Estudio de las capacidades biotecnológicas e institucionales para el aprovechamiento de la biodiversidad en los países de la Comunidad Andina Informe preparado para la Comisión Económica para América Latina y el Caribe (CEPAL) y la Corporación Andina de Fomento (CAF) Octubre, 2003 W. Roca* Centro Internacional de la Papa (CIP) Lima-Perú *Colaboradores: C. Espinoza, A. Panta, G. Trujillo, D. Andrade
ÍNDICE Abreviaturas 1 Introducción 1.1 Estudios Previos 1.2 Objetivos del Estudio 2 Biotecnologías para el aprovechamiento de la biodiversidad: Análisis General 2.1 Tecnología de ADN Recombinante 2.2 Tecnología de ingeniería de proteínas 2.3 Tecnología de cultivo de células madre 2.4 Tecnología de anticuerpos monoclonales 2.5 Tecnología de biosensores 2.6 Tecnología de ingeniería de tejidos 2.7 Nanobiotecnología 2.8 Tecnología de microarrays 2.9 Tecnología de clonamiento 2.10 Tecnología genómica 2.11 Tecnología proteómica 2.12 Tecnología metabolómica 2.13 Tecnología de biorreactores 2.14 Tecnología de química combinatoria 2.15 Tecnología bioinformática 3 Método del Estudio 3.1 Fase 1: Búsqueda en bases de datos, encuesta 1 3.2 Fase 2: Pre-selección de los centros de investigación en los países de la CA 3.3 Fase 3: Encuesta y análisis de los centros de investigación de la CAN 3.4 Fase 4: Base de datos 3.5 Fase 5: Análisis de las capacidades biotecnológicas para el aprovechamiento de la biodiversidad 4 Resultados del estudio 4.1 Biodiversidad comparativa en la Región Andina: Recursos biológicos/genéticos con potencial de valorización 4.2 Resultados de la fase 1 4.3 Resultados de la fase 2 4.4 Análisis de las capacidades biotecnológicas para el aprovechamiento de la biodiversidad en los países de la CAN 4.4.1 Bolivia 4.4.1.1 Capacidades biotecnológicas 4.4.1.2 Recursos humanos 4.4.1.3 Institucionalidad 4.4.1.4 Programa Biocomercio 4.4.1.5 Mecanismos de financiamiento para la investigación y desarrollo 4.4.1.6 Marco regulatorio para el uso de la biodiversidad y la biotecnología 4.4.1.6.1 Regulaciones para el acceso a los recursos genéticos 4.4.1.6.2 Regulaciones para los organismos genéticamente modificados (OGM) y bioseguridad 4.4.1.6.3 Regulaciones sobre la propiedad intelectual y distribución de los beneficios derivados 4.4.2 Colombia 4.4.2.1 Capacidades biotecnológicas 4 6 7 9 10 13 15 15 16 17 17 18 18 19 19 22 23 25 25 26 29 29 29 29 30 31 32 32 40 42 45 45 45 54 54 56 56 57 57 58 61 62 62 1
4.4.2.2 Recursos humanos 4.4.2.3 Institucionalidad 4.4.2.4 Programa Biocomercio 4.4.2.5 Mecanismos de financiamiento para la investigación y desarrollo 4.4.2.6 Marco regulatorio para el uso de la biodiversidad y la biotecnología 4.4.2.6.1 Regulaciones para el acceso a los recursos genéticos 4.4.2.6.2 Regulaciones para los organismos genéticamente modificados (OGM) y bioseguridad 4.4.2.6.3 Regulaciones sobre la propiedad intelectual y distribución de los beneficios derivados 4.4.3 Ecuador 4.4.3.1 Capacidades biotecnológicas 4.4.3.2 Recursos humanos 4.4.3.3 Institucionalidad 4.4.3.4 Programa Biocomercio 4.4.3.5 Mecanismos de financiamiento para la investigación y desarrollo 4.4.3.6 Marco regulatorio para el uso de la biodiversidad y la biotecnología 4.4.3.6.1 Regulaciones para el acceso a los recursos genéticos 4.4.3.6.2 Regulaciones para los organismos genéticamente modificados (OGM) y bioseguridad 4.4.3.6.3 Regulaciones sobre la propiedad intelectual y distribución de los beneficios derivados 4.4.4 Perú 4.4.4.1 Capacidades biotecnológicas 4.4.4.2 Recursos humanos 4.4.4.3 Institucionalidad 4.4.4.4 Programa Biocomercio 4.4.4.5 Mecanismos de financiamiento para la investigación y desarrollo 4.4.4.6 Marco regulatorio para el uso de la biodiversidad y la biotecnología 4.4.4.6.1 Regulaciones para el acceso a los recursos genéticos 4.4.4.6.2 Regulaciones para los organismos genéticamente modificados (OGM) y bioseguridad 4.4.4.6.3 Regulaciones sobre la propiedad intelectual y distribución de los beneficios derivados 4.4.5 Venezuela 4.4.5.1 Capacidades biotecnológicas 4.4.5.2 Recursos humanos 4.4.5.3 Institucionalidad 4.4.5.4 Programa Biocomercio 4.4.5.5 Mecanismos de financiamiento para la investigación y desarrollo 4.4.5.6 Marco regulatorio para el uso de la biodiversidad y la biotecnología 4.4.5.6.1 Regulaciones para el acceso a los recursos genéticos 4.4.5.6.2 Regulaciones para los organismos genéticamente modificados (OGM) y bioseguridad 4.4.5.6.3 Regulaciones sobre la propiedad intelectual y distribución de los beneficios derivados 4.5 Análisis de los grupos pre seleccionados 4.6 Análisis comparativo de las capacidades biotecnológicas e institucionales de los países de la CA 4.7 Centros Internacionales de Investigación Agrícola 4.7.1 Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) 4.7.2 Centro Internacional de la Papa (CIP) 83 84 85 87 89 89 91 92 93 93 103 104 105 106 107 107 109 110 112 112 142 143 146 147 151 151 152 153 157 157 167 168 169 170 171 171 172 174 175 179 186 186 190 5 La Cooperación Regional para la investigación y desarrollo biotecnológico 5.1 Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED) 199 199 2
