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Historia de la Biotecnología
CyTB 2015
Flávio Silva Junqueira de Souza
Biotecnología - definiciones
- "Any technological application that uses biological systems, living organisms,
or derivatives thereof, to make or modify products or processes for specific use."
(United Nations Convention on Biological Diversity)
- "The application of biological systems and organisms to technical and industrial
processes" (Food and Drug Administration - USA)
- "The application of science and technology to living organisms, as well as parts,
products and models thereof, to alter living or non-living materials for the
production of knowledge, goods and services." (European Commission)
- el uso de organismos vivos (o sus partes) para la creación de
productos y processos útiles para el ser humano
Biotecnología - periodos
- Biotecnología antigua (antes de 1800)
: domesticación de animales y plantas
: producción de vino, cerveza y vinagre por fermentación
: producción de queso por fermentación o coagulación con quimosina
- Biotecnología clásica (1800 - 1950)
: descubrimiento de fermentación por microrganismos
: descubrimiento de los principios de la genética
: desarrollo de la biotecnología científica
- Biotecnología moderna (1950 - presente)
: desarrollo de técnicas de ingeniería genética
: manipulación del genoma de organismos para la producción
(bacterias, hongos, plantas, animales)
Antes de la biotecnología
- el género Homo existe hace 2 millones de años
(H. habilis, H. erectus, H. heidelbergensis etc)
- Homo sapiens anatomicamente moderno
se originó hace 200 mil años (Paleolítico)
- el modo de vida primitivo de los hombres era el
de cazadores-colectores (hasta hace 10 mil años)
- la tecnología paleolítica era simple (dominio del
fuego, instrumentos de piedra, hueso y madera)
- no existió una biotecnología paleolítica notable
excepto por la domesticación del lobo hace c. 15.000
años
escena de caza,
cueva de Altamira
c. 15.000 años atras
escena de caza p
Domesticación del lobo
- el lobo gris (Canis lupus) fue el primer animal
en ser domesticado hace 15.000 años
o más (Paleolítico)
- el lobo domesticado ofrecía protección,
compañia y ayudaba en la caza
- el sitio de domesticación es controversial:
Medio Oriente, Europa o China
- acompañó los humanos en las migraciones
mundiales (América, Oceania)
- dió origen al perro doméstico (Canis lupus
familiaris)
Domesticación del lobo
lobo gris
relieve asirio con perro de caza
(c. 3000 años atras)
Web Museum of Fine Art
perro de compañía (detalhe)
Jan van Eyck, 1434
Cazadores-colectores
!Kung, Kalahari
Hadza, Tanzania
Cazadores-colectores
190.000 años !
Revolución neolítica
- drástico cambio en el modo de vida humano (agricultura y sedentarismo) que
marca el comienzo del Neolítico
- los motivos que llevaron a la invención de la agricultura son discutidos;
¿cambios climáticos? ¿aumento de la población?
- domesticación de animales (cabra, oveja, vaca, chancho etc) y plantas (trigo,
cebada, arroz etc) empezando 12-10 mil años atras
- empieza en el Medio Oriente, sigue independentemiente en China,
Meso- y Sudamérica, África Equatorial
- la agricultura generó mayor disponibilidad de comida, sedentarismo, aumento
de la población, surgimiento de las primeras ciudades, comercio, primeras
civilizaciones, tecnología mas avanzada, escrita etc
Revolución neolítica - primeras ciudades
plantaciones
animales
domesticados
Çatalhöyük - poblado neolítico en Anatolia (9400 - 7200 años atras)
llegó a tener 3.000 - 8.000 personas
Domesticación
- proceso por el ser humano toma el control de la reproducción de otra especie
que cambia su morfología, fisiología, comportamiento y genética adaptandose
a las necesidades humanas
- resultado de presión de selección artificial sobre variantes de la especie
domesticada (o en proceso de ser domesticada)
- animales salvajes domesticables tienen un conjunto de caracteristicas que
favorecen la domesticación: dieta amplia, crecimiento rápido, temperamento
adecuado etc
- las plantas cuando domesticadas adquieren caracteristicas claves: aumento
del tamaño de las semillas/frutos; ausencia de dormencia de la semilla;
ausencia de mecanismos de dispersión de semillas etc
agricultura en el
