CONCEPTOS Y TÉCNICAS DE BIOTECNOLOGÍA 2011

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1 CONCEPTOS Y TÉCNICAS DE BIOTECNOLOGÍA 2011 BIOTECNOLOGÍA ANIMAL Y EN SALUD HUMANA (BASH) La Biotecnología en Salud Humana (Médica) comprende el uso de células vivas y materiales celulares para investigar y generar productos farmacéuticos y de diagnóstico que ayuden en el tratamiento y prevención de enfermedades humanas. La mayor parte de los biotecnólogos médicos trabajan en entornos académicos o industriales. Son profesionales que llevan a cabo experimentos como parte de estudios de investigación médica, por ejemplo trabajando en el desarrollo de drogas o vacunas. La Biotecnología Animal es la aplicación de los principios de la ciencia e ingeniería para el procesamiento o producción de materiales por animales para proveer de bienes, y servicios. Entre los ejemplos se incluyen: el clonado de animales, los animales transgénicos (ganado y peces) que incluye la producción de proteínas heterólogas, el uso de animales knock out como modelos de enfermedad, los productos biológicos para control de la sanidad animal (drogas y vacunas). BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL (BAM) La Biotecnología Ambiental se basa en el uso de medios biológicos para preservar o modificar la química de la atmósfera, la tierra y el agua. El desarrollo y la práctica de la biotecnología ambiental tiene sus principales bases científicas en dos áreas de conocimiento: la ingeniería metabólica y la ecología microbiana. Entre los servicios destacados y emergentes que la biotecnología ambiental brinda a la sociedad se incluyen la eliminación de los contaminantes orgánicos e inorgánicos, la recuperación de suelos y sedimentos contaminados, la conversión de residuos en productos de valor, incluyendo fuentes de energía y la detección de contaminantes o patógenos en el medio ambiente.

2 2 BLOQUE 1: BIOTECNOLOGÍA ANIMAL Y DE SALUD HUMANA 1. Introducción (1 clase) 1.1 Biotecnología Roja. Conceptos generales, importancia tecnológica, ejemplos. 1.2 Bioprocesos. Conceptos de procesos aguas arriba (upstream) y aguas abajo (downstream) 2. Biorreactores (1 clase) 2.1 Conceptos fundamentales de cinética de las fermentaciones. Ley exponencial del crecimiento microbiano. Velocidad específica de crecimiento, productividad, rendimientos, relaciones entre generación de producto y crecimiento. Ecuación de Monod. 2.2 Efectos de las condiciones ambientales en el crecimiento microbiano. Formulación de medios de cultivo en la industria. Condiciones técnico-económicas. 2.3 Modos de producción: cultivos discontinuos (batch) y semi-continuos (fed batch). Cultivos continuos, conceptos, aplicaciones y ecuaciones. Quimiostato. Ecuaciones de balance, velocidad de dilución. 2.4 Bioconversiones. Conceptos, características, diferencias con otras tecnologías de producción. Importancia industrial, ejemplos. 3. Procesamiento aguas abajo (downstream) de macro moléculas (1 clase) 3.1 Aislamiento y purificación de proteínas animales y humanas derivadas del DNA recombinante obtenidas en bacterias, levaduras, células animales en cultivo o secretadas por animales transgénicos. 3.2 Cosecha. Homogeneización. Extracción. Precipitación. Centrifugación. Filtración. Electroforesis. 3.3 Cromatografías: de intercambio iónico, interacción hidrofóbica, afinidad, quelación y tamices moleculares. 4. Biotecnología de cultivos de células animales (2 clases) 4.1 Cultivos de células animales. Tecnologías. Características y condiciones standard de los cultivos celulares. Cultivos primarios y seriados. Establecimiento de líneas celulares, inmortalización y aislamiento de clones. Sistemas de células de insectos y células de mamífero. 4.2 Transferencia génica a células animales mediante vectores no virales para producción de proteínas heterólogas. Modificaciones post-traduccionales y secreción. Estrategias generales y métodos de transfección. Tipos de vectores no virales y sus aplicaciones. Sistemas de expresión transitoria y estable de proteínas. Vectores estables extracromosómicos y minicromosomas artificiales. Construcción de vectores de expresión constitutiva o regulable. 4.3 Anticuerpos monoclonales. Métodos de fusión celular, hibridomas, obtención, selección. Metodologías de producción. Aplicaciones en diagnóstico, terapéutica y producción de otras moléculas. 4.4 Sistemas de fermentación, escalado. Cosecha, ruptura de las células, procesamiento aguas abajo: metodologías, factores de bio-seguridad, validación de procesos, legislación. 5. Ingeniería de tejidos (1 clase) 5.1 Cultivos de células troncales (stem cells) embrionarias y somáticas. Características generales y principales aplicaciones biotecnológicas. 5.2 Cultivo de piel in vitro para la terapia de heridas superficiales: dispositivos dermoepidérmicos. Reparación de tejido conectivo (cartílago) y de tejido muscular (músculo cardíaco). Tejidos transgénicos.

