¿QUÉ ES LA BIOTECNOLOGÍA Y CUÁL HA SIDO SU DESARROLLO?




Definición de la Biotecnología
 
El primero que usó el término biotecnología fue el ingeniero húngaro Karl Ereki, en 1919, quien introdujo este vocablo en su libro “Biotecnología en la producción cárnica y láctea de una gran explotación agropecuaria”.
 
La Biotecnología se ha definido de muchas formas, quizá por su carácter multidisciplinar, ya que implica a disciplinas como biología animal, biología vegetal, bioquímica, genética, microbiología, virología, agronomía, ingeniería química, veterinaria y medicina, entre otras (Figura 1). La definición más simple de biotecnología es la aplicación de los sistemas vivos o procesos biológicos en procesos tecnológicos para la obtención de bienes y servicios. Cualquier técnica en la que se utiliza un organismo vivo para producir un producto útil o un cambio químico deseable es un ejemplo de biotecnología. La biotecnologíase ha expandido notablemente utilizando la tecnología del DNA recombinante. Los nuevos procesos de manipulación de genes han dado lugar a microorganismos nuevos de interés industrial o tecnológico, al igual que se han obtenido animales y plantas transgénicas.





Antony van Leeuwenhoeck
          
  



   
   




Gregor Mendel
  
Actualmente, una definición de biotecnología aceptada internacionalmente es: “La biotecnología se refiere a toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos (Convention on Biological Diversity, Article 2. Use of Terms, United Nations. 1992)”. Esta definición incluye los métodos tradicionales de cultivo de plantas, ganadería, selección genética y técnicas de producción ya utilizadas desde hace miles de años por la humanidad, como son utilización de levaduras para la fermentación de pan o de bebidas alcohólicas. Asimismo, incluye las técnicas más modernas que utilizan los desarrollos de la Biología Molecular.










 
Su historia

La biotecnología tiene una larga historia, que se remonta a la fabricación del vino, el pan, el queso, el yogurt y otros alimentos fermentados. El descubrimiento de que el zumo de uva fermentado se convierte en vino, que la leche puede convertirse en queso o yogurt, o que se puede hacer cerveza fermentando soluciones de malta y lúpulo fue el comienzo de la biotecnología, hace miles de años. Se  han descubierto indicios de estas actividades en culturas ancestrales incluyendo la china, egipcia, griega, romana, sumeria y otras civilizaciones que habitaron el planeta hace más de 5.000 años. Aunque no entendían cómo ocurrían estos procesos, podían utilizarlos para su beneficio. Estas aplicaciones constituyen lo que se conoce como biotecnología tradicional y se basa en la obtención y utilización de los productos del metabolismo de ciertos microorganismos. Ya que todavía se desconocía la existencia de microorganismos, el desarrollo era totalmente empírico. Actualmente se conoce en detalle cómo ocurren estos procesos biológicos, lo que ha permitido desarrollar nuevas técnicas a fin de modificar o copiar algunos de dichos procesos naturales para poder lograr una variedad mucho más amplia de productos.





Figura 1
  Un paso importante fue el descubrimiento de los microorganismos por Antony van Leeuwenhoeck en 1674, aunque no se relacionaron con las fermentaciones. Al crecer los microorganismos en los caldos de cultivo se observaba que se producían cambios químicos en su composición, por lo que se postuló que eran los microorganismos al crecer los que producían estos cambios en la materia orgánica. En 1830, Cagniard-Latour, Schwann y Kutzing concluyeron, por observación microscópica, que la levadura que aparece durante la fermentación alcohólica era un cúmulo de microorganismos, cuyas actividades metabólicas eran las causantes de la fermentación. Sin embargo, aun con las evidencias que se mostraban, esta teoría fue duramente atacada por los químicos, entre los que se encontraban Berzelius, Leibig y Wohler, que sostenían que la fermentación era un proceso total y exclusivamente químico. Por ello, las pruebas sobre la naturaleza microbiana de la fermentación fueron rechazadas hasta que Pasteur, curiosamente químico, lo demostró.
 
