Biotecnología
Definición
La biotecnología es la amplia área de la ciencia que involucra sistemas vivos y organismos para desarrollar o fabricar productos, o "cualquier aplicación tecnológica que utiliza sistemas biológicos, organismos vivos o derivados de los mismos, para fabricar o modificar productos o procesos para usos específicos" (Convención de la ONU sobre Diversidad Biológica, Art. 2). Dependiendo de las herramientas y aplicaciones, a menudo se superpone con los campos (relacionados) de biología molecular, bioingeniería, ingeniería biomédica, biofabricación, ingeniería molecular, etc.
Durante miles de años, la humanidad ha utilizado la biotecnología en la agricultura, la producción de alimentos y la medicina. El término se cree en gran parte haber sido acuñado en 1919 por el ingeniero húngaro Károly Ereky. A finales del siglo XX y principios del XXI, la biotecnología se ha expandido para incluir nuevas y diversas ciencias como la genómica, las técnicas de genes recombinantes, la inmunología aplicada y el desarrollo de terapias farmacéuticas y pruebas de diagnóstico.
Definiciones
El amplio concepto de "biotecnología" o "biotecnología" abarca una amplia gama de procedimientos para modificar organismos vivos de acuerdo con propósitos humanos, desde la domesticación de animales, el cultivo de las plantas y las "mejoras" a través de programas de cría que emplean selección e hibridación. El uso moderno también incluye ingeniería genética, así como tecnologías de cultivo de células y tejidos. La American Chemical Society define la biotecnología como la aplicación de organismos, sistemas o procesos biológicos por varias industrias para aprender sobre la ciencia de la vida y la mejora del valor de los materiales y organismos como los productos farmacéuticos, los cultivos y el ganado. Según la Federación Europea de Biotecnología, la biotecnología es la integración de las ciencias naturales y los organismos, las células, partes de los mismos, y análogos moleculares para productos y servicios. La biotecnología se basa en las ciencias biológicas básicas (por ejemplo, biología molecular, bioquímica, biología celular, embriología, genética, microbiología) y, a la inversa, proporciona métodos para apoyar y realizar investigaciones básicas en biología.
Biotecnología es la investigación y desarrollo en el laboratorio utilizando bioinformática para la exploración, extracción, explotación y producción de cualquier organismo vivo y cualquier fuente de biomasa mediante ingeniería bioquímica donde se pueden planificar productos de alto valor agregado (reproducidos por biosíntesis, por ejemplo) , pronosticada, formulada, desarrollada, fabricada y comercializada con el propósito de operaciones sostenibles (para el retorno de una inversión inicial sin fondo en I + D) y obtención de derechos de patentes duraderas (para derechos exclusivos de venta, y antes de esto, para recibir aprobación internacional de los resultados en experimentos con animales y experimentos en seres humanos, especialmente en la rama farmacéutica de la biotecnología para evitar cualquier efecto secundario no detectado o problemas de seguridad al usar los productos).
Por el contrario, la bioingeniería generalmente se considera como un campo relacionado que enfatiza más los enfoques de sistemas superiores (no necesariamente la alteración o uso de materiales biológicos directamente ) para interactuar con y utilizar seres vivos. La bioingeniería es la aplicación de los principios de la ingeniería y las ciencias naturales a los tejidos, las células y las moléculas. Esto se puede considerar como el uso del conocimiento al trabajar con la biología y manipularla para lograr un resultado que pueda mejorar las funciones en plantas y animales. Relacionado, la ingeniería biomédica es un campo superpuesto que a menudo recurre y aplica la biotecnología. (por varias definiciones), especialmente en ciertos subcampos de ingeniería biomédica o química, tales como ingeniería de tejidos, ingeniería biofarmacéutica e ingeniería genética.
Historia
Aunque normalmente no es lo primero que se viene a la mente, muchas formas de agricultura derivadas de los humanos se ajustan claramente a la definición amplia de "utilizar un sistema biotecnológico para fabricar productos". De hecho, el cultivo de plantas puede considerarse como la primera empresa biotecnológica.
Se ha teorizado que la agricultura se ha convertido en la forma dominante de producir alimentos desde la Revolución Neolítica. A través de la biotecnología temprana, los primeros agricultores seleccionaron y criaron los mejores cultivos, teniendo los rendimientos más altos, para producir alimentos suficientes para apoyar a una población en crecimiento. A medida que los cultivos y los campos se hicieron cada vez más grandes y difíciles de mantener, se descubrió que los organismos específicos y sus subproductos podían fertilizar, restaurar el nitrógeno y controlar las plagas. A lo largo de la historia de la agricultura, los agricultores han alterado inadvertidamente la genética de sus cultivos a través de la introducción a nuevos ambientes y su reproducción con otras plantas, una de las primeras formas de biotecnología.
