Biotecnología de Alimentos y Medicamentos

1. Biotecnología de Alimentos y Medicamentos Dr. Miguel A. Galvagno

2. Biotecnología: algunas definiciones • Tecnología en la que están involucrados procesos biológicos. • Utilización de procesos biológicos dentro del marco de las operaciones técnicas y producción industrial. • Obtención y/o modificación de productos utilizando organismos vivos o parte de ellos. • Obtención de nuevos vegetales y animales (se excluyen los métodos clásicos de cruzamiento animal y vegetal). • Modificación de organismos vivos para ser utilizados para alguno de los propósitos anteriores. • Aplicación de principios de Bioquímica, Microbiología e Ingeniería para la obtención de bienes y servicios por tratamiento de distintas materias primas utilizando agentes biológicos. • Aplicación de la Biología, Bioquímica e Ingeniería Química a procesos industriales y al medio ambiente. • Todas las aplicaciones comerciales de la Biología. • Tecnología de procesos multidisciplinarios para producir materiales, reacciones y servicios mediante agentes biológicos. • La ciencia de los procesos productivos basada en la acción de microorganismos y de sus componentes activos o de la células y tejidos de organismos superiores. • Tan sólo el nombre dado a un conjunto de técnicas y procesos. • El descifrado y uso del conocimiento biológico.

3. Características a enfatizar: Es multidisciplinaria. Propone objetivos concretos. Está generalmente dirigida a un mercado. Considera la escala del proceso. Hay que saber o tener: Base científica y tecnológica. Capacitación gerencial. Mercado, comercialización (saber qué es lo que se quiere y cómo venderlo). Financiamiento. Regulación (leyes que regulan la elaboración y venta de un producto). Actualmente se exigen normas de calidad como ISSO, GMP, HCCP, etc. Conciencia de la percepción pública (v.g., productos transgénicos).

4. Algunas características de una compañía biotecnológica • Tecnología dirigida y multidisciplinaria: el desarrollo de un producto puede involucrar microbiólogos, biólogos moleculares, investigadores en clínica, fuerza de ventas. • Debe poder conocer y gerenciar: autoridades reguladoras, percepción pública, cuestiones de salud y seguridad, evaluación de riesgos. • Clima de negocios caracterizado por rápidos cambios y riesgos considerables (i.e., una innovación biotecnológica puede ser rápidamente superada por otra). • El negocio biotecnológico crece rápidamente a expensas de capitales de riesgos: usualmente se necesitan muy altos niveles de inversión antes de ver los beneficios de las ventas del producto.

5. The Biotechnology tree

6. Desarrollo histórico de la Biotecnología Producción biotecnológica de alimentos y bebidas Sumerios y Babilonios elaboraban cerveza ca. 6.000 A.C., los egipcios levaban y horneaban pan ca. 4.000 A.C., el vino se conocía en el cercano oriente para la época de la escritura del libro del Génesis. La producción de quesos y el cultivo de hongos data de viejas épocas. Antonie van Leuwenhoek desarrolló el primer microscopio (siglo XVII). Pasteur demostró la capacidad fermentativa de los microorganismos entre 1857 y 1876.

7. Desarrollo histórico de la Biotecnología Procesos biotecnológicos iniciales desarrollados bajo condiciones no estériles Producción de etanol, ácido acético, butanol y acetona al fin del siglo XIX en procesos fermentativos microbiológicos abiertos. El tratamiento de efluentes y el compostaje de desechos municipales sólidos eran las fermentaciones más grandes practicadas.

8. Desarrollo histórico de la Biotecnología Introducción de la esterilidad en los procesos biotecnológicos En los 1940s se introducen técnicas complicadas de ingeniería para el cultivo masivo de microorganismos con exclusión de los microorganismos no deseados. Se utilizaron para la producción de antibióticos, aminoácidos, ácidos orgánicos, enzimas, esteroides, polisacáridos, vacunas y anticuerpos monoclonales.

9. Desarrollo histórico de la Biotecnología Genética aplicada y tecnología de DNA recombinante Las técnicas de DNA recombinante junto a las de fusión de protoplastos (además de las técnicas genéticas clásicas de cruzamiento) proveen nuevas herramientas para la programación de las propiedades biológicas de los organismos.