5.2 UNU/BIOLAC Programa de Biotecnología para América Latina y el Caribe 5.3 Red de Cooperación Técnica en Biotecnología Vegetal para América Latina y el Caribe (REDBIO) 5.4 Convenio Andrés Bello 5.5 Centro Internacional de Ingeniería Genética y Biotecnología (ICGEB) 6 Discusión y Conclusiones 7 Recomendaciones Preliminares 8 Bibliografía 9 Anexos A. Glosario B. Lista de recursos biológicos promisorios de los países de la comunidad Andina C. Ejemplos de Iniciativas que apoyan el desarrollo de los bio-negocios: Iniciativa Biotrade UNCTAD, Programa Bolsa Amazonía. D. Encuesta: 1. Cartas de invitación a encuesta: Carta del consultor Carta de la CAF-CEPAL 2. Formato de la Encuesta 1 3. Formato de la Encuesta 2 E. Indicadores de evaluación para la selección de grupos de investigación biotecnológica de mayor interés F. Base de datos 1. Formato de la Base de datos 2. Carátula de la Base de datos 3. Criterios de búsqueda de la base de datos 4. Resultado de búsqueda. 5. Lista de información contenida en las tablas de la Base de datos G. Directorio de los grupos de investigación que contestaron las Encuestas 1 y 2 H. Grupos de investigación biotecnológica entrevistados 201 202 202 202 204 210 212 219 220 222 237 238 239 240 246 252 254 254 255 255 256 258 265 3
Abreviaturas ADPIC AFLP ANC BAC BID Bt CABBIO CAF CAN CamBioTec CAT CDB CENAIM CENAMB-UCV CENICAÑA CGIAR CIAT CIB CIBA CIBE CIDE CIDEIM CIMIC-ULA CIP CIRGEBV-UNALM COLCIENCIAS COLTABACO CONAM CONCYTEC CONICIT CONOPA CORPEI CORPOICA CVC CVCM-UCV CYTED DArT DENAREF-INIAP DEVIDA EPN ESPE ESPOL EST FAN FAO FDA FES FIDIC FOMIPYME FONACIT FONTAGRO FUNDACYT GEF GTZ HPLC IBTA IBT-UNALM IBUN ICA ICBG ICGEB IEPI IICA ILSI INAPI INCO INDDA-UNALM Aspectos de los Derechos de Propiedad Intelectual Relacionados con el Comercio Amplified Fragment Length Polymorphism (Polimorfismo en la longitud de los fragmentos amplificados) Autoridad Nacional Competente Bacterial Artificial Chromosome Banco Interamericano de Desarrollo Bacillus thuringiensis Centro Argentino Brasileño de Biotecnología Corporación Andina de Fomento Comunidad Andina de Naciones Iniciativa Canadá-América Latina en Biotecnología para el Medio Ambiente y el Desarrollo Sostenible Cuerpo de Asesoramiento Técnico Convención de Diversidad Biológica Centro Nacional de Acuicultura e Investigaciones Marinas (Ecuador) Centro de Estudios Integrales del Ambiente de la UCV (Venezuela) Centro de Investigación de la Caña de Azúcar (Colombia) Grupo Consultivo de Investigación Agrícola Internacional Centro internacional de Agricultura Tropical Corporación para Investigaciones Biológicas (Colombia) (Venezuela) Centro de Investigaciones Tecnológicas del Ecuador Centro de Innovación Empresarial (Ecuador) Centro Internacional de Entrenamiento e Investigaciones Medicas Centro de Investigaciones Microbiológica de la ULA (Colombia) Centro Internacional de la Papa Centro de Investigación en Recursos Genéticos y Biotecnología Vegetal de la UNALM (Perú) Instituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología (Colombia) Compañía Colombiana de Tabaco S.A. Consejo Nacional de Medio Ambiente (Perú) Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Perú) Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas (ahora FONACIT) Coordinadora de Investigación y Desarrollo de Camélidos Sudamericanos (Perú) Corporación de Promoción de Exportaciones e Inversiones (Ecuador) Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca (Colombia) Centro Venezolano de Colecciones de Microorganismos de la UCV (Venezuela) Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo Diversity Array Technology Departamento Nacional de Recursos Fitogenéticos y Biotecnología del INIAP (Ecuador) Comisión Nacional para el Desarrollo y Vida sin Drogas (Perú) Escuela Politécnica Nacional (Ecuador) Escuela Politécnica del Ejercito (Ecuador) Escuela Superior Politécnica del Litoral (Ecuador) Expressed Sequence Tag Fundación Amigos de la Naturaleza (Bolivia) United Nations Food and Agricultural Organization Fundación para el Desarrollo Agrario (Perú) Fundación para la Educación Superior (Colombia) Fundación Instituto de Inmunología de Colombia Fondo Colombiano de Modernización y Desarrollo Tecnológico de las Micro, Pequeñas y Medianas Empresas Fondo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación (Venezuela) Fondo Regional de Tecnología Agropecuaria Fundación para la Ciencia y Tecnología (Ecuador) Global Environment Facility Cooperación Técnica Alemana High Performance Liquid Chromatography (Cromatografía Liquida de Alta Resolución) Instituto Boliviano de Tecnología Agropecuaria Instituto de Biotecnología de la UNALM (Perú) Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional (Colombia) Instituto Colombiano Agropecuario International Cooperative Biodiversity Group The International Center For Genetic Engineering And Biotechnology Instituto Ecuatoriano de Propiedad Intelectual Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura International Life Sciences Institute Instituto Nacional de Propiedad Intelectual (Bolivia) International Cooperation Instituto de Desarrollo Agroindustrial de la UNALM (Perú) 4
