Este documento presenta información sobre varios temas relacionados con la biotecnología y su aplicación en el Perú. En primer lugar, describe el crecimiento poblacional proyectado para el Perú y los desafíos que esto plantea para la agricultura y la seguridad alimentaria. Luego, introduce conceptos clave como la biomasa, los biocombustibles y la industria biotecnológica. Finalmente, resalta algunas herramientas y aplicaciones de la biotecnología moderna como mejoramiento genético, factores

1. 12/6/2010
Curso “Bioseguridad y Biotecnología Moderna”
La Molina-Lima, 6-10 de diciembre de 2010
PERÚ: CRECIMIENTO POBLACIONAL
50
45
40
35
30
personas
U rb a n a
Millones
25 R u ra l
To ta l
20
15
10
5
0
19 9 7 19 9 9 2 0 0 1 2 0 0 3 2 0 0 5 2 0 0 7 2 0 0 9 2 0 11 2 0 13 2 0 15 2 0 17 2 0 19 2 0 2 1 2 0 2 3 2 0 2 5 2 0 2 7 2 0 2 9 2 0 3 1 2 0 3 3 2 0 3 5 2 0 3 7 2 0 3 9 2 0 4 1
En el año 2020
Año: Año:
habrá que alimentar Año: 2041
1997 2007
Población: Población: a 7 millones más de Población estimada:
24’681,045 28’750,770
peruanos 45’700,000
Fuente: INEI TASA DE CRECIMIENTO ANUAL: 500,000 PERSONAS
1

2. 12/6/2010
Disponibilidad de tierra cultivable para alimentación
(Tierra cultivable en el Perú: 4’000,000 ha)
Perú
0.16
0.14
0.11
0.09
Para tener en el 2020 los valores del 2007 se debe:
1.Incrementar la superficie cultivable en mas de 2 millón de hectáreas
(¿de la Amazonía?); e
2.Incrementar los rendimientos agrícolas en más de 30% (¿cómo?)
Fan chart de la temperatura y pronósticos 1000-2100
1.4 –
5.8º C
Proliferación del uso de combustibles fósiles - petróleo, carbón y gas natural
Fuente: Ⓒ Mitsubishi Corporation
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3. 12/6/2010
140
130
Junio 2008: El precio superó los US$130 por barril
Julio 2008: El precio superó los US$ 140 por barril
El 4 de enero del 2010 el precio fue de US$ 81.68 por barril
La creciente presión de los biocombustibles
resultante del cambio climático
Bioetanol: En 2007,
13.000 millones de
galones en 162 plantas, Biodiesel: En 2007,
7% de la gasolina. 2.000 millones de
EEUU en 2008 utilizó el
ili ó l galones. La U. Europea
29% del área de maíz en 2015 absorbería
62% de sus cosechas
de oleaginosas
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4. 12/6/2010
Industria Biotecnológica: Progreso y Promesa
• La Biotecnología será uno
de los motores clave en
USD 158,000 M
l próximos años
los ó i ñ
USD 549,000 M
• En el 2010, el mercado de
químicos será afectado
USD 21,200 M
USD 2,000 M
por la biotecnología con
un valor total de ~USD
158,000 millones
• A mitad del presente siglo
la totalidad de químicos
será producida por
1999 2005 2010 2025
biotecnología
OECD, Bioeconomy to 2030, p. 121
Una economía basada en la biotecnología
que usa materias primas renovables,
p
particularmente biomasa y recursos
genéticos para producir alimentos,
productos industriales y energía al menor
costo ambiental.
Implica el cambio de la unidad de
comercio: de la molécula de
hidrocarburo a la molécula de ADN
Es decir:
Del petróleo a los genes
M. Gutiérrez-Correa, Perú Económico, Enero 2007, p. 27.
4

