obtener resultados más rápidamente. Pero aun más, con la Ingeniería Genética se pueden realizar mejoras que antes no eran factibles, ya que ahora es posible saltar la barrera de la especie, y así, por ejemplo, los genes útiles de una fresa se pueden trasladar a una papa, lo que antes era imposible ya que obviamente no se podía cruzar una fresa con una papa. ¿Qué son los alimentos transgénicos? Los alimentos transgénicos son aquellos que han sido elaborados a partir de un organismo genéticamente modificado (OGM) (animales, vegetales, o microorganismos) o los que contienen algún ingrediente que proviene de alguno de estos OGMs, incluyendo los aditivos. Se consideran OGMs a los organismos modificados mediante técnicas de Ingeniería Genética (también llamadas técnicas de ADN recombinante). Es decir, los OGMs son organismos a los que mediante Ingeniería Genética se les ha incorporado en su genoma nuevos genes procedentes de otros organismos o se han modificado los genes propios. En general, un OGM posee una combinación nueva de material genético que le confiere nuevas propiedades (resistencia a 57 Guía 2014 - Biotecnología plagas, resistencia a herbicidas, producción de sustancias de interés nutricional, organoléptico o farmacológico). Esto implica que se ha modificado el material genético del animal o planta del cual proviene el alimento o alguno de los ingredientes que contiene, o bien que se ha modificado el material genético de alguno de los microorganismos implicados en el proceso de elaboración del alimento. Si se acepta esta definición, se puede afirmar que los alimentos transgénicos se encuentran en las estanterías de los supermercados desde hace bastante tiempo, ya que es práctica habitual desde hace más de 10 años el empleo de aditivos producidos industrialmente por microorganismos transgénicos en la fabricación de múltiples alimentos. ¿Puede la biotecnología ayudar a prevenir las intoxicaciones alimentarias? La biotecnología puede ayudar a prevenir las intoxicaciones alimentarias de distintas maneras. Una de ellas es desarrollando sistemas de diagnóstico que sean rápidos, sensibles y que permitan detectar los organismos patógenos o los compuestos tóxicos antes de ingerirlos. Por otro lado, se están desarrollando microorganismos protectores que eviten la presencia de organismos patógenos. Por ejemplo, para obtener derivados lácteos y productos cárnicos curados o encurtidos, se están diseñando bacterias ácido-lácticas que producen además del ácido láctico otras sustancias activas (bacteriocinas) contra bacterias patógenas como Listeria, Campylobacter o Salmonella, pero que son inocuas para el hombre o los animales. De esta forma la bacteria ácido-láctica al mismo tiempo que fermenta y produce el alimento mata al microorganismo patógeno. ¿Pueden los nuevos alimentos mejorar la salud de las personas que padecen intolerancia a determinados alimentos? En principio, es posible desarrollar nuevos alimentos que eliminen los problemas de intolerancia causados por algunos alimentos tradicionales. Esto se puede realizar bloqueando los compuestos que causan la intolerancia, eliminándolos o sustituyéndolos por otros. Por ejemplo, mediante el uso de las enzimas denominadas lactasas se puede hidrolizar la lactosa de la leche, de modo que la leche así tratada pueda ser consumida por las personas intolerantes a la lactosa. Estudios 58 Guía 2014 - Biotecnología recientes indican que la utilización de determinadas bacterias probióticas en la elaboración de nuevos alimentos puede modular la respuesta inmune en personas alérgicas a alimentos. También las técnicas de Ingeniería Genética permiten reducir los niveles de una sustancia alérgica (alergeno) en alimentos modificados genéticamente. Por ejemplo, en el caso del arroz se ha conseguido reducir la producción de una proteína causante de la alergia. Del mismo modo, la sustitución de un gen por otro similar puede ser utilizada para reemplazar totalmente una proteína alergénica por otra inocua. ¿Pueden los nuevos alimentos contribuir a mejorar la salud en los países menos desarrollados? La implantación de los nuevos alimentos en los países menos desarrollados puede contribuir a remediar, en parte, las carencias nutricionales de sus habitantes y a mejorar su salud. Esta contribución es más efectiva si la producción en más barata. Una nutrición insuficiente, debido a que se ingieren alimentos no muy variados y en pocas cantidades, puede corregirse mediante el desarrollo de cultivos más productivos (resistentes a plagas, sequía, salinidad) o de nuevas plantas que incorporen nutrientes deficitarios en la dieta de la población (vitaminas). Así, la manipulación genética de semillas de arroz ha permitido la síntesis en este cereal de importantes cantidades de provitamina A. Este arroz denominado "arroz dorado" presenta extraordinario interés para diversas zonas de Asia, donde el arroz es la base de la alimentación y existe una carencia habitual de vitamina A en la dieta, lo que causa una elevada incidencia de la ceguera en estas poblaciones. Otro ejemplo lo constituyen las papas transgénicas con ingredientes que tienen propiedades que vacunan contra el cólera (vacunas comestibles). Hay otros nuevos alimentos como son los denominados funcionales porque todavía son de elevado costo y su aplicación está dirigida a la prevención o la contribución a la curación de enfermedades metabólicas muy concretas y que no son de aplicación general. Se desarrollaron alimentos en los que se han aplicado métodos de conservación que consiguen un menor deterioro de su calidad nutricional pero cuyo coste de obtención es elevado. Un ejemplo de productos de buena calidad nutritiva y bajo costo son los reemplazantes de la carne obtenidos a partir de proteínas vegetales, más baratas que las cárnicas. 