INIA INIA INIAP INIBAP INTEVEP IPGRI IT IVIC IVIMA LST MARN MAS MICIP NIH OGM OIT OMS ONG ONUDI OVM PCT PROINPA PSA PUCE PUJ QTLs RAMs REDARFIT REDBIO REMERFI RFLP RTA SAREC SDS SENA SENACYT SENASAG SIBTA SIC SIMBA SINA STS TAC TIGR UCE UCV UCV UK Crop Net ULA UMSA UMSS UNALM UNCTAD UNIVALLE UNMSM UNPRG UNSAAC UNSCH UNTAC UNU UNU/BIOLAC UPCH UPOV URPP USAID USB USPTO VECOL S.A. Instituto Nacional de Investigación Agraria (Perú) Instituto Nacional de Investigaciones Agrícolas (Venezuela) Instituto Nacional Autónomo de Investigaciones Agropecuarias (Ecuador) International Network for the Improvement of Banana and Plantain Instituto Venezolano de Tecnología del Petróleo International Plant Genetic Resources Institute Tratado Internacional sobre acceso a recursos genéticos Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos Live System Technology (Colombia) Ministerio del Medio Ambiente y de los Recursos Naturales (Venezuela) Marker Assisted Selection (Selección Asistida por Marcadores) Ministerio de Comercio Exterior, Industrialización, Pesca y Competitividad (Ecuador) National Institute of Health Organismo Genéticamente Modificado Organización Internacional del Trabajo Organización Mundial de la Salud Organización No-Gubernamental Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial Organismo Vivo Modificado The Patent Cooperation Treaty (Tratado de Cooperación en Materia de Patentes) Promoción e Investigación de Productos Andinos (Bolivia) Programa de Servicios Agropecuarios (Bolivia) Pontificia Universidad Católica del Ecuador Pontificia Universidad Javeriana (Colombia) Quantitative Trait Loci Random amplified microsatellites (microsatélites amplificados aleatoriamente) Red Andina de Recursos Fitogenéticos Red de Cooperación Técnica en Biotecnología Vegetal para América Latina y el Caribe Red Mesoamericana de Recursos Fitogenéticos Restriction Fragment Length Polymorphism (Polimorfismo en la Longitud de los Fragmentos de Restricción) Raíces y Tubérculos Andinos Swedish Agency for Research Cooperation Swiss Agency for Development and Cooperation (Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación) Servicio Nacional de Aprendizaje (Colombia) Secretaria Nacional de Ciencia y Tecnología (Ecuador) Servicio Nacional de Sanidad Agropecuaria (Bolivia) Sistema Boliviano de Tecnología Agropecuaria Superintendencia de Industria y Comercio (Colombia) Sistema de Información de Mercados de la Bolsa Amazonía (Colombia) Sistema Nacional Ambiental (Colombia) Sequence Tagged Site Tecnológico Agropecuario Canadá (Bolivia) The Institute for Genomic Research Universidad Central del Ecuador Universidad Central de Venezuela Universidad Central de Venezuela The UK Crop Plant Bioinformatics Network Universidad de Los Andes (Colombia) Universidad Mayor de San Andrés (Bolivia) Universidad Mayor de San Simón (Bolivia) Universidad Nacional Agraria La Molina (Perú) The United Nations Conference on Trade and Development Universidad del Valle del Cauca (Colombia) Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Perú) Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo (Perú) Universidad Nacional De San Antonio Abad Del Cusco Universidad Nacional San Cristóbal de Huamanga (Perú) United Nations Transitional Authority in Cambodia Universidad de Naciones Unidas (Venezuela) Programa de Biotecnología para América Latina y el Caribe (Venezuela) Universidad Peruana Cayetano Heredia The International Union for the Protection of New Varieties of Plants Universidad Particular Ricardo Palma (Perú) The United States Agency for International Development Universidad Simón Bolívar (Venezuela) Oficina de Patentes de Estados Unidos de Norte América Empresa Colombiana de Productos Veterinarios 5
1. Introducción Actualmente ocurren avances trascendentales en la biología, que se traducen en tecnologías poderosas para el estudio y la manipulación de los caracteres heredables y procesos biológicos de plantas, animales y microorganismos; en su conjunto estos avances se conocen como biotecnología. Esta generación de tecnologías modernas surgió hace 30 años aproximadamente y constantemente ocurren nuevos descubrimientos que facilitan cada vez más el estudio y utilización de los recursos biológicos. Gracias a la aplicación de la biotecnología se están logrando importantes impactos en agricultura, salud, descontaminación del ambiente y nuevas formas de obtención de energía. Biotecnología y biodiversidad van de la mano en muchos aspectos. La aplicación de la biotecnología nos permite mejorar, expandir y acelerar significativamente el estudio y uso de la biodiversidad y sus productos. Esto abre ilimitadas oportunidades de valorizacion de la biodiversidad y por tanto, de desarrollo económico en aquellas regiones ricas en biodiversidad. Mediante la biotecnología ahora es possible conseguir la conciliación entre la preservación de la diversidad biológica y el desarrollo social-económico sostenible. El término biotecnología se refiere a toda técnica que emplea organismos vivos (o partes de éstos), para producir o modificar productos, mejorar plantas o animales, o crear microorganismos para usos específicos. Estos procesos pueden utilizar organismos intactos tales como levaduras, hongos, y bacterias, o partes de estos como células y moléculas obtenidos de los organismos (NAS, 1982). La biotecnología en sí ha existido desde que el hombre inició la domesticación de plantas y animales para asegurar su supervivencia, y buscó en los organismos vivos una fuente de producción de bebida y alimentos. La figura 1 presenta los eventos más relevantes en el desarrollo de la biotecnología moderna. El estilo y metodologías de la biotecnología moderna utilizan la información que se encuentra al interior de la célula o de los genes para manipular los productos que en ellas se elaboran. Manipulando las células y tejidos se pueden obtener masivamente productos purificados; utilizando el ADN original, modificándolo, e incorporándolo en otros organismos se pueden lograr productos nuevos; así también modificando los organismos como es el caso de los transgénicos se pueden lograr productos nuevos y derivados de éstos. 6
