Ingeniería de Sistemas Biológicos

1. Conceptos BiológicosBiología II

FIMCM-ESPOLNoviembre 2008

Algunos conceptos básicos:Biología sintética y biología de sistemas

• ¿Que es biología sintética?

Biología sintética se refiere a:

Diseño y fabricación de componentes biológicos y sistemas que no existen en el mundo natural.

Rediseño y fabricación de sistemas biológicos que ya existen.

Algunos conceptos básicos:Biología sintética y biología de sistemas

• ¿Cual es la diferencia entre biología sintética y biología de sistemas?

• La biología de sistemas se centra en estudiar sistemas biológicos en su totalidad, usando herramientas de modelación, simulación, y comparación al experimentado. La atención tiende hacia sistemas naturales.

• La biología sintética estudia cómo construir sistemas biológicos artificiales para aplicaciones a ingeniería, usando varias de las mismas herramientas y técnicas. Es más una aplicación ingenieril de biología en vez de un intento a llevar a cabo más biología. La base es el uso de partes de sistemas biológicos naturales, caracterizándolos y simplificándolos, y usándolos como componentes de una sistema ingeniado.

1. Organismos usados en Sistemas Biológicos

Los organismos que pueden ser manipulados para usarlos en sistemas biológicos son:

células (c)

bacterias (a)

algas (d)

hongos (b)

virus (e)

1. Organismos usados en Sistemas Biológicos: Células

Células Pluripotenciales:Célula indiferenciadas capaces de replicarse indefinidamente. Una célula pluripotencial puede también producir células especializadas para diversos tejidos del cuerpo, como músculo cardíaco, tejido cerebral y tejido hepático.

Tipos de células pluripotencialesExisten dos tipos básicos de células pluripotenciales:

• 1. Célula pluripotencial embrionaria, que se obtiene de fetos abortados o de óvulos fertilizados sobrantes de la fertilización in vitro. Son usadas para fines médicos y de investigación porque pueden producir células para casi todos los tejidos del cuerpo.

Agregado de célulasembrionarias

Tipos de células pluripotenciales

• 2. Célula pluripotencial adulta, que no es tan versátil para fines de investigación porque sólo puede producir células para determinados tipos de material somático, como la sangre, los intestinos, la piel y los músculos.

1. Organismos usados en Sistemas Biológicos: Bacterias

Las bacterias son microorganismos unicelulares.

Tienen típicamente longitud entre 0,5 y 5 m.μ

Presentan formas diversas incluyendo esferas, barras, y espirales.

Muchas bacterias disponen de cilios o flagelos y son móviles.

Generalmente poseen una pared celular similar a la de plantas u hongos, pero compuesta por peptidoglicanos.

Bacillus del sueloEstafilococos

Usos diversos de bacterias

• Las bacterias tienen usos múltiples en varios tipos de industrias. Algunos usos comunes:

limpieza de residuos industriales, por ejemplo, minas y petróleo, herbicidas, plaguicidas, etc., uso denominado Biorremediación

conversión de nitrógeno a nitrato para fertilización agrícola

proceso de alimentos (lácteos, vinos, productos cárnicos)

fabricación de plásticos

probióticos de uso humano y animal

fabricación de vacunas

1. Organismos usados en Sistemas Biológicos: Algas

Las algas son los organismos autótrofos que realizan la fotosíntesis oxigénica.

Son en general organismos acuáticos.

Existen algas unicelulares microscópicas (protofitas), algas coloniales y algunas tienen tejidos diferenciados, como las algas pardas.

Microalga unicelular Macroalga

Usos diversos de algas

alimentación directa de seres humanos y organismos de cultivo, ya sean éstos acuáticos o terrestres

fertilizantes para agricultura

medicina: espirulina

industria química farmacéutica: agares, gelidificantes, espuma de afeitar, shampoo, cosméticos

industria alimenticia: espesantes, saborizantes, aditivos para yogurt, flanes, helados, cerveza

industria fotográfica: películas

producción de biocombustibles: bioetanol, biobutinol, biodiésel

cuidado ambiental: depuradoras de efluentes, bioindicadores de contaminación

1. Organismos usados en Sistemas Biológicos: Hongos

Los hongos son organismos eucarióticos (con células nucleadas) que realizan una digestión externa de sus alimentos, secretando enzimas, y absorben luego las moléculas disueltas resultantes de la digestión (alimentación osmotrófica) pero los nutrientes que toman son orgánicos.

Son descomponedores primarios de la materia muerta de plantas y de animales en muchos ecosistemas.

Acompañan a la mayoría de las plantas, residiendo en sus raíces y ayudándolas a absorber nutrientes del suelo.