59 Guía 2014 - Biotecnología SALUD ¿Qué es un gen? En términos de su estructura, un gen es un fragmento de una larga molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico) que almacena información para fabricar una determinada proteína. Esta proteína es la que a su vez determina el carácter correspondiente del organismo, como por ejemplo el color de la piel, la presencia de semilla o la resistencia a una enfermedad. Los genes se organizan en largas moléculas de ADN que se denominan cromosomas y se encuentran en todas las células de un organismo vivo, desde las bacterias hasta el hombre. El conjunto de todos los cromosomas de una célula se denomina genoma. Este genoma contiene toda la información requerida para la construcción y supervivencia de un organismo. Si se comparase con una enciclopedia, cada gen sería equivalente a un capítulo de esta enciclopedia y cada cromosoma sería un volumen de la misma, formado por la sucesión de capítulos. Por tanto, esta enciclopedia contiene la esencia de cada individuo. Siguiendo con este ejemplo, se estima que la enciclopedia de una planta puede contener alrededor de 25000 capítulos (genes) mientras que la enciclopedia humana contendría alrededor de 50000. El origen común de todos los seres vivos se refleja en el hecho de que todas las enciclopedias de todas las especies están escritas con los mismos símbolos y en el mismo lenguaje, que se ha denominado código genético. ¿Qué es la ingeniería genética? Es un conjunto de técnicas que permiten alterar las características de un organismo mediante la modificación dirigida y controlada de su enciclopedia genética (genoma), añadiendo, eliminando o modificando alguno de sus capítulos (genes). Así, la ingeniería genética permite eliminar una característica indeseable de un organismo (por ejemplo, la producción de una toxina) borrando el capítulo (gen) correspondiente de la enciclopedia de ese organismo. Igualmente permite introducir una nueva característica en una especie (por ejemplo, la resistencia a un insecto) copiando el capítulo (gen) correspondiente de otra especie resistente a ese insecto e introduciéndolo en la enciclopedia de la especie susceptible. Gracias a la universalidad del código genético, la ingeniería genética puede utilizar la información existente en todos los seres 60 Guía 2014 - Biotecnología vivos. El intercambio de información genética entre distintos seres vivos no es una invención humana y ocurre con cierta frecuencia entre microorganismos (por ejemplo bacterias) en la naturaleza. De hecho, la ingeniería genética explota en parte algunos de los mismos mecanismos que operan normalmente en la naturaleza. ¿Qué es un organismo modificado genéticamente? Un organismo está modificado genéticamente cuando su genoma ha sido alterado mediante técnicas de Ingeniería Genética y puede transmitir esta modificación a la progenie. Cuando la modificación se ha producido mediante la incorporación a su genoma de un fragmento de DNA que procede de otra especie se dice que el organismo modificado genéticamente es un organismo transgénico. La denominación de organismo transgénico se utiliza principalmente cuando se menciona a plantas y animales, en tanto que para los microorganismos se emplea frecuentemente el término de recombinante. ¿Qué ventajas tienen las medicinas de origen biotecnológico? La biotecnología permite obtener a gran escala y de forma segura productos naturales que de otra manera no podrían extraerse en suficiente cantidad. Los medicamentos que se extraían tradicionalmente de la sangre de donantes con un alto riesgo de contaminación con los virus de la sangre, se pueden obtener hoy en día a partir de cultivos de células modificadas genéticamente sin ningún riesgo. Lo mismo sucede con las hormonas que antes se obtenían de órganos humanos o animales y que ahora se producen en fermentadores muy seguros. A veces las ventajas son simplemente económicas ya que mediante los procesos biotecnológicos pueden abaratarse los costes de producción. También son interesantes las ventajas medioambientales, ya que en la producción de fármacos, las enzimas pueden sustituir a muchos procesos de síntesis química que son muy contaminantes. 