10. Desarrollo histórico de la Biotecnología I (excluye el período reciente)

11. Desarrollo histórico de la BiotecnologíaII (excluye el periodo reciente)

12. Desarrollo histórico de la Biotecnología Molecular I

13. Desarrollo histórico de la Biotecnología Molecular II

14. Biotecnología: Ciencias → Técnicas → Dominios → Diversidad de industrias y actividades

15. Dominios de la Biotecnología Sistemas microbianos: Inoculantes para suelos (simbiontes, promotores del crecimiento, etc.) Insecticidas biológicos (bacterias, hongos, protozoarios, y virus) Control de contaminación ambiental (tratamiento de efluentes, biorremediación, etc.) Biohidrometalurgia Manufactura de alimentos y bebidas Genética de mamíferos: Aplicaciones médicas (diagnóstico y terapéutica) Ganadería Plantas y semillas: Cosechas, horticulturas, explotación forestal. Productos químicos: Medicamentos (proteínas, metabolitos secundarios, etc.) Componentes de alimentos (saborizantes, edulcorantes, resaltadores del sabor, texturizantes, estabilizantes, etc.) Aplicaciones agrícolas (hormonas vegetales, feromonas) Energía (CH4, etanol, metanol, solventes) Sistemas de Ingeniería: Biosensores Otros instrumentos Sistemas informáticos y análisis computarizado

16. Productos biotecnológicos • Son muy variados: no poseen características unificadoras • Productos químicos tradicionales de la industria (v.g., citrato, etanol, etc.) • Productos biológicos no tradicionales (v.g., anticuerpos monoclonales, vacunas, etc.) • Plantas y animales transgénicos • Productos auxiliares de servicio (v.g., diagnóstico, biosensores, etc.) • Técnicas de terapia génica

17. Productos por sectores industriales Productos químicos • Orgánicos (commodities): etanol, acetona, butanol, ácidos orgánicos (acetato, citrato, etc.) • Orgánicos finos (enzimas, polímeros) • Inorgánicos (biohidrometalurgia) Productos farmacéuticos • Antibióticos, anticuerpos monoclonales, esteroides, vacunas Energía • Etanol, CH4, nuevas formas de energía (H2) Alimentos • Lácteos, bebidas (alcohólicas, té, café), levadura, aditivos alimentarios, vitaminas, ácidos orgánicos (malato), PUC (proteína unicelular) Agricultura • Vacunas • Agrobiológicos (insecticidas, micoinsecticidas, herbicidas, promotores del crecimiento vegetal) • Inoculantes (rizobacterias, micorrizas, endofitos) • Cultivo de células vegetales Minería y medio ambiente • Recuperación asistida del petróleo • Descontaminación y biorremediación Electrónica • Biosensores

18. Categorías de compañías involucradas en Biotecnología Terapéuticas • Productos farmacéuticos para la cura o control de enfermedades del hombre, incluidas antibióticos, vacunas, terapia génica. Diagnósticas • Tests clínicos y diagnósticos, alimentos, medio ambiente, agricultura Agricultura, forestales, horticultura • Nuevos cultivos o variedades de animales, pesticidas Alimentos • Amplio rango de productos alimenticios, fertilizantes, bebidas, ingredientes Ambiente • Tratamiento de desechos, biorremediación, producción de energía. Intermediarios químicos • Reactivos (enzimas, DNA/RNA, especialidades químicas) Equipos • Hardware, biorreactores, software y elementos para soporte de Biotecnología

19. Procesos Industriales

20. Vol.en el mercado de grupos de bioprodsVentas totales estimadas (100%:60.109 U$, 2000)

21. Ventas mundiales de algunos productos biotecnológicos (1986)

22. Ventas mundiales de algunos productos biotecnológicos (continuación) Los datos presentados no coinciden necesariamente con los expuestos en la tabla anterior