Características de los hongosPueden ser unicelulares o pluricelulares, (se puede ver en la misma especie fases de uno y otro tipo).

Poseen membrana plasmática (con ergosterol en vez de colesterol), núcleo, cromosomas (los hongos son generalmente haploides), y orgánulos intracelulares como mitocondrias (aunque ningún hongo es estrictamente anaeróbico, algunos pueden crecer en condiciones anaeróbicas), retículo endoplasmático.

Su pared celular es rígida, con un componente polisacarídico, hecho de mananos, glucanos y quitina, asociado íntimamente con proteínas.

Estructura de los hongos

El cuerpo del hongo tiene dos porciones, reproductiva y vegetativa.

La parte vegetativa (sin clorofila) está compuesta por filamentos que se extienden de los hongos multicelulares (hifas, usualmente microscópicas), y un conjunto de hifas conforman el micelio (usualmente visible).

Los esporangios son los receptáculos de las esporas, que son el medio reproductivo.

Usos de los hongos

Algunso usos importantes de los hongos:

fermentación de la cerveza: en la respiración anaeróbica producen etanol (a diferencia, por ejemplo, de los humanos que producen acido láctico)

fermentación de la masa del pan (levaduras u hongos unicelulares)

cultivo de setas para alimento en muchos países

obtención de productos inmunoestimulantes (glucanos)

obtención de antibióticos y productos medicinales

1. Organismos usados en Sistemas Biológicos: Virus

• Consisten en una molécula de ácido nucleico (que puede ser ADN o ARN) encerrada en una cubierta de proteína llamada cápside. Esta estructura puede, a su vez, estar rodeada por la envoltura vírica, una capa lipídica con diferentes proteínas, dependiendo del tipo de virus.

• No poseen citoplasma ni ribosomas ni alguna otra maquinaria celular.

Virus de inmunodeficienciaadquirida (VIH)

Características de los virus

• Tienen tamaño muy pequeño: rangos oscilan entre los 24 nanómetros (virus de la fiebre aftosa) a los 300 nanómetros (poxvirus).

• Son entes cristalizables ya que tienen formas geométricas precisas.

• Son parásitos intracelulares o microcelulares obligados.

• El virus siempre necesita de la maquinaria metabólica de la célula invadida para poder replicar su material genético, produciendo muchas copias del virus original. De este proceso depende la capacidad destructora de los virus, ya que en su reproducción llegan a matar la célula infectada.

• Los virus pueden infectar células eucarióticas o procarióticas (en cuyo caso se les llama bacteriófagos, o simplemente fagos). Aparentemente existen también virus que tienen la capacidad de infectar a otros virus (viroides).

Características de los virusEl ácido nucleico presente en el virus es solamente de un tipo, ADN o ARN, nunca están presentes los dos a la vez.

Según el tipo de ácido nucleico se distinguen cuatro clases de virus:

ADN de cadena doble

ADN de cadena sencilla

ARN de cadena doble

ARN de cadena sencilla

Características de los virus• Según la forma de la cápsida, se pueden distinguir los siguientes

tipos de virus:

• Cilíndricos o helicoidales: los capsómeros, que son de un solo tipo, se ajustan entorno una hélice simple de ácido nucleico. Ejemplo: virus del mosaico del tabaco.

• Icosaédricos: los capsómeros se ajustan formando un icosaedro regular ( 20 caras triangulares y 12 vértices), y dejando un hueco central donde se sitúa el ácido nucleico fuertemente apelotonado. Un ejemplo lo constituyen los adenovirus, entre los que se encuentran los virus de los resfriados y faringitis.

• Complejos: con pequeñas variantes, responden a la siguiente estructura general:

• Una cabeza de estructura icosaédrica que alberga el ácido nucleico.

• Una cola de estructura helicoidal que constituye un cilindro hueco.

• Un collar de capsómeros entre la cabeza y la cola.

• Una placa basal, al final de la cola, con unos puntos de anclaje que sirven para fijar el virus a la membrana celular. De la placa salen también unas fibras proteicas que ayudan a la fijación del virus sobre la célula hospedadora.

Ejemplos de virus

Virus de EstructuraCompleja

Virus helicoidaleso cilíndricos Virus icosaédricos

Utilidad de los virus

La utilización de los virus en los actuales momentos es más importante a nivel de técnicas de investigación en biología molecular.

Los virus son herramientas importantes en investigación de la biología celular, particularmente en estudios de síntesis macromolecular.

Virus pueden ser usados como vectores para llevar genes seleccionados hacia las células, reemplazando los genes virales que causan lisis celular por los que se desea transducir a las células (genoterapia usando virus).

Uso futuro en nanotecnología para fabricación de componentes y aparatos a escala nanométrica.

Armas biológicas.