Asignatura: Bioinformática Profesor: Miguel Ángel Fernández Graciani Realizado por: Elisa Mota Turégano

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1 Asignatura: Bioinformática Profesor: Miguel Ángel Fernández Graciani Realizado por: Elisa Mota Turégano

2 INDICE: * Introducción * Áreas dentro de la biotecnología: 1. Biotecnología industrial 2. Biotecnología aplicada a la salud humana y animal 3. Biotecnología ambiental 4. BIOTECNOLOGÍA AGROALIMENTARIA Estudios que pueden desarrollarse: 4.1 Plantas modificadas genéticamente - Ejemplos 4.2 Nuevos avances en ganadería - Ejemplos 4.3 Nuevos alimentos - Ejemplos 4.4 Control de plagas y enfermedades vegetales -Ejemplos 4.5 Calidad y Seguridad Alimenticia 5. Percepción pública de la tecnología

3 INTRODUCCIÓN La Biología - bio, que en griego significa vida, y logos, que significa estudio - es la ciencia que estudia los seres vivos. Es una de las ramas de las ciencias naturales, y comprende múltiples disciplinas: zoología, botánica, microbiología, anatomía, bioquímica, fisiología, biología celular, genética, biología molecular, biotecnología, ecología y sistemática, entre otras. La Biotecnología, por su parte, 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, se interesa por el uso de organismos vivos, o partes de ellos, para obtener o modificar productos, mejorar plantas o animales o desarrollar microorganismos para objetivos específicos. Su desarrollo se encuentra estrechamente relacionado con los progresos en materia de ingeniería genética, una tecnología que se desarrolló a partir de los años 70 y que posibilita la manipulación y la transferencia del ADN de unos organismos a otros. Mediante esta técnica, cuya aplicación simboliza a la biotecnología moderna, es posible desarrollar nuevas especies, corregir defectos genéticos, potenciar y eliminar cualidades de los organismos en el laboratorio, así como la fabricación de numerosos compuestos para usos específicos. La biotecnología moderna es una actividad científica multidisciplinaria e integradora que presenta una dependencia especial de los progresos tecnológicos relacionados con la velocidad de procesamiento de la información. Durante la segunda mitad del siglo XX, la bioquímica mostró un avance acelerado, sobre todo, a partir del desarrollo de nuevas técnicas como la cromatografía, la difracción de rayos X, el marcaje por isótopos y la aparición del microscopio electrónico, que abrieron el camino para el análisis detallado y el descubrimiento de muchas moléculas y rutas metabólicas de la célula. Avanzaron la biología celular, la biología molecular, la biotecnología y la genética, entre otras; crecieron los conocimientos pero también los productos - nuevos alimentos, especies, test, medicinas y las aplicaciones específicas a las esferas de la agroalimentación, la ganadería, la salud humana y animal, así como el medioambiente.

4 Estos esquemas muestran distintas áreas que se pueden estudiar en la biotecnología:

5 ÁREAS DENTRO DE LA BIOTECNOLOGÍA Las líneas que a continuación se desarrollan responden a las cuatro grandes áreas de la Biotecnología. 1. BIOTECNOLOGÍA INDUSTRIAL Esta área se centra en el desarrollo de procesos de producción a escala industrial mediante la utilización de organismos o partes biológicamente activas de estos. Son procesos limpios compatibles con el respeto al medio ambiente y que persigan la sostenibilidad de la producción en si misma como garantía de futuro. Se pueden solapar con objetivos de otras áreas, con tecnologías químicas o alimenticias. Biocatálisis En este sector encontramos un gran objetivo: la biocatálisis, son procesos de producción a escala industrial mediante la utilización de organismos o partes biológicamente activas de estos. Aquí podemos encontrar varios estudios aún en desarrollo: - Procesos fermentativos con células vivas: sistemas biocatalíticos in Vitro. - Ingeniería metabólica: nuevos organismos genéticamente modificados. - Mutagénesis dirigida: desarrollo de nuevas enzimas mediante distintos procesos de ingeniería de proteínas. - Desarrollo de productos como fármacos, aditivos alimentarios, materiales biodegradables. Ingeniería de bioprocesos También está dentro de esta área la Ingeniería de bioprocesos, se encarga de temas como: - Optimización de las condiciones de operación en los bioarreactores. - Escalado de los bioprocesos - Procesos para el aislamiento y purificación de los bioproductos. - Nuevas tecnologías de ermentación - Sistemas de control para seguir on line los procesos.