Egipto antiguo
(c. 3000 años atras)
Domesticación
- centros de domesticación de plantas
Planta
Lugar
Fecha (años antes presente)
Higuera
Medio Oriente
11000
Cebada
Medio Oriente
11000
Trigo "Einkorn"
Medio Oriente
11000
Trigo "Emmer"
Medio Oriente
11000
Lino
Medio Oriente
10000
Zapallo
America Central
10000
Arroz
Extremo Oriente
8000
Maiz
America Central
8000
Mijo
Extremo Oriente
8000
Mandioca
Sudamerica
8000
Papa
Sudamerica
7000
Girasol
Norteamerica
4800
Chili
Sudamerica
6000
Batata
Sudamerica
4500
Poroto
America Central
4000
Arroz Africano
Africa
1000
Animal
Lugar
Fecha (años antes presente)
Lobo/Perro
Medio Oriente, Europa,
China
30000-15000
Cabra
Medio Oriente (Iran)
11000
Oveja
Medio Oriente
11000
Jabalí/Chancho
China, Medio Oriente
10000
Uro/Vaca
India, Medio Oriente
10000
Gato
Mediterraneo
9000
Gallina
India, Sudeste de Asia
8000
Burro
Egipto
7000
Caballo
Estepa Euroasiatica
6000
Llama
Andes (Peru)
5500
Gusano de la seda
China
5000
Camello bacteriano Asia Central
4500
Dromedario
4500
Arabia
Zeder (2008) PNAS USA
Domesticación - Medio Oriente
- domesticación de especies de trigo (wheat), cebada (barley), cabras, ovejas,
vacas y chanchos
Domesticación - Medio Oriente
- cabra y vaca en Ur (Sumeria), 4500 años atras
Wikimedia Commons
Domesticación - Norte de África
- cosecha en el Antiguo Egipto (3000 años atras)
Wikimedia Commons
Domesticación - ejemplos
- proporción de granos de trigo (azul), cebada (amarillo) y arroz (rojo) que
no dispersan (non-shattering) en asentamientos humanos del Neolítico
Purugganan & Fuller (2009) Nature
- cambios morfológicos entre el teosinte y el maíz: forma de la planta,
tamaño del grano, número de granos por mazorca, cobertura de los granos
Doebley et al (2006) Cell
Doebley et al (2006) Cell
tomate
(domesticado en Mesoamérica)
girasol
(domesticado en Norteamérica)
salvaje
domesticada
- mapeo genético de variedades de arroz que
dispersan (salvajes) x no dispersan
(domesticadas) reveló un gen (sh4) que
regula la camada de absición del grano
gen sh4
- mutación (d; rojo) en el DNAbinding domain de SH4 reduce la
actividad del factor de transcripción
2011
- teosinte y maíz tienen distinta anatomia del tallo y mazorca
2011
- diferencias en la anatomía del tallo están dadas en gran parte por un
aumento de la expresión del gen teosinte brached 1 (tb1) en maíz
en relación al teosinte
- el polimorfismo presente en el maíz es un transposón de DNA (Hopscotch)
que actua como enhancer y aumenta la expresión de tb1
2015
- el alelo con Hopscotch existe en poblaciones salvajes de teosinte en México, lo que
indica que el alelo fue seleccionado por los humanos durante el proceso de
domesticación hace c. 9.000 años
- mapeo genético de perros de distintos
tamaños muestra un alelo de IGF1
seleccionado en perros de pequeña talla
- IGF1 codifica una proteina secretada
involucrada en crecimiento y longevidad
- las razas con haplotipos asociados a
tamaño pequeño tienen menos IGF1 en
sangre
- ciertos haplotipos de IGF1 están fuertemente asociados a razas de pequeño tamaño
Procesamiento de la comida - fermentación
- fermentación clásica: proceso por el cual microorganismos (bacterias,
levaduras) convierten sustancias orgánicas (azúcares) en frutas,
cereales y leche en CO2, alcohol y/o ácido láctico
definiciones relacionadas:
fermentación moderna: proceso por el cual microorganismos (bacterias,
levaduras, hongos, células animales, células vegetales) cultivados
en un biorreactor convierten sustancias orgánicas en biomasa o
productos útiles
fermentación (bioquímica): degradación de sustancias orgánicas
por organismos en condiciones anaeróbicas en que electrones son
transferidos a compuestos endógenos. Ejemplos: fermentación
alcohólica, fermentación láctica etc
Procesamiento de la comida - fermentación
- algunos productos fermentados
material
fermentado
microrganismo
región de origen
fecha
(años atras)
uvas
S. cerevisiae
Asia Menor
7400
malta, trigo
S. cerevisiae
Medio Oriente
6000
trigo (harina)
S. cerevisiae
Egipto
3500
hidromiel
miel
S. cerevisiae
?
4000
yogur
leche
lactobacterias
Asia Central
4000
vinagre
vino de dáctil
o uva
acidobacterias
Medio Oriente
?
queso
leche
lactobacterias
Europa, Medio
Oriente
7000
salsa de soja
soja
Aspergillus
China
1700
maíz,
mandioca
?
