La biotecnología es la aplicación de la tecnología a los procesos biológicos. Utiliza organismos vivos, o sus derivados, para la obtención de productos o procesos.
Los seres humanos han usado la biotecnología desde la prehistoria para fabricar productos como el pan, el queso, la cerveza, …. También para mejorar a sus productos agrícolas y ganaderos.
Actualmente, el gran avance del conocimiento científico, nos permite ampliar los campos y el alcance de utilización de la biotecnología. Por eso se distinguen normalmente dos tipos: la biotecnología tradicional y la biotecnología actual.
1. Biotecnología tradicional
La biotecnología tradicional se basa, principalmente, en la utilización de microorganismos para obtener productos útiles para el ser humano. Podemos destacar tres áreas en las que se han aplicado estas técnicas:
a) Usos alimentarios
· Fabricación del pan gracias a las fermentaciones alcohólicas llevadas a cabo por la levadura Saccharomyces cerevisiae.
· Fabricación del queso y el resto de derivados lácteos mediante la fermentación láctica que realizan algunas bacterias.
· Producción de bebidas alcohólicas a partir de las fermentaciones llevadas a cabo por la levadura Saccharomyces cerevisiae.
b) Usos sanitarios
· Fabricación de vacunas utilizando microorganismos atenuados o fragmentos de los mismos.
· Elaboración de antibióticos producidos por ciertos mohos.
c) Usos medioambientales
· Uso de bacterias para la descomposición de la materia orgánica de los residuos sólidos urbanos mediante fermentaciones.
· Eliminación de la materia orgánica en las depuradoras mediante acciones realizadas por bacterias.
· Fabricación bacteriana de bioplásticos, que son biodegradables.
· Eliminación de los vertidos de petróleo mediante su degradación por bacterias especializadas.
2. Biotecnología actual. Ingeniería genética
La biotecnología actual nace a finales del siglo XX y está basada en los descubrimientos y logros de la ingeniería genética.
La ingeniería genética es el conjunto de técnicas para manipular el material genético de un organismo para transferirlo a otro y que se exprese en él.
2.1 Técnicas de ingeniería genética
Las técnicas de trabajo más empleadas en ingeniería genética son la obtención de ADN recombinante, la utilización de vectores y la técnica de reacción en cadena de la polimerasa (PCR).
2.1.1 ADN recombinante
El ADN recombinante es una molécula de ADN artificial obtenida a partir del gen de un organismo y de un vector. La técnica para obtener ADN recombinante se utiliza mucho en investigación y consta de cuatro fases básicas:
a) Se localiza el gen que se va a manipular y se analiza su secuencia de nucleótidos.
b) Se aísla el gen utilizando unas enzimas (enzimas de restricción) que cortan el ADN en zonas específicas.
c) El gen se une a un vector (ADN de una bacteria o de un virus), que lo transportará. La unión gen+vector es el ADN recombinante.
d) El ADN recombinante se introduce en la célula que expresará la proteína. Esta se dividirá produciendo numerosas células hijas que producirán esa proteína.
Mediante esta técnica se consigue generar muchas copias a partir de un fragmento de ADN en un periodo corto de tiempo . Fue desarrollada en 1983 por Kary Mullis y permite clonar fragmentos de ADN sin usar ninguna célula, directamente en un tubo de ensayo.
Para esta reacción es necesario:
· La enzima ADN polimerasa, resistente al calor (se obtiene de alguna bacteria termorresistente).
· Un cebador. Un pequeño fragmento de ARN de unos 20 nucleótidos, necesario para que pueda actuar la ADN polimerasa.
· Una fuente de calor.
· Nucléotidos de ADN.
El procedimiento sigue los siguientes pasos:
a) Se calienta la molécula de ADN que se quiere copiar a una temperatura superior a 90 ºC, para que se desnaturalice y pierda su estructura, separándose las dos cadenas que forman la doble hélice (se rompen los puentes de hidrógeno que unen las bases nitrogenadas de ambas cadenas).
b) Cada una de las dos cadenas sirve de molde para una nueva cadena complementaria.
c) El cebador, un fragmento de ARN, permite que la enzima ADN polimerasa pueda continuar añadiendo desoxirribonucleótidos (nucleótidos de ADN) hasta formar toda la cadena complementaria.
d) Después, las cadenas recién formadas se vuelven a separar por efecto del calor, comenzando un nuevo ciclo.
