Historia de la Biotecnología

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1 Historia de la Biotecnología CyTB 2015 Flávio Silva Junqueira de Souza

2 Biotecnología - definiciones - "Any technological application that uses biological systems, living organisms, or derivatives thereof, to make or modify products or processes for specific use." (United Nations Convention on Biological Diversity) - "The application of biological systems and organisms to technical and industrial processes" (Food and Drug Administration - USA) - "The application of science and technology to living organisms, as well as parts, products and models thereof, to alter living or non-living materials for the production of knowledge, goods and services." (European Commission) - el uso de organismos vivos (o sus partes) para la creación de productos y processos útiles para el ser humano

3 Biotecnología - periodos - Biotecnología antigua (antes de 1800) : domesticación de animales y plantas : producción de vino, cerveza y vinagre por fermentación : producción de queso por fermentación o coagulación con quimosina - Biotecnología clásica ( ) : descubrimiento de fermentación por microrganismos : descubrimiento de los principios de la genética : desarrollo de la biotecnología científica - Biotecnología moderna ( presente) : desarrollo de técnicas de ingeniería genética : manipulación del genoma de organismos para la producción (bacterias, hongos, plantas, animales)

4 Antes de la biotecnología - el género Homo existe hace 2 millones de años (H. habilis, H. erectus, H. heidelbergensis etc) - Homo sapiens anatomicamente moderno se originó hace 200 mil años (Paleolítico) - el modo de vida primitivo de los hombres era el de cazadores-colectores (hasta hace 10 mil años) - la tecnología paleolítica era simple (dominio del fuego, instrumentos de piedra, hueso y madera) - no existió una biotecnología paleolítica notable excepto por la domesticación del lobo hace c años escena de caza p escena de caza, cueva de Altamira c años atras

5 Domesticación del lobo - el lobo gris (Canis lupus) fue el primer animal en ser domesticado hace años o más (Paleolítico) - el lobo domesticado ofrecía protección, compañia y ayudaba en la caza - el sitio de domesticación es controversial: Medio Oriente, Europa o China - acompañó los humanos en las migraciones mundiales (América, Oceania) - dió origen al perro doméstico (Canis lupus familiaris)

6 Domesticación del lobo lobo gris relieve asirio con perro de caza (c años atras)

7 Web Museum of Fine Art perro de compañía (detalhe) Jan van Eyck, 1434

8 Cazadores-colectores!Kung, Kalahari Hadza, Tanzania

9 Cazadores-colectores años!

10 Revolución neolítica - drástico cambio en el modo de vida humano (agricultura y sedentarismo) que marca el comienzo del Neolítico - los motivos que llevaron a la invención de la agricultura son discutidos; cambios climáticos? aumento de la población? - domesticación de animales (cabra, oveja, vaca, chancho etc) y plantas (trigo, cebada, arroz etc) empezando mil años atras - empieza en el Medio Oriente, sigue independentemiente en China, Meso- y Sudamérica, África Equatorial - la agricultura generó mayor disponibilidad de comida, sedentarismo, aumento de la población, surgimiento de las primeras ciudades, comercio, primeras civilizaciones, tecnología mas avanzada, escrita etc

11 Revolución neolítica - primeras ciudades plantaciones animales domesticados Çatalhöyük - poblado neolítico en Anatolia ( años atras) llegó a tener personas

12 Domesticación - proceso por el ser humano toma el control de la reproducción de otra especie que cambia su morfología, fisiología, comportamiento y genética adaptandose a las necesidades humanas - resultado de presión de selección artificial sobre variantes de la especie domesticada (o en proceso de ser domesticada) - animales salvajes domesticables tienen un conjunto de caracteristicas que favorecen la domesticación: dieta amplia, crecimiento rápido, temperamento adecuado etc - las plantas cuando domesticadas adquieren caracteristicas claves: aumento del tamaño de las semillas/frutos; ausencia de dormencia de la semilla; ausencia de mecanismos de dispersión de semillas etc agricultura en el Egipto antiguo (c años atras)

13 Domesticación - centros de domesticación de plantas

14 Planta Lugar Fecha (años antes presente) Higuera Medio Oriente Cebada Medio Oriente Trigo "Einkorn" Medio Oriente Trigo "Emmer" Medio Oriente Lino Medio Oriente Zapallo America Central Arroz Extremo Oriente 8000 Maiz America Central 8000 Mijo Extremo Oriente 8000 Mandioca Sudamerica 8000 Papa Sudamerica 7000 Girasol Norteamerica 4800 Chili Sudamerica 6000 Batata Sudamerica 4500 Poroto America Central 4000 Arroz Africano Africa 1000