Comenzó con un problema práctico de las destilerías de Lille (Francia), ya que no se obtenía el vino esperado. Pasteur analizó en primer lugar el contenido de las tinas estropeadas, encontrando que tenía gran cantidad de ácido láctico en lugar de etanol. A continuación examinó los sedimentos de las cubas en las que la fermentación había sido satisfactoria y de las que habían fallado, encontrando en las primeras levaduras mientras que en las segundas encontró unos microorganismos mucho más pequeños. Tomó muestras de cada uno de estos sedimentos y los inoculó en un caldo con azúcar: los sedimentos de levadura produjeron alcohol y los de los “glóbulos mucho más pequeños” produjeron ácido láctico. Demostró, por tanto, que estas dos fermentaciones estaban asociadas con el crecimiento de dos microorganismos. En 1866 publicó una obra titulada “Estudio sobre el vino, sus enfermedades, sus causas. Nuevos procedimientos para la conservación y envejecimiento”. En ella recomendaba un método para aumentar la calidad de la conservación de los vinos: calentarlos a una temperatura de 68ºC durante 10 minutos y después enfriarlos rápidamente. Esta técnica se conoce como pasteurización y continúa utilizándose en vinos, leches, etc.





Louis Pasteur
  



Rosalind Franklin
  
Durante más de 20 años estudió distintos procesos fermentativos llegando a demostrar que todas las fermentaciones son el resultado de la actividad de microorganismos y que los distintos tipos de fermentaciones se deben a la acción de diferentes tipos de microorganismos.

Ya aceptado el origen biológico de las fermentaciones, Buchner, considerado padre de la bioquímica, descubrió en 1897 el metabolismo acelular, al descubrir que un extracto libre de células de levadura fermentaba una solución de azúcares. En el extracto existían todas las enzimas que catalizan las distintas reacciones de una fermentación. Por tanto, los procesos fisiológicos tienen una base físico-química.





 
En la segunda mitad del siglo XIX los trabajos de Koch y sus colaboradores permiten demostrar el origen microbiano de las enfermedades, descubriéndose a continuación bacterias causantes  de las principales enfermedades entonces conocidas. El desarrollo de la Bacteriología Médica trajo consigo el estudio de la respuesta del hospedador a la infección, referente a la recuperación y a la protección contra una nueva infección, surgiendo así la Inmunología. Sin embargo, antes del desarrollo de la teoría inmunológica se habían obtenido resultados prácticos: vacunación antivariólica realizada por Jenner en 1798 y diversas vacunas (incluida una antirrábica) desarrolladas por Pasteur (1880). Jenner inyectó pus de pústulas de viruela bovina en humanos. Le causaban una enfermedad leve y localizada de la piel, pero posteriormente no contraían la viruela. La técnica se llamó vacunación (del latín vacca, de donde tomó las pústulas).

Pasteur utilizó cepas atenuadas de la bacteria del cólera de las gallinas. Cuando utilizaba cultivos envejecidos no se producía la enfermedad, ni siquiera se inoculaban de nuevo con cultivos de la bacteria que mataban a otras gallinas. Dedujo que el cultivo viejo perdía la capacidad de producir enfermedad (virulencia) pero retiene la capacidad de estimular al hospedador para la producción de alguna sustancia que lo protege ante cepas virulentas. Aplicó esta experiencia a la rabia. Posteriormente, se descubrió que otras sustancias distintas a microorganismos infecciosos producen respuesta inmune, ampliándose el campo de la Inmunología.





James Watson
  



Francis Crick
  
Al mismo tiempo que se desarrollan las vacunas se avanza en el control de microorganismos con la mejora de la higiene y el desarrollo de la quimioterapia antimicrobina.  La historia de los antibióticos comienza en 1929, cuando un científico británico, Alexander Fleming, descubre accidentalmente la penicilina.  Fleming notó que un moho que contaminaba una de sus placas de cultivo inhibía el crecimiento de colonias de estreptococos cultivados en ella. Diez años después la Floreyy Chain purificaron la penicilina y consiguieron su producción a gran escala. Waksman aisló la estreptomicina en 1941 y sucesivamente se fueron hallando otros antibióticos fundamentalmente a partir de microorganismos del suelo.











 
Desde la década de 1940, las técnicas de ingeniería química, aliadas a la microbiología y a la bioquímica, permiten la producción de antibióticos, ácidos orgánicos, esteroides, polisacáridos y vacunas.

Procesos de producción

A principios del siglo XX, los científicos ya habían adquirido una mejor comprensión de los fenómenos microbiológicos y comenzaron a explorar nuevas formas de fabricar algunos productos. El proceso de producción de acetona y butanol por bacterias fue descubierto en 1914 por Chaim Weizmann,  un investigador polaco que trabajaba en Inglaterra. Cuando estalló la I Guerra Mundial en agosto de ese año la producción de acetona era esencial para el proceso de fabricación del explosivo cordita, por lo que el descubrimiento de Weizmann jugó un papel determinante en el desarrollo de la guerra. Después de la guerra rehusó todos los honores que le propuso el gobierno británico. Sin embargo, utilizó su influencia para que el gobierno británico ayudara a establecer el estado judío en Palestina. En 1949, Weizmann fue elegido el primer presidente del estado de Israel. En la misma guerra, Alemania produjo glicerina por fermentación para la fabricación de nitroglicerina.
 