Figura 1. Eventos más relevantes en el desarrollo de la biotecnología moderna (Roca 2003), Basado en Persley 1.1 Estudios previos sobre biotecnología en América Latina Se han realizado varios estudios y diagnósticos sobre el papel que juega la biotecnología en los países latinoamericanos, sus recursos y potencialidades. Roca y colaboradores, 1986, realizaron el primer intento de analizar el estado y perspectivas de la biotecnología agrícola en América Latina y el Caribe. Casi una década después, la Red de Cooperación Técnica en Biotecnología Vegetal (REDBIO) realizó otro estudio y sus conclusiones fueron publicadas bajo el título Biotecnología apropiable: Racionalidad de su desarrollo y aplicación en América Latina y el Caribe. Este estudio abarcó 15 países de América Latina y el Caribe, y fue basado en las actividades de 152 laboratorios, los cuales tenían a su cargo 1,300 proyectos que incluían 723 áreas de biotecnología básica y aplicada a cultivos alimenticios. Las actividades en cultivo de tejidos vegetales representaron el 63% del total de los proyectos, 8.6% en ingeniería genética y biología molecular, y el 10.1% en conservación de germoplasma. La mayor proporción se aplicaba a la papa, yuca, y camote, especialmente en conservación in vitro, diagnóstico de enfermedades virales y micropropagación. Se reconoció que el papel del Centro Internacional de la Papa (CIP) en Perú y del Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT), con sede en Colombia, 7
fue determinante en la capacitación y transferencia tanto de tecnología como de germoplasma a los programas nacionales de la región (Izquierdo et. al., 1995). Recientemente, en febrero 2002, Dellacha y colaboradores (Dellacha et. al., 2002) han reportado los resultados de un estudio realizado por CamBioTec sobre el estado de la industria biotecnológica en América Latina en el año 2000. Entre los resultados más interesantes cabe destacar que el sector agrícola cuenta con el mayor número de empresas en todos los países, la mayor parte son pequeñas y están dedicadas a las aplicaciones comerciales de microbiología y biología celular, con mayores avances en Argentina, Brasil, Colombia, Cuba y México. En salud humana y animal, se comercializan innovaciones propias en proteínas recombinantes, anticuerpos monoclonales, vacunas y kits, principalmente en Argentina, Brasil, Chile, Colombia, Cuba, México, Venezuela y Uruguay. En los sectores de alimentos, ambiental e industrial hay una actividad general y diversa abarcando desde fermentos, enzimas, levaduras, y biorremediación. Estos estudios ayudaron a concluir que Colombia ha logrado avances importantes en el uso de la industria biotecnológica en varios sectores de producción. Dado el interés Colombiano en usar la biotecnología en actividades promisorias para el desarrollo económico, diversas entidades están realizando estudios sobre las capacidades biotecnológicas para el desarrollo de industrias. Entre ellos la Corporación BIOTEC ha realizado el estudio en la región del Pacífico Colombiano: Promoción y puesta en marcha de una plataforma tecnológica e institucional de apoyo al sector bioindustrial y a la utilización y aprovechamiento de la biotecnología en el occidente Colombiano (Palacios, S., et al., 2002). Entre los resultados de este estudio cabe destacar que el 45% de los grupos evaluados (33) están vinculados a la cadena productiva industria agroalimentaria y agropecuaria, 24 % a microorganismos (levaduras) y derivados, 18% producción pesquera y aprovechamiento marino y productos naturales, 3% a la cadena de aceites, jabones e industria cosmética y 10% en otras actividades. Una de las conclusiones más relevantes y común a todos los estudios mencionados es que señalaron la existencia de laboratorios con capacidad limitada en biotecnología, pero que es casi imposible su autosuficiencia. La naturaleza multidisciplinaria de los problemas biológicos hace absolutamente necesaria la participación de especialistas en múltiples disciplinas científicas, por lo que la biotecnología moderna exige una labor de grupo, o la generación de alianzas que permitan compartir recursos y conocimiento para beneficio mutuo. Los estudios indicaron que es recomendable lograr una armoniosa distribución de recursos y realizar investigación a través de programas conjuntos entre los diferentes laboratorios de un país o región. En la región Andina, el fortalecimiento de los recursos humanos especializados, y el intercambio de experiencias, conocimientos y recursos biológicos, son puntos estratégicos para lograr programas que favorezcan el desarrollo socioeconómico de los países involucrados. En Colombia, Colciencias reportó que, de 8
30 reconocidas instituciones biotecnológicas, 63% de ellas estuvieron involucradas en alianzas nacionales e internacionales, y sólo el 23% solamente en alianzas nacionales. 1.2 Objetivos del estudio Es propósito de este estudio realizar un análisis consolidado de las capacidades biotecnologías de los países de la región Andina para el aprovechamiento y valoración de su biodiversidad, de tal manera que se identifiquen centros, grupos o redes con potencial promisorio, capaces de emprender bio-negocios o gestiones para la explotación de biorrecursos y/o producción industrial de bioproductos que ayuden a mejorar la economía de los países. 9