15 Animal Lugar Fecha (años antes presente) Lobo/Perro Medio Oriente, Europa, China Cabra Medio Oriente (Iran) Oveja Medio Oriente Jabalí/Chancho China, Medio Oriente Uro/Vaca India, Medio Oriente Gato Mediterraneo 9000 Gallina India, Sudeste de Asia 8000 Burro Egipto 7000 Caballo Estepa Euroasiatica 6000 Llama Andes (Peru) 5500 Gusano de la seda China 5000 Camello bacteriano Asia Central 4500 Dromedario Arabia

16 Domesticación - Medio Oriente Zeder (2008) PNAS USA - domesticación de especies de trigo (wheat), cebada (barley), cabras, ovejas, vacas y chanchos

17 Domesticación - Medio Oriente - cabra y vaca en Ur (Sumeria), 4500 años atras Wikimedia Commons

18 Domesticación - Norte de África - cosecha en el Antiguo Egipto (3000 años atras) Wikimedia Commons

19 Domesticación - ejemplos - proporción de granos de trigo (azul), cebada (amarillo) y arroz (rojo) que no dispersan (non-shattering) en asentamientos humanos del Neolítico Purugganan & Fuller (2009) Nature

20 Domesticación - ejemplos - cambios morfológicos entre el teosinte y el maíz: forma de la planta, tamaño del grano, número de granos por mazorca, cobertura de los granos Doebley et al (2006) Cell

21 Domesticación - ejemplos Doebley et al (2006) Cell tomate (domesticado en Mesoamérica) girasol (domesticado en Norteamérica)

22 salvaje domesticada - mapeo genético de variedades de arroz que dispersan (salvajes) x no dispersan (domesticadas) reveló un gen (sh4) que regula la camada de absición del grano gen sh4

23 - mutación (d; rojo) en el DNAbinding domain de SH4 reduce la actividad del factor de transcripción

24 - teosinte y maíz tienen distinta anatomia del tallo y mazorca 2011

25 diferencias en la anatomía del tallo están dadas en gran parte por un aumento de la expresión del gen teosinte brached 1 (tb1) en maíz en relación al teosinte - el polimorfismo presente en el maíz es un transposón de DNA (Hopscotch) que actua como enhancer y aumenta la expresión de tb1

26 el alelo con Hopscotch existe en poblaciones salvajes de teosinte en México, lo que indica que el alelo fue seleccionado por los humanos durante el proceso de domesticación hace c años

27 - mapeo genético de perros de distintos tamaños muestra un alelo de IGF1 seleccionado en perros de pequeña talla - IGF1 codifica una proteina secretada involucrada en crecimiento y longevidad - las razas con haplotipos asociados a tamaño pequeño tienen menos IGF1 en sangre

28 - ciertos haplotipos de IGF1 están fuertemente asociados a razas de pequeño tamaño

29 Procesamiento de la comida - fermentación - fermentación clásica: proceso por el cual microorganismos (bacterias, levaduras) convierten sustancias orgánicas (azúcares) en frutas, cereales y leche en CO 2, alcohol y/o ácido láctico definiciones relacionadas: fermentación moderna: proceso por el cual microorganismos (bacterias, levaduras, hongos, células animales, células vegetales) cultivados en un biorreactor convierten sustancias orgánicas en biomasa o productos útiles fermentación (bioquímica): degradación de sustancias orgánicas por organismos en condiciones anaeróbicas en que electrones son transferidos a compuestos endógenos. Ejemplos: fermentación alcohólica, fermentación láctica etc

30 Procesamiento de la comida - fermentación - algunos productos fermentados material fermentado microrganismo región de origen fecha (años atras) vino uvas S. cerevisiae Asia Menor 7400 cerveza malta, trigo S. cerevisiae Medio Oriente 6000 pan trigo (harina) S. cerevisiae Egipto 3500 hidromiel miel S. cerevisiae? 4000 yogur leche lactobacterias Asia Central 4000 vinagre vino de dáctil o uva acidobacterias Medio Oriente? queso leche lactobacterias Europa, Medio Oriente 7000 salsa de soja soja Aspergillus China 1700 chicha maíz, mandioca? Sudamerica >700