Estos procesos también se incluyeron en la fermentación temprana de la cerveza. Estos procesos se introdujeron en los comienzos de Mesopotamia, Egipto, China e India, y todavía usan los mismos métodos biológicos básicos. En la elaboración de cerveza, los granos malteados (que contienen enzimas) convierten el almidón de los granos en azúcar y luego agregan levaduras específicas para producir cerveza. En este proceso, los carbohidratos en los granos se descompusieron en alcoholes, como el etanol. Más tarde, otras culturas produjeron el proceso de fermentación de ácido láctico, que produjo otros alimentos en conserva, como la salsa de soja. La fermentación también se usó en este período de tiempo para producir pan fermentado. Aunque el proceso de fermentación no se entendió completamente hasta el trabajo de Louis Pasteur en 1857, sigue siendo el primer uso de la biotecnología para convertir una fuente de alimento en otra forma.
Antes de la época del trabajo y la vida de Charles Darwin, los científicos de animales y plantas ya habían utilizado la cría selectiva. Darwin agregó a ese cuerpo de trabajo sus observaciones científicas sobre la capacidad de la ciencia para cambiar especies. Estas cuentas contribuyeron a la teoría de la selección natural de Darwin.
Durante miles de años, los seres humanos han utilizado la cría selectiva para mejorar la producción de cultivos y ganado para utilizarlos como alimento. En la reproducción selectiva, los organismos con características deseables se aparean para producir crías con las mismas características. Por ejemplo, esta técnica se usó con maíz para producir los cultivos más grandes y dulces.
A principios del siglo XX, los científicos adquirieron una mayor comprensión de la microbiología y exploraron formas de fabricar productos específicos. En 1917, Chaim Weizmann utilizó por primera vez una cultura microbiológica pura en un proceso industrial, el de la fabricación de almidón de maíz con Clostridium acetobutylicum, para producir acetona, que el Reino Unido necesitaba desesperadamente para fabricar explosivos durante la Primera Guerra Mundial.
La biotecnología también ha llevado al desarrollo de antibióticos. En 1928, Alexander Fleming descubrió el molde Penicillium . Su trabajo condujo a la purificación del compuesto antibiótico formado por el molde por Howard Florey, Ernst Boris Chain y Norman Heatley, para formar lo que hoy conocemos como penicilina. En 1940, la penicilina se hizo disponible para uso medicinal para tratar infecciones bacterianas en humanos.
El campo de la biotecnología moderna generalmente se piensa que nació en 1971, cuando los experimentos de Paul Berg (Stanford) en el empalme de genes tuvieron un éxito temprano. Herbert W. Boyer (Univ. California en San Francisco) y Stanley N. Cohen (Stanford) avanzaron significativamente la nueva tecnología en 1972 transfiriendo material genético a una bacteria, de modo que el material importado se reprodujera. La viabilidad comercial de una industria biotecnológica se amplió significativamente el 16 de junio de 1980, cuando el Tribunal Supremo de los Estados Unidos dictaminó que un microorganismo genéticamente modificado podría ser patentado en el caso de Diamond v. Chakrabarty . La india Ananda Chakrabarty, que trabajaba para General Electric, había modificado una bacteria (del género Pseudomonas)) capaz de descomponer el petróleo crudo, que propuso utilizar en el tratamiento de derrames de petróleo. (El trabajo de Chakrabarty no involucró la manipulación genética, sino la transferencia de organelos enteros entre las cepas de la bacteria Pseudomonas .
Se espera que los ingresos en la industria aumenten 12.9% en 2008. Otro factor que influye en el éxito del sector de la biotecnología es una legislación mejorada de derechos de propiedad intelectual y su aplicación en todo el mundo, así como una mayor demanda de productos médicos y farmacéuticos para hacer frente al envejecimiento. población enferma de los Estados Unidos.
Se espera que la creciente demanda de biocombustibles sea una buena noticia para el sector biotecnológico, ya que el Departamento de Energía estima que el uso de etanol podría reducir el consumo de combustible derivado del petróleo en un 30% para 2030. El sector biotecnológico ha permitido que la industria agrícola estadounidense aumentar su suministro de maíz y soja, los principales insumos en biocombustibles, mediante el desarrollo de semillas modificadas genéticamente que resisten las plagas y la sequía. Al aumentar la productividad agrícola, la biotecnología aumenta la producción de biocombustibles.