61 Guía 2014 - Biotecnología ¿Qué fármacos de origen biotecnológico están en el mercado? Sin contar los fármacos que se obtienen por semisíntesis (obtención mitad biológica mitad química), que son difíciles de cuantificar, el número de productos biotecnológicos en el mercado sanitario se acerca al centenar. Entre otros, se encuentran disponibles varias hormonas (insulina y hormona del crecimiento), citoquinas usadas como antivirales y anticancerosos, factores estimuladores de la producción de sangre para pacientes anémicos y para los tratados con quimioterapia agresiva, anticoagulantes y trombolíticos para problemas vasculares, procoagulantes para los pacientes hemofílicos, anticuerpos monoclonales para evitar el rechazo de transplantes, nuevos antivirales y vacunas. ¿Que son los antibióticos? Los antibióticos son sustancias que se usan para matar o inhibir el crecimiento de las bacterias. El antibiótico pionero fue la penicilina, que revolucionó el tratamiento de las infecciones, como la neumonía y la tuberculosis, y su producción, a partir de hongos, constituyó la primera aplicación de la biotecnología a la industria farmacéutica. Su descubrimiento se debe a Alexander Fleming, que en 1928 encontró que el hongo Penicillum notatum producía "algo" capaz de matar a las bacterias que estaba estudiando. Actualmente, la mayoría de los antibióticos, denominados "naturales", se obtienen a partir de los microorganismos que los producen. Así, mientras algunas especies de Penicillum producen penicilina, otras fabrican antibióticos tan importantes como las cefalosporinas. Otros antibióticos naturales muy conocidos, como la tetraciclina, la estreptomicina y la eritromicina, son elaborados por bacterias del género Streptomyces. 62 Guía 2014 - Biotecnología Medio ambiente ¿Qué es un ecosistema? Un ecosistema está constituido por un medio físico (hábitat o ambiente), los seres vivos que viven en él y por el conjunto de las interacciones que se producen entre los organismos que lo habitan y el medio ambiente que les rodea, lo que implica distintos flujos de materia y energía, dando lugar a una unidad en equilibrio dinámico. Se trata por ello de un sistema funcional, en principio autosustentable. Aunque los ecosistemas están espacial y temporalmente delimitados, el tránsito de uno a otro no es brusco, sino que su yuxtaposición forma los llamados ecotonos. Son componentes organismos fundamentales autótrofos del ecosistema (productores), los heterótrofos (consumidores) y los descomponedores. ¿Qué es el efecto invernadero? La tierra recibe energía radiante del Sol. Parte de esta radiación es absorbida y parte es reflejada al espacio. Se entiende por “efecto invernadero” el efecto provocado por ciertos gases presentes en la atmósfera de la Tierra que hacen que parte de la radiación solar que sería reflejada al espacio sea absorbida por dichos gases, a una cierta longitud de onda. El efecto invernadero es beneficioso, ya que se estima que sin él la temperatura de la Tierra sería unos 33°C inferior a la actual, y por lo tanto no habría vida sobre la Tierra. El problema puede venir de “un exceso” de efecto invernadero. De hecho, actualmente se acepta que se está produciendo este exceso, que se atribuye fundamentalmente al CO2 generado por la combustión de la madera, el petróleo y el carbón, y que estaría llevando a un aumento de la temperatura global del planeta. Hay otros gases que también generan efecto invernadero, como el vapor de agua, el metano, los óxidos de nitrógeno, 63 Guía 2014 - Biotecnología los clorofluorocarbonados (CFC), etc. Teniendo en cuenta que el CO2 supone el 60% de los gases con efecto invernadero, se admite que el aumento de las emisiones se debe en un 80% a la actividad humana (origen antropogénico), mientras que el otro 20% se asigna a la deforestación y a fenómenos naturales (emisiones volcánicas, incendios). Del CO2 emitido, alrededor del 60% es absorbido por el agua de los océanos, o es utilizado y fijado por las plantas para crecer gracias a la fotosíntesis. El 40% restante es el responsable del aumento de concentración de CO 2 en la atmósfera, con el consiguiente efecto invernadero asociado. El nivel de CO2 en la atmósfera ha variado mucho en diferentes épocas, aumentando considerablemente en la actualidad. El ambiente, parece capaz de metabolizar gran parte del exceso de CO2 generado. Al efecto invernadero se le hace responsable del aumento de temperatura del planeta. ¿Existe vida en los ambientes extremos? Por extraño que parezca, también existe vida en los ambientes extremos. Por ambiente extremo se entiende aquél en el que uno o varios de los parámetros de mayor relevancia para el desarrollo de la vida, como la temperatura, la acidez, la salinidad, la presión, o el nivel de radiación, se consideran hostiles para la vida desde el punto de vista del hombre. Los organismos que viven en estos ambientes se denominan extremófilos y están tan perfectamente adaptados al medio que todos sus componentes funcionan de manera óptima en esas condiciones extremas. Su maquinaria metabólica puede funcionar en condiciones que serían totalmente adversas para otros seres vivos. Entre los organismos extremófilos destacan los termófilos, que habitan a temperaturas de hasta 115ºC; los halófilos, que se desarrollan en ambientes con salinidades equivalentes a un 35% de sal común disuelta; los piezófilos, que crecen a presiones de hasta 1100 atmósferas; los psicrófilos, que se reproducen a temperaturas inferiores a 5ºC; los acidófilos, que viven en medios de pH inferior a 5, y los alcalófilos, que pueden desarrollarse en un hábitat con un pH superior a 9. 