2. Biotecnologías para el aprovechamiento de la biodiversidad. Análisis General. La importancia económica potencial de la biodiversidad está dada por el desarrollo de nuevos bioproductos e industrias con base biotecnológica usando como materia prima los recursos genéticos de las especies de flora y fauna, los microorganismos y otros organismos. Existen numerosas especies de uso conocido por las comunidades locales que contienen compuestos químicos con potencial para la industria farmacéutica, cosmética, nutracéutica, etc. Sin embargo, muy poco de este conocimiento local ha sido validado mediante bioensayos, y aún menos sus principios y/o moléculas idebtificadas mediante tecnologías químicas analíticas modernas o, menos aún, no se ha explotado eficientemente su valor genetico mediante tecnologías geneticas modernas. Por otro lado, el conocimiento elemental, como la descripción básica de las especies, de una gran parte de la biodiversidad total es todavía fragmentario y limitado (Fig. 2) Especies descritas y no descritas a nivel mundial Número de especies descritas Virus 4,000 Bacterias 4,000 Nemátodos 25,000 Hongos 72,000 Arácnidos 75,000 Insectos 950,000 Protozoarios 40,000 Algas 40,000 Crustáceos 40,000 Moluscos 70,000 Plantas 270,000 % de especies NO descritas 99.80 99.60 97.78 93.33 92.22 88.44 79.50 79.00 73.30 62.22 15.56 Vertebrados 45,000 8.89 0% 20% 40% 60% 80% 100% Especies descritas Especies NO descritas Figura 2. Porcentaje del conocimiento básico de los diferentes grupos de seres vivos 10
El aprovechamiento de la biodiversidad mediante la (bio)tecnología, permite lograr valorizaciones sostenibles, que contribuyen a aumentar la productividad agrícola e industrial, a mejorar la salud y nutrición a través de la identificación y uso de ingredientes y moléculas en la nutrición y salud, así como en limpiar y mantener el medio ambiente. Estos usos sostenibles de la biodiversidad, contribuyen a movilizar mayores esfuerzos para su utilización, aumentando la capacidad negociadora de las instituciones y países, lo cual en conjunto contribuye a convertir la ventaja comparativa de bio-riqueza en ventaja competitiva para promover el desarrollo sostenible (Fig. 3). Competitividad Mejoramiento: Salud/ Nutrición Medioambiente Productividad agrícola,industrial BIODIVERSIDAD - Valorización - Conservación Refuerza la capacidad de negociación Moviliza la utilización Motor de desarrollo sostenible Figura 3. Campos potenciales del desarrollo económico de la biodiversidad La industria biotecnológica ha crecido de US$ 8 billones en 1992 a US$ 27.6 billones en el 2001, lo cual es un crecimiento sin precedentes de 3 veces. Las aplicaciones de la biotecnología incluyen actualmente el desarrollo de nuevos fármacos y proteínas recombinantes, la producción de vacunas; de agroquímicos como biofertilizantes y biopesticidas; de nutracéuticos y cosméticos; producción de cultivos transgénicos, de enzimas industriales; y la producción de biocombustibles. En el sector salud la biotecnología se ha orientado hacia la obtención de nuevos medicamentos mediante la bioprospección para el tratamiento de enfermedades. La bioprospección vegetal, animal y de microorganismos está siendo desafiada por la química combinatoria para la búsqueda automatizada de nuevas fuentes de componentes para el desarrollo de nuevos y más efectivos biofármacos (por ejemplo vacunas de segunda generación: virus atenuados y de tercera generación: proteínas virales); para la producción de proteínas de interés terapéutico (insulina, interferones, etc.); para el desarrollo de cosméticos; para la producción de nuevos métodos más efectivos en el diagnóstico de las 11
enfermedades, y finalmente para el uso de la información obtenida del genoma humano en la aplicación de la medicina molecular en forma individualizada, a cada persona. En el ámbito mundial, la mayor inversión de la biotecnología se ha centrado en las aplicaciones biofarmacéuticas. La riqueza biológica (específica-varietal), química y genética de las plantas, animales y microorganismos de la región Andina representa una excelente oportunidad para el desarrollo de nuevos fármacos. A través de la bioprospección, que es la búsqueda de recursos químicos y genéticos de valor comercial, a través de la investigación y análisis de la diversidad biológica, y con el uso del conocimiento tradicional, se descubren nuevos principios activos para desarrollar nuevos fármacos. Esta sigue siendo aún la estrategia más usada; sin embargo, otras tecnologías de avanzada (genómica, proteómica, metabolómica, química combinatoria y bioinformática) han surgido para acelerar estos procesos de búsqueda de nuevos fármacos (Fig. 4). PROSPECCIÓN N DE LA BIODIVERSIDAD Recurso biológico Colecta Conservación Caracterización Morfológica Molecular Conocimiento Local Extracción, Fraccionamiento Descubrimiento Caracterización química Caracterización genética Tamizado Pre-clínico Ensayos Pre- clinicos avanzados Identificación y aislamiento de genes Fase I I Fase II II Fase III III Comercialización Producto Figura 4. Diagrama de flujo de la bioprospección para la búsqueda de nuevos productos industrializables. 12
