TEMA 3: INTRODUCCIÓN A LA BIOTECNOLOGÍA I. Introducción II. Concepto de Biotecnología III. Historia de la Biotecnología IV. Ventajas y Riesgos de la Biotecnología V. Algunas aplicaciones biotecnológicas IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Biotecnología: introducción Nos encontramos frente a una nueva “Revolución Industrial” llamada Biotecnología, no basada en hierro y acero sino en microbios que, en manos de científicos, se convierten en minúsculas fábricas para producir fármacos, compuestos químicos industriales, combustibles o alimentos IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Biotecnología: concepto El prefijo “BIO” se refiere a bacterias, levaduras y otras células vivas, así como a componentes de estas células: SERES VIVOS. Concretamente y para este caso se referiría a la biología molecular, la cual tiene como objetivo el estudio de los procesos que se desarrollan en cualquier ser vivo desde el punto de vista de las moléculas que lo componen La “TECNOLOGIA” trata de resolver problemas del hombre y proporcionarnos lo que necesitamos. En definitiva, será el conjunto de saberes, conocimientos, habilidades y destrezas interrelacionados con procedimientos para la construcción y uso de bienes y servicios, ya sean naturales o artificiales y que permiten transformar el medio natural para cubrir estas necesidades o anhelos humanos. IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Biotecnología: concepto https://www.youtube.com/watch?v=M-7ovmhZfoA “BIOTECNOLOGÍA” Área multidisciplinar que utiliza los seres vivos para producir lo que necesitamos. Afinando un poco más: Utilización de procesos biológicos para producir bienes y servicios. Estos bienes incluyen productos químicos, alimentos, combustibles y medicamentos, tratamientos de residuos o control de la contaminación, etc. Según el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992, la biotecnología podría definirse como “toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos” IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Biotecnología: concepto Entre las disciplinas que aportan contenidos y técnicas se encuentran la microbiología, la biología molecular, la bioquímica, la genética, la inmunología, la química, la ingeniería industrial y la informática. Las áreas de aplicación son muy amplias: desde la utilización de diversos organismos unicelulares con fines prácticos (bacterias, levaduras y mohos, principalmente), hasta la manipulación del material genético, actividad esta última realizada por la “ingeniería genética”, quizá más conocida por haber provocado en los últimos tiempos una encendida polémica ética y social. IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Historia de la Biotecnología Desde tiempos remotos y sin darle el nombre de “biotecnología” ya se utilizaban técnicas biotecnológicas, por ejemplo para el procesado de alimentos como pan y cerveza, utilizando bacterias y levaduras (10.000 años a.C.). De la misma forma, la optimización de especies vegetales y animales, haciendo selección de semillas o de mejores ejemplares. La disciplina como tal puede considerarse iniciada con los trabajos para la producción industrial de la penicilina, llevados a cabo por Florey, una vez descubierta por Fleming (1929-1932). Probablemente, el primero que usó el término “biotecnología” fue el ingeniero húngaro Karl Ereky, en 1919, quien la introdujo en su libro “Biotecnología en la producción cárnica y láctea de una gran explotación agropecuaria”. Historia de la Biotecnología - Neolítico: Agricultura, Ganadería, Fermentaciones artesanales - Siglo XIX: Naturaleza de las fermentaciones - Siglo XX: Enzimas, antibióticos y fermentaciones industriales, tecnología enzimática -Neolítico: Selección artificial de variedades - Siglo XIX: Naturaleza de la herencia biológica #Charles Darwin · El origen de las especies# #Louis Pasteur · microbiología# - Siglo XX: Naturaleza química del material genético; ingeniería genética #Gregor Mendel · caracteres/genes# #James Watson y Francis Crick · estructura del ADN# #1973: 1ª aplicación tomando ADN de un organismo a otro #1978: Boyer tomó trozos de ADN humano, aislando un gen de insulina #1980: inicio de resultados: alimentos, cultivos, fármacos, etc. #2001: publicación genoma humano – enfermedades. Biotecnología hoy James D. Watson: “Antes pensábamos que nuestro futuro estaba en las estrellas. Ahora creemos que está en los genes”. La Biotecnología, a día de hoy: • Motor de investigación científica • Mayor parte presupuesto gubernamental • Posible solución a problemas de salud, alimentación y medio ambiente. • Rentable económicamente (inversión pública y privada) Biotecnología del mañana Una muestra cualquiera