Así, en poco tiempo se pueden conseguir muchísimas copias del fragmento de ADN original.
La clonación es una técnica que permite obtener una copia idéntica de una molécula, célula u organismo ya desarrollado, a partir de su ADN. Dos clones son individuos genéticamente idénticos.
La ingeniería genética permite desarrollar tres tipos de clonación:
a) Clonación molecular; permite hacer copias de ADN mediante unas células llamadas células anfitrionas, aunque hemos visto en el apartado anterior otra técnica, la PCR o reacción en cadena de la polimerasa que es mucho más rápida.
b) Clonación de células; se pueden obtener células genéticamente idénticas que se pueden utilizar para reparar tejidos enfermos sin que se produzca rechazo.
c) Clonación de organismos completos; se obtienen individuos genéticamente idénticos.
La clonación, obtener copias idénticas, es un proceso natural y frecuente en los organismos de reproducción asexual. En cambio, con la reproducción sexual, los individuos generados son distintos entre ellos y a sus progenitores. La única excepción es la de los gemelos monocigóticos, que provienen del mismo óvulo y mismo espermatozoide, que son genéticamente iguales.
Existen dos tipos de clonación en animales: la clonación reproductiva y la clonación terapéutica.
Básicamente, la clonación reproductiva consiste en obtener un individuo idéntico a otro extrayendo el núcleo (2n) de una célula somática del individuo original e introduciéndolo en el óvulo de otro individuo hembra de esa misma especie al que se le ha extraído el núcleo (n). Así, el óvulo tiene un núcleo (2n) se comporta como si hubiera sido fecundado y se divide hasta formar un embrión. Este embrión se implanta en el útero de otra hembra. El embrión dará lugar a un animal idéntico al donador del núcleo (2n) que se introdujo en el óvulo, ya que que tendrá su mismo ADN. De este modo fue como nació en 1996 el primer mamífero clonado, la oveja Dolly.
La clonación de animales puede servir para llegar a recuperar especies en peligro de extinción o incluso ya extinguidas, mejorar las razas de ganado o producir animales que generen proteínas humanas o medicamentos.
No está permitida legalmente la clonación de humanos, pero sí que se puede utilizar la clonación terapéutica para curar algunas enfermedades o en trasplantes de órganos. Para hacerlo, es necesario obtener células madre, aunque también hay polémica sobre si es legítimo obtenerlas a partir de embriones que no se utilizan en la reproducción asistida o si sólo se deben extraer de tejidos y órganos adultos.
Las célula madre son células pluripotentes, indiferenciadas, que no tienen aún ninguna función específica pero que pueden convertirse en diferentes células del organismo. Cuando se divide una célula madre, las células hijas pueden seguir siendo células madre o transformarse en otro tipo de célula más especializada, como una neurona.
Con células madre se pueden reparar tejidos dañados por infartos, quemaduras, fracturas,..., y se está investigando para su aplicación en algunas enfermedades como la diabetes, Alzheimer, o leucemia.
2.2. Proyecto Genoma Humano
El Proyecto Genoma Humano fue un proyecto de investigación científica que tenía el objetivo fundamental de determinar la secuencia de pares de bases nitrogenadas del ADN e identificar y cartografiar los aproximadamente 25 000 genes del genoma humano desde un punto de vista físico y funcional. Se trataba de conocer la secuencia de nucleótidos de nuestro ADN y qué genes codifican las proteínas.
El proyecto comenzó en 1990, cuando se creó un Consorcio Público Internacional, formado por EEUU, Reino Unido, Japón, Francia, Alemania, China y otros países, con el objetivo de conseguir la secuencia completa del genoma humano. Paralelamente, otro proyecto similar fue impulsado por la empresa privada Celera Genomics, que pretendía hacer negocio con las patentes de los genes.
Finalmente, en 2001, se hicieron públicos de forma conjunta, la empresa pública y la privada, de la secuencia completa del genoma humano.