64 Guía 2014 - Biotecnología ¿Cómo puede la Biotecnología aprovechar la diversidad de los ambientes extremos? Las principales aplicaciones biotecnológicas de los organismos extremófilos se centran en la utilización de algunas de sus proteínas con actividad catalítica (enzimas) como aditivos de productos comerciales (detergentes, alimentación animal y humana), en procesos industriales de bioconversión (generación de alcohol a partir de maíz o de la paja de cereales como el trigo), o en sistemas analíticos (biosensores y técnicas de detección de ADN). Actualmente se buscan organismos que produzcan enzimas que degraden las grasas a baja temperatura para su utilización en detergentes de lavado en frío (por ejemplo, en organismos de la Antártida), o que las degraden a alta temperatura para detergentes de lavado en caliente (por ejemplo, en organismos de fuentes termales). Entre las aplicaciones más llamativas y rentables están las que se derivan del uso de las enzimas conocidas como ADN polimerasas termoestables obtenidas de organismos termófilos. Estas enzimas se usan en la técnica denominada de PCR que se emplea en análisis genéticos para la identificación forense, análisis clínicos o análisis de alimentos. ¿Qué son las tecnologías limpias o verdes? Se dice que una tecnología es limpia (verde o ecológica) cuando su aplicación genera poca o ninguna contaminación ambiental. La reducción de la contaminación se puede conseguir de distintas maneras. A veces basta con optimizar la tecnología de producción para generar menos residuos, tratar de incluir productos menos tóxicos y más biodegradables en el proceso, o quizás mejorar el reciclado de los productos de desecho. Sin embargo, otras veces la opción de reducir la contaminación pasa por cambiar completamente la tecnología. En muchas ocasiones los procesos químicos, que por lo general son muy contaminantes, puedensustituirse por procesos de biotransfomación gracias a la Biotecnología. La Biotecnología también puede contribuir al reciclado y eliminación de los productos de desecho. En términos generales, el uso de la Biotecnología en alguna de las etapas de la 65 Guía 2014 - Biotecnología cadena de producción contribuye a que el proceso sea más respetuoso con el medio ambiente. ¿Qué se entiende por biodegradación? La biodegradación es un término genérico que se ha acuñado para referirse a la actividad metabólica que llevan a cabo todos los seres vivos (microorganismos, plantas y animales) para asimilar o modificar todo tipo de sustancias presentes en el medio ambiente. Aunque generalmente se aplica a compuestos de naturaleza orgánica, también puede referirse a sustancias inorgánicas. Los procesos biodegradativos más frecuentes se llevan a cabo en presencia de oxígeno (biodegradación aeróbica), pero algunos microorganismos también son capaces de degradar compuestos en ausencia de oxígeno (biodegradación anaeróbica).Se denomina mineralización a la biodegradación de una sustancia orgánica para dar compuestos de naturaleza inorgánica (agua, óxidos, sales, etc.).A veces los compuestos no se mineralizan, sino que se transforman en otros diferentes (biotransformación) que pueden ser incorporados por el propio organismo que los transforma o secretados al medio ambiente. En otras ocasiones los compuestos contaminantes no se degradan, pero se acumulan en una forma inerte en el interior del organismo (bioacumulación), disminuyendo su toxicidad. Es el caso de muchos metales pesados que los microorganismos pueden inmovilizar mediante precipitación o formación de complejos insolubles. ¿Se biodegradan bien todos los compuestos orgánicos naturales? La mayoría de los compuestos orgánicos naturales (aquellos que no derivan de la actividad industrial del hombre) pueden ser mineralizados rápidamente por diversos seres vivos. Estos compuestos llevan presentes en la naturaleza cientos de millones de años, lapso de tiempo suficientemente largo como para que muchos organismos hayan podido desarrollar la capacidad de utilizarlos como fuente de carbono y energía. Sin embargo, existen varios compuestos naturales que poseen una estructura química muy estable y que, por tanto, son muy difíciles de biodegradar. Su degradación completa suele requerir largos periodos de tiempo.Un ejemplo de este tipo de compuestos difíciles de biodegradar es la lignina, un polímero muy abundante en la naturaleza que confiere la rigidez a las plantas. 66 Guía 2014 - Biotecnología ¿Qué son los compuestos xenobióticos y cómo se degradan? La palabra xenobiótico deriva del griego (xeno-extraño, y biótico-vida), y se aplica a los compuestos cuya estructura química es poco frecuente o inexistente en la naturaleza. Por lo tanto, se denominan xenobióticos a los compuestos sintetizados por el hombre en el laboratorio, en contraposición al termino biogénico que se utiliza para designar a los compuestos que son de origen natural. Debido a su estructura inusual, algunos xenobióticos persisten mucho tiempo en la biosfera sin alterarse y por eso se dice que son “recalcitrantes" a la biodegradación. Varios xenobióticos, como ciertos insecticidas, herbicidas y detergentes, se utilizan en grandes cantidades y tienen una larga persistencia en el medio ambiente. Los procesos más importantes por los que se degradan los compuestos xenobióticos son la fotodegradación por radiaciones solares, los procesos de oxidación y reducción químicos, y la biodegradación por los seres vivos. La mayoría de los compuestos xenobióticos han aparecido en el medio ambiente durante los últimos 100 años. A pesar de ello, los