Biotecnología en frutos: mejoramiento de la calidad y producción de
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Biotecnología en frutos: mejoramiento de la calidad y producción de compuestos farmacéuticos Dr. Miguel A. Gómez Lim CINVESTAV Irapuato Alimentos y Población Prdn Rel. Población (Billones) Desde 1950 a la fecha la producción de alimento creció durante un periodo de acelerado crecimiento poblacional 10 8 6 4 2 0 1800 Producción mundial per cápita de alimentos 1948-50 = 100 (Fuente: “The Ultimate Resource 2” de Julian L. Simon) Cuando menos durante las dos próximas décadas, habrá una “nueva Alemania” cada año y una “nueva China” cada década. Estudios de la ONU sugieren una estabilización de la población de 10.73 Billones en el siglo 21 1850 1900 1950 2000 2050 2100 Los avances tecnológicos permitieron aumentar la producción de alimentos en el mundo industrializado Tecnología desarrollada en el siglo XX: Mecánica, Química, Genética La disponibilidad y el apoyo intensivo de capital a estas tecnologías favoreció a las naciones desarrolladas. 1945; siembra de maiz (Sin híbridos, sin comp. químicos) 1995; Mecanización La Biotecnología es la mas reciente tecnología en impactar la producción de alimentos Ya se está aplicando en el mundo en desarrollo LA AGRICULTURA EN AMERICA LATINA • Bajos rendimientos • Falta de subsidios (créditos, comercialización, fertilizantes) • Tecnología inadecuada • Políticas de comercio desventajosas • Disminución en la cantidad de tierra cultivable • Aspectos culturales LA AGRICULTURA EN AMERICA LATINA Tendencias en la producción •Países eminentemente agrícolas se están volviendo importadores netos de alimentos •Tierra cultivable se dedica a viviendas •Alto crecimiento en exportaciones pero el balance comercial per cápita sigue siendo negativo Fuente: IICA PROBLEMAS AGRICOLAS EN LATINOAMERICA Sequía: Pérdidas de millones de toneladas de granos Erosión: 80% de la tierra cultivable con 10% de daños irreversibles Pérdidas en biodiversidad Plagas y enfermedades: Se estiman pérdidas de 15-30%. Aplicación de 25 mil toneladas de plaguicidas Muchos problemas agrícolas han rebasado a la agronomía tradicional Biotecnología ¨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¨ Cultivo de tejidos Marcadores moleculares Ingeniería Genética Genómica Los frutos: Parte importante de la dieta humana y animal Son materia prima para aplicaciones industriales Tienen características variadas: Color Tamaño Textura Sabor Aroma Alto contenido de: • • • • Minerales Vitaminas Carotenos Antioxidantes Biología de los frutos Desarrollo División celular Maduración Senescencia Expansión celular Carotenoides Ablandamiento Etileno y Respiración Climatericos No Climatericos Tiempo Calidad de los frutos • • • • • Textura Color Contenido de azúcares Firmeza Aroma Propiedades organolépticas características de cada fruto Atributos de calidad post-cosecha de los frutos Productos perecederos Manejo postcosecha de frutos Cosecha Transporte y distribución Selección, empaque, almacenamiento,comercialización Consumo o procesamiento industrial Conservación de atributos de calidad Producción total mundial de frutos carnosos 3.8 x108 millones de toneladas $ 1.2 x1012 dólares Las pérdidas postcosecha pueden ser 15-50% del total producido FAO, 2009. http://www.fao.org Estrategias para control de maduración Impacto de pérdidas postcosecha económico ambiental Limitan la producción agrícola a nivel mundial Tecnologías convencionales: Inhibir la acción del etileno (hormona vegetal que controla la maduración • Ventilación • Adsorbentes • Recubrimientos • Atmósferas Controladas • Inhibidores • Refrigeración No existe un tratamiento universal postcosecha para preservar los frutos FAO, 2009. Control de ablandamiento y prolongación de vida media de anaquel (I) Manipulación de enzimas hidrolíticas y no hidrolíticas Enzimas hidrolíticas y no hidrolíticas Lámina media, pared celular • Pérdida de integridad • Disminuye adhesión célula-célula • Cambios en turgencia Lámina media Poligalacturonasas Pectinmetil esterasas Expansinas La