Sudamerica
>700
vino
cerveza
pan
chicha
Procesamiento de la comida - vino
levaduras
(fermentación)
uvas
http://blog.winecollective.ca/
sátiros produciendo vino (griego, 500 aC)
http://www.theoi.com/
productores medievales de vino
(iluminura del siglo XV)
Procesamiento de la comida - queso
cuajo - quimosina
(coagulación de la leche)
leche
lactobacterias
(fermentación)
producción de queso (Tacuinum Sanitatis, siglo XV)
Wikimedia Commons
- del abomaso de los terneros se saca el
cuajo que contiene la enzima quimosina
- la quimosina procesa la caseina de la
leche y causa la coagulación
- actualmente el 90% de la quimosina bovina
es recombinante - hecha en hongos
transgénicos
abomaso
quimosina bovina
recombinante
CHY-MAX
Chr Hansen
(Dinamarca)
Maxiren
DSM
(Holanda)
Procesamiento de la comida - cerveza
germinación y secado de la cebada (malta)
cebada
producción de mosto
(digestión del almidón de la
malta por las amilasas
de la propia malta)
agregado de levadura
y fermentación
Procesamiento de la comida - cerveza
1506
1610
trabajadores de la producción de cerveza (Alemania)
http://www.schlenkerla.de/biergeschichte/brauerstern/indexe.html
Saccharomyces cerevisiae
- microorganismo más usado en procesos biotecnológicos
(cerveza, vino, pan, producción de etanol)
- se utilizan S. cerevisiae y parientes cercanos (S. bayanus, S. uvarum). Otras
especies (S. cariocanus, S. mikatae, S. paradoxus, S. kudriavzevii) ocurren
casi solamente en ambiente natural
- Saccharomyces son hongos unicelulares capaces de convertir glucosa en
etanol y CO2 (fermentación alcohólica) en anaerobiosis.
- son también capaces de producir etanol en aerobiosis, cuando la concentración
de glucosa es alta.
- cuando la concentración de glucosa es baja en aerobiosis, el etanol puede ser
usado como sustrato del Ciclo de Krebs
Sicard & Legras (2011) C R Biologies
- S. cerevisiae puede producir etanol por fermentación en anaerobiosis (enzima
Adh1) o utilizar el etanol como fuente de energía en aerobiosis (Adh2)
- árbol filogenético de cepas de levadura
de distintas fuentes de fermentación
- cepas usadas en procesos similares
son mas emparentadas
- muchas cepas son poliploides y
algunas son híbridas entre distintas
especies de Saccharomyces
- p.ej. la levadura de la cerveza Lager
tiene una mitad del genoma de S.
cerevisiae y la otra de S. bayanus
(adaptación a la fermentación a baja
temperatura)
Pérez-Ortín (2002) Genome Res
- cepas de S. cerevisiae usadas en produción de vino poseen una translocación que
aumenta la expresión del gen de un transportador de sulfito (SSU1)
- sulfito es usado como agente antimicrobiano y antioxidante en el vino desde la
Antiguedad, Edad Media hasta hoy, lo que causó la selección de cepas resistentes
Revolución científica - microorganismos
- en 1680, Anton van Leeuwenhoek observó por
primera vez la vida microscópica
- describió por primera vez protozoos, algas y
bacterias (animáculos)
- no reconoció las levaduras como seres vivos
Wikimedia Commons
Fermentación - fórmula química
- Antoine Lavoisier (1789) reconoció que el azúcar está compuesto por carbono, oxígeno y
hidrógeno y que la fermentación origina etanol y gas carbónico (burbujas)
- Joseph-Louis Gay Lussac (1815) perfeccionó la formula
- la levadura (fermento) era considerada un agente no vivo que era necesario pero que no
se gastaba durante la reacción. La fermentación era un proceso químico, no biológico
Barnett (2003) Microbiology
Fermentación - levaduras
- en 1837, Charles Cagniard de la Tour, Friedrich Kützing y Theodor Schwann descubrieron
independientemente que las levaduras son células vivas y que se dividen por gemación
durante la fermentación
gemación
cicatrices
Theodor Schwann
- ese descubrimiento fue posible por el desarrollo de mejores microscopios
- hipótesis: la fermentación era un proceso mediado por organismos vivos y no una reacción
química solamente
Fermentación - levaduras
- tres de los mas destacados científicos de la época se opusieron a la teoria de que las
levaduras eran vivas y necesarias a la fermentación: Justus von Liebig, Jöns Berzelius y
Friedrich Wöhler
Friedrich Wöhler
Justus von Liebig
- para ellos la fermentación era resultado de la acción del aire en el jugo de los frutos; las