Algunas de las principales conclusiones obtenidas del Proyecto Genoma Humano son:
a) Tenemos unos 25 000 genes de tamaño variable, formados por unos 3000 millones de nucleótidos.
b) Compartimos más del 99,9 % con todas las demás personas, son idénticos. El 0,1 % es lo que hace que las personas seamos distintas a los demás.
c) Compartimos muchos genes con otras especies. por ejemplo, compartimos más del 90 % de los genes con los ratones y el 98 % con los chimpancés.
d) Sólo menos del 2 % del ADN codifica para proteínas, el resto no se sabe aún su función.
e) Cada gen codifica información para muchas proteínas, no solo una.
Los OMG u organismos transgénicos se denominan así porque se han obtenido introduciendo genes de otro ser vivo en su genoma. El objetivo de esto es transferirles propiedades que ellos no poseen o modificar las que presentan.
La incorporación de los genes se realiza directamente (con microagujas o cañones de genes) o a través de virus.
Los OGM tienen distintas aplicaciones como por ejemplo:
a) El uso de bacterias para la fabricación de productos terapéuticos, como la insulina o la hormona del crecimiento, o vacunas como la de la hepatitis B.
b) La utilización de virus necesarios en terapias génicas.
c) La modificación de animales con el fin de potenciar determinadas características deseables, por ejemplo un engorde más rápido.
d) El control de organismos generadores de plagas, como el mosquito que transmite la malaria.
e) La producción de plantas comestibles resistentes a plagas y herbicidas y la modificación de plantas de las que se obtienen alimentos mejorados, como el arroz dorado con provitamina A para evitar la ceguera en zonas muy pobres sin acceso a la carne.
Los OGM han sufrido fuertes campañas en contra argumentando riesgos sanitarios, medioambientales y económicos. Lo cierto es que son totalmente seguros para la salud y que su impacto medioambiental es menor al necesitar menos pesticidas, abonos, etc.
Un factor real que sí hay que tener en cuenta es que la mayoría han sido desarrollados y patentados por empresas privadas que obviamente cobran por su uso. Se deben potenciar las patentes públicas que garanticen la accesibilidad a los mismos por parte de todos los agricultores de todos los países.
El éxito que los científicos obtuvieron al clonar mamíferos generó especulaciones sobre la posibilidad de hacerlo con personas. Esto originó un problema ético nuevo, ya que por primera vez se planteaba la posibilidad de crear artificialmente un ser vivo de nuestra propia especie. En la actualidad, la ley prohíbe la clonación reproductiva en seres humanos.
La clonación terapéutica tiene importantes aplicaciones médicas al poder tratar ciertas enfermedades y reparar órganos dañados. Sin embargo, esta técnica no está exenta de polémica, ya que para obtener células madre se necesita crear embriones humanos que luego serán destruidos. Hoy día, muchos de los embriones utilizados se obtienen de donantes en tratamiento de fertilidad, pues la Ley de Investigación Biomédica de 2007 prohíbe la creación de embriones con fines de investigación.
El médico japonés Shinya Yamanaka fue galardonado en 2012 con el premio Nobel de medicina por estar considerado el padre de las llamadas células iPS, que poseen la capacidad de convertirse en cualquier tipo celular especializado. Desarrolló un método para la generación de células madre existentes en las células del cuerpo. Este método da lugar a la reversión de las células desde un estado adulto a un estado pluripotente.
Demostró cómo se pueden obtener las llamadas células madre pluripotentes a partir de células adultas. Las células pluripotentes tienen el potencial de diferenciarse en cualquier otra célula del organismo, por lo que se espera poder utilizarlas en un futuro próximo para regenerar órganos y tejidos dañados. El descubrimiento supuso una verdadera revolución, al dejar obsoleto el uso de su equivalente natural, las células madre embrionarias, cuya obtención plantea problemas éticos.
La Terapia génica es otro de los frentes abiertos por la biotecnología con más futuro. Podemos utilizar vectores como los virus para introducir genes terapéuticos que nos ayuden a prescindir de los fármacos.
Los avances en la biotecnología y la ingeniería genética han abierto el camino a muchas aplicaciones prácticas, como el diagnóstico, eliminación, prevención y curación de enfermedades, la lucha frente a la contaminación y la eliminación de residuos, la obtención de nuevos combustibles, etc.