5. 12/6/2010
Costos reducidos, mejor
control de las propiedades
Económicos del p
producto
Nuevos productos y
oportunidades de mercado
Ambientales Sociales
Prevención de la polución, Miniaturización y
emisiones reducidas de gases y modularidad
tóxicos Diversificación y crecimiento
Combustibles, químicos y de la economía rural
materiales ‘Verdes’
Productos reusables y reciclables
Potencial económico de la biodiversidad
génica en el Perú
Organismos Número de Número total de VDP** VDC**
especies genes
US$ Billones US$
endémicas*
dé i * endémicos
dé i
Billones/año
disponibles*
Animales 771 0.13 x 108 3.9 390
Plantas 5,530 2.70 x 108 81.0 8,100
TOTAL 6,301
6 301 2 83 x 108
2.83 84.9
84 9 8,490
8 490
*Datos genómicos tomados de la ref. 1
**VDP = Valor dinámico potencial (0.01% de los genes); VDC = valor dinámico
comercial
GUTIERREZ-CORREA, Marcel. 2009. El Valor de los Genes: Una Visión Preliminar. Bios 2(3), 4-7.
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6. 12/6/2010
La biomasa es una materia prima
energéticamente más eficiente
Entalpía
CxHy CxHy
CxHyOz Grasas y aceites
Nafta
CxHyN
45 GJ/ton CxHzOyN Sv Proteínas y
aminoácidos 20-30 GJ/ton
CxHyO CxHyOz(OCHz)v Lignina
CxHyOz Carbohidratos
Productos
Enfoque químicos Enfoque de
Petroquímico Biorefinería
Adapatado de:S cott et al. Appl Microbiol Biotechnol (2007) 75:751–762
Herramientas biotecnológicas en los
Bioprocesos
6

7. 12/6/2010
Biochip de DNA
PCR Lab-on-a-chip
(eSensorTM)
Microbiorreactor sumergido Lipasa inmovilizada en
(18 ml) de tanque agitado nanopartículas de Fe3O4
Buenas prácticas
agrícolas (Fijación
Biol. N2, Labranza
cero, biochar, etc)
mbustibles y
bioproductos
Biorefinerías Agrorefinerías
limentos
Biomasa
vegetal
Cultivos y
biomasa
Sistemas enzimáticos
Factorías celulares
Com
Al
Suelo
S l
Nutrientes
reciclados
Pérdida de Nutrientes Fertilizante Pesticidas
(minimizar) (optimizar) (minimizar)
M. Gutiérrez-Correa. Rev. Agronegocios, 2009
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8. 12/6/2010
Ecotipos
EXPORTACION
Digitalización Enzimas
de DNA
Fructo-
Fructo-
YACON Ind. Alim.
oligosacáridos
Mejoramiento
Genético Enzimas
Fructosa Edulcorantes
Conservación Biomasa
ex situ e in situ residual
YACON CON NUEVOS
FRUCTANOS –
reducción de azúcares
Alimentos Combustibles Plásticos (Bio)químicos Biomateriales
Materia prima agrícola convencional Biomasa
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9. 12/6/2010
Enzima nativa
1.0
0.9
0.8
0.7
Actividad Específica
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
35 40 45 50 55 60 65 70 75 ºC
Conjunto de
Conjunto de secuencias nuevas
seleccionadas procedentes Reensamblaje secuencias
de fuentes nativas y recombinativo (shuffling) seleccionadas
mutantes