obtenida del mar, un tipo de suelo o animal, contiene cerca de un 99% de microorganismos desconocidos para la ciencia. Para la biotecnología, cada uno de ellos presenta un mundo por explorar, una enorme diversidad de genes y enzimas que ejecutan funciones biológicas básicas y producen nuevas sustancias. El potencial es enorme dada la biodiversidad existente. Dependerá de factores sociales, políticos y económicos lo que permitirá que estas posibilidades se hagan realidad. IES Enrique Florez Prof: - Sara Azcona Alonso - Biotecnología en España Según la Fundación Genoma España (Informe de la Relevancia de la Biotecnología en España, 2011): • 823 Empresas biotecnológicas en 2010: 395 íntegras. De las 395 empresas biotecnológicas: Abundacia relativa Sector empresarial 67% Sanitario 23% 10% Agroalimentario Industrial Al tratarse de un sector tecnológico en fase de maduración, las Empresas de Biotecnología (EB) en España, son de modesto tamaño aunque en fase de crecimiento exponencial. Biotecnología en España 2014: Año de la Biotecnología en España • Federación Española de Biotecnólogos. • Sociedad Española de Biotecnología (SEBiot). • Sociedad Española de microbiología (SEM). • Asociación Española de Bioempresas (ASEBIO) Además gozó de carácter “excepcional interés público”: • https://www.youtube.com/watch?v=6F6RnvcMXOE IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Ventajas de la Biotecnología 1. Rendimiento superior de los cultivos 2. Reducción de la contaminación ambiental: pesticidas 3. Mejora nutrición: arroz transgénico dorado con betacaroteno (vitamina A) o reducción de alérgenos. 4. Mejora en el desarrollo de nuevos materiales: bioetanol 5. Alta rentabilidad económica y especifidad IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Inconvenientes o Riesgos de la Biotecnología 1. Requerimiento de muy alta tecnología y personal altamente cualificado 2. Inversiones de alto riesgo 3. Consecuencias biológicas y medioambientales difícilmente predecibles 3.1.: Polinización cruzada (resistencia a herbicidas, maleza resistente: desequilibrio del ecosistema) 3.2.: Cultivos modificados genéticamente, con genes que producen toxinas insecticidas 3.3.: Pérdida de biodiversidad IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Inconvenientes o Riesgos de la Biotecnología 4. Riesgos para la salud 4.1.: Reacciones alérgicas imprevistas: transferir toxinas , crear nuevas toxinas o transferir alérgenos de una especie a otra. 4.2.: Infecciones por “escapes en el laboratorio” de virus o bacterias modificadas 4.3.: Transparencia en la información al consumidor: Productos genéticamente modificados ¿Cómo evaluar los riesgos de los OMG?: Equivalencia sustancial = OMG es tan inocuo como su homólogo tradicional • Identidad, origen y composición • Efectos de la elaboración y cocción • Proceso de transformación, ADN y expresión de la Proteína introducida • Efectos sobre la función • Posible toxicidad, alergenicidad y efectos secundarios • Consecuencias alimentarias de la ingesta del OMG Inconvenientes o Riesgos de la Biotecnología 5. Preocupaciones éticas y sociales • Clonación • Modificación del genoma humano para “mejorar” la naturaleza del hombre • Sondeos genéticos y sus aplicaciones discriminatorias (predisposición a enfermedades incurables, intimidad genética) • Derecho individual a procrear • Reproducción asistida del ser humano • Estatuto ético del embrión y del feto. https://youtu.be/5ODd01KfxVk Bioética BIOÉTICA: Rama de la ética que enuncia los principios para la conducta correcta del humano respecto a la vida así como al ambiente en el que pueden darse condiciones aceptables para la vida. El criterio ético fundamental que regula esta disciplina es el respecto al ser humano, a sus derechos inalienables, a su bien verdadero e integral: la dignidad de la persona. Se extiende a cuestiones tanto médicas, como medio ambientales, trato de animales, etc. • Área sanitaria: eutanasia, trasplantes de órganos, aborto… • Investigación científica: manipulación genética, clonación • Medio Ambiente: equilibrio entre especies y ecosistema, respeto a los animales y naturaleza, uso de energía nuclear, crecimiento de la población mundial • Social y política: legislación, educación, políticas sanitarias. IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Principios fundamentales de la Bioética 1. Principio de Autonomía: Respeto a las personas, imponiendo la obligación de asegurar las condiciones necesarias para que actúen de forma autónoma. 2. Principio de Beneficencia: obligación de actuar en beneficio de otros, promoviendo sus legítimos intereses y suprimiendo perjuicios. Ej.: En medicina, se promueve el mejor interés del paciente, sin tener en cuenta la opinión de éste. 3. Principio de no maleficencia: Abstenerse intencionalmente de realizar acciones que puedan causar daño o perjudicar a otros. 