31 Procesamiento de la comida - vino levaduras (fermentación) uvas

32 Procesamiento de la comida - vino sátiros produciendo vino (griego, 500 ac)

33 Procesamiento de la comida - vino productores medievales de vino (iluminura del siglo XV)

34 Procesamiento de la comida - queso cuajo - quimosina (coagulación de la leche) lactobacterias (fermentación) leche

35 Procesamiento de la comida - queso producción de queso (Tacuinum Sanitatis, siglo XV) Wikimedia Commons

36 Procesamiento de la comida - queso - del abomaso de los terneros se saca el cuajo que contiene la enzima quimosina - la quimosina procesa la caseina de la leche y causa la coagulación - actualmente el 90% de la quimosina bovina es recombinante - hecha en hongos transgénicos abomaso quimosina bovina recombinante CHY-MAX Chr Hansen (Dinamarca) Maxiren DSM (Holanda)

37 Procesamiento de la comida - cerveza cebada germinación y secado de la cebada (malta) producción de mosto (digestión del almidón de la malta por las amilasas de la propia malta) agregado de levadura y fermentación

38 Procesamiento de la comida - cerveza trabajadores de la producción de cerveza (Alemania)

39 Saccharomyces cerevisiae - microorganismo más usado en procesos biotecnológicos (cerveza, vino, pan, producción de etanol) - se utilizan S. cerevisiae y parientes cercanos (S. bayanus, S. uvarum). Otras especies (S. cariocanus, S. mikatae, S. paradoxus, S. kudriavzevii) ocurren casi solamente en ambiente natural - Saccharomyces son hongos unicelulares capaces de convertir glucosa en etanol y CO 2 (fermentación alcohólica) en anaerobiosis. - son también capaces de producir etanol en aerobiosis, cuando la concentración de glucosa es alta. - cuando la concentración de glucosa es baja en aerobiosis, el etanol puede ser usado como sustrato del Ciclo de Krebs

40 Saccharomyces cerevisiae Sicard & Legras (2011) C R Biologies - S. cerevisiae puede producir etanol por fermentación en anaerobiosis (enzima Adh1) o utilizar el etanol como fuente de energía en aerobiosis (Adh2)

41 Saccharomyces cerevisiae Sicard & Legras (2011) C R Biologies - árbol filogenético de cepas de levadura de distintas fuentes de fermentación - cepas usadas en procesos similares son mas emparentadas - muchas cepas son poliploides y algunas son híbridas entre distintas especies de Saccharomyces - p.ej. la levadura de la cerveza Lager tiene una mitad del genoma de S. cerevisiae y la otra de S. bayanus (adaptación a la fermentación a baja temperatura)

42 Saccharomyces cerevisiae Pérez-Ortín (2002) Genome Res Sicard & Legras (2011) C R Biologies - cepas de S. cerevisiae usadas en produción de vino poseen una translocación que aumenta la expresión del gen de un transportador de sulfito (SSU1) - sulfito es usado como agente antimicrobiano y antioxidante en el vino desde la Antiguedad, Edad Media hasta hoy, lo que causó la selección de cepas resistentes

43 Revolución científica - microorganismos - en 1680, Anton van Leeuwenhoek observó por primera vez la vida microscópica - describió por primera vez protozoos, algas y bacterias (animáculos) - no reconoció las levaduras como seres vivos Wikimedia Commons

44 Fermentación - fórmula química - Antoine Lavoisier (1789) reconoció que el azúcar está compuesto por carbono, oxígeno y hidrógeno y que la fermentación origina etanol y gas carbónico (burbujas) - Joseph-Louis Gay Lussac (1815) perfeccionó la formula - la levadura (fermento) era considerada un agente no vivo que era necesario pero que no se gastaba durante la reacción. La fermentación era un proceso químico, no biológico Barnett (2003) Microbiology

45 Fermentación - levaduras - en 1837, Charles Cagniard de la Tour, Friedrich Kützing y Theodor Schwann descubrieron independientemente que las levaduras son células vivas y que se dividen por gemación durante la fermentación gemación cicatrices Theodor Schwann - ese descubrimiento fue posible por el desarrollo de mejores microscopios - hipótesis: la fermentación era un proceso mediado por organismos vivos y no una reacción química solamente

