Biotecnología Ambiental

Aplicaciones para la protección y restauración del medio ambiente

La biotecnología ambiental se refiere a la aplicación de los procesos biológicos modernos para la protección y restauración de la calidad del ambiente. El uso de microorganismos en procesos ambientales existe desde el siglo XIX. Sin embargo, su auge se dio hacia finales de 1950 y principios de 1960, cuando se descubrió la estructura y función de los ácidos nucleicos.

Técnicas utilizadas:

Biorremediación:

Proceso que utiliza microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para retornar un medio ambiente contaminado o alterado a su condición normal o natural, como el agua, aire y tierra.

Fitorremediación:

Es la técnica o procedimiento que utiliza especies vegetales para contener, eliminar o neutralizar compuestos orgánicos, elementos traza o elementos radiactivos que pueden ser tóxicos en aguas o suelos.

Ejemplos en Chile y el Mundo

Mundo:

• El uso de la bacteria Thiobacillus ferroxidans en los procesos de extracción del cobre y oro.
• Empresa BIOCLAR CZ: Es una compañía de servicios ubicada en la República Checa. Se dedica al tratamiento biológico de aguas y fosas sépticas mediante la degradación microbiana.

Chile:

• Codelco espera cuadruplicar sus reservas de cobre y reducir a la mitad el costo de su producción actual, utilizando microorganismos como bacterias para eliminar los elementos químicos como la jarosita.

Biogás

Producción de energía renovable a partir de desechos

El biogás es la producción de gas metano a partir de desechos comunes. En el año 1776, el científico italiano Volta descubrió que el principal compuesto del gas natural era el metano. Solo 100 años después se descubrió el origen microbiológico de la formación del metano.

Técnicas biotecnológicas:

El biogás es un gas producido por bacterias durante el proceso de biodegradación de material orgánico en condiciones anaeróbicas (sin aire). La generación natural de biogás es una parte importante del ciclo biogeoquímico del carbono. El metano producido por bacterias es el último eslabón en una cadena de microorganismos que degradan material orgánico y devuelven los productos de la descomposición al medio ambiente. Este proceso que genera biogás es una fuente de energía renovable.

Ejemplos en Chile y el Mundo

Chile:

• Un ahorro anual de entre 20 y 30 millones de pesos podrá lograr el Liceo Agrícola de Negrete, en la Región del Bío Bío, una vez que entre en funciones definitivas el biodigestor cuya construcción finalizó en enero del año pasado (2009). Mediante el biodigestor, actualmente en lo que se llama “marcha blanca”, el Liceo Agrícola de Negrete podrá contar con electricidad y gas en forma gratuita, pudiendo incluso vender energía al sistema interconectado en el caso de que la producción supere al consumo del establecimiento.

Mundo:

• La planta de Biogás más grande del mundo se encuentra situada en Alemania, en la planta de Güstrow, con una potencia de 55 MW. La producción potencial de Güstrow, que es calificada por EnviTec como “la planta más grande del mundo”, puede cubrir “las necesidades de un pueblo de 50.000 habitantes”.

Biotecnología Forestal

Mejoramiento de cultivos y plantas forestales

La biotecnología forestal aplicada a las plantas tiene como objetivo desarrollar cultivos y plantas con ventajas, como la resistencia a las plagas y a la sequía, así como mejorar la palatabilidad y el contenido nutritivo de las distintas especies, gracias a las técnicas modernas.

Dentro de los diversos estudios que abarca la biotecnología forestal, y por ende su historia, destacan dos:

• Cultivo de Tejidos: El inicio del cultivo de tejidos vegetales se desarrolló durante las primeras décadas del siglo XX, los estudios moleculares completos y rigurosos solamente se iniciaron hacia 1970.
• Ingeniería Genética aplicada a la silvicultura: Sus inicios se remontan al descubrimiento de la arquitectura tridimensional del ADN por Watson y Crick en 1953.