6 Contaminación medioambiental La producción de Bioenergía es una de las maneras en las que la Biotecnología puede contribuir a la sostenibilidad de los recursos y a la disminución de la contaminación medioambiental. La importancia de este tema hace que se plantee más adelante como una acción estratégica. Biología de Sistemas Está orientado a comprender mejor los procesos metabólicos que sirven para obtener productos de valor industrial. Actividades como: - Rediseñar organismos para el desarrollo y optimización de los procesos biocatalíticos. - Proyectos pluridisciplinares donde los datos obtenidos mediante las tecnologías ómicas se apoyen en los análisis informáticos para el desarrollo de modelos que mimeticen in silico el comportamiento celular (la célula in sílico) serán de gran interés. - El diseño de organismos con genomas mínimos que permitan un mejor control de los procesos biocatíticos es un objetivo de futuro. 2. BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA SALUD HUMANA Y ANIMAL Se estudia la mejora de la salud humana y animal aplicando técnicas propias de la Biotecnología. También se pueden solapar con otras áreas de medicina o ganadería. El desarrollo de Modelos Biológicos, ya sean para su uso in silico (bioinformática), in vitro (sistemas enzimáticos) o in vivo (células o seres pluricelulares) es un objetivo del área sanitaria en tanto que estos modelos pueden servir para el análisis de toxicidad, para el estudio de enfermedades. Se intenta emplear las tecnologías recombinantes para la creación de nuevas proteínas o nuevos organismos como posibles dianas terapéuticas. Nuevos fármacos En este apartado se consideran distintas aproximaciones tecnológicas al desarrollo de Nuevos Fármacos. - Los fármacos de origen recombinante obtenidos tanto mediante fermentación de microorganismos como por cultivo de células superiores de plantas o animales son también objetivo del programa. - Como nuevos fármacos también se consideran las vacunas. - Un aspecto muy interesante es el desarrollo de tecnologías bioinformáticas para el diseño de fármacos in silico - Los fármacos derivados de oligonucleotidos (vacunas DNA, RNAi, etc.) son productos a estudiar y desarrollar de cara al futuro.

7 Objetivos: - La Medicina Regenerativa, - La Terapia Celular. - La Ingeniería de Tejidos. - Los Nuevos Sistemas de Dispensación de compuestos Bioactivos incluyen los sistemas nanotecnológicos para la dispensación de fármacos. - Las aplicaciones de las herramientas y conceptos de la Biología de Sistemas a la medicina. - El desarrollo de Nuevos Sistemas de Diagnóstico en su sentido más amplio requiere un tratamiento especial. 3. BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL Aquí se estudia la forma de proteger y sostener el medio ambiente, como: - Usar biocatalizadores como tecnologías limpias. - Acciones estratégicas propuestas sobre bioenergía. - Acciones destinadas al manejo de los residuos - Estudios y sostenimiento de la biodiversidad. Esta área también se puede solapar con otros programas, como que tratan los recursos naturales, aunque aquí se trata de que las tecnologías que se utilicen sean fundamentalmente moleculares. Eliminación, Reutilización o Revalorización de residuos Es un objetivo básico de la biotecnología medioambiental. Aquí se consideran: - residuos más contaminantes (e. g., metales o derivados de petróleo) - residuos menos contaminantes (e. g., residuos agrícolas), - aguas residuales urbanas, las basuras, etc.. Mediante el empleo de seres vivos o productos derivados se diseñan los procesos para la eliminación o reutilización de residuos biológicos o no biológicos. Del tratamiento biotecnológico de los residuos se pude obtener un beneficio, algunos son portadores de productos de gran valor añadido o pueden ser transformados eficazmente en dichos productos. También se desarrollan tecnologías destinadas a la remediación de ambientes contaminados con vertidos peligrosos para la salud. Las tecnologías de compostaje son otro ejemplo de aplicación a procesos de revalorización de residuos

