biotecnología en frutos: mejoramiento de la calidad y ... · en pera, se identificaron transcritos...
TRANSCRIPT
Biotecnología en frutos: mejoramiento de la calidad y producción de compuestos
farmacéuticos
Dr. Miguel A. Gómez LimCINVESTAV Irapuato
Alimentos y Población
Desde 1950 a la fecha la producción de alimento creció durante un periodo de acelerado crecimiento poblacional
024
68
10
1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100Pob
laci
ón(B
illon
es)
Cuando menos durante las dos próximas décadas, habrá una “nueva Alemania” cada año y una “nueva China” cada década.
Producción mundial per cápita de alimentos
1948-50 = 100
(Fuente: “The Ultimate Resource 2” de Julian L. Simon)
Prdn Rel.
Estudios de la ONU sugieren una estabilización de la población de 10.73 Billones en el siglo 21
La Biotecnología es la mas reciente tecnología en impactar la producción de alimentos
Ya se está aplicando en el mundo en desarrollo
Los avances tecnológicos permitieron aumentar la producción de alimentos en el mundo industrializado
Tecnología desarrollada en el siglo XX: Mecánica, Química, Genética
La disponibilidad y el apoyo intensivo de capital a estas tecnologías favoreció a las naciones desarrolladas. 1945; siembra de maiz
(Sin híbridos, sin comp. químicos)
1995; Mecanización
LA AGRICULTURA EN AMERICA LATINA
• Bajos rendimientos
• Falta de subsidios (créditos, comercialización, fertilizantes)
• Tecnología inadecuada
• Políticas de comercio desventajosas
• Disminución en la cantidad de tierra cultivable
• Aspectos culturales
LA AGRICULTURA EN AMERICA LATINA
•Países eminentemente agrícolas se están volviendo importadores netos de alimentos
•Tierra cultivable se dedica a viviendas
•Alto crecimiento en exportaciones pero el balance comercial per cápita sigue siendo negativo
Tendencias en la producción
Fuente: IICA
PROBLEMAS AGRICOLAS EN LATINOAMERICA
Sequía: Pérdidas de millones de toneladas de granos
Erosión: 80% de la tierra cultivable con 10% de daños irreversibles
Pérdidas en biodiversidad
Plagas y enfermedades: Se estiman pérdidas de 15-30%. Aplicación de 25 mil toneladas de plaguicidas
Muchos problemas agrícolas han rebasado a la agronomía tradicional
Biotecnología
� Cultivo de tejidos
� Marcadores moleculares
� Ingeniería Genética
� Genómica
¨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¨
Parte importante de la dieta humana y animal
Tienen características variadas:
� Color � Tamaño � Textura
� Sabor � Aroma
Alto contenido de:
• Minerales • Vitaminas• Carotenos • Antioxidantes
Son materia prima para aplicaciones industriales
Los frutos:
Desarrollo Maduración Senescencia
Carotenoides
Expansión celular
División celular
Ablandamiento
Etileno yRespiración
Tiempo
Climatericos
No Climatericos
Biología de los frutos
• Textura• Color• Contenido de azúcares• Firmeza• Aroma
Propiedades organolépticascaracterísticas de cada fruto
Atributos de calidadpost-cosecha de los frutos
Productosperecederos
Calidad de los frutos
Conservación de atributos de calidad
CosechaTransporte y distribución
Selección, empaque, almacenamiento,comercialización
Las pérdidas postcosecha pueden ser 15-50% del
total producido
FAO, 2009. http://www.fao.org
Manejo postcosecha de frutos
Consumo o procesamiento industrial
Producción total mundial de frutos carnosos
3.8 x108 millones de toneladas
1.2 x1012
dólares$
FAO, 2009.
ambiental
económico Limitan la producción agrícola a nivel mundial
Impacto de pérdidas postcosecha
Estrategias para control de maduración
No existe un tratamiento universal postcosecha para
preservar los frutos
• Ventilación• Adsorbentes• Recubrimientos• Atmósferas Controladas• Inhibidores• Refrigeración
Tecnologías convencionales: Inhibir la acción del etileno (hormona vegetal que controla la maduración
Enzimas hidrolíticas y no hidrolíticas
Lámina media, pared celular
• Pérdida de integridad • Disminuye adhesión célula-célula• Cambios en turgencia
Manipulación de enzimas hidrolíticas y no hidrolíticas
La supresión de enzimas hidrolíticas o no hidrolíticas individuales no retrasa el ablandamiento significativamente
PoligalacturonasasPectinmetil esterasasExpansinas
Control de ablandamiento y prolongación de vida media de anaquel (I)
Lámina media
Control de ablandamiento y prolongación de vida media de anaquel (II)
SAM ACC EtilenoACC
sintasaACC
Oxidasa
ACC desaminasa
∝∝∝∝-Ceto butirato
Manipulación de la ruta de producción de etileno
La estrategia consiste en reducir la producción de etileno
• El fenotipo normal no se restaura aplicando etileno en todos los frutos
• Se afectan atributos de calidad como sabor y aroma• Existen procesos críticos que deben ocurrir en tiempo y forma
El bloqueo del etileno puede tener efectos deletéreos en la planta
Es necesario usar estrategias con efecto más específico y controlado para aumentar la calidad de los frutos
El papel del metabolismo de lípidos durante la maduración ha sido poco explorado
Inducción de una enzima clave (tiolasa peroxisomal) en el metabolismo de lípidos durante maduración en mango
Bojórquez, G. 1995
En pera, se identificaron transcritos de enzimas del metabolismo de lípidos, durante maduración y senescencia
Fonseca, S. 2004
En fresa se identificaron transcritos, inducidos durante maduración, que participan en metabolismo de lípidos
Nam, Y. 1999
¿Cuál es el metabolismo de lípidos durante la maduración de frutos?