4. Principio de justicia: Tratar a cada uno como corresponda, disminuyendo las situaciones de desigualdad (ideológica, social, cultural, económica, etc.) https://www.youtube.com/watch?v=ty9cDvGL5wg&feature=youtu.be IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Aplicaciones biotecnológicas 1. Producción de alimentos: La fabricación de vinagre (con bacterias del ácido acético), yogur, cuajada, queso (bacterias del ácido láctico y mohos), la cerveza, el vino o la elaboración del pan (levaduras) representan las primeras utilizaciones de la biotecnología en esta área. Desde su primera utilización ha habido muchos avances. Los propios microorganismos son materias primas de alto contenido proteínico. Es el caso de las proteínas PSC (proteínas de una sola célula) que se extraen de cianobacterias, levaduras, micoalgas y hongos. Estos productos se utilizan, en la alimentación humana y animal, aportando, además, glúcidos, vitaminas y minerales. Destacar además las espirulinas (rica en aa´ esenciales), levadura seca (rica en vitamina B), microalgas (proteínas de alto valor nutritivo) o la microproteína conocida por Quorn, producida por el moho Fusarium graminearum, rica en proteína y fibra. En la agricultura, la biotecnología aporta métodos y técnicas de cultivo vegetal y de manipulación genética. Aplicaciones biotecnológicas Durante miles de años se ha producido selección de mejores plantas mediante un proceso continuo, realizado tanto de manera consciente como inconsciente. Se han seleccionado por sus facilidades de cultivo, mayor rendimiento, calidad apropiada o resistencia a plagas y enfermedades. No obstante, la tecnología actual de selección vegetal se ha desarrollado más recientemente durante el último siglo; se basa en un mejor conocimiento de la base genética de los caracteres agronómicos, fisiología, bioquímica y patología vegetal. La mejora genética puede hacerse por varios métodos: hibridación, retrocruzamiento, manipulación cromosómica, mutación inducida. Por otro parte, los cultivos transgénicos, consistentes en introducir en una especie fragmentos de cromosomas o genes portadores de ciertas características de interés, como por ejemplo, para que puedan fijar el nitrógeno atmosférico y así ahorrar gran cantidad de abono, etc. La siguiente generación de transgénicos, según los científicos, beneficiará a los consumidores directamente, ya que los productos tendrán mayor cantidad de nutrientes que ayudarán a prevenir enfermedades y con menor cantidad de toxinas y alérgenos perjudiciales para la salud. Aplicaciones biotecnológicas 1. Producción de alimentos: TRANSGÉNICOS: https://www.youtube.com/watch?v=w7rx48Lm8YU&feature=youtu.be En la ganadería, la ingeniería genética pretende superar las limitaciones a la sección de los animales domésticos. Puede aumentarse la producción de carne, leche, lana, huevos, etc. Los mayores éxitos en cuanto a producción de alimento se han obtenido en acuicultura, consiguiendo especies de crecimiento más rápido (lubina, salmón atlántico), al incorporarles la hormona de crecimiento de otras, o salmones resistentes al frío, con el trasplante de genes de proteínas anticongelantes de especies de mares fríos.. IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Aplicaciones biotecnológicas 2. Biotecnología en sanidad: En la medicina, el uso de animales transgénicos con genes humanos abre también muchas expectativas de cara al futuro, para la producción de medicamentos o como fuente de órganos para trasplantes, fármacos, etc. La investigación con células madre, cuyo estudio permitirá conocer los mecanismos de especialización celulares. Qué mecanismos hacen que un gen sea activo y haga su trabajo y qué mecanismos inhiben la expresión de ese gen (como ocurre en el cáncer). Las células madre pueden servir para probar nuevos medicamentos en todo tipo de tejidos, antes de hacer las pruebas reales en animales o en humanos. Muchas enfermedades son consecuencia de malfunciones celulares o destrucción de tejidos. Uno de los remedios, en casos muy graves, es el trasplante. También en la sustitución y reemplazo de células y tejidos dañados, como en casos de Parkinson, Alzheimer, lesiones medulares, quemaduras, diabetes, osteoporosis, entre otras. Aplicaciones biotecnológicas 2. Biotecnología en sanidad: En la industria farmacéutica, son varias las sustancias producidas por microorganismos siendo los antibióticos los más importantes (Ej. Penicilinas, cefalosporinas, eritromicina, etc.). También se obtienen hormonas, antígenos bacterianos y virales, antifúngicos, sustancias