Ejemplos
La biotecnología tiene aplicaciones en cuatro áreas industriales principales, que incluyen atención médica (médica), producción de cultivos y agricultura, usos no alimentarios (industriales) de cultivos y otros productos (por ejemplo, plásticos biodegradables, aceite vegetal, biocombustibles) y usos ambientales.
Por ejemplo, una aplicación de la biotecnología es el uso directo de organismos para la fabricación de productos orgánicos (por ejemplo, cerveza y productos lácteos). Otro ejemplo es el uso de bacterias presentes de forma natural en la industria minera en biolixiviación. La biotecnología también se usa para reciclar, tratar desechos, limpiar sitios contaminados por actividades industriales (biorremediación) y también para producir armas biológicas.
Se han acuñado una serie de términos derivados para identificar varias ramas de la biotecnología, por ejemplo:
- La bioinformática es un campo interdisciplinario que aborda problemas biológicos utilizando técnicas computacionales, y hace posible la rápida organización y el análisis de datos biológicos. El campo también puede denominarse biología computacional y se puede definir como "conceptualizar la biología en términos de moléculas y luego aplicar técnicas de informática para comprender y organizar la información asociada con estas moléculas, a gran escala". La bioinformática desempeña un papel clave en diversas áreas, como la genómica funcional, la genómica estructural y la proteómica, y forma un componente clave en el sector biotecnológico y farmacéutico.
- La biotecnología azul es un término que se ha utilizado para describir las aplicaciones marinas y acuáticas de la biotecnología, pero su uso es relativamente raro.
- La biotecnología verde es biotecnología aplicada a los procesos agrícolas. Un ejemplo sería la selección y domesticación de plantas a través de la micropropagación. Otro ejemplo es el diseño de plantas transgénicas para crecer en ambientes específicos en presencia (o ausencia) de productos químicos. Una esperanza es que la biotecnología verde produzca soluciones más ecológicas que la agricultura industrial tradicional. Un ejemplo de esto es la ingeniería de una planta para expresar un pesticida, lo que pone fin a la necesidad de la aplicación externa de pesticidas. Un ejemplo de esto sería el maíz Bt. Si los productos de biotecnología verde como este son, en última instancia, más respetuosos con el medio ambiente es un tema de considerable debate.
- La biotecnología roja se aplica a los procesos médicos. Algunos ejemplos son el diseño de organismos para producir antibióticos y la ingeniería de curas genéticas a través de la manipulación genética.
- La biotecnología blanca , también conocida como biotecnología industrial, es biotecnología aplicada a procesos industriales. Un ejemplo es el diseño de un organismo para producir una sustancia química útil. Otro ejemplo es el uso de enzimas como catalizadores industriales para producir productos químicos valiosos o destruir sustancias químicas peligrosas / contaminantes. La biotecnología blanca tiende a consumir menos recursos que los procesos tradicionales utilizados para producir bienes industriales.
La inversión y la producción económica de todos estos tipos de biotecnologías aplicadas se denomina "bioeconomía".
Medicina
En medicina, la biotecnología moderna encuentra muchas aplicaciones en áreas tales como descubrimientos y producción de fármacos farmacéuticos, farmacogenómica y pruebas genéticas (o detección genética).
La farmacogenómica (una combinación de farmacología y genómica) es la tecnología que analiza cómo la composición genética afecta la respuesta de un individuo a las drogas. Se trata de la influencia de la variación genética en las respuestas de los fármacos en pacientes al correlacionar la expresión génica o polimorfismos de un solo nucleótido con la eficacia o toxicidad de un fármaco. Al hacerlo, la farmacogenómica pretende desarrollar medios racionales para optimizar la farmacoterapia, con respecto al genotipo de los pacientes, para garantizar la máxima eficacia con efectos adversos mínimos. Tales enfoques prometen el advenimiento de la "medicina personalizada"; en el que las combinaciones de drogas y fármacos se optimizan para la composición genética única de cada individuo.