Frente a estos beneficios, existe una lista de inconvenientes relacionados con los posibles riesgos del uso de estas técnicas:
a) Riesgos éticos; la posibilidad de seleccionar las características de los hijos o de atentar contra determinados grupos de humanos, ….
b) Riesgos sociales; el aumento de la desigualdad por el acceso (o no) a estas técnicas según la renta y el país; la discriminación a personas en función de su genética de cara a obtener trabajos, seguros médicos, ...; ...
c) Riesgos medioambientales; la disminución de la biodiversidad al reducirse el número de variedades que se cultivan, …
d) Riesgos sanitarios; el introducir genes de otros organismos puede ocasionar problemas de alergias no detectadas, es posible que surjan enfermedades no conocidas, ...
e) Riesgos legales; la posibilidad de patentar productos biotecnológicos tiene multitud de implicaciones globales. Una de las principales controversias actuales es la posibilidad de patentar plantas y animales transgénicos o incluso secuencias del genoma humano. El Comité Europeo de Patentes prohíbe patentar genes humanos pero hay sectores que presionan para que esto cambie aludiendo a la necesidad de que las empresas ganen dinero y sigan investigando.
Para prevenir estos riesgos la UNESCO establece tres grandes recomendaciones: protección del ser humano, promoción del conocimiento y la investigación, solidaridad y cooperación internacional.
Según su utilización, podemos distinguir cinco áreas fundamentales:
a) Biotecnología roja; aplicada a la medicina (fabricación de antibióticos, fármacos, vacunas, técnicas de diagnóstico, …).
b) Biotecnología blanca; aplicada a la industria (bebidas fermentadas, lácteos, …).
c) Biotecnología verde; aplicada a procesos agrícolas (plantas de cultivo y ganado modificados, transgénicos, biofertilizantes, …).
d) Biotecnología azul; aplicada al medio marino (acuicultura, recursos marinos, …).
e) Biotecnología gris; aplicada al cuidado del medio ambiente (calidad ambiental, preservación de la biodiversidad, biorremediación, …).
3.1 Biotecnología industrial
La microbiología industrial comprende una serie de procesos tecnológicos, en los que intervienen microorganismos, como la conversión de un sustrato, gracias a la actividad metabólica de estos, en una sustancia de interés comercial (o en productos que contienen dicha sustancia).
En la industria es necesario normalmente alcanzar grandes volúmenes del cultivo para que la producción sea rentable. Además los microorganismos deben generar la sustancia de interés de forma rápida y eficaz.
3.1.1 Industrias alimentarias
Los microorganismos están implicados en diversos procesos industriales para obtener productos alimentarios: vino, cerveza, vinagre y lácteos.
3.1.1.1. Fabricación del vino
Para la fabricación del vino y la cerveza es necesaria la fermentación alcohólica que lleva a cabo la levadura Saccharomyces cerevisiae. Recordad que la reacción de la fermentación alcohólica es:
C6H12O6 (glucosa) → 2 CH3-CH2OH (etanol) + 2 CO2 + 2 ATP
Muchos zumos de frutas son fermentados de forma natural por las levaduras. En la fabricación del vino, se fermentan los azúcares contenidos en el zumo de uva.
Después de recoger la uva, se realiza el prensado de la misma para obtener el mosto (antiguamente se hacía pisándola en la barrica). El mosto se pasa a una cuba de fermentación a la que, además de las levaduras naturales, se añaden inóculos de levaduras patentadas que mejoran la calidad y el rendimiento (en algunos procesos industriales se eliminan las naturales para controlar mejor el proceso). Los azúcares se transforman en etanol y CO2, que se retira de de la cuba de fermentación.
Posteriormente, el vino se separa del sedimento en una cuba de sedimentación y se pasa a unas barricas donde “envejece” alcanzando su aroma y sabor característico. Los últimos pasos del proceso industrial son el filtrado para la clarificación del vino y el embotellado.
En los vinos blancos el proceso de fabricación es más corto y se elimina la piel de la uva antes de prensarla (en los tintos se prensa la uva con la piel).
3.1.1.2. Fabricación de la cerveza
La cerveza es el resultado de la fermentación de la malta (semillas de cebada germinadas) por parte de S. cerevisiae o S. calsbergensis.