Etileno regula la producción de aroma en manzanaSchaffer, R. 2007
Fosfolipidos de membranas
Ácido fosfatídico
Diacilgliceroles
Ácidos grasos libres(C18:2 y C18:3)
Ácidos grasos hidroxiperoxidados ylipohidroxiperóxidos
Conversión de radicales libres a ROS
Peroxidación de lípidos
Membranas
Desestabilizaci����ón Permeabilidad
DescompartamentalizaciónLiberación de fosfolipidos
Compuestos de sabor
Fosfolipasas Ca2+, Etileno
Fosfatasas de ácidos fofatídicos
Acil hidrolasas
Lipoxigenasas y O2
Enzimático y no enzimáticoHidroperoxido liasas y
deshidratasas
Degradación autocatalítica de lípidos
Reducción en la degradación autocatalítica de lípidos
Firmeza, sólidos solubles en melón HD
Metabolismo de lípidos en melón
En melón Honey Dew
Se postula la participación tejido específica de LOX durante maduración en melón HoneyDew
Tiempo de maduración melones control: 10 dTiempo de maduraciónmelones sin LOX: 45-60 d
Manipulación de la calidad de melon
Frutos de 45 dias despues de la cosecha
Una pieza de melón en Japón puede costar de 30-50 dólares
Las plantas como biorreactores
Anticuerpos
Enzimas yhormonas Pigmentos
Plásticos biodegradables
Vacunas
1 kg de proteína recombinante es de 10-50 veces mas barato que producirla por fermentación en E. coli
Menor costo
Fácil Escalamiento
Material fácil de transportar sin necesidad de Red fría
Material producido SIN contaminación de patógenos humanos
Altos rendimientos
Fácil purificación
Productos idénticos a los naturales.
Ventajas de producción de compuestos en las plantas
Proteínas humanas de interés farmaceútico producidas en plantas
Anticoagulantes
Factor GM-CS
Eritropoietina
Encefalina
Factor de crecimiento epidérmico
Interferón-α y -ß
Seroalbúmina
Hemoglobina α y -ß
Lactoferrina
Colágena
Aprotinina
Aplicaciones de anticuerpos producidos en plantas
Caries dental
Herpes genital
Diagnóstico IgG humana
Antígenos de diversos tipos de cáncer
Antígenos producidas en plantas
Hepatitis
Diabetes autoinmune
Virus de la Viruela
Virus de Influenza
Rabia
HIV-Sida
Rinovirus
Fiebre Aftosa
Paludismo
HPV
Cáncer
LA UTILIDAD DE LAS PLANTAS
Principales modelos de estudio:
Tabaco, Papa y Jitomate
Expresión de Interleucina 12 in tomate
IL-12 commercial
IL-12 tomato
IL-12 comercial
+ Ab anti-IL12
IL-12 tomato +
Ab anti-IL12
α
β
35kDa
40kDa
Induce respuesta Th1 (celular) y producción de IFN-γ
Se emplea como adyuvante en infecciones parasíticas y virales
Efecto del JT-IL12 sobre la carga bacteriana en pulmones de ratones infectados con Mycobacterium tuberculosis- MDR
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
semana 1 semana 2 mes 1 mes II
Duración del tratamiento
Mill
on
es
de
UFC
/pu
lmó
n
JN
JT
** *
** p <0.005
* p <0.05
Infección con una cepa resistente a antibióticos
Administracion oral de IL 12 en ratones
Expresión de proteínas N y G del virus de la rabia en plantas
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6
Grupo 1 Grupo 2 Negativo
An
tib
od
y ti
ter
(UI)
Groups of mice
Group 1. Ratones inmunizadosCon una vacuna comercial
Group 2. Ratones inmunizadoscon 20 µg de proteína G expresadaen plantas
Group 3. Grupo control
Administración oral de proteína G del virus de la rabia producida en plantas induce anticuerpos neutralizantes en
ratones
0
20
40
60
80
100
120
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Por
cent
aje
de s
obre
vive
ncia
Días post desafío
G1
G2
G3
Sobrevivencia de ratones inmunizados con tres diferentes tratamientos y desafiados intracranealmente con 100 LD50 de un virus de
