En contradicción con
la creencia popular, la biotecnología no es un tema de creación reciente, sino
que data de los sumerios y los egipcios, 6000 a 4000 años antes de Cristo. La
escala de tiempo en evolución de la biotecnología se ilustra bien en la tabla
preparada por Houwink (1984), tabla 1.2. La evolución de la biotecnología se
puede dividir en cinco eras.
Tabla1.2
Biotecnología ―calendario de eventos (según Houwink, 1984)
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La era pre-Pasteur, antes de 1865
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Bebidas alñcoholicas (cerveza,
vino)
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Productos lácteos (queso, yogurt)
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Otros alimentos fermentados
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La era Pasteur, 1865-1940
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Etanol, butanol, acetona, glicerol
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Ácidos orgánicos (ácido cítrico)
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Tratamiento aerobio de aguas
residuales
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La era de los
antibióticos, 1940-1960
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Penicilinas: tecnología de la
fermentación sumergida
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Granvariedad de antibióticos
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Tecnología dela estructura dela
célula animal; vacunas contra virus
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Transformaciones microbiológicas de
esteroides
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La era post
antibióticos, 1960-1975
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Aminoácidos
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Proteína celular (SCP)
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Enzimas (detergentes)
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Tecnología de las células y
enzimas inmovilizadas (glucosa isomerasa)
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Tratamiento anaerobio de aguas
residuales (biogás)
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Polisacáridos bacterianos (goma de
xantán)
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Gasohol
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La era de la nueva
biotecnología, 1975-
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Tecnologías de los hibridomas:
anticuerpos monoclonales
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Pruebas diagnósticas con anticuerpos
monoclonales (1980)
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Ingeniería genética (1974)
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Vacunas de origen animal contra la
diarrea (1982)
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Insulina humana (1982)
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La
era anterior a Pasteur.
Esta se basaba en los
alimentos y bebidas fermentadas tradicionales sin ningún conocimiento de
biología. La producción de cerveza fue introducida por los sumerios hace
aproximadamente 6000 años a. C. y se usaba en Egipto desde hace 4000 a. C. Fueron
los chinos quienes inventaron la destilación en el año 14 d. C. para la
producciónde bebidas con alto contenido de alcohol. El uso de levaduras para
formar dióxido de carbono y, así, esponjar el pan, se introdujo también en
Egipto 4000 años a. C. En esta época se crearon los otros usos de los
microorganismos, en la formación de ácido acético a partir de etanol
(vinagre), la elaboración de queso y yogurts. Sin embargo, no fue sino hasta el
siglo XVII que Antonio van Leeuwenhoek demostró por vez primera la presencia de
microorganismos.
La
era Pasteur.
El trabajo de Pasteur
mostró por primera vez que los microorganismos eran los agentes activos en
procesos como la producción de cerveza, vino y la descomposición de los
alimentos. A este trabajo lo secundaron escasos progresos en el estudio de los
microorganismos hasta el comienzo del siglo XIX, cuando se introdujeron los
procesos microbiológicos para la producción de acetona, butanol, glicerol y
ácido cítrico. Quizáfue el descubrimiento de Weizmann, realizado en 1913-1915
en Manchester, de un proceso microbiológico para la producción de acetona y
butanol por Clostridiumacetobutylicum,
el que anunció el comienzo real de la biotecnología. Este proceso solamente se
optimizó en los años 50. Otro proceso importante creado en Manchester fue el
uso de lodos activados para tratar aguas negras, el cual comenzó en 1914. La
Primera Guerra Mundial impulsó la producción microbiológica del glicerol a
partir de glucosa en Alemania.
La
era de los antibióticos.