La malta se mezcla con agua en una cuba de sacarificación, en la que se dejan actuar las enzimas hidrolíticas que degradan el almidón en azúcares, principalmente glucosa y maltosa (malteado).
Posteriormente, se añade el lúpulo y se cuece el producto en una cuba de maceración, para inactivar las enzimas y eliminar otros posibles microorganismos contaminantes.
En la siguiente etapa se retira el lúpulo, se filtra el mosto de cerveza, y se traslada este a una tina o vasija de fermentación, donde se incorpora la levadura. Entonces tiene lugar la fermentación alcohólica.
Después de un proceso de almacenamiento, se obtiene la cerveza y se procede al envasado.
El vinagre es el resultado de un proceso respiratorio en el que las bacterias acéticas (Acetobacter, Gluconobacter) producen ácido acético a partir de etanol.
CH3-CH2OH (etanol) + O2 → CH3-COOH (ácido acético) + H2O
Estas bacterias son aerobias estrictas, a diferencia de las levaduras responsables de la fermentación alcohólica, que son anaerobias facultativas.
El vinagre se puede obtener a partir de cualquier licor fermentado (vino, cerveza, sidra, sake).
El vinagre se usa como aditivo para sazonar platos pero también es un conservante natural muy importante.
El uso de levaduras en la elaboración del pan y la bollería se realiza para conseguir que el producto sea esponjoso gracias a las burbujas de CO2 que se liberan con la fermentación alcohólica de Saccharomyces cerevisiae.
El etanol liberado se elimina cuando el pan se hornea.
Los lácteos (queso, yogur, cuajada) son alimentos cuya elaboración se basa en la actividad de microorganismos (Lactobacillus) que llevan a cabo una fermentación láctica.
C6H12O6 (glucosa) → 2 CH3-CHOH-COOH (ácido láctico) + 2 ATP
La elaboración del queso comienza con la coagulación de las proteínas de la leche por la acción de las bacterias lácticas y la adición de la enzima renina, o cuajo, que se encuentra en el estómago de los rumiantes. Así se forma la cuajada o requesón, que se calienta y comprime para eliminar el suero.
A continuación se le añade la sal y se produce un proceso de maduración en el que cada tipo de queso adquiere sus cualidades características. En algunos de ellos intervienen otros microorganismos (en los quesos azules, como el cabrales o el roquefort, intervienen hongos; en el emmental una bacteria que libera CO2 produciendo sus característicos agujeros, ...)
El yogur o el kefir reciben el nombre de leches fermentadas y se obtienen mediante la fermentación láctica de la leche bajo condiciones controladas de pH y temperatura.
En los últimos años se han puesto de moda los probióticos pero estos no son el resultados de conversiones metabólicas de un sustrato. Simplemente se añaden determinados microorganismos (como bacterias de la microbiota intestinal) a alimentos ya elaborados (normalmente lácteos). Supuestamente son beneficiosos para regenerar la función intestinal y para potenciar las defensas inmunitarias aunque no hay evidencia sólida al respecto todavía.
Un aspecto fundamental para la industria alimentaria es la conservación de los alimentos del desarrollo de los microorganismos.
Los microorganismos intervienen en la elaboración industrial de diversos productos químicos como disolventes, colorantes, conservantes, ácidos orgánicos, …
Los ácidos orgánicos, como el ácido cítrico (conservante), el ácido glucónico (para la absorción del calcio) o el ácido ascórbico (vitamina C) son ejemplos de estas sustancias.
La obtención de productos de interés para la salud humana constituye una de las áreas de aplicación biotecnológica más avanzada, y va desde el desarrollo de vacunas a la producción de antibióticos y nuevos fármacos.
3.1.3.1 Producción de vacunas
Las primeras vacunas frente a diversos microorganismos patógenos, principalmente virus y bacterias, se fabricaron a partir de microorganismos vivos atenuados.
Sin embargo, su utilización suponía un riesgo potencial para la salud. En 1924 se obtuvieron las primeras vacunas de organismos inactivados, es decir, patógenos muertos por la acción del formaldehido u otras sustancias.
Los toxoides, toxinas inactivadas que han perdido su carácter tóxico pero conservan su capacidad de provocar una respuesta inmunitaria, se emplean para inactivar toxinas producidas por microorganismos patógenos.