8 Biodiversidad El conocimiento, la conservación y el uso racional de la Biodiversidad es un objetivo donde la Biotecnología puede aportar herramientas y soluciones. Existen varias técnicas: - Tecnologías ómicas al estudio de la biodiversidad es un campo de futuro. - Tecnologías de reproducción asistida. - Técnicas de clonación. - Técnicas de conservación de germoplasma. - Técnicas de conservación de cualquier célula, a partir de la cual pueda reproducirse el ser vivo pueden ayudar a la conservación de especies en peligro de extinción. 4. BIOTECNOLOGÍA AGROALIMENTARIA La biotecnología agroalimentaría persigue la utilización de las técnicas más modernas de la biología molecular al campo de la agricultura, la ganadería y la alimentación. Básicamente se pretende desarrollar nuevos organismos modificados genéticamente que ofrezcan nuevas propiedades o posibilidades de explotación. Estos estudios se pueden solapar con programas de agricultura, ganadería o alimentación, o incluso con otros apartados de este mismo programa en tanto que las plantas y animales pueden ser considerados como birreactores/catalizadores, como fuentes de energía o como elementos biorremediadores. Algunos de los esudios que pueden desarrollarse son: 4.1 Plantas modificadas genéticamente Se persigue la creación de nuevas variedades de plantas utilizando técnicas de ingeniería genética. Los objetivos para la obtención de estas plantas: - Obtención de plantas con mejores características de interés agronómico - Adquisición de resistencias a estrés biótico o abiótico y mejoras de rendimiento. - Utilización de las plantas como biofactorías. - Pasando por el diseño de plantas con mejores valores nutricionales. - Los estudios de marcadores moleculares para la mejora genética realizados con tecnologías ómicas serán de gran valor.

9 Mediante los estudios de las Interacciones Planta-Microorganismos se trata de entender mejor las interacciones que se producen entre plantas y microorganismos (e. g., virus, bacterias y hongos) con dos objetivos: - Buscar soluciones a las enfermedades que los patógenos causan a las plantas. - Entender mejor como se producen las interacciones beneficiosas con los simbiontes y mejorar así el rendimiento de algunos cultivos. Biotecnología vegetal La explotación biotecnológica de las plantas superiores se centra en las técnicas de cultivo de tejidos vegetales para la producción de metabolitos secundarios a partir de cultivos en masa y la utilización de técnicas de ADN recombinante para modificación genética de plantas, en particular en cultivos agrícolas. A continuación se muestra el uso industrial que se le dan a los productos que vienen de distintas plantas:

10 En la figura se puede ver como se modifica genéticamente de un vegetal:

11 Ejemplo de Hibridación somática entre dos plantas:

12 Ejemplos: 1) Soja resistente al herbicida GLIFOSATO: Soja que contiene un gen bacteriano que codifica el enzima5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintetasa. El enzima participa en la síntesis de los aminoácidos aromáticos, y el nativo vegetal es inhibido por el glifosato, no así el bacteriano. 2) Maíz resistente al ataque de insectos(taladro): Contiene un gen que codifica una proteína de Bacillusthuringiensiscon acción insecticida al ser capaz de unirse a receptores específicos del tubo digestivo de determinados insectos interfiriendo en el proceso de alimentación y causando la muerte. La toxina no tiene efecto sobre los humanos. 3) Procedimiento de transformación de una célula de tomate, utilizando a la bacteria Agrobacterium Tumefaciens como vehículo:

13 4.2 Nuevos avances en ganadería A la hora de estudiar la ganadería se tienen en cuenta: - Ganadería tradicional de mamíferos. - Avicultura (cría de aves). - Acuicultura (cría de peces). - Apicultura (insectos). Técnicas que se usan: - Tecnologías ómicas para la mejora de la producción ganadera es un objetivo prioritario. - Tecnologías encaminadas a la obtención de animales transgénicos y clónicos. - Técnicas de reproducción asistida - Técnicas de conservación de células reproductoras. Aunque con excepción de los peces, la ganadería transgénica como tal tiene hoy pocas aplicaciones industriales, el uso de animales transgénicos como biofactorías para la obtención de bioproductos (enzimas, fármacos, etc.), células u órganos es un campo a explorar. Ejemplos de animales transgénicos: - Cerdos con baja grasa dorsal y alta eficacia de transformación de alimentos. - Animales con múltiples copias de la hormona de crecimiento (cerdos, salmón, carpas,...) - Aves resistentes a diferentes bacterias y virus. - Rumiantes(vaca, oveja, cabra) con composición de leche alterada. - Modificación de los constituyentes de la leche:

14 4.3 Nuevos alimentos Se contemplan aquí actividades encaminadas a lograr nuevos alimentos mediante el uso de diferentes tecnologías, pero especialmente de las tecnologías recombinantes. El alimento puede ser un organismo como tal (e. g., microorganismos o plantas) o un producto derivado de estos obtenido por fermentación o cultivo. Los productos denominados nutracéuticos, los probióticos y los prebióticos son ejemplos de estos nuevos alimentos que pueden ser obtenidos por técnicas biotecnológicas. Pero no se puede olvidar que otros procesos más tradicionales o clásicos como la obtención de vino, cerveza, pan o productos lácteos también pueden ser objetivos de este apartado. En esta tabla se muestran alimentos obtenidos por nuevas técnicas biotecnológicas: Algunos alimentos tradicionales en los que se utiliza la biotecnología: - Bebidas alcohólicas: vino, cerveza, queso, yogurt, pan, vinagre... - Fruta y productos vegetales: - Conservantes (encurtidos en vinagre) - Salsa de soja -Chucrut (col fermentada) - Derivados por fermentación: Enzimas, sabores o aditivos. - Suplementos dietéticos: - Aminoácidos -Vitaminas

15 Se aplican diferentes tecnologías biológicas: - Evaluación toxicológica o funcional de nuevos alimentos con modelos animales o celulares, para testar los beneficios de los alimentos funcionales pueden ser de gran utilidad nos solo para evitar el peligro que entraña utilizar seres humanos sino también para abaratar los costes y agilizar los procedimientos de certificación. En este sentido resultará de interés el empleo de especimenes silvestres o transgénicos (animales, plantas, microorganismos). - La nutrigenómica trata de establecer una relación entre el perfil genético del individuo y los beneficios o perjuicios que se obtienen de la ingesta de los alimentos. Se trata de conocer también a través del genoma como puede contribuir la dieta a la prevalencia o erradicación de enfermedades o disfunciones en determinados grupos de población. - Procedimientos de producción biológica (e. g., fermentación, biocatálisis), extracción y purificación de sustancias bioactivas para uso alimentario. Nutracéuticos Cada vez con mayor frecuencia el consumidor exige que los alimentos no sólo aporten los elementos nutritivos esenciales para el desarrollo, sino que además proporcionen otras características o funcionalidades, ya sea desde un punto de vista organoléptico o en la prevención/tratamiento de determinadas enfermedades o disfunciones fisiológicas. A estos últimos alimentos se les asigna el nombre de alimentos funcionales o nutracéuticos. Los nuevos alimentos incluidos los alimentos funcionales pueden ser: - Productos biológicos para consumo directo, aquí los estudios están destinados a producir nuevas plantas o animales que se modifican para mejorar su presencia, su textura, o su sabor y los microorganismos que se modifican para cambiar el resultado de los procesos fermentativos en los que intervienen. - Alimentos procesados mediante nuevos procedimientos a los que además se les pueden añadir sustancias que modifican o complementan sus propiedades. Las herramientas ómicas pueden ser de gran utilidad para el desarrollo de estos nuevos productos ya sea por mejora genética convencional o por ingeniería genética. - Alimentos que puedan considerarse funcionales en el sentido de que aporten además de sus valores nutricionales u organolépticos otras propiedades beneficiosas para la salud. En este campo se encuadran tanto los animales, vegetales o microorganismos modificados para tal fin, como alimentos de diseño que incluyen principios bioactivos como aditivos funcionales.

16 Ejemplo: Producción de la cerveza Proceso: 1º) Producción de cerveza libre de β-glucanos: introducción de un gen que codifica la β-glucanasa. 2º) Disminución del contenido calórico de la cerveza: introducción de un gen que codifica la α-glucoamilasa. 3º) Disminución del sabor dulce de la cerveza: introducción de un gen que codifica una descarboxilasa. 4º) Incremento y estabilidad de los sabores y aromas de la cerveza durante el almacenamiento: inactivación del gen MET incrementado la producción de sulfitos.