23. Productos biotecnológicos terapéuticos en USA (x U$S 106) Datos de 1990

24. Biotecnología y medio ambiente Las aplicaciones de la Biotecnología pueden ser:

25. “Eurobarómetro” (1997) sobre la percepción pública de la Biotecnología moderna (BTM) • La mayoría de los europeos consideran que las variadas aplicaciones de la BTM son útiles para la sociedad. El desarrollo de los métodos de detección de enfermedades y la producción de medicamentos se consideran los más útiles y los menos peligrosos. • El uso de la BTM en la producción de alimentos y en la inserción de genes humanos en animales para la obtención de órganos para transplantes se considera menos útil y más peligroso. • Los europeos creen que es poco probable que la BTM lleve a una reducción significativa del hambre en el mundo en desarrollo. • La gran mayoría de los europeos cree que los productos genéticamente modificados deberían estar claramente etiquetados. • La mayoría de los europeos tiende a creer que se debería continuar con los métodos tradicionales de hibridización más que cambiar las características hereditarias de animales y vegetales por ingeniería genética. • < 25% cree que la actual legislación sea suficiente para proteger a la gente de cualquier riesgo ligado a la BTM. • 20% cree que la regulación de la BTM debe ser dejada primariamente a la industria. • 33% piensa que las organizaciones internacionales como la ONU y la OMS son más aptas para regular a la BTM, seguidas por las organizaciones científicas.

26. Percepcion publica de la BT (BIOSEGURIDAD) • Para establecer la BS de un producto GM se hacen evaluaciones de riesgo para la salud, el ambiente y la biodiversidad. • Estas evaluaciones se hacen teniendo en cuenta 2 criterios escenciales: • Evaluacion CASO x CASO y PASO X PASO: teniendo en cuenta las particularidades de la region en donde se vayan a util, OGM • Fundamentos cientificos solidos: todo prod. GM se somete a rigurosos analisis teniendo en cuenta riesgo para ambiente.y salud humana y animal:toxicidad, patogenicidad, alergenicidad y contenido nutricional (y antinutricional)y se cf con alimentos obtenidos convencionalmente : principio de Equivalencia Sustancial (OCDE),

27. Actitudes del público (en porcentaje) hacia la aplicación de manipulación genética en la Comunidad Europea

28. Cultivos genéticamente modificados completando el proceso de aprobación en USA (datos de diciembre de 1997)

29. Preocupaciones y consecuencias acerca de la Biotecnología Molecular (BM) Si bien no se discuten los adelantos para la sociedad que trae aparejada la BM, deben tenerse en cuenta ciertas preocupaciones y consecuencias sociales: • ¿Pueden los OGMs llegar a ser potencialmente perjudiciales para el ambiente u otros organismos? (v.g., un salmón transgénico que incrementaba su peso también tenía un apetito voraz) • ¿Pueden los OGMs reducir la diversidad genética natural? • ¿Deben transformarse genéticamente los humanos? • Los procedimientos diagnósticos ¿minan la privacidad individual? • ¿Deberían patentarse los animales GMs? • ¿La BM agrícola puede perjudicar las prácticas agrícolas tradicionales? • Las terapias médicas basadas en BM ¿pueden invalidar o reemplazar a los tratamientos tradicionales igualmente efectivos? • Dado que en muchos casos se requieren altas inversiones para el desarrollo de proyectos de BM, ¿estaría esta tecnología restringida a los países más ricos? • ¿Puede la búsqueda de una patente ser una traba para el libre intercambio de ideas entre cientificos?

30. 24 preguntas de percepcion publica (temas) y nivel relativo de preocupacion sobre topicosagroculturales y ambientales y su indice de frecuencia relativo Alimentos GM 1.Deberian ser etiquetados 2. Deben ser mas baratos y/o mas nutritivos 3. Son seguros para comer. 4. Podrian ciertos AGM considerarse eticamente inaceptables Cultivos GM: 5.Podrian volverse malezas 6. Podrian invadir habitats sensibles y ser amenaza para plantas nativas. 7. Podrian transferir nuevos genes y propiedades a spp relacionadas. Animales GM: 8. Podrian representar un riesgo para las alud humana 9. Su produccion es eticamente aceptable 10. Esta considerado el bienestar del animal durante desarrollo de AGM Microrganismos GM: 11. Cual es el riesgo de su liberacion a gran escala 12.Tendran un efecto de largo plazo s/el ambiente 13.Podran controlarse luego de su liberacion en el medio Aspectos Sociales/Legales : 14. Debe ser las decisiones acerca de prods, BT hechas con la participacion de aquellos wue son directamente afectados. 15. Cuales son las preocupaciones etica/morales al crear OGM 16. Porque los OGM pueden ser patentados y cual seria su efecto sobre el flujo de info.cientifica. 17. Contribuye la BT a la desaparicion de pequenas granjas. Evaluacion de riesgos/Regulaciones: 18. Cuan adeuadas son las actuales regulaciones para asegurar la seguridad publica. 19. Deberia el publico tener intervencion directa en la evaluacion de riesgo del proceso Aspectos educacionales: 20. Hara el aumento de conocimiento sobre BT suficiente para disminuir temores 21. La TV y la prensa popular describen adecuadamente los aspectos de la BT 22. Aumentara la comunicación entre cientificos y publico con un creciente soporte comercial al desarrollo BT.

