Principios y aplicaciones de biotecnología microalgal

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1. Título del Curso Fundamental
Principios y aplicaciones de biotecnología microalgal.
2. Tutor responsable
Nombre completo
Dr. Alfredo Martínez Jiménez
Adscripción
Instituto de Biotecnología – UNAM
Teléfono
(777) 329-1601
Correo electrónico
[email protected]
2 a. Estudiantes Coordinadores del Curso o Tópico
Nombre completo
M. C. Adriana Garibay Hernández
Adscripción
Teléfono
(777) 329-1601
Correo electrónico
[email protected]
Nombre completo
M. C. Daniela Morales Sánchez
Adscripción
Teléfono
(777) 329-1630
Correo electrónico
[email protected]
3. Profesores invitados
Nombre completo
Dra. Bertha Olivia Arredondo Vega
Adscripción
Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, S.C.
Teléfono
(612) 123-8484
Correo electrónico
[email protected]
Nombre completo
Dr. Cristoph Benning
Adscripción
Michigan State University
Teléfono
(517) 355-1609
Correo electrónico
[email protected]
Nombre completo
Dr. David Uriel Hernández Becerril
Adscripción
Instituto de Ciencias del Mar y Limnología – UNAM
Teléfono
(555) 622-5819
Correo electrónico
[email protected]
Nombre completo
Dr. Rafael Vázquez Duhalt
Adscripción
Teléfono
(777) 329-1601
Correo electrónico
[email protected]
Nombre completo
Dr. Sergio Revah Moiseev
Adscripción
Universidad Autónoma Metropolitana – Unidad Cuajimalpa
Teléfono
(555) 804-6538
Correo electrónico
[email protected]
Nombre completo
Dr. José A. Zertuche González
Adscripción
Instituto de Investigaciones Oceaonlógicas – UABC Campus Ensenada
Teléfono
(646) 174-4601
Correo electrónico
[email protected]
4. Introducción/justificación del Curso/Objetivos
Introducción y justificación.
En este siglo la humanidad afronta una grave problemática debido al aumento de la demanda
energética mundial, crecimiento poblacional, mayor demanda de alimentos y dificultades
ambientales causadas por los gases de invernadero tales como la contaminación local del aire y el
calentamiento global. Actualmente, el uso de microalgas es una alternativa ventajosa para el
desarrollo de procesos sustentables, renovables y amigables con el ambiente debido a su enorme
biodiversidad, su capacidad de proliferar en ambientes diversos, su elevada eficiencia
fotosintética, su velocidad de crecimiento relativamente alta y la versatilidad que ofrecen para la
obtención de un amplio rango de productos de interés biotecnológico, entre los cuales se
encuentran los biocombustibles (bioetanol, biodiesel, biohidrógeno, biopetróleo), productos para la
industria alimentaria (antioxidantes, PUFAs, pigmentos, nutracéuticos, ficobiliproteínas) y
cosmética, así como otros productos de valor agregado (proteínas terapéuticas).
Los procesos basados en cultivos microalgales presentan diversas limitantes relacionadas con el
diseño de los sistemas de cultivo, las operaciones de cosecha y post-cosecha, así como el
desarrollo incipiente de herramientas para su manipulación y mejora genética. No obstante,
actualmente se están aplicando diversas estrategias de la biotecnología moderna para superar
estos inconvenientes, lo cual se ha manifestado a través del surgimiento de una gran cantidad de
proyectos para la innovación y desarrollo de los cultivos microalgales. Tales estrategias están
dirigidas al aislamiento y caracterización de cepas, diseño y optimización de condiciones y
sistemas de cultivo, así como al planteamiento de metodologías novedosas que posibiliten la
manipulación y mejora genética de distintas microalgas.
En el tópico ‘Principios y aplicaciones de biotecnología microalgal’, se abordarán los fundamentos
de la fisiología y el cultivo de las microalgas, así como los temas actuales y de frontera
relacionados con el desarrollo de procesos microalgales desde un punto de vista biotecnológico.