Todavía se administran algunas vacunas de virus atenuados o inactivados, como las de la difeteria, la tuberculosis, el sarampión o la poliomielitis.
Otra tecnología más reciente son las vacunas recombinantes, obtenidas por ingeniería genética y constituidas por antígenos de superficie, polisacáridos capsulares o toxoides. Para obtener estas vacunas primero determinamos la estructura de un antígeno de superficie con propiedades inmunogénicas. Una vez conocidos se desarrollan péptidos sintéticos que representan alguno de los determinantes antigénicos de la proteína.
Un ejemplo de vacunas de antígeno recombinante son la de la hepatitis B o la del papiloma humano.
Otra técnica más reciente son las vacunas de ARNm. Estas vacunas provocan que las propias células del cuerpo fabriquen las proteínas antigénicas del patógeno preparando al sistema inmunitario para actuar contra el patógeno.
En 1929, Alexander Fleming estudiaba las características de la bacteria Staphylococcus aureus, que causa diversas enfermedades en la piel. Observó, en unas placas contaminadas por el hongo Penicillum chrysogenum, que el crecimiento de la bacteria patógena se inhibía.
El descubrimiento de la sustancia bactericida que produce dicho hongo, la penicilina, fue uno de los hitos en el tratamiento de las enfermedades infecciosas. Su comercialización no se inició hasta el final de la II Guerra Mundial.
La producción industrial de la penicilina comienza con el crecimiento de cultivos del hongo en fermentadores y en condiciones óptimas. Es importante seleccionar cepas de alto rendimiento mediante mutagénesis (estimulación de mutaciones) o ingeniería genética.
Hoy en día se utilizan penicilinas semisintéticas: más eficaces y menos tóxicas.
También obtenemos antibióticos industrialmente de bacterias actinomicetas, como la estreptomicina (Streptomyces griseus) o la eritromicina (S. erythreus).
Algunos esteroides y hormonas son fármacos que pueden fabricarse de forma industrial.
Por ejemplo, los corticosteroides son eficaces antiinflamatorios y los estrógenos y los andrógenos se utilizan para regular la fertilidad.
El proceso mediante el cuál se producen por microorganismos se llama biotransformación o bioconversión. Un ejemplo es la obtención de cortisona, utilizada para tratar la irritación cutánea, gracias al hongo Rhizopus nigricans que hidroxila un precursor de la cortisona generando el producto.
La insulina, una proteína esencial para el tratamiento de la diabetes, se produce actualmente a partir de bacterias clonadas, con lo que se logra una insulina purificada idéntica a la del páncreas humano.
Otras proteínas, como los factores de coagulación o la somatotropina, relacionada con los trastornos del crecimiento, los inmunomoduladores, como el interferón, y agentes antitumorales o vacunas, se obtienen a partir de microorganismos manipulados genéticamente.
Todos los microorganismos producen una gran variedad de enzimas, algunas de las cuáles se secretan al exterior de la célula (enzimas extracelulares).
Las de origen microbiano se emplean en las industrias alimentaria, farmacéutica, química y textil, por lo que su producción a gran escala tiene un interés comercial extraordinario.
Muchos de los procesos industriales de producción de enzimas utilizan sustratos baratos y poseen un alto rendimiento. La incorporación de las técnicas de ingeniería genética ha incrementado notablemente la eficacia de estos procesos.
Diversas especies de hongos y bacterias se utilizan para producir enzimas como las proteasas, amilasas y lipasas (empleadas como aditivos en los detergente bioactivos). La mayor parte de ellas se aíslan de bacterias alcalófilas y su pH óptimo está entre 9-10 (que es el que suelen presentar estos detergentes).
También se obtienen enzimas de procariotas hipertermófilos para ser usadas en industrias que requieren temperaturas elevadas (+60 ºC) como la alimentaria o la de limpieza.
La renina, que ya estudiamos en la elaboración del queso, se obtiene de microorganismo de forma más barata que la de los ruminates.
Las amilasas y glucoamilasas se utilizan para obtener glucosa a partir de almidón. Esta glucosa se convierte en fructosa, gracias a la glucosa isomerasa, que es usada como edulcorante.