Técnicas de la biotecnología Forestal

La aplicación de técnicas de cultivo in vitro en especies forestales

• Cultivo de células en suspensión: Un cultivo de células en suspensión consiste en dividir rápidamente células activas homogéneas y metabólicamente activas dispersas y que crecen en un medio de cultivo líquido gaseoso.
• Regeneración de plantas: La regeneración in vitro de plantas se está utilizando como un medio para lograr la multiplicación rápida de individuos que se encuentran en poblaciones amenazadas, a fin de iniciar su conservación ex situ.
• Establecimiento de bancos de germoplasma (crioconservación y almacenamiento in vitro): Estas biotecnologías comprenden el mantenimiento de células, tejidos u órganos en cultivos en los que se reduce la velocidad del crecimiento.

Ingeniería genética

• Resistencia a herbicidas
• Floración reducida o esterilidad
• Resistencia a insectos
• Química de la madera

Marcadores moleculares

La utilización de marcadores moleculares implica la identificación, mediante técnicas bioquímicas muy perfeccionadas, de las variaciones de moléculas celulares como el ADN y las proteínas.

Ejemplos en Chile y el Mundo

Chile:

• Bioforest: Primera compañía en Chile que implantó Biotecnología Forestal.

Mundo:

• Nueva Zelanda: Se desarrolla la micropropagación del pino de radiata a través de procedimientos de embriogénesis somática.
• Unión Europea: Se trabaja en los cambios en expresión génica en los árboles transgénicos, en su evolución.
• Estados Unidos: Es el país que más realiza investigaciones de biotecnologías forestales. Sus estudios más destacados son el del área genético-molecular.

Vacunas Recombinantes y Comestibles

Vacunas Recombinantes

La Biotecnología de proteínas está implicada en el aislamiento, producción y mejoramiento de las propiedades biológicas de proteínas específicas a partir de diversas fuentes naturales tales como plantas, animales o bien microorganismos. El estudio de este tipo de vacunas comenzó en México como una necesidad de cubrir las enfermedades en el ámbito veterinario como la influenza aviar y la enfermedad de Newcastle.

Técnicas de la vacuna recombinante

• Corte específico del ADN: Se corta en fragmentos pequeños y manejables mediante la utilización de un tipo de enzimas conocidas como enzimas de restricción.
• Inserción de los fragmentos de ADN: Esta inserción se realiza en vectores de clonado, que son los agentes transportadores capaces de introducirlos en las células hospedadoras.
• Clonado del ADN: Consiste en poner a las bacterias en un medio de cultivo apropiado para que se multipliquen.
• Métodos de introducción del vector: El siguiente paso será introducir el vector de clonación que contiene el gen que se quiere clonar en la célula hospedadora.

Ejemplos en Chile y el Mundo

Chile:

• Fundación Ciencias para la Vida: Esta fundación, buscando una mejora de la salud de los peces, reducción del uso de antibióticos, reducir costos en el alimento de estos y disminución del impacto ambiental, se encuentra en el desarrollo de una vacuna recombinante contra patógenos del salmón.

Mundo:

• Universidad de Rochester (E.E.U.U., Nueva York): Vacuna recombinante para la gripe fabricada en insectos, esto es posible usando larvas de insectos (oruga). Esta vacuna fue diseñada para proteger a las personas de 3 cepas comunes de virus influenza.

Vacunas Comestibles

La producción de diversos antígenos en plantas transgénicas es un hecho demostrado desde hace 10 años por los expertos y científicos.

El desarrollo de este tipo de vacunas será de gran relevancia ya que evitará que sigan muriendo millones de personas en el mundo por falta de inmunización.

Técnicas de las vacunas Comestibles

¿Cómo se hace una vacuna comestible?