La investigación entre
1920 y 1940 gradualmente dio como resultado una mejor comprensión de la
biología, y se reconoció que las enzimas catalizan los procesos biológicos. Asimismo,
los estudios en genética introdujeron el concepto de qué genes individuales
llevan información para elaborar enzimas particulares. Aunque Flemming
descubrió la penicilina en 1928, no fue sino hasta 1940 que los avances en su
aislamiento permitieron su producción en masa. Al principio la penicilina se
produjo en botellas, pero se aplicaron las tecnologías de los procesos químicos
y de alimentos, las cuales permitieron por primera vez el cultivo en gran
escala de Penicillum en fermentadores
o biorreactores. En la actualidad, cada año se producen unas 12 000 toneladas
de penicilina. A la producción de penicilina le siguieron una amplia variedad
de antibióticos como la estreptomicina y la eritromicina.
La
era postantibióticos.
Durante este período
el conocimiento del metabolismo microbiano permitió una explotación mucho más
amplia de las capacidades de una variedad de microorganismos. Éstos se usaron
para producir las vitaminas B2 y B12 y los aminoácidos lisina y ácido glutámico
(glutamato monosódico), los últimos en volúmenes de 40 000 y 30 000 toneladas,
respectivamente. Esta era también presenció la producción masiva de enzimas
para uso industrial, como la adición de proteasas a los detergentes domésticos
y la transformación enzimática de glucosa a fructuosa para producir un high-fructosesyrup, HFS jarabe rico en
fructuosa.
En los inicios de los
años sesenta se estuvo de acuerdo en que habría escasez de proteínas, en
particular en los países del tercer mundo. Entonces, se buscaron otras fuentes
de proteínas; éstas incluyeron microorganismos como algas, bacterias y
levaduras. En 1964 el profesor Wilson del Instituto de Tecnología de
Massachusetts (MIT) acuñó las palabras single-cellproíein,
SCP “proteína celular” para denominar las proteínas microbianas. Los
microorganismos tienen la capacidad de crecer en una vasta combinación de
compuestos; estas fuentes se dividen en dos grupos principales, renovables y no
renovables. Los recursos renovables son muchos de los productos de desechos
agrícolas como el bagazo (residuo de la caña de azúcar), el almidón y la
celulosa. Muchas compañías grandes, entre las que está la industria
petroquímica, participaron en la creación de estos procesos. La mayoría de la
investigación se enfocó al mejoramiento de estos desechos agrícolas para
producir alimento para animales, pero una compañía, la Rank HovisMcDougall, procedió a cultivar un moho para producir
unalimento para humanos. Tuvieron que transcurrir 20 años para asegurarse de
que el producto conocido como microproteína fuese apto para consumo humano. Las
fuentes no renovables investigadas para usarlas en la producción de proteína
celular fueron, principalmente, subproductos de la industria petroquímica, como
los aléanos, el metano o el metanol. De nuevo fueron las compañías
petroquímicas quienes participaron en la investigación. LaBritish Petroleum(BP) investigó el uso de los alcanos en la
obtención de proteína celular a partir de levaduras (Toprina), en tanto que las
industrias Shell y la Imperial Chemical Industries Ltd(ICI),
utilizaron metano y metanol respectivamente. Sólo el proceso ICI alcanzó una
escala comercial con el cultivo de la bacteria Melhylophilusmethylotrophusen metanol, en un proceso continuo con
un volumen de 1.5 millones de litros. El mejoramiento de éste y otros procesos,
condujeron a avances considerables en la tecnología de la fermentación. Sin
embargo, la disponibilidad de proteína de soya barata ha hecho que el proceso
SCP sea incosteable y, según parece, el mundo actual no tiene déficit de
proteína.
La era
postantibióticos también presenció el mejoramiento de la fermentación en la
producción de etanol para que fuera usado como combustible (gasohol), provocado
por la crisis del petróleo en 1974. Otros productos formados por microorganismos
son los polisacáridos extracelulares, como la goma de xantano, usada para
reemplazar la goma natural en los alimentos y en los lodos de perforación. Al
mismo tiempo se han creado los cultivos de células vegetales y animales para la
producción de compuestos especiales. Los microorganismos se han usado también
como auxiliares en la lixiviación de minerales como el zinc y el cobre a partir
de mineral de grado menor.
La
nueva biotecnología.