Justificación.
Las microalgas son un conjunto heterogéneo de microorganismos cuya diversidad es enorme, ya
que se estima que existen más de 100,000 especies, aunque sólo se han identificado alrededor
de 40,000. Actualmente, el uso de las microalgas para su aplicación en procesos biotecnológicos
tales como producción de biocombustibles, alimentos, nutracéuticos, proteínas terapéuticas, etc.,
presenta un gran potencial. Por lo anterior, para el biotecnólogo moderno resulta necesario el
conocimiento e investigación de las microalgas en términos de su biología, fisiología,
metabolismo, composición bioquímica, así como de los sistemas para su cultivo y procesamiento.
La impartición de estos conocimientos en el tópico “Principios y aplicaciones de biotecnología
microalgal” le proporcionará al estudiante los conocimientos básicos y aplicados para el desarrollo
de tecnologías basadas en cultivos microalgales, que posibiliten contender con los problemas a
actuales de contaminación, así como de escasez energética y alimentaria.
Objetivos.
A través del análisis y discusión en grupo de artículos, capítulos de libros y revisiones, el alumno
comprenderá los conceptos básicos y aplicados de la biotecnología microalgal para la obtención
de productos de interés energético y comercial mediante procesos ecológica y económicamente
viables. Se analizarán y discutirán las estrategias de la biotecnología microalgal en desarrollo, así
como las principales herramientas teóricas, moleculares, de ingeniería metabólica y de
bioprocesos. Asimismo, se abordarán los aspectos tecno-económicos inherentes a la aplicación
de procesos basados en cultivos microalgales.
5. Características para la impartición del Curso
Indique el lugar en donde se realizará el Curso
Número de sesiones y duración en horas por sesión
(mínimo 36 horas)
Disponibilidad de impartirlo por videoconferencia
Número total de alumnos que puede aceptar
Número de alumnos EXTERNOS AL PMyDCB que puede
aceptar
(Campus Cuernavaca)
17 sesiones de 3 horas
No
15
60%
6. Método de evaluación
Por favor incluya en este apartado el % de la contribución relativa de:
Exámenes (número)
0
Participación en clase
Asistencia
Presentación de un proyecto
Otros
70%
0
0
30%: Redacción de una monografía de uno de los temas
tratados en clase. Las monografías serán consideradas para su
publicación.
7. Temario del Curso o Tópico
Reunión previa (3 de agosto).
Presentación, horarios y dinámica del tópico.
1. Introducción a la biotecnología de microalgas (10 de agosto).
En esta clase se planteará la problemática ambiental y energética actual. Se discutirán las
ventajas que ofrecen las microalgas como una alternativa para bioprocesos sustentables y
amigables con el ambiente. Se proporcionará una perspectiva histórica del uso de las microalgas
en el campo de la biotecnología.
M. C. Daniela Morales Sánchez y Dr. Rafael Vázquez Duhalt (IBT-UNAM).
2. Biología de microalgas (17 de agosto).
El propósito de esta sección es describir qué son las microalgas y cuáles son sus diferencias
básicas respecto a las cianobacterias y las macroalgas. Asimismo, se explicará el origen
endosimbiótico de las mismas y cómo ello ha influido en su enorme biodiversidad. Finalmente, se
discutirá la importancia ecológica de las microalgas.
Dr. David U. Hernández Becerril (ICMyL-UNAM).
3. Metabolismo de microalgas I. Metabolismo autotrófico (24 de agosto).
En esta clase se explicarán los fundamentos de la fotosíntesis, así como de los mecanismos de
concentración y fijación de carbono inorgánico.
M. C. Adriana Garibay Hernández (IBT-UNAM).
4. Metabolismo de microalgas II. Metabolismo lipídico de microalgas (31 de agosto).
En esta sección se describirán las rutas metabólicas involucradas en la producción de lípidos, en
particular de triacilglicéridos, cuya manipulación ha sido considerada para aumentar los
rendimientos de producción de biocombustibles a partir de microalgas.