Los pasos a seguir para la obtención de una vacuna comestible son los siguientes:

• Paso 1 y 2: Identificación de la proteína antigénica de un virus o bacteria capaz.
• Paso 3: Se realiza el reconocimiento y aislamiento de las células transformadas, es decir, aquellas que sobrevivieron en un medio que contiene antibiótico, por poseer el gen que les confiere resistencia a ese medicamento específico.
• Paso 4: Las células vegetales se multiplican y se obtienen masas de células que se cultivan en medios nutritivos con hormonas.
• Paso 5: Finalmente, se obtienen plantas que expresan el antígeno en su parte comestible.

Ejemplos en Chile y el Mundo

Chile:

• No hay investigaciones conocidas.

Mundo:

• Universidad Rutgers (Nueva Jersey): Generación de vacunas antivirales en tomates y otras plantas basadas en ARN de interferencia combinatorial evitando la evasión a la vacuna.

Biopulpaje y Bioblanqueamiento

Bioblanqueamiento

Consiste en el blanqueo de pasta por procedimientos que incluyan un tratamiento biológico. La utilización de la biotecnología en el blanqueo de pasta de papel ha suscitado una gran atención, consiguiéndose en los últimos años resultados de gran interés. La investigación sobre la utilización de enzimas en el blanqueo de pasta kraft empezó a principios de 1980, después de haberse aislado enzimas específicas que se consideraba que estaban relacionadas con la biodegradación de la lignina.

Técnica: Tratamiento de enzimas

Uso de enzimas que remuevan directamente la lignina como las lacasas (enzimas producidas por hongos que degradan madera), o que ayuden a su remoción como las xilanasas.

Chile: Proyecto Fondef (UdeC)

A partir de la comprensión de los mecanismos involucrados en la biodegradación de la madera y en especial la biodeslignificación selectiva de la lignina, se propone el uso de nuevos sistemas para el blanqueo de pulpas de celulosa.

Biopulpaje

Se refiere a un proceso de una manera más ahorrativa de energía y reducción de contaminantes en la industria de la madera. A pesar de que es un método con poca investigación y aplicación a través del mundo, ahondaremos en sus beneficios si se aumenta su aplicación en las industrias de celulosa, en los posibles ahorros e inconvenientes. Además, incursionaremos en cuáles son los países pioneros y cuáles son los de mayor aplicación de esta.

A fines de 1980 Finlandia comenzó a utilizar biopulpaje. Los Estados Unidos comenzó biopulpaje en abril de 1987. BioPulping International, Inc. fue fundada en 1996.

Técnica

El proceso de biopulpaje consiste en utilizar un hongo que degrada lignina para así convertir las virutas de madera en pasta de papel.

En Chile y el mundo

Chile:

• El biopulpaje se ha estudiado en la Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Forestales, Departamento de Ingeniería de la Madera.

Mundo:

• Biopuling International Inc.: Compañía estadounidense pionera en el tratamiento de las maderas a través del proceso de biopulpaje, localizada en Madison, Wisconsin. Establecida en 1996 y organizada bajos las leyes del estado de Wisconsin, es un empresa relativamente nueva, que se especializa en el desarrollo y comercialización de tecnologías de ahorro de energía.

Transgénicos

Alimentos modificados genéticamente

Los alimentos transgénicos fueron producidos a partir de un organismo modificado genéticamente mediante ingeniería genética. Dicho de otra forma, es aquel alimento obtenido de un organismo al cual le han incorporado genes de otro para producir una característica deseada. Entre el 12.000 y 4.000 a. de C. ya se realizaba una mejora por selección artificial de plantas. Sin embargo, los transgénicos propiamente tal comienzan en 1973, cuando un grupo de académicos estadounidenses logra transferir genes entre bacterias de especies diferentes. Una década más tarde, en 1983, biotecnólogos logran aislar un gen e introducirlo en un genoma ajeno a éste de la bacteria Escherichia coli. Tres años más tarde se crea la primera planta modificada, la planta del tabaco a la que se le añadió a su genoma un gen de resistencia para el antibiótico kanamicina.

