dr marcelo marcet profesor de bioquímica facultad de ingeniería química universidad de matanzas....

Dr Marcelo Marcet

Profesor de Bioquímica

Facultad de Ingeniería Química

Universidad de Matanzas. CUBA.

La Ingeniería Bioquímica

un enfoque Biotecnológicode futuro

Objeto de estudio

BIO TECNOLOGÍA

Bio = VidaLas Biotecnologías son ¿tecnologías “vivas”?

el prefijo Bio significa Vida

BIO TECNOLOGÍA

• Microorganismos• Células animales• Células vegetales• Extractos de células animales y vegetales• Organismo vegetal • Organismo animal

la parte viva, la constituyen:

¡Son procesos vivos!

BIOTECNOLOGÍA

Material Material oo

SustratoSustrato ProductoProducto

AgenteAgenteBiológicoBiológico

Útil al hombreÚtil al hombre

Económicamente viable,Económicamente viable,

ESQUEMA DE UN PROCESO BIOTECNOLÓGICOESQUEMA DE UN PROCESO BIOTECNOLÓGICO

AgenteAgenteBiológicoBiológico

Examinemos cada uno de los componentes del esquema

PROCESO PROCESO BIOTECNOLÓGICOBIOTECNOLÓGICO

PROCESO PROCESO BIOTECNOLÓGICOBIOTECNOLÓGICO

ProductoProducto

Útil al hombreÚtil al hombre

Como resultado del desarrollo del proceso biotecnológico se obtiene un PRODUCTO.

Este producto tiene que ser útil, es decir cubrir una necesidad y además,FACTIBLE DE PRODUCIR.

Algunos Ejemplos de Productos Estudiados

• Cervezas

• Etanol

• Etanol anhidro

• Vinos

• Biomasa

• Microorganismos probióticos y prebióticos

• Residuales

PROCESO BIOTECNOLÓGICOPROCESO BIOTECNOLÓGICOPROCESO BIOTECNOLÓGICOPROCESO BIOTECNOLÓGICO

AgenteAgenteBiológicoBiológico

Parte VIVA de la Biotecnología

• Microorganismos• Plantas• Animales• (o sus extractos)

PROCESO BIOTECNOLÓGICOPROCESO BIOTECNOLÓGICOPROCESO BIOTECNOLÓGICOPROCESO BIOTECNOLÓGICO

EL MATERIAL o SUSTRATO debe ser un producto de bajo costo o fuente de desecho, capaz de ser transformado por la acción de los elementos vivos en otro producto de utilidad.

Material Material o o

SustratoSustrato

Materiales o Sustratos más estudiados.

• Sacarosa

• Frutas tropicales

• Mieles y jugo de caña

• Cebada y adjuntos amilaceos.

• Lignocelulosas

• Residuales de procesos.

PROCESO PROCESO BIOTECNOLÓGICOBIOTECNOLÓGICO

PROCESO PROCESO BIOTECNOLÓGICOBIOTECNOLÓGICO

Económicamente viableEconómicamente viable

La utilidad del producto final que se obtiene incluye la factibilidad económica de su producción, que lo haga rentable y que origine ganancias.

Este proceso tiene que ser

¿Cuáles son las ciencias que contribuyen a la Biotecnología en los estudios universitarios

• Ciencias Básicas

• Ciencias Naturales

•Ciencias Ingenieriles

•Ciencias Económicas

• Ciencias Jurídicas

•

• Como se conoce la Biotecnología es MULTIDISCIPLINARIA,

• Muchas Ciencias, muchas tecnologías forman parte de la misma y contribuyen a su desarrollo.

• Mencionaremos algunas disciplinas Biológicas e Ingenieriles que tributan a la Biotecnología.

Bioquímica

• Aislamiento y purificación de moléculas biológicas (ADN, ARN, enzimas, otras proteínas, lípidos, carbohidratos). • Obtención y purificación de extractos celulares.• Estudios enzimáticos de los procesos biotecnológicos.• Desarrollo de la Ingeniería enzimática.