17 A continuación se muestra una imagen de la hidrólisis del almidón: Producción de enzimas: Fuentes: - Animales( tripsina, lipasas, cuajos). - Vegetales (papaína, bromelaína, ficina, amilasas, lipooxigenassoja, enzimascítricos). - Microbianas (resto). Ventajas de las enzimas microbianos: -Económicas (producción a gran escala) - Técnicas: - Gran variedad de vías metabólicas - Crecen en un amplio intervalo de condiciones ambientales - Gran flexibilidad genética y facilidad de manipulación - Corto tiempo de generación

18 A continuación se muestra una tabla con las preparaciones enzimáticas procedentes de microorganismos modificados genéticamente aprobados en la UE: LA CLONACIÓN: Fases de clonación de genes: 1º) Preparación del gen 2º) Inserción en el vector 3º) Transformación de la célula hospedadora 4º) Detección de genes clonados 5º) Optimización de la expresión de los genes clonados.

19 En la figura se observa el proceso de clonación de genes:

20 4.4 Control de plagas y enfermedades vegetales Las enfermedades y las plagas causan numerosos estragos en la agricultura, por lo que se estudian las aplicaciones de la biotecnología al control de las mismas, con estos objetivos: - Resistencia de las plantas a plagas y enfermedades. - Resistencia de las plantas a los herbicidas (soja tolerante al herbicida glifosato RoundupReady ) - Desarrollo de plantas que soporten condiciones más extremas (sequía, heladas y salinidad) - Desarrollo de alimentos de mayor calidad -Incremento de productividad (mayor eficiencia fotosintética, fijación de nitrógeno). En los mecanismos de resistencia natural de las plantas a las plagas y enfermedades hay unas bases fisiológicas y moleculares de la interacción entre el agente causante del daño y la planta hospedante. Las tecnologías ómicas serán una herramienta de gran ayuda en estos estudios. Hay varias técnicas para llevar este control, algunas pueden ser: - El control biológico (biocontrol) de las plagas mediante el uso de organismos antagonistas ya sean o no organismos modificados genéticamente es una opción para luchar contra las plagas y reducir el uso de pesticidas. - Los pesticidas microbiológicos (biopesticidas) obtenidos a partir de organismos salvajes o manipulados mediante técnicas de ingeniería genética pueden ser una alternativa a los pesticidas químicos. - El uso de nuevas sustancias antivirales como los RNAi es un ejemplo de que existen otras alternativas para proteger a las plantas. - Plantas transgénicas resistentes a las plagas o a las infecciones causadas por virus, bacterias u hongos. Los métodos de diagnóstico serán útiles tanto para la detección rápida y precisa de los organismos perjudiciales en los cultivos infectados, como para la certificación de plantas sanas.

21 A continuación se muestra una lista de alimentos de los cuales se ha cambiado alguna característica mediante biotecnología:

22 4.5 Calidad y Seguridad Alimenticia Siempre se trata de mejorar la salud a través de proporcionar alimentos de mejor calidad manteniendo un mayor control sobre las condiciones más seguras de producción y consumo. Para ello se trata de diseñar herramientas biotecnológicas que permitan valorar la calidad del producto y garantizar su seguridad. En cuanto a la calidad se trata de diseñar herramientas para asegurar la trazabilidad de los alimentos para garantizar su origen y evitar el fraude. Es importante un análisis rápido, preciso y económico de la presencia de organismos patógenos en los alimentos o sustancias contaminantes de origen químico o biológico que puedan resultar nocivas, para evitar intoxicaciones. Especial atención hay que prestar a las zoonosis o a las enfermedades emergentes que puedan derivarse de la globalización de los mercados y de los sistemas de producción. En lo que concierne a la Calidad Alimenticia se contemplan actividades encaminadas a la utilización de las tecnológicas moleculares para asegurar tanto la identidad y procedencia de los productos alimentarios como su seguridad microbiológica y toxicológica, como pueden ser: - Desarrollo de biosensores en un sentido amplio (bioelectrónicos, anticuerpos, DNA-chips, etc.). - Aplicación de las tecnologías de masas. - Técnicas bioquímicas y de biología molecular. Conservación de los alimentos La calidad de los alimentos también depende de su conservación, por lo que se investigará sobre nuevos procedimientos de conservación y envasado que mantengan intactas sus propiedades nutritivas y organolépticas durante más tiempo, al mismo tiempo que eviten su contaminación con patógenos o sustancias tóxicas. Los métodos de análisis o el uso de biomarcadores que permitan detectar incluso in situ el deterioro del alimento serán de gran ayuda.

23 5. PERCEPCIÓN PÚBLICA DE LA TECNOLOGÍA Como se puede observar no todo el mundo está de acuerdo con el hecho de cambiar ciertas características de algunas cosas naturales mediante métodos tecnológicos.

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