Técnicas de los transgénicos

La ingeniería genética es una parte de la biotecnología que se basa en la manipulación genética de organismos con un propósito predeterminado, aprovechable por el hombre: se trata de aislar el gen que produce la sustancia e introducirlo en otro ser vivo que sea más sencillo de manipular. Las técnicas más utilizadas son:

• ADN recombinante: Esta técnica permite aislar un gen de un organismo, para su posterior manipulación e inserción en otro diferente.
• Secuenciación del ADN: Es un conjunto de métodos y técnicas bioquímicas cuya finalidad es la determinación del orden de los nucleótidos (Adenina, Citocina, Guanina y Timina) en un fragmento de ADN.

Chile y en el Mundo

Cultivos experimentales

• Hay además en Chile cultivos transgénicos cuyas pruebas de campo han sido autorizadas en el país, con proyectos como una papa resistente a la bacteria Erwinia carotovora.
• Las regiones donde hay más cultivos transgénicos son, de mayor a menor, la sexta, séptima y metropolitana.
• Existen leyes en el país donde se especifica que está prohibido el cultivo de productos transgénicos para fines productivos y de consumo interno. Es más, esta es la única normativa específica en Chile respecto a transgénicos (Resolución SAG). Según este decreto, sólo se autoriza en Chile la entrada de semillas transgénicas para multiplicación con fines de exportación.
• En Chile exporta semillas transgénicas a diferentes países del mundo.

Bioetanol

Combustible ecológico y renovable

El bioetanol es un alcohol producido a partir de la fermentación de productos agrícolas como el maíz, cereales, sorgo, patatas, trigo, caña de azúcar, e incluso biomasa. Y es utilizada como combustible, una fuente de energía ecológica y renovable.

A partir de esto Brasil, en el año 1973, fue el primer país que asumió el reto de invertir en el desarrollo de bioetanol, y a partir de este año Brasil comenzó a mezclar etanol y gasolina en la proporción de 22:78.

El proceso de obtención se divide en cuatro partes:

• Preparación de la materia prima: Se tritura los azúcares y se filtran para separar todo residuo no deseado. Los que presentan azúcares simples pasan directamente a la etapa de fermentación.
• Obtención del azúcar: Para los cereales, que son la principal materia prima en Canadá, pasa por dos procesos:
  • Proceso de molido húmedo: Este proceso sirve para cuando se desea otros subproductos a parte del alcohol, tales como la fructosa.
  • Proceso de molido en seco: Ahora se reduce en pequeñas partículas, para esto se utiliza un sistema mecánico, produciéndose una harina con la fécula del cereal, el germen y la fibra.
• Fermentación de los azúcares: Este proceso, para todo tipo de azúcares, consiste en la fermentación por levaduras de la glucosa. La levadura posee una enzima llamada invertasa, la cual actúa como catalizador, por lo que ayuda a convertir los azúcares en fructuosa y glucosa.
• Destilación: El etanol obtenido contiene un gran porcentaje de agua, por ende debe pasar por el proceso de destilación para poder utilizarse como combustible. En este proceso se hace ebullir el etanol, este al tener su punto de ebullición a los 78ºC aproximadamente, se evapora, separándose del agua por condensación.

Chile y el mundo

En Chile:

• Instalan en Chile primera planta mundial para crear bioetanol con huiro: Proyecto de expertos de EE.UU. y Chile se adjudicó ayer US$ 7 millones de parte de Corfo para producir, por primera vez, etanol con esta macroalga y a gran escala. Su meta: en cinco años, abastecer el 5% del consumo de bencina de un año en el país.

En el mundo:

• Los EEUU (a partir de maíz), Brasil y Colombia (con caña de azúcar) avanzan en la fabricación de bioetanol como combustible.
• Brasil es el mayor productor y consumidor mundial de bioetanol como combustible.