Posee un amplio campo de acción en el desarrollo biotecnológico relacionado con:

BIOQUÍMICABIOQUÍMICA

• Aislamiento y purificación de ADN y ARN.• Obtención y purificación de proteínas.• Inmovilización de enzimas.• Síntesis y secuenciación de proteínas y ADN.• Construcción de sondas.• Hibridación de moléculas (ADN y ARN).• Modificación química de enzimas y proteínas. • Construcción de vectores.• Construcción de oligonucleótidos.• Construcción de oligopéptidos.• Mutación dirigida.

Algunas técnicas que desarrolla:

BIOQUÍMICABIOQUÍMICA

BIOLOGÍABIOLOGÍASe han revitalizado en este campo técnicas tradicionales y se han desarrollado otras novedosas que aportan importantes avances al campo biotecnológico. Entre ellas se encuentran:.

Cultivo (in vitro) de células y tejidos (vegetales y animales).

Cultivo de organismos de interés (pequeña, mediana y gran escala).

Micropropagación. Transgénesis y clonación.

Microbiología

MICRO BIOLOGÍA

La Microbiología aborda el estudio de los microorganismos

pequeño

MICROBIOLOGÍAMICROBIOLOGÍA

Los microorganismos son agentes biológicos por

excelencia en los procesos biotenológicos.

El conocimiento de los microorganismos y su amplia diversidad, y la búsqueda de

nuevas cepas microbianas constituye una de las tareas

más importantes de la Microbiología Contemporánea.

MICROBIOLOGÍAMICROBIOLOGÍA

En este campo se incursiona en:

• Los microorganismos que desarrollan un proceso biotecnológico particular

• Adaptabilidad

• Optimización y el recobrado de los procesos

• Escalado

• Desarrollo de la Ingeniería celular

MICROBIOLOGÍAMICROBIOLOGÍA

Principales técnicas desarrolladas:

Técnicas de búsqueda, muestreo o “screening”.

• Conservación de Cepas.

• Fermentación

• Inmovilización de células

•Utiliación de microondas.

MICROBIOLOGÍAMICROBIOLOGÍA

Genética

La revolución tecnológica que tuvo lugar en esta ciencia

con la profundización del

conocimiento biológico, permitió

combinar las técnicas

tradicionales, con el surgimiento de

nuevas tecnologías e impulsar el

desarrollo de la Biología Molecular.

GENÉTICAGENÉTICA

Las Ciencias Ingenieriles

El impacto de las ingenierías en el desarrollo de la Biotecnología ha sido decisivo. Al tratarse de procesos que se desarrollan en condiciones específicas y que requieren de equipamientos tecnológicos particulares, la Ingeniería Química, la Ingeniería de Procesos y la Ing. Bioquímica, además de la Automatización entre otras, han desempeñado un papel muy importante y son áreas del conocimiento imprescindibles para el desarrollo y avance de esta Rama.

INGENIERÍAS

Bioinformática

BIOINFORMÁTICABIOINFORMÁTICA

El descifrado de la información genética y el

gran número de datos producidos por el

desarrollo de las investigaciones biológicas

exige la unión de estas disciplinas.

• Biotecnología de PRIMERA GENERACIÓNBiotecnología de PRIMERA GENERACIÓN

• Biotecnología deBiotecnología de SEGUNDA GENERACIÓNSEGUNDA GENERACIÓN

• Biotecnología deBiotecnología de TERCERA GENERACIÓNTERCERA GENERACIÓN

• Biotecnología deBiotecnología de CUARTA GENERACIÓNCUARTA GENERACIÓN

¿Cómo ha evolucionado la Biotecnología?

Primera Generación

Desde 6000-4000 años A.N.E. hasta finales del siglo XIX.