46 Fermentación - levaduras - tres de los mas destacados científicos de la época se opusieron a la teoria de que las levaduras eran vivas y necesarias a la fermentación: Justus von Liebig, Jöns Berzelius y Friedrich Wöhler Friedrich Wöhler Justus von Liebig - para ellos la fermentación era resultado de la acción del aire en el jugo de los frutos; las levaduras serían cuerpos inertes que resultan de la decomposición del los frutos

47 Fermentación - Pasteur - por medio de experimentos detallados, Louis Pasteur (1857) estableció definitivamente que la fermentación es un proceso mediado por un levaduras y terminó con la teoría de que era un proceso solamente químico - determinó además: : que la fermentación es un proceso anaeróbico y resulta de la multiplicación de las levaduras : cada tipo de fermentación (alcohólica, lática) depende de un tipo específico de microorganismo : que la inoculación adecuada es importante en la fermentación : que los nutrientes del medio de crecimiento son importantes para la fermentación

48 Fermentación - enzimas - en 1833, Anselme Payen y Jean-François Persoz aislaron la "diastasa" (amilasa) de la malta de cebada - en 1837, Liebig y Wöhler describieron la "emulsina" (beta-glucosidasa) de almendras - "fermentos" podían ser "organizados" (levaduras, bacterias) o "no-organizados" (sustancias solubles como la diastasa o la emulsina) - en 1858, Moritz Traube sugirió que los "fermentos" (enzimas) eran responsables por las reacciones de la fermentación y que se encontraban adentro de las levaduras - Wilhem Kühne (1878) introdujo el término "enzima" para los fermentos no-organizados solubles - Eduard Buchner (1897) logró realizar la fermentación alcohólica con extractos de levadura y postuló que eso de debía a una enzima (zimasa)

49 Fermentación - Pasteur - Pasteur (1864) también demostró la falsedad de la teoría de la generación espontánea - el aire está siempre cargado de microorganismos y contamina los cultivos abiertos

50 Enfermedades - teoría microbiana - en 1796, Edward Jenner descubre que el pus de la variola bovina prevenía la varíola humana cuando inoculada en personas (vacunación) - introducción de los antisépticos (1846) - Robert Koch descubre que bacterias causan anthrax (1877), tuberculosis (1882) y cólera (1883) - en 1880 Pasteur desarrolla una vacuna atenuada contra la cólera aviar - en 1881 Pasteur crea vacunas contra la rabia y y el anthrax primera foto del bacilo del anthrax (Koch, 1877) - en 1909, Paul Ehrlich crea un compuesto (Salvarsan o 606) con arsénico que mataba la bacteria del sífilis - primer ejemplo de quimioterapia

51 Fermentación industrial no-alimenticia - durante la Primera Guerra Mundial, Alemania producía glicerol para municiones por medio de la fermentación de azúcar de beterraba con levaduras. El agregado de sulfito al medio provoca la formación de glicerol en lugar de etanol. - Chaim Weizmann, también durante la Primera Guerra Mundial, introdujo la fermentación con la bacteria Clostridium acetobutylicum para producir acetona y butanol para la indústria bélica inglesa. Fue la primera fermentación no-alimenticia en larga escala fermentación ABE (acetona-butanol-etanol) en Clostridium

52 Biotecnología - Károly Ereky creó el término "biotecnología" en su libro: "Biotecnología de la producción de carne, grasa y leche en grandes emprendimientos" (Berlin, 1919) Biotechnologie der Fleisch-, Fettund Milcherzeugung im landwirtschaftlichen Grossbetriebe (Berlin, 1919) - así, el nombre "biotecnología" empezó asociado al mejoramiento de la agricultura y pecuaria

53 Penicilina y antibióticos - en 1929, Alexander Fleming descubrió que el hongo Penicillium notatum produce una sustancia secretada antibacteriana - penicilina - la penicilina original era inestable y diluída. Entre , Howard Florey, Ernst Chain y Norman Heatley y companías farmaceuticas de EEUU lograron producir una gran cantidad de penicilina estable, usada en la Segunda Guerra Mundial propaganda de penicilina - laboratorio Schenley EEUU (1944)

54 Penicilina y antibióticos - en los años 1940, empezó un programa de mejoramiento de la penicilina - varias variedades de Penicillium fueron analizadas y una cepa de P. chrysogenum fue elegida (producía más penicilina que la P. notatum original) - mutantes naturales de la cepa lograron aumentar la producción de 60 a 150 mg/ml, y mutación con rayos-x y luz ultravioleta lograron mutantes que producían mg/ml (primer screening por mutagénesis inducida para mejorar una droga) - en paralelo fueron mejoradas las condiciones de cultivo fermentadores para penicilina - laboratorios Squibb & Sons, EEUU (1946) Buchholz & Collins (2013) Appl Microb Biotech