En los procesos industriales, las enzimas son inmovilizadas para obtener un mayor rendimiento.
La ingeniería genética permite la modificación del ADN de los vegetales para dotar a las plantas de cultivo de características más deseables. Una de las estrategias más utilizadas es la introducción de un plásmido bacteriano con los genes que nos interesa añadir a la planta. Esta se convierte en un OMG (organismo modificado genéticamente) o transgénico que puede ser patentado por la empresa que lo desarrolla.
Actualmente se está desarrollando una tecnología más precisa mediante la técnica del CRISPR-Cas9.
Muchos de los fertilizantes utilizados por los agricultores contienen una fuente de nitrógeno, básicamente nitratos, que se usan para obtener un mayor rendimiento en las cosechas.
Una alternativa a los fertilizantes químicos son las bacterias fijadoras de nitrógeno, que ya estudiamos en el ciclo del nitrógeno, como por ejemplo Rhizobium.
.PNG)
La utilización de los insecticidas químicos tiene el inconveniente de que son, en muchos casos, tóxicos o difícilmente biodegradables, y también bioacumulables, es decir, se almacenan en las raíces, las hojas o los frutos, donde pueden ser ingeridos por los animales o las personas.
3.3 Biotecnología ambiental
La actividad humana genera una gran cantidad de contaminantes que alteran el medio ambiente. El deterioro ambiental repercute en la calidad de vida debido a la pérdida de biodiversidad, bienes culturales y el agotamiento de los recursos.
Diariamente generamos una gran cantidad de desechos de origen urbano, agrícola o industrial, que deben ser tratados para evitar su vertido al ambiente. Las aguas residuales, las basuras orgánicas, el vidrio o los plásticos son algunos ejemplos.
En otros casos, la contaminación se debe al vertido incontrolado de contaminantes a causa de accidentes durante su almacenamiento o transporte, o a desastres naturales.
Los microorganismos juegan un papel esencial en tratar estos procesos.
La biorremediación es una parte de la biotecnología ambiental que aprovecha la diversidad de los microorganismos y su potencial metabólico para el tratamiento de residuos o la eliminación de contaminantes orgánicos o inorgánicos.
Las estrategias de biorremediación más utilizadas son:
a) Biodegradación; algunos microorganismos pueden llevar a cabo la degradación de compuestos contaminantes. En la degradación completa de un compuesto orgánico hasta CO2 y agua suelen participar diversas poblaciones microbianas. Es una estrategia muy utilizada para degradar productos derivados del petróleo, insecticidas y otros compuestos recalcitrantes.
La manipulación genética de microorganismos ha permitido la obtención de cepas microbianas capaces de degradar de forma más eficiente diversos compuestos que no se degradan de forma natural.
Por ejemplo, una estripe de Pseudomonas, modificada genéticamente y patentada en 1974, contiene genes en un plásmido que le permiten degradar eficazmente hidrocarburos, por lo que se emplea en la limpieza de los tanques de petroleros o en las refinerías, así como en el caso de vertidos accidentales al mar.
b) Detoxificación; la inactivación tiene lugar mediante la unión a proteínas o el almacenamiento en compartimentos celulares. Uno de los mecanismos de detoxificación de metales pesados es la unión a proteínas denominadas metalotioneínas.
c) Bioadsorción; la inmovilización de los contaminantes se consigue por adsorción a estructuras externas, como paredes celulares, cápsulas o capas mucosas. Los hongos son muy empleados en la bioadsorción de contaminantes.
Como ya hemos mencionado, el hombre genera diversos residuos que deben ser tratados para evitar daños medioambientales. Según la actividad que los origina en:
a) Urbanos; basuras o aguas residuales de origen urbano.
b) Industriales; aguas residuales de la industria que, a menudo, contienen compuestos contaminantes muchas veces tóxicos.
c) Agrícolas o ganaderos; residuos vegetales lignocelulósicos e insecticidas, herbicidas, empleados en la agricultura y la ganadería extensivas.