seres vivos, especialmente los microorganismos, son capaces de adaptarse rápidamente a su presencia, lo que facilita que muchos de estos compuestos puedan ser biodegradados. ¿Qué son los procesos de biotransformación? Se entiende por biotransformación todo proceso biológico mediante el cual una sustancia se transforma en otra diferente. Se puede decir que la vida surge como resultado de la conjunción de múltiples procesos de biotransformación. En un sentido restringido se aplica el término de biotransformación a los procesos diseñados para la producción de compuestos mediante el empleo de un organismo completo o de un sistema enzimático. Muchos productos químicos y farmacéuticos son difíciles de obtener por síntesis química pero sin embargo resultan sencillos de producir para los seres vivos o sus enzimas. Por ejemplo, algunas vitaminas, antibióticos, aminoácidos, y hormonas esteroides se obtienen por procesos de biotransformación. A veces la síntesis química se combina con la síntesis biológica originando lo que se denomina procesos de semisíntesis. Los procesos de biotransformación tienen la ventaja de ser menos contaminantes que los procesos químicos ya que utilizan materiales biodegradables y por lo general se llevan a cabo en medios acuosos y a baja temperatura. Existen muchas formas diferentes de llevar a cabo los procesos de biotransformación, diseñándose bioreactores específicos para cada caso. Por ejemplo, muchos de estos procesos se suelen llevar 67 Guía 2014 - Biotecnología a cabo con enzimas solubles o inmovilizadas en un soporte, lo que permite realizar procesos en continuo, pero en ocasiones también se utilizan células enteras procariotas o eucariotas, ya sea en crecimiento o en reposo, en suspensión o inmovilizadas. Los procesos de biotransformación pueden ser muy útiles para reciclar sustancias de desecho de las industrias y originar productos de mayor valor añadido. ¿Es biodegradable el petróleo? El petróleo es una mezcla muy compleja de distintos compuestos químicos. Gran parte de ellos pueden ser metabolizados y convertidos en CO2 y H2O por diversos organismos marinos o terrestres, fundamentalmente bacterias y hongos, que son bastante frecuentes y ubicuos. Sin embargo, existen varios factores que dificultan el proceso de biodegradación. El principal es que el petróleo contiene mucho carbono y bastante azufre en formas asimilables por los microorganismos, pero tiene muy poco nitrógeno y fósforo. Como todos los seres vivos, los microorganismos necesitan un aporte equilibrado de diferentes nutrientes. Por lo tanto, los hidrocarburos del petróleo no podrán ser metabolizados eficientemente por los microorganismos a menos que se suministren fuentes de nitrógeno y fósforo adecuadas. Un segundo factor que limita la degradación del petróleo es la insolubilidad en agua de la mayoría de sus componentes, lo que limita su biodisponibilidad, es decir, la facilidad con la que serán captados por los microorganismos. Muchos microorganismos han desarrollado diversas estrategias para poder captar los hidrocarburos insolubles más eficientemente. Las más comunes son la excreción al medio de moléculas que facilitan la solubilidad o la dispersión de estos compuestos en el agua (biosurfactantes), o el desarrollo de superficies celulares hidrófobas que permiten al microorganismo adherirse a la interfase entre el agua y el petróleo, captando así los hidrocarburos directamente sin necesidad de que se disuelvan previamente en el agua. Un tercer factor que limita la biodegradación del petróleo es la relativa toxicidad de muchos de sus componentes. Moléculas como el benceno, el xileno, y todos sus análogos son bastante tóxicos y normalmente sólo se degradan bien si están en concentraciones moderadas. Asimismo, muchos compuestos poliaromáticos tienen actividad mutagénica. Finalmente, la disponibilidad de oxígeno es también muy importante. La biodegradación de petróleo en suelos contaminados es relativamente eficiente en la zona más superficial, en la que hay oxígeno, pero es muy lenta en capas más internas (a más de 10 cm de profundidad), donde el oxígeno escasea. Aunque existen microorganismos capaces de degradar hidrocarburos en ausencia de oxígeno (anaeróbicamente), crecen más lentamente que los microorganismos aeróbicos, y el proceso 68 Guía 2014 - Biotecnología biodegradativo es menos eficiente. Por lo tanto, la inyección de aire (oxígeno) en el subsuelo de zonas contaminadas por hidrocarburos (petróleo o gasolinas, por ejemplo), o la aireación del terreno por otros métodos mecánicos, acelera sustancialmente la biodegradación. ¿Qué es la biorremediación? La biorremediación es un procedimiento para la recuperación de una zona terrestre o acuática contaminada que utiliza a los seres vivos para eliminar (degradar) las sustancias contaminantes. En muchos casos, la biorremediación se utiliza como acción complementaria después de haber eliminado una buena parte de la contaminación por otros métodos físicoquímicos o mecánicos. Los procedimientos utilizados para la biorremediación son muy variables y dependen del compuesto(s) a eliminar y de su ubicación física (suelo, agua). La biorremediación se puede realizar in situ o ex situ. En el tratamiento in situ se puede estimular la actividad degradativa de los organismos presentes