Dr. Cristoph Benning (Michigan State University).
5. Metabolismo de microalgas III. Metabolismo heterotrófico y mixotrófico (7 de
septiembre).
En esta clase se describirán las fuentes de carbono orgánico que pueden asimilar las microalgas,
así como los mecanismos para ello. Asimismo se describirán las características del crecimiento
mixotrófico. Se compararán y discutirán, en términos de productividad, los tipos de metabolismo
descritos en las clases 3 y 4.
M. C. Daniela Morales Sánchez (IBT-UNAM).
6. Aislamiento y manipulación de cepas microalgales (14 de septiembre).
En esta clase se proporcionarán técnicas para el aislamiento y caracterización de microalgas a
partir de distintas fuentes. Asimismo, se describirán métodos para su conservación y manipulación
a nivel laboratorio.
7. Manipulación genética de microalgas (21 de septiembre).
Se analizarán las herramientas moleculares actualmente disponibles para la manipulación
genética de microalgas. De igual manera, se discutirán las principales limitantes inherentes a la
ingeniería genética de microalgas.
8. Productos de interés biotecnológico a partir de microalgas.
8.1. Bioetanol (28 de septiembre).
En esta clase se proporcionará un panorama general del bioetanol como biocombustible, así
como del proceso para su producción utilizando microalgas como materia prima.
M. C. Daniela Morales Sánchez y Dr. Alfredo Martínez Jiménez (IBT-UNAM).
8.2. Biodiesel (5 de octubre).
En esta clase se proporcionará un panorama general del biodiesel como biocombustible, así como
del proceso para su producción utilizando microalgas como materia prima.
8.3. Biohidrógeno (12 de octubre).
En esta sección se describirán el biohidrógeno como biocombustible. Se analizarán los
mecanismos metabólicos en las microalgas para su producción.
8.4. Producción de proteína terapéutica a partir de microalgas (19 de octubre).
En esta sección se describirá el uso de las microalgas modificadas genéticamente como
plataforma para la producción de proteína recombinante de interés terapéutico.
M. C. Adriana Garibay Hernández y Dr. Alfredo Martínez Jiménez (IBT-UNAM).
8.5. Productos de valor agregado (26 de octubre).
El propósito de esta clase es describir el uso de las microalgas para la obtención de productos de
valor agregado tales como pigmentos carotenoides, PUFAs, bioplásticos, etc.
Dra. Bertha Olivia Arredondo Vega (CIBNOR).
9. Sistemas de cultivo microalgal I. Sistemas abiertos (3 de noviembre).
Se describirán las principales características y parámetros de diseño de los sistemas abiertos para
el cultivo de microalgas. Se discutirán las ventajas y desventajas de la aplicación de estos
sistemas en procesos biotecnológicos.
10. Sistemas de cultivo microalgal II. Sistemas cerrados (9 de noviembre).
Se describirán los principales tipos de sistemas cerrados, así como los parámetros para su diseño
y escalamiento. Se discutirán las ventajas y desventajas de la aplicación de estos sistemas en
procesos biotecnológicos.
Dr. Sergio Revah Moiseev (UAM-Cuajimalpa) y Dr. Alfredo Martínez Jiménez (IBT-UNAM).
11. Operaciones para la cosecha y procesamiento de microalgas (16 de noviembre).
El propósito de esta clase es dar a conocer las operaciones para la cosecha y procesamiento de
la biomasa microalgal. Se discutirán las principales características técnico-económicas que
actualmente limitan la factibilidad de los procesos biotecnológicos dependientes de cultivos
microalgales.
M. C. Adriana Garibay Hernández y Dr. Alfredo Martínez Jiménez (IBT-UNAM).
12. Acoplamiento de cultivos microalgales al tratamiento de aguas residuales y emisiones
gaseosas ricas en CO2 (23 de noviembre).