El pan y la cerveza constituían una forma de alimentación básica para los antiguos egipcios

• La Biotecnología de Primera Generación, está representada por productos de gran demanda como: Pan, Cerveza, Vino, Vinagre, Quesos, Yogurt

• Obtenidos por “fermentación espontánea”

• En esta etapa el hombre no tiene conciencia de por qué ocurren estos “procesos” .

Tiempo

Des

arro

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ico

PanYogurt

Queso

Vino

Vinagre

Productos

EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍAPrimera etapa de desarrollo

FinalesSiglo XIX

Primera Etapa

Procesos espontáneos

Inicio de la civilización

Segunda GeneraciónSegunda Generación

Inicios del siglo XX hasta la segunda mitad del siglo.Biotecnología de Segunda Generación o “Era de los Antibióticos”. Desarrollo más acelerado del conocimiento científico técnico.

Productos: Antibióticos, Vacunas naturales, Vitaminas, Proteínas unicelulares, Enzimas, polisacáridos, Alcohol industrial, Acetona, Butanol y otros productos de gran utilidad para el hombre.

Esta etapa se caracteriza por: • Desarrollo científico-técnico de la ingeniería de procesos• Transformaciones microbianas• Inmovilización de células• Cultivos de tejidos•Fermentaciones continuas

Des

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EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍASegunda etapa de desarrollo

Tiempo

Primera

Antibióticos

Enzimas

Vitaminas

Proteínas

Productos

FinalesSiglo XIX

Primera mitadSiglo XX

FinalesSiglo XX

PrincipioSiglo XXI

Inicio de la civilización

EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍASegunda etapa de desarrollo

Premios Nobel de Medicina, 1945

Howard W. FloreyErnest B. Chain

Figuras relevantes que contribuyeron al desarrollo de los antibióticos

Alexander Fleming

Segunda mitad del siglo XX hasta finales del siglo.

• Surge con el desarrollo de la Biología Molecular y la Ingeniería Genética.

• Ya es posible traspasar las barreras entre especies e introducir genes de un organismo en otro no relacionado.

• Ocurre una explosión en el desarrollo científico técnico de las ciencias afines a la Biotecnología.

• Productos: Insulina Humana, Anticuerpos Monoclonales, Vacunas y Fármacos Recombinantes, Transgénesis (Plantas y Animales recombinantes).

Tercera GeneraciónTercera Generación

Esta etapa se caracteriza por: Desarrollo de la Ingeniería Genética y la Técnica de los Hibridomas.

1. Estructura y funciones de las proteínas (Moléculas de la vida).

Frederick SangerFrederick SangerPremio Nobel de Premio Nobel de

Química 1958Química 1958

Descubrimientos más Descubrimientos más relevantesrelevantes

1953- F. SANGER: Logra por primera vez establecer la estructura de la proteína Insulina

2. Definición que el ADN forma una doble cadena donde la unidad estructural son los nucleótidos.

J. Watson y F. CrickJ. Watson y F. CrickPremio Nobel de Premio Nobel de Medicina 1962Medicina 1962

1953- J. WATSON y F. CRICK: Demuestran la estructura en doble hélice de la cadena del ácido desoxirribonucleico (ADN), portador de la información genética (transmisoras de la herencia).

Descubrimientos más Descubrimientos más relevantesrelevantes

Descubrimientos más relevantesDescubrimientos más relevantes

1963- NIREMBERG: Descubre el Código Genético contenido en las moléculas de ADN, y el descifrado y Universalidad del mismo.

1960-1970- Se producen grandes progresos en los estudios de la estructura de proteínas y de ácidos nucleicos.

4. Producción de anticuerpos.5. Recombinación genética.

3. Elementos del Código Genético y su Universalidad.

Marshall Nirenberg

Des

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Productos

EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍATercera etapa de desarrollo

Ingeniería genética

Organismos transgénicos

Segunda

Primera mitadSiglo XX

Tercera

FinalesSiglo XX

Tiempo

Primera

FinalesSiglo XIX

Inicio de la civilización

Finales del siglo XX en adelante.