La biotecnología ha contribuido al descubrimiento y la fabricación de fármacos farmacéuticos de molécula pequeña tradicionales, así como de fármacos que son el producto de la biotecnología: la biofarmacéutica. La biotecnología moderna se puede utilizar para fabricar medicamentos existentes de forma relativamente fácil y económica. Los primeros productos genéticamente modificados fueron medicamentos diseñados para tratar enfermedades humanas. Para citar un ejemplo, en 1978 Genentech desarrolló insulina sintética humanizada uniendo su gen con un vector plasmídico insertado en la bacteria Escherichia coli.. La insulina, ampliamente utilizada para el tratamiento de la diabetes, se extraía previamente del páncreas de animales de matadero (ganado o cerdos). La bacteria generada genéticamente resultante permitió la producción de grandes cantidades de insulina humana sintética a un costo relativamente bajo. La biotecnología también ha permitido terapias emergentes como la terapia génica. La aplicación de la biotecnología a la ciencia básica (por ejemplo, a través del Proyecto Genoma Humano) también ha mejorado dramáticamente nuestra comprensión de la biología y, a medida que nuestro conocimiento científico de la biología normal y de la enfermedad ha aumentado, nuestra capacidad para desarrollar nuevos medicamentos para tratar enfermedades anteriormente no tratables ha aumentado también.
Las pruebas genéticas permiten el diagnóstico genético de las vulnerabilidades a las enfermedades hereditarias, y también se pueden utilizar para determinar la paternidad de un niño (madre y padre genéticos) o, en general, la ascendencia de una persona. Además de estudiar los cromosomas al nivel de genes individuales, las pruebas genéticas en un sentido más amplio incluyen pruebas bioquímicas para la posible presencia de enfermedades genéticas o formas mutantes de genes asociadas con un mayor riesgo de desarrollar trastornos genéticos. Las pruebas genéticas identifican los cambios en los cromosomas, genes o proteínas. La mayoría de las veces, las pruebas se utilizan para encontrar cambios que están asociados con trastornos hereditarios. Los resultados de una prueba genética pueden confirmar o descartar una condición genética sospechada o ayudar a determinar las posibilidades de una persona de desarrollar o transmitir un trastorno genético. A partir de 2011, varios cientos de pruebas genéticas estaban en uso. Dado que las pruebas genéticas pueden abrir problemas éticos o psicológicos, las pruebas genéticas a menudo van acompañadas de asesoramiento genético.
Agricultura
Los cultivos genéticamente modificados ("cultivos transgénicos" o "cultivos biotecnológicos") son plantas utilizadas en la agricultura, cuyo ADN se ha modificado con técnicas de ingeniería genética. En la mayoría de los casos, el objetivo principal es introducir un nuevo rasgo que no ocurre naturalmente en la especie.
Los ejemplos en cultivos alimenticios incluyen resistencia a ciertas plagas, enfermedades, condiciones ambientales estresantes, resistencia a tratamientos químicos (por ejemplo, resistencia a un herbicida), reducción del deterioro o mejora del perfil de nutrientes del cultivo. Entre los ejemplos de cultivos no alimenticios se incluyen la producción de agentes farmacéuticos, biocombustibles y otros productos industrialmente útiles, así como para la biorremediación.
Los agricultores han adoptado ampliamente la tecnología de GM. Entre 1996 y 2011, la superficie total de la tierra cultivada con cultivos modificados genéticamente había aumentado en un factor de 94, de 17,000 kilómetros cuadrados (4,200,000 acres) a 1,600,000 km (395 millones de acres). El 10% de las tierras cultivadas en el mundo se sembraron con cultivos GM en 2010. A partir de 2011, 11 cultivos transgénicos diferentes se cultivaron comercialmente en 395 millones de acres (160 millones de hectáreas) en 29 países como Estados Unidos, Brasil, Argentina, India y Canadá. , China, Paraguay, Pakistán, Sudáfrica, Uruguay, Bolivia, Australia, Filipinas, Myanmar, Burkina Faso, México y España.
Los alimentos genéticamente modificados son alimentos producidos a partir de organismos que han tenido cambios específicos introducidos en su ADN con los métodos de ingeniería genética. Estas técnicas han permitido la introducción de nuevos rasgos de los cultivos, así como un control mucho mayor sobre la estructura genética de los alimentos que los métodos anteriores, tales como la reproducción selectiva y la reproducción de mutaciones. La venta comercial de alimentos genéticamente modificados comenzó en 1994, cuando Calgene comercializó por primera vez su tomate de maduración retardada Flavr Savr. Hasta la fecha, la mayoría de las modificaciones genéticas de los alimentos se han centrado principalmente en los cultivos comerciales de gran demanda de los agricultores, como la soja, el maíz, la canola y el aceite de semilla de algodón. Estos han sido diseñados para resistencia a patógenos y herbicidas y mejores perfiles de nutrientes. Ganado GM también se ha desarrollado experimentalmente;
Existe un consenso científico de que los alimentos actualmente disponibles derivados de cultivos transgénicos no representan un riesgo mayor para la salud humana que los alimentos convencionales, pero que cada alimento transgénico debe probarse caso por caso antes de la introducción. No obstante, los miembros del público son mucho menos propensos que los científicos a percibir alimentos GM como seguros. El estado legal y regulatorio de los alimentos modificados genéticamente varía según el país, con algunos países prohibiéndolos o restringiéndolos, y otros permitiéndolos con grados de regulación muy diferentes.