En esta sesión se analizarán las estrategias para la integración de los cultivos de microalgas a
procesos de remediación de efluentes contaminados líquidos y gaseosos.
13. Macroalgas (30 de noviembre).
Se describirán las principales características de las macroalgas y se proporcionarán técnicas para
su manipulación. Igualmente, se analizarán sus aplicaciones a nivel biotecnológico.
Dr. José A. Zertuche González (IIO-UABC) y Dr. Alfredo Martínez Jiménez (IBT-UNAM).
8. Bibliografía
Bibliografía básica. (En cada tema se proporcionará bibliografía adicional).
1. Arredondo-Vega BO, Vazquez-Duhalt R: Aplicaciones biotecnológicas en el cultivo de
microalgas. Ciencia y Desarrollo 1991, 17:99-111.
2. Garibay-Hernández A, Vázquez-Duhalt R, Sánchez-Saavedra MdP, Serrano-Carreón L,
Martínez-Jiménez A: Biodiesel a partir de microalgas. Biotecnología y Bioingeniería
2009, 13:38-61.
3. Harun R, Jason WSY, Cherrington T, Danquah MK: Microalgal biomass as a cellulosic
fermentation feedstock for bioethanol production. Renew Sust Energ Rev, In Press.
4. León-Bañares R, González-Ballester D, Galván A, Fernández E: Transgenic microalgae
as green cell-factories. Trends Biotechnol 2004, 22:45-52.
5. Li Y, Horsman M, Wu N, Lan CQ, Dubois-Calero N: Biofuels from microalgae. Biotechnol
Progr 2008, 24:815-820.
6. Mata TM, Martins AA, Caetano NS: Microalgae for biodiesel production and other
applications: a review. Renew Sust Energ Rev 2010, 14:217-232.
7. Melis A, Melnicki MR: Integrated biological hydrogen production. Int J Hydrogen Energy
2006, 31:1563-1573.
8. Parker MS, Mock T, Armbrust EV: Genomic insights into marine microalgae. Annu Rev
Genet 2008, 42:619-645.
9. Perez-Garcia O, Escalante FME, de-Bashan LE, Bashan Y: Heterotrophic cultures of
microalgae: metabolism and potential products. Water Res 2011, 45:11-36.
10. Pittman JK, Dean AP, Osundeko O: The potential of sustainable algal biofuel
production using wastewater resources. Biores Technol 2011, 102:17-25.
11. Radakovits R, Jinkerson RE, Darzins A, Posewitz MC: Genetic engineering of algae for
enhanced biofuel production. Eukaryot Cell, 9:486-501.
12. Salim S, Bosma R, Vermuë MH, Wijffels RH: Harvesting of microalgae by bioflocculation. J Appl Phycol 2010, Published Online.
13. Schenk P, Thomas-Hall S, Stephens E, Marx U, Mussgnug J, Posten C, Kruse O,
Hankamer B: Second generation biofuels: high-efficiency microalgae for biodiesel
production. BioEnerg Res 2008, 1:20-43.
14. Specht E, Miyake-Stoner S, Mayfield S: Micro-algae come of age as a platform for
recombinant protein production. Biotechnol Lett 2010, 32:1373-1383.
15. Rosenberg JN, Oyler GA, Wilkinson L, Betenbaugh MJ: A green light for engineered
algae: redirecting metabolism to fuel a biotechnology revolution. Curr Opin Biotechnol
2008, 19:430-436.
16. Spolaore P, Joannis-Cassan C, Duran E, Isambert A: Commercial applications of
microalgae. J Biosci Bioeng 2006, 101:87-96.
17. Xu L, Weathers PJ, Xiong X-R, Liu C-Z: Microalgal bioreactors: challenges and
opportunities. Eng Life Sci 2009, 9:178-189.

Principios y aplicaciones de biotecnología microalgal

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