Entre los diferentes métodos y tecnologías empleadas en biotecnología tenemos: 2.1 Tecnología de ADN Recombinante Mediante esta tecnología de modificación genética se combinan genes a nivel molecular para la obtención de proteínas nuevas. Estos genes recombinantes pueden ser transferidos selectivamente entre organismos. Esta tecnología se basa en el aislamiento y caracterización de un gen de interés y su introducción en el organismo que se busca modificar. La transformación genética puede realizarse a nivel de bacterias u otros microorganismos, o más recientemente la transformación de plantas mediada por Agrobacterium tumefasciens, en la cual la transferencia del material genético hacia el organismo receptor se da mediante el traspaso de un plásmido que contiene el gen o los genes de interés, los que se integran al genoma de la planta. La expresión de los transgenes resulta en la producción de moléculas de interés. Otro método, la biolística consiste en introducir el gen de interés mediante partículas de oro o tungsteno cubiertas con el material genético a insertar mediante disparos a las células de destino mediante un equipo disparador de genes. Las partículas empleadas penetran en las células y permiten que el gen introducido se integre el ADN genómico para su posterior expresión. Otro método, la electroporación permite la introducción de genes foráneos mediante la emisión de cortos pulsos eléctricos de alta intensidad hacia las células vegetales cuya pared celular ha sido removida. Los pulsos eléctricos permiten la formación de pequeños poros en la membrana celular a través de los cuales ingresa el gen de interés y cuando el pulso cesa, los poros se cierran atrapando así el material genético introducido. La aplicación de la tecnología del ADN recombinante ha sido usada para la producción de diversos compuestos de interés en el campo farmacéutico, productos terapéuticos para uso médico; incluyen hormonas, proteínas sanguíneas y drogas; Vacunas para uso humano y animal; alimentos genéticamente modificados con mejores características nutricionales y postcosecha; producción vegetal y animal más eficiente, con una mejor resistencia a enfermedades y de menor impacto ambiental; producción de insecticidas; producción de enzimas y controles mejorados para los procesos de fermentación. La Figura 5 muestra 3 rutas posibles de modificación genética de células vegetales, microorganismos o plantas para la producción de productos nuevos/derivados, susceptibles de apropiación y comercialización. 13
A. Planta ADN aislado Células modificadas Producto purificado B. ADN original Modificación del ADN Hospederos, vectores Producto nuevo C. Planta modificada Uso de partes de la planta Producto nuevo purificado Producto derivado Figura 5. Representación esquemática de diferentes rutas que la biotecnología ofrece para obtención de organismos y productos derivados nuevos, mediante la manipulación de células y modificación de ADN de organismos vegetales. - Agricultura, Forestales y Floricultura: Resistencia a insectos Tolerancia a herbicidas Resistencia a enfermedades - Acuicultura y mejoramiento animal - Vacunas transgénicas - Producción de fármacos y químicos (biorreactores) Biomedicina Dentro de los productos aplicados para la salud humana, hay una larga lista de proteínas de uso farmacéutico (biofarmaceúticos, anticuerpos recombinantes y subunidades para vacunas) obtenidas en plantas, como hormonas de crecimiento, albúmina de suero humano, eritropoyetina, colágeno, IgG1, IgM, Inmunotoxina scfv-bryodina 1, proteínas de la cubierta de los virus de Hepatitis y Rabia, todos estos producidos en tabaco: mientras que, en arroz se ha producido interferón-α y α1-antitripsina, entre otros (Ma et al. 2003). En agricultura se han obtenido cultivos, ahora comerciales, como el arroz dorado o la soya Roundup, ya sea para incrementar el contenido nutricional o para generar resistencia a herbicidas, respectivamente. Se puede citar el ejemplo de la producción de maíz transgénico con resistencia al herbicida Basta mediante electroporación de embriones, método que ofrece ventajas para la aceptación, expresión e integración estable del ADN foráneo, siendo ventajoso para transformar ciertas plantas con mayor facilidad (Sawagel 2002); la de soya resistente a herbicidas, de maíz resistente a insectos lepidópteros y de la colza 14
resistente a herbicidas, son algunos de los productos comerciales más importantes de la ingeniería genética de cultivos en la actualidad. 2.2 Tecnología de ingeniería de proteínas Mediante esta tecnología se modifican y mejoran las proteínas mediante la construcción, análisis y síntesis de proteínas recombinantes como enzimas, anticuerpos y receptores celulares. La investigación en esta área se enfoca en la comprensión de la estructura y función de las proteínas y el desarrollo de tecnologías asociadas para el diseño de proteínas y péptidos cuyas funciones serán útiles en la búsqueda de fármacos, procesamiento de alimentos y aplicaciones industriales. Por ejemplo, un estudio realizado por Yan et al. (2003) en la síntesis de la insulina recombinante, demostró que este proceso puede ser mejorado agregando un péptido sintético durante el plegamiento de la molécula de insulina, permitiendo así un estudio más detallado del funcionamiento de la proteína debido a los cambios conformacionales que afectan su eficiencia y permitiendo así lograr una producción óptima de insulina en los biorreactores. 