BIOTECNOLOGÍA
1.- INTRODUCCIÓN A LA BIOTECNOLOGÍA. CONCEPTO Y APLICACIONES
La biotecnología se define como “la utilización de los seres vivos o de sus procesos biológicos, para la obtención o modificación de un producto, mejorar una especie vegetal o animal o la obtención de un servicio”. Otra definición sería “aplicación de procedimientos científicos para la transformación de materias por agentes biológicos para producir bienes y servicios”.
Son las disciplinas que aportan contenidos a la biotecnología, como la microbiología, química, ingeniería industrial, informática, etc. Se piensa que es el área de mayor rendimiento en las próximas décadas.
Esta nueva biotecnología tiene aplicaciones en múltiples sectores, como son:
Sanidad y Medicina : Obtención de nuevas vacunas, terapia génica, obtención de medicamentos en OMG
Industrias alimentarias: obtención de alimentos transgénicos y SCP (pienso)
Agricultura y ganadería: obtención de plantas y animales transgénicos y clónicos.
Medio ambiente: tratamiento de aguas, biorremediación.
Industrias: Producción de enzimas para detergentes, biocombustibles
Otras: Estudios filogenéticos, huella genética (criminología, derecho), recuperación de especies extinguidas.
LA BIOTECNOLOGÍA Y LOS MICROORGANISMOS
Históricamente ha habido dos etapas:
La primera llamada biotecnología tradicional, en la que se utilizaban los microorganismos tal como se encuentran en la naturaleza, para hacer, por ejemplo, fermentaciones (pan y bebidas alcohólicas), para fabricar antibióticos y vacunas e incluso para controlar plagas. Es decir, siempre se ha hecho biotecnología sin saberlo, de manera empírica y sin saber sus fundamentos, sin conocer siquiera la existencia de los microorganismos.
Se sabe que el año 8.000 a.C los sumerios y babilónicos utilizaban levaduras para fabricar vino y cerveza, y hace unos 6000, los egipcios utilizaban la fermentación para hacer pan y vino. También se utilizaba el cuajo extraído del estómago de ganado vacuno para hacer el queso, o Lactobacillus caseii para hacer yogur.
En la primera mitad del s. XIX Cagniard-Latour, Schwann y Traugott, llegaron a la conclusión que los productos de la fermentación (etanol y CO2) eran debidos a la actividad de microorganismos. Esta “hipótesis microbiana” de la fermentación fue duramente criticado por los químicos de la época (en este siglo la química emergió con fuerza) y la idea aceptada era la “hipótesis química”, es decir, la fermentación era un proceso químico de descomposición de la M.O.
En la P.G.M. los alemanes fabricaron glicerina y los ingleses acetona, ambos por fermentación. En la S.G.M. se fabrican industrialmente penicilina, obtenida en 1928 a partir del hongo Penicillium.
Dio origen a la biotecnología microbiana o microbiología industrial, es decir, a los procesos a gran escala (escala industrial) en los que se utilizan microorganismos para la obtención de productos o servicios. En estos procesos se favorece el metabolismo de los microorganismos para tener el máximo rendimiento haciendo que las condiciones físico-químicas son controladas y haciendo una selección de las variedades más productivas.
A partir de la década de 1970, con la aparición de las los nuevas técnicas de ADN recombinante (ingeniería genética), irrumpe la nueva Biotecnología que utiliza dichas técnicas. Utiliza sobre todo microorganismos cuyo ADN está modificado (OMG), y llevan genes de otras especies. Con la utilización de los OMG, los procesos industriales han aumentado extraordinariamente su producción. Sin embargo, uno de los mayores riesgos de los OMG es que escapen al control humano y tengan consecuencias imprevisibles para el medio.
Así, por ejemplo una bacteria (E. coli) es capaz de fabricar la insulina humana, o se ha conseguido que algunos cultivos sean resistentes a las heladas, al introducirles un gen por medio de la bacteria Agrobacterium. En esta etapa los avances en biotecnología suponen una revolución con aplicaciones claves en muchos sectores.