Tamizado
1.0
0.9
0.8
0.7
Actividad Específica
0.6
0.5
0.4 Expresión Transformación
0.3
Evaluación Clonación
0.2
0.1
0.0
35 40 45 50 55 60 65 70 75 ºC
Enzima
evolucionada
Recolección de datos
Secuencia genómica
Análisis funcional de ORFs desconocidas
Genómica funcional
Transcriptoma Proteoma Metaboloma Flujoma
•Expresión diferencial de genes •Niveles de proteína • Parámetros cinéticos • Análisis de
•Regulación global de genes •Interacciones proteicas • Modelamiento de flujos
•Estructura/función vías metabólicas metabólicos
Bioinformática
•Estadística
•Análisis de bases de datos
•Reconocimiento de patrones
Reconocimiento
•Simulaciones de célula completa
Aplicaciones
•Ingeniería metabólica
•Nuevas drogas y sitios de acción
•Optimización de bioprocesos
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10. 12/6/2010
Concepto de una
Factoría Celular
GUTIERREZ-CORREA, Marcel. 2008. Bioeconomía (Primera Parte). Revista Agronegocios 2(3), 14 – 17.
Utilización de la genómica funcional en la
optimización de bioprocesos
Qresp Flujoma
+
NADPH,H
2 Glucosa
CO2 ATP
Glucosa6-P
%pO2 Pentose P
ATP
+
Fructosa-PNADH,H
ATP
TriosaP GlicerolP glicerol
Sedoheptulosa7 P
pH +
NADH,H
ATP
+
NADH,H H 02 + 4+H
Glicerato3P
Gli t 3P NAD
Eritrosa-4P 1/2 O2
FADH2 H 02 + 2+H
PEP
Tiempos ATP
FAD 1/2 O
2
3H +
Piruvato ATP
HS-CoA
NADH,H+
CO2
+ CO2
NADPH,H ATP
CO2 CO2 Acetil CoA Acetato
HS-CoA ATP
OAA +
NADPH,HATP
Citrato
Malate + ANABOLISMO
NADH,H
Expresión de genes Fumarato +
IsoCitrato CO NADH,H
2
(Transcriptoma) FadH2 Succinato SH-CoA CO2
+
NADPH,H
aKglu
Suc-CoA
GTP CO2
SH-CoA +
NADH,H
Expresión de proteínas
(Proteoma) S n × Vn = b
Incremento del
rendimiento,
rendimiento,
concentración y
Expresión metabólica
(Metaboloma) productividad Metabolito
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11. 12/6/2010
“Comóditis” a partir de Materiales Agrícolas
Etanol Residuos Agrícolas
Acido Cítrico
Almidón
Acido Láctico Celulosa
Acido Glucónico Hemicelulosa
Acido Acético Sacarificación
Enzimática Pretratamiento
Acetona Azúcares Enzimático
Butanol Sacarificación
Conversiones Microbianas
Antibióticos
Carotenoides
Acido Etanol Butilenglicol
Enzimas Fumárico
Polisacáridos Calor Deshidratación Química
Vitaminas
Anhidrido Etileno Butadieno
Aminoácidos Maléico
Proteína
Unicelular
Plásticos, Fibras, Jebes, Resinas, etc.
Biopesticidas
Biosurfactantes
Estados en la conversión de biomasa a etanol
Azúcares (caña, Almidones Lignocelulosa
remolacha) (cereales, (madera, residuos
tubérculos, raíces) agroindustriales)
Extracción de Hidrólisis Pretratamiento e
jugo enzimática hidrólisis
Estado I: FERMENTACIÓN
Conversión de los azúcares a etanol
Estado II: RECUPERACIÓN DEL ETANOL
Destilación
Deshidratación
ETANOL ANHIDRO
11