levaduras serían cuerpos inertes que resultan de la decomposición del los frutos
Fermentación - Pasteur
- por medio de experimentos detallados, Louis Pasteur
(1857) estableció definitivamente que la fermentación
es un proceso mediado por un levaduras y terminó con
la teoría de que era un proceso solamente químico
- determinó además:
: que la fermentación es un proceso anaeróbico y resulta
de la multiplicación de las levaduras
: cada tipo de fermentación (alcohólica, lática) depende de un tipo específico de
microorganismo
: que la inoculación adecuada es importante en la fermentación
: que los nutrientes del medio de crecimiento son importantes para la fermentación
Fermentación - enzimas
- en 1833, Anselme Payen y Jean-François Persoz aislaron la "diastasa" (amilasa) de la
malta de cebada
- en 1837, Liebig y Wöhler describieron la "emulsina" (beta-glucosidasa) de almendras
- "fermentos" podían ser "organizados" (levaduras, bacterias) o "no-organizados" (sustancias
solubles como la diastasa o la emulsina)
- en 1858, Moritz Traube sugirió que los "fermentos" (enzimas) eran responsables por las
reacciones de la fermentación y que se encontraban adentro de las levaduras
- Wilhem Kühne (1878) introdujo el término "enzima" para los fermentos no-organizados
solubles
- Eduard Buchner (1897) logró realizar la fermentación alcohólica con extractos de levadura
y postuló que eso de debía a una enzima (zimasa)
Fermentación - Pasteur
- Pasteur (1864) también demostró la falsedad de la teoría
de la generación espontánea
- el aire está siempre cargado de microorganismos y
contamina los cultivos abiertos
Enfermedades - teoría microbiana
- en 1796, Edward Jenner descubre que el pus de la variola bovina prevenía la varíola
humana cuando inoculada en personas (vacunación)
- introducción de los antisépticos (1846)
- Robert Koch descubre que bacterias causan anthrax
(1877), tuberculosis (1882) y cólera (1883)
- en 1880 Pasteur desarrolla una vacuna atenuada
contra la cólera aviar
- en 1881 Pasteur crea vacunas contra la rabia y y el
anthrax
primera foto del bacilo del anthrax (Koch, 1877)
- en 1909, Paul Ehrlich crea un compuesto (Salvarsan o 606) con arsénico
que mataba la bacteria del sífilis - primer ejemplo de quimioterapia
Fermentación industrial no-alimenticia
- durante la Primera Guerra Mundial, Alemania producía glicerol para municiones por medio
de la fermentación de azúcar de beterraba con levaduras. El agregado de sulfito al medio
provoca la formación de glicerol en lugar de etanol.
- Chaim Weizmann, también durante la Primera Guerra Mundial, introdujo la fermentación
con la bacteria Clostridium acetobutylicum para producir acetona y butanol para la indústria
bélica inglesa. Fue la primera fermentación no-alimenticia en larga escala
fermentación ABE
(acetona-butanol-etanol)
en Clostridium
Biotecnología
- Károly Ereky creó el término "biotecnología" en su libro:
"Biotecnología de la producción de carne, grasa y leche en grandes emprendimientos"
(Berlin, 1919)
Biotechnologie der Fleisch-, Fettund Milcherzeugung im
landwirtschaftlichen Grossbetriebe
(Berlin, 1919)
- así, el nombre "biotecnología" empezó asociado al mejoramiento de la agricultura y pecuaria
Penicilina y antibióticos
- en 1929, Alexander Fleming descubrió que el hongo Penicillium notatum produce una
sustancia secretada antibacteriana - penicilina
- la penicilina original era inestable y diluída. Entre 1939-1941, Howard Florey, Ernst Chain y
Norman Heatley y companías farmaceuticas de EEUU lograron producir una gran cantidad
de penicilina estable, usada en la Segunda Guerra Mundial
propaganda de penicilina
- laboratorio Schenley
EEUU (1944)
Penicilina y antibióticos
- en los años 1940, empezó un programa de mejoramiento de la penicilina
- varias variedades de Penicillium fueron analizadas y una cepa de P. chrysogenum fue
elegida (producía más penicilina que la P. notatum original)
- mutantes naturales de la cepa lograron aumentar la producción de 60 a 150 mg/mL, y
mutación con rayos-X y luz ultravioleta lograron mutantes que producían 300-550 mg/mL
(primer screening por mutagénesis inducida para mejorar una droga)
- en paralelo fueron mejoradas las condiciones de cultivo
fermentadores para penicilina