55 Genética : El Origen de las Especies de Charles Darwin describe el mecanismo de evolución por selección natural. También describe en detalle la selección artificial : Gregor Mendel describe la herencia de unidades discretas (futuros "genes") : redescubrimento y confirmación del trabajo de Mendel English pouter pigeon (1868) : Thomas H Morgan y colaboradores descubren que los genes se localizan fisicamente en los cromosomas : George Beadle y Edward Tatum sugieren la teoria un-gen-una-enzima (más tarde un-gen-una-proteina) : Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty demuestran que el DNA es el principio transformante en las bacterias de Frederick Griffith (1928) : James Watson y Francis Crick descubren la doble hélice del DNA : Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana, Heinrich Matthaei y Philip Leder decifran el código genético

56 Ingeniería genética - en 1972, Paul Berg generó una molécula de DNA recombinante in vitro con secuencias del operon lac, fago lambda y virus SV40 de mamíferos - en 1973, Stanley Cohen, Herbert Boyer y colaboradores logran juntar segmentos de DNA plasmídico de E. coli usando enzimas de restricción y ligasa y lo introdujeron en una bacteria: primer organismo geneticamente modificado (OGM o GMO)

57 - en 1974, Stanley Cohen, Herbert Boyer y colaboradores insertaron DNA de un animal (la rana Xenopus) en un plásmido y luego lo transformaron en E. coli - la secuencia eucariota (RNA ribosomal) se expresó en E. coli - primera bacteria con DNA híbrido entre procariota/eucariota comienzo de la era de la ingeniería genética

58 Frankenstein (1818) - Mary Shelley escribió que su libro era "aterrorizante, y así tiene que ser, pues sería de un terror extremo el efecto de cualquier actividad humana que se burlara del extraordinario mecanismo del Creador del mundo" (1831) "Frightful must it be; for supremely frightful would be the effect of any human endeavour to mock the stupendous mechanism of the Creator of the world" Frankenstein (1931) película de James Whale

59 Ingeniería genética - conferencia de Asilomar - en 1974, P. Berg, S. Cohen, H. Boyer y otros científicos escribieron un artículo a Science pidiendo una moratoria en la utilización de las técnicas de DNA recombinante - en febrero de 1975 se organizó la Conferencia de Asilomar (Calif.) con 100 científicos y la presencia de la prensa y funcionarios del gobierno para evaluar la bioseguridad de los experimentos de DNA recombinante - en el documento final se consideró que, en general, las investigaciones deberían seguir, pero con estrictas medidas de contención biológica de los laboratorios de acuerdo al nivel del riesgo - en particular se recomendaba el uso de vectores y huespedes con limitada capacidad de crecimento afuera del laboratorio

60 Nueva indústria biotecnológica : Donald Glaser y otros fundan Cetus Corporation (Berkeley, CA) : H. Boyer y Robert Swanson fundan Genentech (San Francisco, CA) : Cohen y Stanley consiguen patentar la técnica de DNA recombinante, y en los años siguientes Stanford y UCSF reciben US$100 millones de royalties por 200 licencias : Genentech/Eli Lilly comercializan insulina humana producida en E. coli, el primer fármaco recombinante en el mercado - otros productos: hormona de crecimiento (1983); a- interferon, vacuna de hepatitis B recombinante (1986); activador tisular de plasminógeno (tpa, 1987); eritropoyetina (EPO, 1989); G-CSF (1991); factor VIII (1992); β - interferon (1993) Boyer en la tapa de TIME (1981)

61 Nueva indústria biotecnológica : César Milstein y Georges Köhler desarrollan los anticuerpos monoclonales : mapeo del gen relacionado a una enfermedad humana (Huntington's) : Kary Mullins inventa el PCR (Cetus Corp) : patente del ratón transgénico oncomouse para el estudio del cáncer (U. Harvard) : tomate Flavr Savr (Calgene) transgénico aprobado en EEUU (primer comida transgénica) C. Milstein y G. Köhler al ganar el Noble (1984)

62 Nueva indústria biotecnológica - miedos thehealingfrequency.com

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