Para el tratamiento de las basuras se utilizan tres tipos de tecnología:
a) Las incineradoras, en las que tiene lugar la combustión de los residuos. A día de hoy se utilizan de forma controlada porque pueden generar dioxinas, que son contaminantes tóxicos.
b) Los vertederos, terrenos excavados donde se depositan las basuras y en los que se produce la biodegradación microbiana. Los vertederos controlados son económicos, aunque la degradación es muy lenta y debe evitarse la filtración de contaminantes a los acuíferos subterráneos. Contienen todo tipo de residuos, no exclusivamente orgánicos.
c) El compostaje, que permite no solo el tratamiento de las basuras, sino también su reciclaje. Una vez separados los residuos orgánicos, se mezclan con microorganismos y virutas de madera u otros materiales, en pilas o biorreactores.
En este tipo de plantas se produce compost (abonos compuestos). El proceso se basa en la actividad microbiana, que convierte los residuos orgánicos putrescibles en un producto estable e higiénico, parecido al humus, cuyo volumen se reduce y que puede utilizarse para mejorar las condiciones del suelo.
Para facilitar estos usos es muy importante que se haga una recogida selectiva de la basura orgánica e inorgánica y se depositen separadas en sus respectivos contenedores.
El tratamiento de los residuos líquidos se realiza en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Este proceso se basa en la eliminación de la materia orgánica y otros contaminantes mediante, entre otros procesos, la actividad de comunidades microbianas complejas en reactores biológicos.
Estas estaciones suelen seguir cuatro pasos generales:
a) Pretratamiento; se descartan los sólidos de mayor tamaño, las arenas y las gravas.
b) Tratamiento primario; se eliminan los sólidos en suspensión mediante distintos procedimientos de separación y sedimentación.
c) Tratamiento secundario; es el tratamiento biológico, basado fundamentalmente en la actividad de los microorganismos. Se eliminan la materia orgánica y otros contaminantes contenidos en el agua residual, incluidos los patógenos de transmisión fecal.
Los sistemas de depuración biológica se basan en el desarrollo de las comunidades en forma de flóculos o agregados o en biopelículas, que mantienen las comunidades microbianas estables, responsables de la depuración, en contacto con el agua residual. Los reactores biológicos pueden combinar fases aeróbicas con otras anóxicas o anaeróbicas, en las cuales se eliminará no solo la materia orgánica, sino también nutrientes como el fósforo o el nitrógeno.
d) Tratamiento terciario; implica tratamientos físico-químicos o procedimientos de filtración o desinfección que contribuyen a mejorar la calidad del agua tratada.
En muchos casos, los lodos producidos en el reactor biológico o secundario se someten a una digestión anaeróbica, en la que los restos orgánicos son mineralizados totalmente. En el proceso se genera metano, que puede ser reutilizado como biogás.
La escasez de recursos ha propiciado el desarrollo, en la industria minera, de nuevas tecnologías cuyo objetivo es aumentar la eficiencia en la obtención de minerales. Por ello se utilizan microorganismos que mejoran el rendimiento en la extracción de ciertos metales.
Cuando en las zonas mineras hay menas metálicas secundarias con baja concentración del metal, como cobre o hierro, se emplean bacterias como Thiobacillus ferrooxidans, que provocan la solubilización de estos metales y permiten su obtención a bajo coste, mediante una precipitación posterior. Este proceso se conoce como bioxiviación.
Los residuos plásticos constituyen un problema ecológico grave, ya que no son biodegradables. Sin embargo, algunas bacterias almacenan sus reservas de carbono en forma de unos compuestos, llamados poli-beta-hidroxialcanos o poli-hidroxialcanatos (PHA). Estos compuestos son poliésteres, es decir materiales plásticos de origen natural que pueden ser biodegradables.
Las bacterias producen diferentes tipos de PHA dependiendo de cuál sea su fuente de carbono. Según la longitud de la cadena, se pueden obtener bioplásticos transparentes, para fabricar envases, o largos y resistentes, para tejidos.
El agotamiento y encarecimiento de los combustibles fósiles ha llevado al desarrollo de nuevas tecnologías para la obtención de estos recursos.
El biodiésel es un producto obtenido a partir de aceites vegetales o microorganismos fotosintéticos, principalmente microoalgas, que crecen en grandes reactores.
A partir del cultivo de estos organismos también se obtienen etanol y gas metano.
No hay comentarios:
Publicar un comentario