- laboratorios Squibb & Sons,
EEUU (1946)
Buchholz & Collins (2013) Appl Microb Biotech
Genética
- 1859: El Origen de las Especies de Charles Darwin describe el
mecanismo de evolución por selección natural. También
describe en detalle la selección artificial
- 1865: Gregor Mendel describe la herencia de unidades
discretas (futuros "genes")
- 1900: redescubrimento y confirmación del trabajo de Mendel
English pouter pigeon (1868)
- 1911: Thomas H Morgan y colaboradores descubren que los genes se localizan
fisicamente en los cromosomas
- 1941: George Beadle y Edward Tatum sugieren la teoria un-gen-una-enzima (más tarde
un-gen-una-proteina)
- 1944: Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty demuestran que el DNA es el
principio transformante en las bacterias de Frederick Griffith (1928)
- 1953: James Watson y Francis Crick descubren la doble hélice del DNA
- 1966: Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana, Heinrich Matthaei y Philip Leder decifran
el código genético
Ingeniería genética
- en 1972, Paul Berg generó una molécula de DNA recombinante in vitro con secuencias del
operon lac, fago lambda y virus SV40 de mamíferos
- en 1973, Stanley Cohen, Herbert Boyer y colaboradores logran juntar segmentos de DNA
plasmídico de E. coli usando enzimas de restricción y ligasa y lo introdujeron en una
bacteria: primer organismo geneticamente modificado (OGM o GMO)
- en 1974, Stanley Cohen, Herbert Boyer
y colaboradores insertaron DNA de un
animal (la rana Xenopus) en un plásmido
y luego lo transformaron en E. coli
- la secuencia eucariota (RNA ribosomal) se
expresó en E. coli
- primera bacteria con DNA híbrido entre
procariota/eucariota
comienzo de la era de la
ingeniería genética
Frankenstein (1818)
- Mary Shelley escribió que su libro era
"aterrorizante, y así tiene que ser, pues
sería de un terror extremo el efecto de
cualquier actividad humana que se burlara
del extraordinario mecanismo del Creador
del mundo" (1831)
"Frightful must it be; for supremely frightful would be the effect of any
human endeavour to mock the stupendous mechanism of the Creator
of the world"
Frankenstein (1931) película de James Whale
Ingeniería genética - conferencia de Asilomar
- en 1974, P. Berg, S. Cohen, H. Boyer y otros científicos escribieron un artículo a Science
pidiendo una moratoria en la utilización de las técnicas de DNA recombinante
- en febrero de 1975 se organizó la Conferencia de Asilomar (Calif.) con 100 científicos y la
presencia de la prensa y funcionarios del gobierno para evaluar la bioseguridad de los
experimentos de DNA recombinante
- en el documento final se consideró que, en general, las investigaciones deberían seguir,
pero con estrictas medidas de contención biológica de los laboratorios de acuerdo al nivel
del riesgo
- en particular se recomendaba el uso de vectores y huespedes con limitada capacidad de
crecimento afuera del laboratorio
Nueva indústria biotecnológica
- 1971: Donald Glaser y otros fundan Cetus Corporation
(Berkeley, CA)
- 1976: H. Boyer y Robert Swanson fundan Genentech (San
Francisco, CA)
- 1980: Cohen y Stanley consiguen patentar la técnica de
DNA recombinante, y en los años siguientes Stanford y
UCSF reciben US$100 millones de royalties por 200
licencias
- 1982: Genentech/Eli Lilly comercializan insulina humana
producida en E. coli, el primer fármaco recombinante en el
mercado
- otros productos: hormona de crecimiento (1983); ainterferon, vacuna de hepatitis B recombinante (1986);
activador tisular de plasminógeno (tPA, 1987);
eritropoyetina (EPO, 1989); G-CSF (1991); factor VIII
(1992); β - interferon (1993)
Boyer en la tapa de TIME (1981)
Nueva indústria biotecnológica
- 1975: César Milstein y Georges Köhler
desarrollan los anticuerpos monoclonales
- 1983: mapeo del gen relacionado a una
enfermedad humana (Huntington's)
- 1983: Kary Mullins inventa el PCR (Cetus Corp)
- 1988: patente del ratón transgénico oncomouse
para el estudio del cáncer (U. Harvard)
- 1994: tomate Flavr Savr (Calgene) transgénico
aprobado en EEUU (primer comida transgénica)
C. Milstein y G. Köhler al ganar el Noble (1984)
Nueva indústria biotecnológica - miedos
thehealingfrequency.com

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