Las nuevas
biotecnologías se consideran a menudo como la biotecnología misma. Sus
principales avances han sido los anticuerpos monoclonales y la ingeniería
genética. Los anticuerpos monoclonales son los productos de la tecnología del
hibridoma. Ésta se basa en la fusión de células animales, las del sistema
inmune que, por lo general, no pueden ser cultivadas in vitro, con células
cancerosas que sí pueden hacerlo. Las líneas de células híbridas que se forman
tienen la capacidad de crecer y producir anticuerpos altamente específicos, los
cuales se conocen como anticuerpos monoclonales. La producción de los
anticuerpos monoclonales ha sido rápida desde su descubrimiento en 1975 y,
actualmente, hay más de 50 en el mercado. Se han utilizado en pruebas de diagnóstico
rápido, fármacos de acción específica purificación, y su comercialización es
cada vez mayor.
La ingeniería genética
se puede definir en forma simple como la capacidad para transferir genes de un
organismo a otro, para cruzar las barreras que no se podrían mediante los
métodos genéticos ordinarios. El avance de esta técnica dependió de tres
descubrimientos independientes. El primero fue el descubrimiento de las enzimas
de restricción, las cuales pueden cortar el DNA en sitios específicos para
producir fragmentos discretos. El segundo descubrimiento fue la presencia, en
las bacterias, de ciertas moléculas de DNA circular con reproducción
independiente (plásmidos), las cuales se pueden cortar con enzimas de
restricción y posteriormente repararse (reunirse) para incluir otros fragmentos
de DNA. El tercer descubrimiento fue el método de tratar las bacterias para que
puedan captar el DNA de un plasmidio y, por tanto, contener nuevosgenes
(transformados). Estos tres descubrimientos han permitido la evolución de la ingeniería
genética, la cual ha mostrado tan rápido crecimiento que ha formado la base de
muchas compañías nuevas. La técnica ha encontrado aplicación en el campo de la
medicina en la generación de muchos sistemas diagnósticos, la producción de
insulina humana y de la hormona de crecimiento por bacterias y la producción de
diversas vacunas. La ingeniería genética también ha tenido influencia en la
agricultura y en la industria alimentaria. En la tabla 1.3 se muestran algunos
conceptos de los principales sucesos que han tenido lugar en la
comercialización de la ingeniería genética.
Tabla 1.3
Eventos principales en la comercialización de la nueva biotecnología.
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1973
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Primer gen clonado.
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1974
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Primera expresión de un gen clonado en
diferentes especies de bacterias.
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1975
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Anticuerpos monoclonales
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1976
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Primera firma(Genetech) en explotar la
tecnología de DNA recombinanante (rDNA)
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1980
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Informe sobre biotecnología en Reino
Unido (Spinks).
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1981
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Primer paquete de diagnóstico con anticuerpos
monoclonales aprobado en los Estados Unidos.
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1982
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Primera vacuna de origen animal
producida con rDNA (colibacilosis) aprobada en Europa. Primer producto
farmacéutico del rDNA, insulina humana.
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En la tabla 1.4 se
muestran otras técnicas que se están investigando en áreas importantes de la
biotecnología. Éstas incluyen: el cultivo de células vegetales y animales, las
células o enzimas inmovilizadas, los sensores biológicos, un sensor que detecta
materiales biológicos o una sonda que contiene materiales biológicos, la
modificación estructural de proteínas (ingeniería de proteínas), el uso de
computadoras en las fermentaciones y nuevos biorreactores.
Tabla 1.4
Nuevas técnicas en el avance de la biotecnología.
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Cultivo de tejidos, células vegetales
y animales.
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Fusión de protoplastos.
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Modificación estructural de proteínas
(ingeniería de proteínas).
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Células y enzimas inmovilizadas.
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Biosensores.
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Uso de computadoras en fermentaciones.
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Nuevos diseños de bioreactores.
Scraag, A. 2002. Biotecnología para ingenieros: sistemas biológicos en procesos tecnológicos. Ed. Limusa. |
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