12. 12/6/2010
M. Gutiérrez-Correa.
BIOTECNOLOGIA,
BIODIVERSIDAD Y
BIOECONOMIA EN
EL PERÚ. 2006
Comparación de la producción de etanol entre la
caña y el maíz
Estado de la Producción Caña de Maíz
Azucar
Rendimiento del cultivo (T ha-1)
1 80-100
80 100 12
Rendimiento de etanol max (L ha-1) 9000 4400
Rendimiento de etanol prom (L ha-1) 7750 2750
Eficiencia promedio de Ferment.* (%) 92 89
Tiempo típico de fermentación (h) 6-10 40
Bagazo seco producido (T ha-1) 26.4 6.6
Azúcares fermentables en bagazo (T ha-1)**
) 21.0
21 0 4.8
48
Rendimiento de etanol de bagazo (L ha-1) 13,200 3,080
Eficiencia promedio de ferment.* (%) 95 95
*Basado en una producción teórica máxima de 511 g Etanol (Kg glucosa)-1
**Considerando 72 % de carbohidratos (celulosa y hemicelulosa)
12

13. 12/6/2010
Hidrólisis Enzimática de la Celulosa
Regiones Regiones
Cristalinas Amorfas
Celulosa
Endo-β-glucanasa
Celobiohidrolasa
EG/CBH
β-glucosidasa n
Glucosa
Biomasa
celulósica
Bordes del proceso Liberación de
azúcares y exposición
de la biomasa a las
enzimas
Pretratamiento
Calor y Formar enzima,
electricidad Pasos Biológicos: romper la celulosa a
Producción de celulasas glucosa y fermentar
los azúcares
hidrólisis fermentación
Electricidad Servicios Recuperación de Etanol Etano
exportada l
Procesam. de residuos
Efluentes
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14. 12/6/2010
Factoría Celular para etanol
celulósico
Lignocelulasas Glucosa
Pentosas
Xilosa Glucosa
Vía de la pentosa
ATP
introducida de
Xilosa ADP
Escherichia coli
isomerasa Glucosa-6-P
Xilulosa Gluconolactona-6-P
Xilulosa 6-P-Gluconato
Quinasa
ATP 2-Ceto-3-deoxi-6-P-gluconato
ADP
Xil-5-P Ribl-5-P Ribosa-5-P Gliceraldehído-3-P
Transcetolasa 1,3-P-Glicerato
ATP
ADP
Sedoheptul-7-P Gliceraldehído-3-P
3-P-Glicerato
Transaldolasa 2-P-Glicerato
Frut-6-P ADP ATP
Frut-6-P Fosfoenolpiruvato Piruvato
Erit-4-P
Glicerald-3-P Vía Entner-Doudoroff de
Trancetolasa Zimomonas mobilis ETANOL
Sacarificación y Fermentación
• Hidrólisis enzimática de celulose a Rendimientos:
glucosa Glucosa a Etanol 92%
• Fermentación de azúcares a etanol por Xilosa a Etanol 85%
Z. mobilis Arabinosa to Etanol 85%
• Tiempo de residencia de 2 días a 37ºC Pérdida por Contaminación 5%
y 20% de sólidos
14

15. 12/6/2010
Biodiesel
contaminante
Triglicéridos Metil-ésteres
+ Biodiesel Biocombustible
Petróleo Metanol NaOH/KaOH Glicerol contaminante
Triglicéridos Metil-ésteres
+ Biodiesel Biocombustible
Petróleo Metanol Lipasas Glicerol 1,3 Propanodiol;
Dihidroxiacetona; Ac.
Succínico; Ac.
Propiónico; Ac. Cítrico;
Etanol; Astaxantina;
Polihidroxi alcanoato;
Microdiesel Biocombustible
Factoría Celular para biodiesel
Lignocelulasas
Pentosa
Glucosa
Zymomonas mobilis
KDPG ETANOL
O
=
Acinetobacter baylyi CH3CH2OCR
Ac. GRASOS
Wax ESTER SINTASA
15

16. 12/6/2010
Factoría celular de
Synechococcus elongatus
para biocombustible
S. elongatus
rbcLS Bacillus subtilis
.
Escherichia coli
Lactococcus lactis
Isobutiraldehído Isobutanol
Levadura Recuperación
(Alcali) Celulasa o
Agua Alcohol
Enzimas Xilanasa Bacteria
Pretratamiento Sacarificación Fermentación Destilación
Etanol
Tanque de pasta
Butanol
Molienda
Biomasa Plásticos
Lignina DDGS
Pegamentos
Alimento Animal
Vapor
Electricidad
Acido Acido Recuperación
Cítrico Láctico de agua
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17. 12/6/2010
Factoría Celular para plásticos
Metabolismo de E. coli (factoría)
Glucosa E. coli
G-3-P Pyr TCA
DHAP Gly-3-P Gly 3HPA Propanodiol
Vía del glicerol de
Extensión metabólica
levaduras
de Klebsiella
O O
Polipropilen tereftalato [ O O
]
Factoría celular para la producción de
plástico poliláctico.
poliláctico.
Lactato
Lactato
Glucosa PCT
O
= Lactil-CoA
= Biomasa Enzima
O polimerizante de AL
Factoría
celular
Láctido
Poliéster
Catalizador
metálico Poliláctico
Sustitución
Poliéster Poliláctico
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18. 12/6/2010
Glucosa
Piruvato
LDH
Lactato Acetil CoA
LDH = lactato deshidrogenasa
PhaA PCT = propionil-CoA transferasa
PCT
PhaA= β-cetotiolasa
PhaB= acetoacetil-CoA reductasa
Lactil Co A AcetoAcetil CoA
NADPH-dependiente
PhaB PhaC= PHA sintasa
(R)-3-Hidroxibutiril-CoA
De Pseudomonas sp. 61-3,
PhaC
modificada por evolución dirigida
PLA P(LA-co-
P(LA-co-3HB)
Industria Textil
Biopelícula
Celulasas
xilanasas
Factoría celular
(produce celulasa) Optimización
de procesos
Genes de
celulasas
xilanasas Biomasa
Factoría celular
ETANOL
(produce celulasas y etanol)
18

19. 12/6/2010
19