• Búsqueda de nuevos productos, donde la satisfacción de las necesidades del hombre sigue siendo el principal objetivo tanto en la alimentación, salud y bienestar social.

• Auge extraordinario de las ciencias que soportan a la Biotecnología.

• Son un hecho en sí la Genómica y la Proteómica.

• Surge la Bioinformática.

• Productos: Terapia génica y Medicina personalizada.

Cuarta GeneraciónCuarta Generación

Esta etapa se caracteriza

• Desarrollo de la Bioinformática. • Acumulación de gran cantidad de conocimiento en grandes bases de datos

Des

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ico

Proteómica

Medicina PersonalizadaTerapia génica

Segunda

Primera mitadSiglo XX

EVOLUCIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍACuarta etapa de desarrollo

Genómica

Tercera

FinalesSiglo XX

Cuarta

PrincipioSiglo XXI

Tiempo

Primera

FinalesSiglo XIX

Inicio de la civilización

Sectores de influencia de la

Biotecnología en la EEL-USP.

Transformación de sustancias que ocurre por la acción de microorganismos o enzimas producidas por estos.

FERMENTACIONEFERMENTACIONES MICROBIANASS MICROBIANAS

¿¿CÓMO SE HACE LA CÓMO SE HACE LA CERVEZACERVEZA??

Producto obtenido originalmente por la fermentación de un extracto acuoso de malta mediante la acción de las levaduras.

CERVEZA

• Malteado.

• Maceración (saborización).

• Fermentación.

• Maduración.

Etapas biotecnológicas principales en la

elaboración de la cerveza

Remojo, germinación y secado de la semilla

(cebada) para obtener malta.

Malteado

• Mezclado de la malta triturada con agua caliente.

• Las amilasas hidrolizan los almidones de la semilla a azúcares simples para que puedan ser fermentados por la levadura.

• Terminada la cocción, esta mezcla se filtra y el extracto acuoso obtenido es el mosto, medio rico nutritivo.

Maceración

• Añadir el lúpulo al mosto. El lúpulo proporciona color, sabor y aroma.

• El mosto se hierve junto con el lúpulo.

Humulus lupulus

Saborización

• Añadir la levadura al mosto.

• Fermentación de los azúcares del mosto, produciéndose alcohol y dióxido de carbono.

Fermentación

Envejecimiento y maduración

¡¡Y ahora la cerveza!!

Son proteínas que catalizan re-acciones químicas en los seres vivos.

ENZIMASENZIMAS

OrigenVegetal

ENZIMAS INDUSTRIALES

• Amilasas

• Papaína

• Bromelina

• otras

Microbiana

ENZIMAS INDUSTRIALES

• Amilasas

• Celulasas

• Dextranasas

• Proteasas

• Beta galactosidasas

• Glucosaisomerasas

• Invertasas

• Pueden obtenerse en grandes cantidades.

• Posibilidades de mejorar la producción y aumentar los rendimientos.

• Proceso de obtención menos costoso.

Ventajas de la producción de enzimas por microorganismos

¿Qué es la alfa amilasa?

Es un preparado enzimático de origen bacteriano o fúngico (hongo) que

hidroliza el almidón hacia compuestos azucarados trayendo como

consecuencia una disminución de la viscosidad de la solución.

PRODUCCIÓN DE ALFA AMILASA

Bacterias del género Bacillus

• B. subtilis• B. coagulans• B. licheniformis

Hongos

• Aspergillus oryzae

Bacillus subtilis

e-biocurso

Bacillus coagulans

Aspergillus oryzae

e-biocurso

La alfa amilasa puede utilizarse para aumentar los rendimientos de la malta en la producción de cervezas.

Glucosa

Almidón

Conclusiones

• Podemos afirmar que la biotecnología tiene un importante campo te trabajo en cuanto a mejorar el entorno donde se desarrolla el hombre.

• La biotecnología moderna se ha comprometido grandemente con el futuro del propio hombre.

BIBLIOGRAFIA