2.3 Tecnología de cultivo de células madre El cultivo de células madre trata del mantenimiento de grupos celulares aislados de distintas fuentes: células madre embrionarias (ES) derivadas de la masa celular interna de blastocisto (fase temprana del embrión), células embrionarias germinales (EG) colectadas de tejido fetal (fase tardía del desarrollo), células madre fetales, y células madre de adulto derivadas de tejido maduro. Estas células madre pueden ser mantenidas bajo condiciones in vivo o in vitro, en medios de cultivo celular, donde mediante uso de algunos factores de crecimiento se estimula su diferenciación. Las células diferenciadas son inyectadas en diferentes áreas del cuerpo donde migrarán para reemplazar células de diferente tipo que se encuentren dañadas. La tecnología se aplica en medicina regenerativa, restauración de tejidos y transplantes, por ejemplo el desarrollo de líneas celulares musculares del corazón para transplante en pacientes con problemas cardíacos. Además, puede ser empleada en la terapia de sustitución celular para tratar enfermedades debilitantes como diabetes, Parkinson, Huntington, Alzheimer, y otros como derrames, aplopejías, quemaduras, osteoartritis, artritis reumatoide y problemas de la columna vertebral. El uso de líneas celulares para la búsqueda de nuevas drogas es otro amplio campo para esta tecnología, por ejemplo, líneas celulares cancerígenas son usadas para probar futuros fármacos anticancerígenos (Fig. 6). 15
CULTIVO DE CELULAS MADRE ( STEM CELLS ) Cultivo de células madre Diferenciación de células y tejidos Médula ósea Células nerviosas Células musculares cardíacas Células pancreáticas APLICACIONES Medicina regenerativa, transplantes Terapia: Diabetes, Parkinson, Huntington, Alzheimer FUTURO: Terapias inmunológicas, cáncer causados por virus, SIDA Terapia génica: stem cells transformados Figura 6. El cultivo de células madre (stem cells) y sus aplicaciones en medicina regenerativa La condición principal para el éxito de esta tecnología es mantener grupos celulares que conserven su pluripotencia o funciones específicas por periodos considerables de tiempo, así tenemos el trabajo de Higuchi et al. (1999) quienes mantuvieron grupos celulares del adrenocarcinoma colo-rectal (CW2) para producir un antígeno carcinoembriónico, habiendo cuantificado las cantidades producidas de acuerdo a las condiciones del cultivo. De este modo, se puede llegar a la producción de biocompuestos e ingredientes de interés con fines farmacológicos. 2.4 Tecnología de anticuerpos monoclonales Los anticuerpos monoclonales provienen de la fusión de una célula productora de anticuerpos con una célula cancerigena, formando las células hibridomas. La célula inmune le da la característica de producir un tipo particular de anticuerpos mientras que la célula cancerigena le otorga inmortalidad en el cultivo; este hibridoma se divide produciendo grandes cantidades de un solo tipo de anticuerpo, un anticuerpo monoclonal. Actualmente los anticuerpos son producidos en biorreactores de células de mamíferos, y recientemente existen plantas transgénicas productoras de anticuerpos que están en el mercado. Los hibridomas se cultivan en grandes fermentadores, o inmovilizados en superficies sólidas, donde los anticuerpos son segregados en el medio de cultivo, lo cual permite luego cosecharlos. 16
Para que la unión antígeno-anticuerpo sea detectada y cuantificada, los anticuerpos son marcados enzimáticamente, catalizando una reacción específica que resulta en un producto fácilmente identificable (ELISA). Por ejemplo, Goel y Kapil (2001) generaron, en ratones BALB/c, anticuerpos pertenecientes a un isotipo de las IgM que presenta actividad bactericida contra Acinetobacter baumanii en condiciones in vitro. La síntesis de biocompuestos de interés mediante los anticuerpos monoclonales es una herramienta muy útil para el aprovechamiento de la biodiversidad y la aplicación integrada de diferentes bio-tecnologías. 2.5 Tecnología de biosensores Los biosensores son dispositivos analíticos resultantes de la suma de la biología y la microelectrónica; constan de un dispositivo híbrido que incorpora material biológico (tejido, microorganismos, organelas, receptores celulares, enzimas, anticuerpos o ácidos nucleicos) a un microconductor que puede ser óptico, electroquímico, termométrico o magnético, el cual identifica y cuantifica sustancias a concentraciones muy bajas. Los biosensores pueden ser aplicados en: - Diagnóstico clínico y biomedicina. - Agricultura, jardinería y análisis veterinario. - Control de procesos: fermentación. - Producción y análisis de alimentos. - Microbiología: análisis viral y bacterial. - Análisis farmacéutico. - Control de efluentes industriales. - Control y monitoreo de la contaminación. - Minería, gases industriales y tóxicos. - Aplicaciones militares. Dentro de sus múltiples aplicaciones, la biorremediación es una actividad que requiere este tipo de tecnología; por ejemplo, para descontaminar aguas que contienen fenol, se aislaron cepas bacterianas consumidoras de fenol y sus perfiles de consumo fueron comparados, identificando un plásmido que confería la capacidad para degradar fenol; esto permitió el desarrollo de biosensores con la finalidad de identificar sustancias contaminantes y degradarlas para recuperar cuerpos de agua (Makarenko et al. 2002). 2.6 Tecnología de ingeniería de tejidos Esta tecnología permite el desarrollo de tejidos semisintéticos para generar órganos utilizando diferentes tipos tisulares para reemplazar órganos enfermos o dañados y permanecer libres de problemas de rechazo por el receptor. Esta 17