supresión de enzimas hidrolíticas o no hidrolíticas individuales no retrasa el ablandamiento significativamente Control de ablandamiento y prolongación de vida media de anaquel (II) Manipulación de la ruta de producción de etileno ∝-Ceto butirato ACC desaminasa SAM ACC sintasa ACC ACC Oxidasa Etileno La estrategia consiste en reducir la producción de etileno El bloqueo del etileno puede tener efectos deletéreos en la planta • • • El fenotipo normal no se restaura aplicando etileno en todos los frutos Se afectan atributos de calidad como sabor y aroma Existen procesos críticos que deben ocurrir en tiempo y forma Es necesario usar estrategias con efecto más específico y controlado para aumentar la calidad de los frutos El papel del metabolismo de lípidos durante la maduración ha sido poco explorado Inducción de una enzima clave (tiolasa peroxisomal) en el metabolismo de lípidos durante maduración en mango Bojórquez, G. 1995 En pera, se identificaron transcritos de enzimas del metabolismo de lípidos, durante maduración y senescencia Fonseca, S. 2004 En fresa se identificaron transcritos, inducidos durante maduración, que participan en metabolismo de lípidos Nam, Y. 1999 Etileno regula la producción de aroma en manzana Schaffer, R. 2007 ¿Cuál es el metabolismo de lípidos durante la maduración de frutos? Degradación autocatalítica de lípidos Fosfolipidos de membranas Fosfolipasas Ca2+, Etileno Ácido fosfatídico Fosfatasas de ácidos fofatídicos Diacilgliceroles Acil hidrolasas Ácidos grasos libres (C18:2 y C18:3) Lipoxigenasas y O2 Ácidos grasos hidroxiperoxidados y lipohidroxiperóxidos Hidroperoxido liasas y deshidratasas Compuestos de sabor Enzimático y no enzimático Conversión de radicales libres a ROS Peroxidación de lípidos Membranas Desestabilizaci ón Permeabilidad Descompartamentalización Liberación de fosfolipidos Reducción en la degradación autocatalítica de lípidos Metabolismo de lípidos en melón En melón Honey Dew Firmeza, sólidos solubles en melón HD Se postula la participación tejido específica de LOX durante maduración en melón HoneyDew Tiempo de maduración melones control: 10 d Tiempo de maduraciónmelones sin LOX: 45-60 d Manipulación de la calidad de melon Frutos de 45 dias despues de la cosecha Una pieza de melón en Japón puede costar de 30-50 dólares Las plantas como biorreactores Enzimas y hormonas Pigmentos Anticuerpos Plásticos biodegradables Vacunas Ventajas de producción de compuestos en las plantas Menor costo Fácil Escalamiento Material fácil de transportar sin necesidad de Red fría Material producido SIN contaminación de patógenos humanos Altos rendimientos Fácil purificación Productos idénticos a los naturales. 1 kg de proteína recombinante es de 10-50 veces mas barato que producirla por fermentación en E. coli LA UTILIDAD DE LAS PLANTAS Antígenos producidas en plantas Hepatitis Diabetes autoinmune Virus de la Viruela Virus de Influenza Rabia Proteínas humanas de interés farmaceútico producidas en plantas Aplicaciones de anticuerpos producidos en plantas Anticoagulantes Factor GM-CS Eritropoietina Encefalina HIV-Sida Factor de crecimiento epidérmico Rinovirus Interferón-α y -ß Fiebre Aftosa Seroalbúmina Paludismo Hemoglobina α y -ß HPV Lactoferrina Cáncer Colágena Aprotinina Caries dental Herpes genital Diagnóstico IgG humana Antígenos de diversos tipos de cáncer Principales modelos de estudio: Tabaco, Papa y Jitomate Expresión de Interleucina 12 in tomate Induce respuesta Th1 (celular) y producción de IFN-γ Se emplea como adyuvante en infecciones parasíticas y virales IL-12 commercial IL-12 tomato α 35kDa β 40kDa IL-12 comercial + Ab anti-IL12 IL-12 tomato + Ab anti-IL12 Efecto del JT-IL12 sobre la carga bacteriana en pulmones de ratones infectados con Mycobacterium tuberculosis- MDR 9 M illone s de UFC/pulm ón 8 7 ** 6 * 5 JN 4 JT 3 2 1 0 semana 1 semana 2 mes 1 Duración del tratam iento ** p <0.005 * p <0.05 mes II Administracion oral de IL 12 en ratones Infección con una cepa resistente a antibióticos Expresión de proteínas N y G del virus de la rabia en plantas Administración oral de proteína G