en el lugar contaminado suministrando nutrientes (bioestimulación), o se pueden añadir organismos con propiedades específicas para degradar el contaminante (bioincremento). En el tratamiento ex situ, el contaminante es transportado a una planta de procesamiento donde se trata en reactores con microorganismos degradadores especializados. Cuando el contaminante no se puede biodegradar, como sucede con los metales pesados, la estrategia utilizada es la bioacumulación, es decir, la acumulación del contaminante en el interior del ser vivo y la posterior retirada del organismo que ha acumulado el contaminante. Los microorganismos suelen ser los seres vivos más utilizados en biorremediación, aunque cada vez esta más extendido el uso de las plantas en estas tareas (fitorremediación), especialmente en los casos que requieren la bioacumulación. ¿Cómo puede ayudar la Biotecnología en la limpieza de los derrames de petróleo? El petróleo es uno de los contaminantes orgánicos más importantes, particularmente en el mar, al que se vierten varios millones de toneladas al año por diversas prácticas y accidentes. Hay varios factores que limitan la biodegradación del petróleo, entre los que destacan su composición química (tiene mucho carbono y bastante azufre, pero muy poco nitrógeno y fósforo en formas asimilables por los microorganismos), su gran insolubilidad en agua y la necesidad de que haya 69 Guía 2014 - Biotecnología oxígeno disponible para que el proceso degradativo ocurra con rapidez. Dado que casi todos los ecosistemas contienen microorganismos capaces de degradar hidrocarburos, generalmente basta con facilitar y estimular el crecimiento de aquellos que estén presentes en la zona contaminada (bioestimulación). Para ello es muy importante suministrar nutrientes que aporten nitrógeno y de fósforo, preferentemente en forma de mezclas oleofílicas (hidrofóbicas) que se dispersen bien en el petróleo. También es importante facilitar la presencia de suficiente oxígeno para facilitar la degradación aeróbica, más eficiente y rápida que la anaeróbica. Hay que tener en cuenta que estos métodos, aunque eficaces, tienen sus limitaciones. Una de ellas es la velocidad de degradación, que depende en gran medida de la temperatura y condiciones físico-químicas del lugar. Otro problema es que el petróleo contiene compuestos muy resistentes a la biodegradación. Finalmente, la degradación no será igual de eficiente en todos los lugares. En una playa, por ejemplo, la mayor parte de los hidrocarburos que se encuentren al aire libre terminarán siendo metabolizados por diferentes microorganismos, pero el petróleo que se filtre a capas más profundas de la arena o que pase a los sedimentos marinos, persistirá durante mucho más tiempo ¿Qué son los biocombustibles y que ventajas tienen? El término biocombustible se refiere a cualquier combustible de origen biológico, como por ejemplo la madera. Sin embargo, suele utilizarse una acepción más restringida, de forma que se reserva para denominar a los biocarburantes (bioetanol y biodiesel) y al biogás. Aunque la mayor parte del etanol que se genera actualmente procede del petróleo, cada día se produce más etanol de origen biológico, que se denomina bioetanol. El etanol de origen biológico tiene una importancia creciente como sustituto de las gasolinas convencionales o para la obtención de alguno de sus componentes esenciales, como el ETBE (etil ter-butil éter). El bioetanol se produce por fermentación anaeróbica de la materia vegetal. Este proceso consta de dos etapas fundamentales: la hidrólisis para liberar los azucares de la materia vegetal (sacarificar) y la fermentación de los azucares obtenidos. El biodiesel también es un producto de origen vegetal, que se obtiene a partir de aceites vegetales (girasol, colza, maíz), frescos y usados, mediante un proceso de transesterificación. En este proceso, la glicerina unida a los ácidos grasos en el aceite se sustituye por metanol, dando lugar a un producto de características muy similares al gasóleo convencional, y a glicerina como subproducto. La sustitución de 70 Guía 2014 - Biotecnología carburantes convencionales por biocarburantes supone una disminución de las emisiones gaseosas contaminantes (óxidos de azufre, partículas de sulfatos) en el sector del transporte. Además, por ser biodegradables, disminuye el nivel del impacto ambiental de vertidos accidentales. Los cultivos de los vegetales que se usan como materia prima (cultivos energéticos) evitan la erosión y degradación de tierras de cultivo abandonadas para fines alimentarios. El mayor beneficio de estos productos es que su contribución al aumento de gases con efecto invernadero en la atmósfera es prácticamente nula, ya que el CO2 generado durante su combustión ha sido fijado previamente por la planta en su crecimiento. El biogás está compuesto por mezclas de metano y CO2.Se obtiene por la acción de microorganismos anaerobios sobre residuos biodegradables. ¿Cómo se utilizan los residuos industriales para la producción de biogás? En la producción de biogás se utilizan residuos ganaderos, lodos de depuradora, efluentes de la industria agroalimentaria y papelera y, en algunas ocasiones, la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos. La generación de biogás tiene especial sentido económico