antitumorales y vitaminas. Hay sustancias que se obtienen a partir de tecnología transgénica, introduciendo plásmidos recombinantes que llevan el gen del producto deseado en bacterias, siendo la más utilizada E. coli. Los fármacos obtenidos de mayor importancia son la insulina, la hormona del crecimiento, la eritropoyetina, algunas vacunas (hepatitis B, sarampión, rabia), interferones beta (para la esclerosis múltiple), proteínas plásmicas y anticuerpos. IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - Aplicaciones biotecnológicas 3. Biotecnología en procesos industriales: La obtención de enzimas, bien por su interés catalítico directo, como por los productos que se obtienen, es un proceso muy importante en la industria química. Se dice que gran parte de la biotecnología radica en el poder transformador de los enzimas. Desde hace tiempo está aumentando su obtención a partir de microorganismos seleccionados con las técnicas genéticas actuales, que presentan una serie de ventajas: producen más moléculas de enzimas por masa corporal, son fácilmente manipulables genéticamente, los cultivos se realizan en condiciones controladas, no afectadas por factores adversos, etc. Entre las aplicaciones industriales de estas encimas se encuentran la fabricación de detergentes biológicos (proteasas, celulasas, amilasas), la industria alimentaria para bebés (tripsina), industria papelera (celulasas, amilasas), entre otras. Entre los microorganismos productores de enzimas cabe citar a Bacillus subtilis (alfa.amilasa, proteasa); Penicillium sp. (celulasa); Saccharomyces sp. (sacarosa), etc. Aplicaciones biotecnológicas 4. Biotecnología ambiental En materia medioambiental, cabe destacar el desarrollo de las ecotecnologías, que buscan crear tecnologías que reduzcan los efectos nocivos al medio ambiente, causados por los residuos generados. A la aplicación en este campo de los microorganismos, o productos generados por ellos, se le llama biorremediación. Cunado quienes intervienen son las plantas silvestres o manipuladas genéticamente, se llama fitorremediación. La biotecnología presenta una serie de herramientas que podrían ser compatibles con este mínimo impacto a la naturaleza. Empezó a utilizarse en la depuración de aguas residuales pero hoy día es muy eficaz para combatir la contaminación por multitud de agentes orgánicos. Los contaminantes serían la fuente de alimento o energía de los microorganismos, convirtiéndolo finalmente, en biomasa bacteriana. Ejemplo: biodesulfuración del petróleo y del carbón, en la cual se elimina el azufre de los combustibles fósiles. Varios microorganismos puedes extraer el azufre de la pirita del carbón. Aplicaciones biotecnológicas 4. Biotecnología ambiental La biotecnología también posibilita la reducción de emisiones de metano en varias etapas del ciclo de combustible del carbón, u obtenerlo (biogás) aprovechando la fermentación anoxibiótica de los residuos ganaderos. Por tanto, biodegradar disolventes, mineralizar pesticidas, eliminar iones metálicos y organometálicos, recuperar metales preciosos, y un largo etc. Entre los microorganismos más interesantes en las actividades depurativas y detoxificadoras se encuentran las bacterias Pseudomonas sp., Rhizobiium sp., Rhodobacter sp., etc. Cabe además citar como aplicaciones de la biotecnología, la ecoingeniería, que pretende crear ambientes que favorezcan la ocupación espontánea por organismos que presenten actividad biorremediadora; la ingeniería metabólica, actividad básica de la biotecnología ambiental, cuyo objetivo es combinar actividades catalíticas de distintos organismos en función de las necesidades (Ej. Volatilizar HG con plantas transgénicas); Aplicaciones biotecnológicas 4. Biotecnología ambiental La bioadsorción, que consiste en la obtención, mediante ingeniería de proteínas, de cepas bacterianas Gram negativas, capaces de fijar ciertos metales en superficie; o los sistemas biosensores, capaces de transformar una señal química en una señal medible por medios electrónicos, disponiendo así de sistemas de alerta frente a la contaminación por determinados compuestos contaminantes. IES Félix Rodríguez de la Fuente Prof: - Sara Azcona Alonso - DEBATE: MANIPULACIÓN GENÉTICA: TRANSGÉNICOS ¿SÍ O NO? 1. ¿CUÁNDO DEBE PERMITIRSE? 2. ¿ES UN AVANCE DE LA CIENCIA PARA MEJORAR LA SALUD? 3. ¿CUÁLES SON SUS IMPLICACIONES ÉTICAS Y RELIGIOSAS? 4. ¿ES “JUGAR A SER DIOS”? CONSUMIDORES AGRICULTORES ECOLOGISTAS CIENTÍFICOS DEBATE: MANIPULACIÓN GENÉTICA: CLONACIÓN ¿SÍ O NO? 1. ¿CUÁNDO DEBE PERMITIRSE? 2. ¿ES UN AVANCE DE LA CIENCIA PARA MEJORAR LA SALUD? 3. ¿CUÁLES SON SUS IMPLICACIONES ÉTICAS Y RELIGIOSAS? 4. ¿ES “JUGAR A SER DIOS”? PADRES ADMINISTRACIÓN ASOC. BIOÉTICA MÉDICOS