del virus de la rabia producida en plantas induce anticuerpos neutralizantes en ratones 2.5 Antibody titer (UI) 2 Group 1. Ratones inmunizados Con una vacuna comercial 1.5 Group 2. Ratones inmunizados con 20 µg de proteína G expresada en plantas 1 0.5 0 1 2 3 4 Grupo 1 5 6 1 2 3 4 5 Grupo 2 Groups of mice 6 1 2 3 4 Negativo 5 6 Group 3. Grupo control Sobrevivencia de ratones inmunizados con tres diferentes tratamientos y desafiados intracranealmente con 100 LD50 de un virus de rabia aislado de murciélagos 120 Porcentaje de sobrevivencia 100 80 G1 60 G2 40 G3 20 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Días post desafío Administración oral de proteína G del virus de la rabia producida en plantas induce anticuerpos neutralizantes en ovejas 3.5 3 Antibody Titer (IU) 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1 2 3 4 1 Dosis 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 2 Dosis 3 Dosis Sheep ID 4 Dosis Positivo Negativo Sobrevivencia de ovejas inmunizadas y desafiadas intracranealmente con 100 LD50 de un virus de rabia aislado de murciélagos Porcentaje de sobrevivencia 120 100 80 60 Neg Vac 40 1D 2D 20 3D 4D 0 0 10 20 30 40 -20 Días post desafío 50 60 70 Expresión de dos genes del virus del Newcastle para generar vacunas orales para pollos Hemaglutinina-Neuraminidasa Proteína de fusión Membrane protein Dosis y grupos de pollos inmunizados con plantas y pollos vacunados con un biológico comercial. GRUPO # TRATAMIENTO 1 pollos alimentados con plantas controles 2 pollos alimentados con una sola dosis de plantas 3 pollos alimentados con una dosis inicial de plantas y un refuerzo a los 20 días post primo inoculación 4 vacuna comercial adicionada a plantas 5 vacuna comercial intranasal 6 pollos alimentados con cinco dosis de plantas en una sola toma 7 pollos alimentados con plantas a libre acceso Número de pollos sobrevivientes al desafió postvacunación con 200 µl por vía nasal de la cepa velogénica viscerotrópica Chimalhuacan (109.7 DLE50 ml-1) del NDV. GRUPO DOSIS DE ANTÍGENOS F y HN SOBREVIVIENTES 1 0 µg-3 g de plantas control 0/7 2 100 µg-3 g de material vegetal 7/7 3 200 µg-6 g de material vegetal 7/7 4 Plantas control+vacuna comercial por vía oral 7/7 5 vacuna comercial por vía nasal 7/7 6 500 µg-15 g de material vegetal 7/7 7 Material vegetal a libre acceso 7/7 Producción de rotavirus vlps en tomate VP6/4/7 VP2/4/6/7 VP2/4/6 VP2/6 RV Purificados RV VLPs producidas en tomate Control tomate Production of HPV VLPs profilácticas y terapéuticas en tomate L1HPV16 VLP Quimérica L1 E6E7 Volume (cm3) Vacuna comercia l Days E6E7 Control negativo Obtención en plantas de partículas virales de Hep C 50 nm 50 nm 50 nm Una preparación obtenida de plantas y dirigida a células dendríticas induce anticuerpos neutralizantes contra el virus de dengue AntiDEC205 Antígeno Dengue SUERO DE RATONES INMUNIZADOS CON scFv antiDEC OLLAS EII-EIII + poly IC 0.16000 Células BHK 21 0.14000 BHK-21 Preinmune 0.12000 1o. Inmunización 0.08000 2o. Inmunización ABSORBANCIA 492nm 0.10000 0.06000 0.04000 0.02000 0.00000 E GST GST EIII DEC EII – EIII OLLAS SENSIBILIZACIÓN GFP Nancy Coconi Sergio Saldaña Yuri Jorge Peña Abel Gutierrez Margarita López Irene Perea Georgina de la Paz Octavio Guerrero Laura Uribe Mario Henry Rodriguez Lourdes Gutierrez Instituto de Salud Pública Andrew Hill Department of Medicine, University of Oxford, UK Magda Plebanski Austin Research Institute Victoria, Australia Rogelio Hernandez Pando INNSZ Carmen Sanchez, Polo Santos Leticia Cedillo, Polo Flores Rebeca Manning CINVESTAV Hector Gordon Nuñez (Cinvestav Irapuato) Carlos Arias, Susana López Lourival Possani Instituto de Biotecnología UNAM Fernando Esquivel Universidad Aut. de Morelos Alberto Monroy CNM SXXI Elizabeth Loza INIFAP Herman Unger IAEA, Austria “The objectives of research as a mere accumulation of data or the display and parading of acquired knowledge in a world otherwise in motion is outmoded….. Discoveries and inventions must be made to yield some contribution towards that rather vague goal, the welfare of mankind.” Theobald Smith, 1934