31. 24 preguntas (continuacion) Aspectos Internacionales

32. I. Estado actual (región) Industrias existentes Fuerte impulso de sistemas de CyT Existencia de centros de alto nivel Mecanismos de acción conjunta académico-industrial (incipiente) Clima favorable Mecanismos de financiamiento (escasos) Cooperación regional (CABBIO) Problemas de infraestructura Escasez de RRHH críticos (Ingenieros, bioquímicos)

33. II. Estado actual (región) Reactivos para inmunodiagnóstico: anticuerpos purificados (C), anticuerpos monoclonales (D), sondas de DNA (D). Micropropagación de vegetales (C). Vacunas de uso veterinario: técnicas tradicionales (C), nuevas técnicas de producción (D), por clonado de proteínas antigénicas (D). Antibióticos (C?) Productos farmacéuticos especiales: por cultivo de células (C), por clonado (D). Enzimas industriales: formas solubles (C), inmobilizadas (D). Proteína unicelular (SCP) (C?). Etanol (C). Jarabe de alta fructosa (C). Inoculantes: tradicionales (C), nuevos (ectomicorrizas, Ice, etc) (D). Control biológico de plagas y patógenos de importancia agronómica (D, C?). Vegetales transgénicos (I) (C) comercialización; (D) desarrollo

34. Posibilidades para la región Enzimas industriales: procesamiento de alimentos, obtención de nuevos productos alimenticios, ingeniería de proteínas. Antibióticos: nuevas actividades, nuevas moléculas semisintéticas. Ácidos orgánicos: cítrico, málico, glucónico, eritórbico, láctico, ascórbico. Aminoácidos: nutrición, soluciones parenterales, edulcorantes no calóricos, aditivos alimentarios, síntesis de péptidos activos. Agricultura. Biopolímeros funcionales: aditivos alimentarios, recuperación asistida de petróleo, reemplazo de polímetros petroquímicos, formulación de nuevos plásticos compuestos. Vacunas (uso humano y veterinario). Control biológico de plagas de importancia agronómica. Bienes de capital Ingeniería de proceso (básica, diseño, detalles)

35. Prioridades en Biotecnología I- Evaluación de distintas áreas del sector productivo. Perspectivas a: mediano o largo plazo en mercado nacional o internacional. Identificación en cada área de las principales restricciones para su crecimiento. Evaluación de soluciones que BT puede ofrecer para estas limitaciones. II- Identificación de prioridades para cada área del sector productivo. Adecuación (40%) Factibilidad (35%) Atractividad (25%) III- Matriz de aplicación Seleccionan áreas de interés (1 a 5) y se evalúa para cada uno su prioridad en cuanto a A, F y A → coeficiente final IV- Matriz de impacto Se ordenan las áreas de acuerdo al coef. final y se cruzan con: disciplinas básicas del conocimiento (1-5); técnicas de apoyo (1-5) V- Evaluación del grado de desarrollo alcanzado localmente de cada disciplina básica y técnica de apoyo (v.g. países desarrollados) Puntuación no lineal: 1- Rezago: recursos, experiencia e infraestructura escasos. 4- Subdesarrollo: grupos de I&D competitivos pero pocos y pequeños, algunos programas aislados de formación de RRHH, poca experiencia en aplicación del conocimiento. 9- Competitividad Intermedia: masa crítica de investigadores en sector académico, competitivas en temas específicos. Cos “importan” I&D y complementan con capacidad local. 16- Competitividad Internacional: muchos grupos de I&D en sector académico y productivo. Capacidad para desarrollar proyectos competitivos internacionales. Alto vivel de formación de RRHH. 25- Liderazgo Internacional: grupos de I&D de renombre internacional tanto en académico + productivo. Se generan avances básicos en las disciplinas. VI- Matriz de objetivos tecnológicos (Solleiro, J and Quintero, R, 1994, Biocit siglo XXI 3)

36. Tabla 2b. Tabla de aplicaciones: bovinos de leche

37. Tabla 4a. Matriz de impactos: bovinos para leche/ovinos y caprinos

38. Tabla 4b. Matriz de impactos: bovinos para leche/ovinos y caprinos