3 3 6. Biotecnología de la reproducción animal (1 clase) 6.1 Técnicas: transferencia de embriones. Producción in vitro de embriones. Sexado de embriones. Transplante de células germinales. Clonado. Técnicas de transplante nuclear. 6.2 Diagnóstico de enfermedades infecciosas y vacunas. 7. Animales transgénicos (2 clases) 7.1 Generación de animales transgénicos. Estrategias generales. Generación de animales transgénicos mediante la microinyección pronuclear de DNA en oocitos fertilizados. Vectores para la expresión dirigida de proteínas en animales transgénicos. Regulación de la expresión génica en animales transgénicos. Generación de animales transgénicos mediante vectores virales. 7.2 Generación de animales modificados genéticamente a partir de células madre embrionarias transfectadas. Modificación dirigida de genes endógenos mediante recombinación homóloga. Obtención de animales con deleciones génicas y mutaciones dirigidas. Transgénesis dirigida. 7.3 Generación de animales modificados genéticamente mediante transferencia de núcleos diploides. Técnicas de transferencia de núcleos diploides. Problemática de la reprogramación nuclear. Perspectivas de futuro. 7.4 Principales aplicaciones de los animales modificados genéticamente. Modelos animales de patologías humanas. Ensayos farmacológicos y toxicológicos. Mejora de la producción ganadera. Animales como biorreactores: Producción de proteínas recombinantes. 8. Terapia génica (2 clases) 8.1 Terapia con oligonucleótidos. Conceptos y campos de aplicación. Mecanismos de acción, unión al DNA (antigene) y al RNA (antisentido). Ejemplos de uso. Oligonucleótidos modificados. Problemas y perspectivas de empleo terapéutico. 8.2 Terapia génica de células somáticas. Campos de aplicación. Enfermedades genéticas y enfermedades degenerativas. Métodos de transferencia de genes. Vectores virales y no virales. Terapias ex vivo e in vivo. Estado actual. 9. Diagnóstico molecular (1 clase) 9.1 Enfermedades hereditarias de origen monogénico y poligénico. Microsatélites. Mutaciones y deleciones. Enfermedades adquiridas: diagnóstico, pronóstico y conductas terapéuticas. Análisis de filiación. 10. Aplicaciones de biotecnología microbiana en salud (1 clase) Vacunas recombinantes Diagnóstico de enfermedades infecciosas Bacteriófagos para biocontrol. Ensayos de mutagenicidad Producción de compuestos bioactivos: antibióticos, antiparasitarios, antitumorales. 11. Innovación y emprendimientos en Biotecnología Animal y Humana (1 clase) Conceptos generales sobre formulación de proyectos de inversión Identificación de las oportunidades de negocios. Nociones sobre estudios de mercado Elementos del costo total. Cálculos de la inversión de capital, costos de manufactura, estudios de casos Flujo de fondos, formulación del Plan de Negocios. Determinación de la factibilidad económica. Medidas de la rentabilidad. Análisis de sensibilidad Planeamiento estratégico. Gerenciamiento y toma de decisiones Conceptos sobre legislación de la propiedad intelectual Bioética y percepción pública.