A comienzos del siglo XX se establecen las bases enzimáticas y metabólicas de la fisiología celular y, por tanto, de muchos procesos de fermentación. Se desarrollan procedimientos industriales (biorreactores) para producir enzimas (invertasa, proteasas, amilasas, etc.). Más adelante, años 70, estos procesos mejoran mediante la inmovilización de células y enzimas en soportes y con la fermentación continua para obtener biomasa microbiana.
 
Genética y Biotecnología
 
El desarrollo de la Genética en el siglo XX tuvo un importante, aunque no inmediato, impacto sobre la Biotecnología. Gregor Mendel realiza en el siglo XIX sus investigaciones acerca de la herencia pero es ignorado en su época. No es hasta 1944 en que Avery, McLeod y McCarty descubrieron la naturaleza química del material hereditario, hasta entonces desconocida: ácido desoxirribonucleico (ADN).
 


Figura 2
 
El descubrimiento de la estructura del ADN en 1953 por James Watson, Francis Crick y Rosalind Franklin permitió el desarrollo de una serie de técnicas conocidas como Ingeniería Genética o tecnología del ADN recombinante in vitro, que abrieron paso a la Biotecnología Moderna. En 1973, Cohen y Boyer descubren en bacterias las enzimas de restricción, que cortan el ADN en sitios específicos y son fundamentales para el desarrollo de la Ingeniería Genética. Ésta se caracteriza por su capacidad de cortar y empalmar genes o fragmentos de ADN de organismos distintos, creando nuevas combinaciones no existentes en la Naturaleza, combinaciones que se introducen en distintos organismos hospedadores para la obtención de distintos productos de interés (Figura 2)
                          


Tabla 1


Tabla 2
  En tal contexto, en los 70 se desarrollaron por primera vez técnicas para la inserción de genes foráneos en bacterias, sentando las bases de la revolución biotecnológica que estaba por comenzar. Así, en 1982 se aprueba la comercialización delprimer producto de la biotecnología moderna: la insulina humana recombinante producida en bacterias. Desde este momento clave, comienza la producción de enzimas, fármacos, reactivos de diagnóstico y otras moléculas de interés industrial a través de técnicas cada vez más rápidas y mejoradas de clonación y secuenciación del ADN (Tabla 1 y Tabla 2).



En 1992 se obtiene el primer ratón transgénico. En 1984 se obtienen las primeras plantas transgénicas y en 1994 se comercializa en California el primer vegetal modificado genéticamente, un tomate, y se autoriza en Holanda la reproducción del primer toro transgénico. En 1997 se clona el primer mamífero, la oveja Dolly. Asimismo en este periodo se secuencian genomas de distintos organismos, culminando en abril de 2003 con la secuenciación del genoma humano. Aunque hay poca controversia sobre muchos de los aspectos de la biotecnología y su aplicación, los organismos modificados genéticamente son objeto de un debate muy intenso.
                           

La industria actual

La industria de la biotecnología es muy dinámica y prometedora
. Actualmente, está compuesta por más de 4.400 empresas en todo el mundo, de las cuales hay 1.815 en Europa y alrededor de 100 en España. En el mundo, existen más de 640 empresas cotizando en bolsa, que dan empleo a más de 183.000 trabajadores altamente cualificados, facturan casi 55.000 millones de dólares e invierten más del 40% de esa facturación en I D i (investigación, desarrollo e innovación).♦ [A Coruña, septiembre de 2012]


BIBLIOGRAFÍA
 
- BUCHHOLZ, K. & COLLINS, J. 2010. Concepts in Biotechnology. History, Science and Business.Wiley-VCK ed. Germany
- DÍAZ, A. 2010. La revolución silenciosa. Biotecnología y vida cotidiana. Capital Intelectual S.A. Argentina
- FARL, M.G. & KALOVANSZKY, v.p. 2006. The founding father of Biotechnology: Karoly (Karl) Ereky. International Journal of Horticulture Science, nº 12(1), pp: 9-12
- MADIGAN, M.T., MARTINKO, J.M., DUNLAP, & CLARK, D.P. 2009. Brock. Biología de los microorganismos. 12ª ed. Ed. Pearson.
- WILLEY, J.M., SHERWOOD, L.M. & WOOLVERTON, C.J. 2007. Microbiología de Prescott, Harley y Klein. 8ª ed. Ed. McGrawHill
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