rabia aislado de murciélagos
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
1 Dosis 2 Dosis 3 Dosis 4 Dosis Positivo Negativo
An
tib
od
y T
iter
(IU
)
Sheep ID
Administración oral de proteína G del virus de la rabia producida en plantas induce anticuerpos neutralizantes en ovejas
-20
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50 60 70
Por
cent
aje
de s
obre
vive
ncia
Días post desafío
Neg
Vac
1 D
2 D
3 D
4 D
Sobrevivencia de ovejas inmunizadas y desafiadas intracranealmentecon 100 LD50 de un virus de rabia aislado de murciélagos
Expresión de dos genes del virus del Newcastle para generar vacunas orales para pollos
Hemaglutinina-Neuraminidasa
Proteína de fusión
Membrane protein
GRUPO # TRATAMIENTO
1 pollos alimentados con plantas controles
2 pollos alimentados con una sola dosis de plantas
3pollos alimentados con una dosis inicial de plantas y
un refuerzo a los 20 días post primo inoculación
4 vacuna comercial adicionada a plantas
5 vacuna comercial intranasal
6pollos alimentados con cinco dosis de plantas en una
sola toma
7 pollos alimentados con plantas a libre acceso
Dosis y grupos de pollos inmunizados con plantas y pollosvacunados con un biológico comercial.
GRUPO DOSIS DE ANTÍGENOS F y HN SOBREVIVIENTES
1 0 µg-3 g de plantas control 0/7
2 100 µg-3 g de material vegetal 7/7
3 200 µg-6 g de material vegetal 7/7
4 Plantas control+vacuna comercial por vía oral 7/7
5 vacuna comercial por vía nasal 7/7
6 500 µg-15 g de material vegetal 7/7
7 Material vegetal a libre acceso 7/7
Número de pollos sobrevivientes al desafió postvacunación con 200 µlpor vía nasal de la cepa velogénica viscerotrópica Chimalhuacan (109.7
DLE50 ml-1) del NDV.
Producción de rotavirus vlps en tomate
VP2/4/6/7VP6/4/7 VP2/4/6 VP2/6
RV PurificadosControl tomate
RV VLPs producidas en tomate
Production of HPV VLPs profilácticas y terapéuticas en tomate
L1HPV16 E6E7
Vol
ume
(cm
3 )
Days
Vacuna
comercia
l
VLP
Quimérica
L1 E6E7
Control
negativo
Obtención en plantas de partículas virales de Hep C
50 nm
50 nm50 nm
Una preparación obtenida de plantas y dirigida a células dendríticas
induce anticuerpos neutralizantes contra el virus de dengue
BHK-21
AntiDEC205 Antígeno Dengue
0.00000
0.02000
0.04000
0.06000
0.08000
0.10000
0.12000
0.14000
0.16000
E GST GST EIII EII – EIII DECOLLAS
GFP
AB
SO
RB
AN
CIA
492
nm
SENSIBILIZACIÓN
SUERO DE RATONES INMUNIZADOS CON scFvantiDEC OLLAS EII-EIII + poly IC
Preinmune
1o.Inmunización
2o.Inmunización
Células BHK 21
Mario Henry RodriguezLourdes GutierrezInstituto de Salud Pública
Andrew HillDepartment of Medicine, University of Oxford, UK
Magda PlebanskiAustin Research InstituteVictoria, Australia
Rogelio Hernandez PandoINNSZ
Carmen Sanchez, Polo SantosLeticia Cedillo, Polo FloresRebeca ManningCINVESTAV
Hector Gordon Nuñez (Cinvestav Irapuato)
Carlos Arias, Susana LópezLourival PossaniInstituto de BiotecnologíaUNAM
Fernando EsquivelUniversidad Aut. de Morelos
Alberto MonroyCNM SXXI
Elizabeth LozaINIFAP
Herman UngerIAEA, Austria
Nancy Coconi
Sergio Saldaña
Yuri Jorge Peña
Abel Gutierrez
Margarita López
Irene Perea
Georgina de la Paz
Octavio Guerrero
Laura Uribe
Theobald Smith, 1934
“The objectives of research as a mere accumulation of
data or the display and parading of acquired knowledge
in a world otherwise in motion is outmoded…..
Discoveries and inventions must be made to yield
some contribution towards that rather vague goal,
the welfare of mankind.”