4 4 BLOQUE 2: BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL 1. Introducción a la biotecnología ambiental (1 clase) Conceptos generales. La biotecnología en la intersección de disciplinas El problema de la contaminación Teoría y práctica en la resolución de problemas ambientales Campos de aplicación. Potencialidad de I+D. 2. Crecimiento, nutrición, fisiología y metabolismo (1 clase) Balance de masas. Fórmulas empíricas para células microbianas. 2.2 Microorganismos autótrofos y heterótrofos Modos de generación de energía en procariotas. Fermentación y respiración, transporte de electrones Reacciones de fermentación. Energía libre de reacción. Coeficiente de crecimiento celular. Metabolismo disimilatorio y asimilatorio Ciclos biogeoquímicos de los principales elementos. Ciclo global del carbono. Gases efecto invernadero. Secuestro de CO 2. Ciclos biogeoquímicos de nitrógeno y azufre. 3. Producción de metabolitos primarios, secundarios y enzimas(1 clase) Selección de microorganismos como fuentes de enzimas Aplicaciones de las proteasas, amilasas y lipasas de microorganismos Enzimas inmovilizadas. Producción de ácidos y solventes. 4. Biotecnología en alimentación (1 clase). 4.1 Ingredientes y suplementos: aminoácidos y vitaminas Células enteras: Probióticos. Nuevas aplicaciones: ingeniería metabólica 5. Expresión de proteínas heterólogas en levaduras (1 clase) Elección de sistema de expresión. Ingeniería genética de la N-glicosilación Estrategias de producción y purificación. 6. Fundamentos de ecología microbiana (1 clase) Diversidad microbiana. El concepto de ecosistema Dinámica de poblaciones, sucesión. Ensamblado de comunidades Métodos de análisis de comunidades complejas. Análisis del isótopo estable (SIP) Poblaciones microbianas naturales y artefactos de laboratorio Cultivo de microorganismos no cultivables. Extremófilos. 7. Tratamientos de efluentes (1 clase) Lagunas facultativas. Barros activados. Sistemas en biofilms. Sistemas granulares Reactores biológicos de membrana (MBR). Reactores híbridos (MBBR) Remoción de nutrientes: nitrificación-desnitrificación, anammox. Eliminación biológica de fósforo (EBPR). 8. Biorremediación (1 clase) Características de los contaminantes Biotecnología de biorremediación ex-situ e in-situ de suelos. Land farming Degradación microbiana de contaminantes en fase gaseosa Biorremediación in situ y ex situ de acuíferos contaminados.

5 Bioaumentación. Rizoremediación. 8.6 Transformación microbiana de metales Factores que afectan los procesos de biorremediación. 8.8 Aplicación global de tecnologías de biorremediación. 9. Bionenergía (1 clase). 9.1 Tratamientos anaeróbicos de residuos y efluentes. 9.2 Química y microbiología de la metanogénesis Producción y recuperación de biogas Producción de biohidrógeno. Células de combustibles microbianas (MFC) Producción de biodiesel por microalgas Biominería. Extracción asistida de petróleo. 10. Proteogenómica (1 clase) Aportes genómicos y post genómicos para el estudio de microorganismos útiles para la biorremediación. Aplicación de meta -ómicas en biotecnología. 11. Valorización de residuos (1 clase) Reuso del agua Residuos orgánicos como materia prima para transformaciones biotecnológicas. Compostaje. Obtención de bioetanol Recuperación de metales por bacterias reductivas de sulfato. Recuperación de fósforo y amonio por bacterias reductoras de hierro y bacterias oxidantes de hierro Valorización de los residuos de la producción de biodiesel. Producción de plásticos biodegradables. 12. Biosensores (1 clase) Biosensores basados en enzimas Biosensores de células enteras Inmunosensores Biosensores basados en ADN Tecnologías emergentes: Sistemas biológicos bioelectromecánicos (BIOMEMS). Actividades complementarias a las clases teóricas: Visita a un laboratorio especializado en el desarrollo de producción de proteínas recombinantes en levaduras. Visita a un laboratorio especializado en Biotecnología Humana: Ingeniería de Tejidos. Clase teórico-práctica de Biotecnología Farmacéutica donde los alumnos, bajo la guía del profesor, utilizará el software Pharmaceutical Biotechnology Virtual Laboratory