en las explotaciones ganaderas intensivas, ya que generan un gran volumen de efluentes líquidos o semilíquidos por la gran cantidad de agua que utilizan para alimentación y limpieza. Los lodos de depuradora también son una materia prima interesante para la producción de biogás. Además, de esta manera se estabilizan, se disminuye su volumen, y su manejo resulta más fácil. Los efluentes de instalaciones industriales procedentes de sectores como el cervecero, azucarero, conservero, alcoholero, derivados lácteos, oleico y papelero tienen una elevada carga orgánica y la generación de gas mediante su tratamiento anaerobio es sencilla. La fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos se aprovecha actualmente de manera indirecta en los vertederos controlados. La correcta gestión de un vertedero de residuos exige extraer el biogás generado a través de un sistema de captación. Con la implantación de la separación en origen de la fracción orgánica de los residuos urbanos se dispone de grandes volúmenes de residuos orgánicos susceptibles de ser tratados en fermentadores anaerobios. 71 Guía 2014 - Biotecnología ¿Se puede obtener energía de los residuos urbanos? La biotecnología puede utilizarse para obtener energía de los residuos urbanos. Uno de los componentes mayoritarios de los residuos sólidos urbanos es la fracción de materia orgánica. Esta fracción orgánica es fácilmente biodegradable. Mediante un proceso de digestión anaerobia las bacterias pueden degradar la materia orgánica para transformarla en biogás (mezcla de metano y CO2). El biogás es una fuente renovable de energía que puede convertirse en energía calorífica y energía eléctrica utilizando la tecnología adecuada. El poder calorífico del biogás es semejante al de otros combustibles convencionales, como por ejemplo, el gas ciudad. La metanización de la FMO (fracción de materia orgánica) recogida selectivamente ya se está llevando a cabo en algunas grandes ciudades. ¿Qué es el compostaje? El compostaje es un proceso de descomposición microbiana de materia orgánica bajo condiciones controladas mediante el cual se genera el compost. Suele utilizarse sobre materiales vegetales con un contenido moderado en lignina (típicamente paja de cereales u otros subproductos agrícolas), y también para tratar lodos de depuradoras. Gran parte del compost se utiliza como enmienda orgánica del suelo en diferentes cultivos, y también para la producción de hongos comestibles (principalmente champiñones), aportándoles biomasa microbiana fácilmente asimilable. Cuanto mayor es la cantidad de lignina del material vegetal utilizado más difícil es su compostaje, ya que la lignina (un polímero que sólo es degradado por ciertos hongos) impide su transformación por los microorganismos. Dadas las limitaciones existentes para el uso de fertilizantes químicos, el compost representa una importante vía alternativa para la fertilización del suelo utilizando abonos orgánicos. Al mismo tiempo, la eliminación de residuos agrícolas de las cosechas (principalmente paja de cereales) mediante el compostaje supone una ventaja adicional, ya que la legislación actual prohíbe su incineración en el campo. 72 Guía 2014 - Biotecnología ¿Se puede utilizar el compostaje como técnica de biorremediación? El compostaje puede utilizarse como técnica de biorremediación para el tratamiento de suelos o sedimentos contaminados. Para ello basta con mezclar estos sedimentos con enmiendas orgánicas fácilmente degradables, como paja, estiércol o pienso, y mantener la mezcla en montones o pilas bajo condiciones controladas de humedad y aireación. Aunque el compostaje tiene una larga tradición en el tratamiento de residuos agrícolas y domésticos, sólo recientemente se ha empezado a utilizar para el tratamiento de sustancias tóxicas. Durante la degradación aeróbica de esos materiales orgánicos, que va acompañada de la producción de calor (alcanzándose temperaturas de 45°C), se desarrollan comunidades microbianas capaces de degradar diversas sustancias tóxicas presentes en el suelo. Glosario Aditivo: sustancia que se agrega a otras para darles cualidades de que carecen o para mejorar las que poseen. ADN: ácido desoxirribonucléico, es el nombre de la molécula química de la que están compuestos los genes. Aeróbio: relativo a los procesos o células que se desarrollan en presencia de oxígeno. Agar: El agar es un elemento solidificante muy empleado para la preparación de medios de cultivo. Anaerobio: relativo a los procesos o células que se desarrollan en ausencia de oxígeno. Antibióticos: se dice de la sustancia química producida por un ser vivo o fabricada por síntesis, capaz de paralizar el desarrollo de ciertos microorganismos patógenos, por su acción bacteriostática, o de causar la muerte de ellos, por su acción bactericida. Autótrofo: organismo que puede elaborar la materia orgánica a partir de la materia inorgánica y no depende de otros organismos para desarrollarse. Bioacumulación: proceso de acumulación de una sustancia dentro de un ser vivo. Biodegradable: sustancias que pueden ser degradadas por acción biológica. 