Los cultivos GM también brindan una serie de beneficios ecológicos, si no se usan en exceso. Sin embargo, los opositores han objetado los cultivos transgénicos per se por varios motivos, incluidos los ambientales, si los alimentos producidos a partir de cultivos GM son seguros, si los cultivos GM son necesarios para satisfacer las necesidades alimentarias mundiales y las preocupaciones económicas planteadas por el hecho de que estos organismos están sujetos a la ley de propiedad intelectual.
Industrial
La biotecnología industrial (conocida principalmente en Europa como biotecnología blanca) es la aplicación de la biotecnología para fines industriales, incluida la fermentación industrial. Incluye la práctica de usar células tales como microorganismos o componentes de células como enzimas para generar productos industrialmente útiles en sectores tales como productos químicos, alimentos y piensos, detergentes, papel y pulpa, textiles y biocombustibles. Al hacerlo, la biotecnología utiliza materias primas renovables y puede contribuir a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y alejarse de una economía petroquímica.
Ambiental
El medio ambiente puede verse afectado por las biotecnologías, tanto de manera positiva como adversa. Vallero y otros han argumentado que la diferencia entre biotecnología beneficiosa (por ejemplo, recuperación biológica es limpiar un derrame de petróleo o una fuga de riesgo químico) versus los efectos adversos provenientes de empresas biotecnológicas (por ejemplo, flujo de material genético de organismos transgénicos a cepas silvestres) puede verse como aplicaciones e implicaciones, respectivamente. La limpieza de desechos ambientales es un ejemplo de aplicación de biotecnología ambiental; Considerando que la pérdida de biodiversidad o la pérdida de contención de un microbio nocivo son ejemplos de las implicaciones medioambientales de la biotecnología.
Regulación
La regulación de la ingeniería genética se refiere a los enfoques adoptados por los gobiernos para evaluar y gestionar los riesgos asociados con el uso de la tecnología de ingeniería genética y el desarrollo y liberación de organismos genéticamente modificados (OGM), incluidos los cultivos genéticamente modificados y los peces genéticamente modificados. Existen diferencias en la regulación de los OGM entre países, con algunas de las diferencias más marcadas que ocurren entre los Estados Unidos y Europa. La regulación varía en un país determinado según el uso previsto de los productos de la ingeniería genética. Por ejemplo, un cultivo no destinado para uso alimentario generalmente no es revisado por las autoridades responsables de la seguridad alimentaria. La Unión Europea diferencia entre la aprobación para el cultivo dentro de la UE y la aprobación para la importación y el procesamiento. Aunque solo unos pocos OGM han sido aprobados para su cultivo en la UE, varios OMG han sido aprobados para su importación y procesamiento. El cultivo de OGM ha desencadenado un debate sobre la coexistencia de cultivos transgénicos y no modificados genéticamente. Dependiendo de las regulaciones de coexistencia, los incentivos para el cultivo de cultivos GM difieren.
Aprendizaje
En 1988, después de recibir indicaciones del Congreso de los Estados Unidos, el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales (Institutos Nacionales de Salud) (NIGMS) instituyó un mecanismo de financiación para la capacitación en biotecnología. Las universidades de todo el país compiten por estos fondos para establecer programas de capacitación en biotecnología (BTP, por sus siglas en inglés). Cada aplicación exitosa generalmente se financia durante cinco años y luego debe renovarse competitivamente. Los estudiantes de posgrado a su vez compiten por la aceptación en un BTP; si se acepta, el estipendio, la matrícula y el seguro médico se otorgan durante dos o tres años durante el curso de su doctorado. trabajo de tesis Diecinueve instituciones ofrecen BTP respaldados por NIGMS. La capacitación en biotecnología también se ofrece a nivel de pregrado y en institutos terciarios comunitarios.