tecnología es una combinación entre el cultivo celular y los biorreactores, ya que los grupos celulares de interés son cultivados en matrices bajo condiciones controladas, el biorreactor provee importantes estímulos bioquímicos y mecánicos para dirigir el crecimiento in vitro del tejido hasta cubrir los requerimientos del paciente. Williams y Wick (2003) obtuvieron células arteriales, a partir de células musculares planas aórticas bovinas (SMC) de terneros recién nacidos montadas en un biorreactor, en el cual, se llevó a cabo la estimulación mecánica y la nutrición mediante una bomba peristáltica. El lumen de las células obtenidas era el adecuado, además se dieron las condiciones para obtener una distribución celular adecuada. 2.7 La nanobiotecnología Es una tecnología que combina la física y química orgánica e inorgánica para crear estructuras ultra-pequeñas como máquinas tan pequeñas como una molécula para manipular y operar otras moléculas. Sus productos pueden aplicarse al metabolismo de diferentes compuestos participantes en rutas metabólicas significativas. Moll et al. (2002), fusionaron estreptovidina a una proteína de superficie celular bacteriana (S-layer) con la capacidad inherente de ensamblarse a una proteína monomolecular. La S-layer quimérica puede ser utilizada como una matriz de afinidad molecular nanomodelada, puede funcionar como una interfase en elementos de biosensor para disponer biomoléculas funcionales de un modo definido. Este dispositivo también permite nuevos acercamientos para diagnosis, matrices de afinidad, superficies biocompatibles y vacunas compuestas. En combinación con la afinidad a moléculas biotiniladas, ofrecen nuevas perspectivas para ubicar liposomas, sistemas de destino de fármacos, diseño de cubiertas víricas biomiméticas y vehículos para terapia génica. 2.8 Tecnología de microarrays Los microarrays consisten de arreglos de fragmentos génicos (spots) en miniatura adheridos a láminas de vidrio (chips). Estos biochips son hibridizados a muestras de cdna marcados con fluorescencia. Luego de la hibridación los chips son leídos con un detector de fluorescencia de alta velocidad y la intensidad de cada spot es cuantificada. La cantidad y la identidad de cada gen, presente en la muestra hibridizada, son reveladas por la intensidad y localización de cada spot. Luego los datos generados son analizados usando herramientas bioinformáticas. Se aplican en pruebas de diagnóstico (mutación y polimorfismo), mapeo genético, búsqueda y expresión de genes. Además, se aplican en diagnóstico de enfermedades mediante la detección de mutaciones, tales como SIDA, cáncer, otros retrovirus, enfermedades bacterianas. Mediante el análisis de expresión 18
genética, también provee datos de moléculas blanco presente sólo durante la enfermedad para la producción de fármacos y pueden servir para una detección rápida de compuestos químicos usados en la guerra biológica. Por ejemplo en papa, se proyecta un estudio para desarrollar un microchip para detectar expresión diferencial durante condiciones de estrés, permitiendo así identificar genes implicados en rutas bioquímicas de interés. Utilizando microarrays, Aharoni et al. (2000), identificaron el gen alcoholaciltransferasa de fresa (SAAT), el cual juega un rol crucial en la biogénesis del sabor durante la maduración del fruto, estudiando su expresión bajo diferentes condiciones. 2.9 Tecnología de clonamiento Con esta tecnología se pueden generar moléculas, células, animales o plantas. El clonamiento molecular es el más empleado, ya que sirve para modificar organismos genéticamente, mientras que el clonamiento de células sirve para mantener cultivos de líneas celulares que reúnen ciertas características estructurales o funcionales y está estrechamente ligado con el cultivo de células. Mediante el clonamiento de células embrionarias humanas totipotentes, Amit et al. (2000) demostraron que éstas conservaban su actividad proliferativa, alta expresión de telomerasa y mantenían un cariotipo normal luego de ser cultivadas por 14 meses, demostrando así la pluripotencia durante largos períodos de cultivo. Estos resultados son útiles para estudios de biología del desarrollo, descubrimiento y evaluación de fármacos y transplante médico. 2.10 Tecnología genómica La genómica tiene por función el mapeo, secuenciamiento y análisis de los genomas completos. El fundamento de esta tecnología, se basa en realizar análisis de genomas completos que involucran análisis de ligación citogenética molecular, mapeo físico, secuenciamiento de EST, secuenciamiento genómico y organización genómica para el análisis genómico estructural. Para el análisis genómico funcional se utiliza la expresión génica, genómica comparativa; todos estos datos son analizados mediante la bioinformática para determinar la función de los genes de un organismo. Este análisis in silico luego se confirma con ensayos de expresión en organismos modificados para una sub-expresión o una sobre-expresión de los genes de interés. (Fig. 7) 19