Los “agentes biológicos” son células animales, vegetales y enzimas, pero fundamentalmente microorganismos. Esto se debe a la capacidad de los microorganismos de tomar nutrientes del medio y transformándoles, liberando una gran variedad de productos al exterior, y la gran facilidad de modificar su genoma.
Los microorganismos que se utilizan en microbiología industrial deben cumplir unos requisitos:
Deben producir una sustancia de interés y que tenga alguna aplicación.
Deben crecer en un cultivo puro de forma rápida y fabricar ese producto en el menor tiempo posible.
Deben consumir nutrientes de bajo coste.
Ser susceptibles de manipulación genética.
Que se puedan cultivar a gran escala.
Son pocos los microorganismos utilizados a nivel industrial. Esto se debe a que algunos casos sus productos metabólicos, si se obtienen de forma industrial son más caros; otras veces sus enzimas son aprovechadas en muchas aplicaciones. Son cuatro grupos los que se utilizan:
Hongos ascomicetos unicelulares, de forma ovalada. De 6-12 micras de diámetro, con reproducción asexual por gemación. Viven en el suelo y sus esporas son dispersadas por el viento y pájaros. Son anaerobios facultativos.
Hongos que no forman setas (carpóforos), sino esporangios en el extremo de hifas. Son aerobios estrictos. Junto a las levaduras producen enzimas, antibióticos, ácidos orgánicos, quesos, bebidas, etc.
Son unicelulares procariontes, las utilizadas en estos procesos son aerobias estrictas, anaerobias estrictas y anaerobias facultativas, pero no fotosintéticas.
Grupo de eubacterias heterótrofas aerobias estrictas, incluidas como hongos inicialmente.
El proceso por el que los microorganismos fabrican los distintos productos a gran escala se denominan FERMENTACIONES, sean o no fermentaciones anaerobias propiamente dichas. De hecho muchas fermentaciones industriales son aerobias, en contra del concepto biológico de fermentación. Si sólo se obtiene un producto se llaman fermentaciones homofermentativas y si se obtienen varios, heterofermentativas.
2.- BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA ALIMENTARIA
Algunos microorganismos son capaces de transformar ciertas sustancias en productos de utilidad para el hombre como el pan, yogurt y bebidas alcohólicas. Se han utilizado desde las primeras civilizaciones aunque sin saber su existencia ni su modo de acción.
Dichas transformaciones son oxidaciones incompletas del producto inicial en ausencia de oxígeno, y son convertidos en moléculas orgánicas más sencillas que están todavía reducidas. Es decir, hacen fermentaciones. Sin embargo, la mayor parte de los procesos a nivel industrial son aerobios, aunque reciban la denominación de fermentaciones.
Las fermentaciones industriales tienen lugar en depósitos o tanques de gran tamaño, denominados fermentadores, en los que se encuentra el líquido o medio de cultivo, con los microorganismos. Disponen de un eje con paletas para mezclar los nutrientes y el oxígeno con los microorganismos.
También poseen conductos que aportan los nutrientes y salidas para la expulsión de gases residuales y para la extracción del producto final. También hay un sistema de refrigeración, otro de calentamiento, y de control de pH.
Para hacer las fermentaciones, se utilizan levaduras y bacterias. Sólo unas pocas especies tienen interés industrial. Las levaduras más importantes son Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces ellypsoideus, que se ha empleado para fabricar pan, vino, sake, alcohol y cerveza. Sólo pueden fermentar hexosas, por lo que si se le suministra disacáridos o polisacáridos previamente hay que hidrolizarlos. Otras levaduras utilizadas son Saccharomyces uvarum (vino), Saccharomyces cidrii (sidra).
Dentro de las bacterias destacan los Lactococcus, Lactobacillus, Acetobacter y Streptococcus.
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