73 Guía 2014 - Biotecnología Biorremediación: cualquier proceso que utilice microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural. Ecotono: interfase entre dos ecosistemas. Empírico: perteneciente o relativo a la experiencia. Enzimas: proteínas que llevan a cabo un proceso de transformación química de una sustancia en otra mediante una reacción catalítica. Fermentación: proceso químico de transformación de unas sustancias en otras que realizan los microorganismos cuando crecen. Fermentación láctica: fermentación que produce ácido láctico. Fotodegradación: degradación de sustancias por acción de la luz. Fructooligosacáridos: carbohidratos constituídos por unidades repetidas de fructosa, más una de glucosa. Gastroenteritis: inflamación de la membrana interna del intestino, causada por bacterias, parásitos, virus o ciertos tipos de antiinflamatorios no esteroideos. Gen: unidad biológica de la herencia que es responsable de la aparición de un determinado carácter, sea físico, bioquímico o de comportamiento y que transmite la información hereditaria de generación en generación. Genoma: conjunto de genes de un organismo. Heterótrofo: organismos que no pueden fabricar sus alimentos y dependen de los autótrofos o de otros heterótrofos. Hidrocarburos: son compuestos orgánicos formados únicamente por átomos de carbono e hidrógeno. Hidrólisis: descomposición de sustancias orgánicas e inorgánicas complejas en otras más sencillas por acción de agua. Inerte: falto de vida o movilidad, inútil. Inocua: que no hace daño. Inulina: polisacárido formado por unidades de fructosa. Insulina: es una hormona, producida y secretada por el páncreas. Interviene en el aprovechamiento de los nutrientes, sobre todo con el de los carbohidratos. Su déficit provoca la diabetes y su exceso provoca hiperinsulinismo con hipoglucemia. Lactosa: disacárido formado por la unión de una molécula de glucosa y otra de galactosa. 74 Guía 2014 - Biotecnología Lactulosa: es un azúcar sintético usado en el tratamiento del estreñimiento y complicaciones en las enfermedades del hígado. Consiste de los monosacáridos fructosa y galactosa y es de color amarillo. Lignina: sustancia que aparece en los tejidos leñosos de los vegetales y que mantiene unidas las fibras de celulosa que los componen. Medio de cultivo: Un medio de cultivo debe contener los nutrientes y factores de crecimiento necesarios y debe estar exento de todo microorganismo contaminante. Microbiota: conjunto de microorganismos que habitan en un determinado ambiente. Mutagénesis: proceso mediante el que origina mutaciones en los genomas de los organismos. Nómada: comunidades o pueblos de personas que se trasladan de un lugar a otro, en lugar de establecerse permanentemente en un solo lugar. Organolépticas: se dice de las propiedades que se pueden apreciar con los sentidos. OGM: Organismo Genéticamente Modificado mediante técnicas de Ingeniería Genética. Patógeno: microorganismo que produce una enfermedad. Placa de petri: es un recipiente redondo, de cristal o plástico, con una cubierta de la misma forma que la placa, pero algo más grande de diámetro, para que se pueda colocar encima y cerrar el recipiente, aunque no de forma hermética. PCR: abreviatura de la reacción de la polimerasa en cadena que se utiliza para hacer múltiples copias de un fragmento de ADN. Péptido: son un tipo de moléculas formadas por la unión de varios aminoácidos mediante enlaces peptídicos. Progenie: descendencia o conjunto de hijos de un organismo vivo. Proteínas: son macromoléculas compuestas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. La mayoría también contienen azufre y fósforo. Las mismas están formadas por la unión de varios aminoácidos, unidos mediante enlaces peptídicos. Radiactivo: cuerpo que emite radiación como consecuencia de la desintegración de sus núcleos atómicos. Recalcitrante: sustancias que se resisten a la degradación o tienen una degradación muy lenta. Recombinante: dícese del genoma cuando a sufrido una modificación en uno o varios de sus genes. Respuesta inmune: reacción de defensa frente a una sustancia u organismo extraño por la que se generan anticuerpos y células específicas del sistema inmunitario. Rizosfera: zona de interacción entre las raíces de las plantas y los microorganismos del suelo. 75 Guía 2014 - Biotecnología Ruta metabólica: sucesión de reacciones químicas que parten de un sustrato inicial a uno o varios productos finales, a través de una serie de metabolitos intermediarios. Sedentario: Comunidad que vive asentada en algún lugar. Opuesto de nómada. Sensorial: organoléptico. Simbiótico: organismo que vive en estrecha relación con otros. Sumerios: personas que vivían en el antiguo oriente medio. Termoestable: que es estable a la temperatura. Termófilo: organismo que puede vivir a altas temperaturas. Toxina: veneno que suele tener una procedencia biológica. Transgénico: son seres vivos (plantas, animales o microorganismos) que han sido modificados en laboratorio mediante la introducción de genes de otras especies de seres vivos, para proporcionarles características que nunca obtendrían de forma natural. Ubicuo: que está o puede estar presente en varios lugares al mismo tiempo. Xenobiótico: se aplica a los compuestos cuya estructura química en la naturaleza es poco frecuente o inexistente debido a que son compuestos sintetizados por el hombre en el laboratorio. Yuxtaposición: colocación de una cosa junto a otra sin interponer ningún nexo o elemento de relación. 76