Tecnologías Clave en Microbiología y Biotecnología

CRISPR-Cas

CRISPR-Cas9 es una herramienta de edición genética basada en un sistema de defensa natural de bacterias.

• CRISPR: Es una secuencia de ADN que permite identificar fragmentos de virus invasores.
• Cas9: Es una enzima que corta el ADN en una posición específica, permitiendo su edición.

Aplicaciones de CRISPR-Cas

• Corrección de enfermedades genéticas como la fibrosis quística o la anemia falciforme.
• Mejora de cultivos mediante la eliminación de genes responsables de enfermedades en plantas.
• Estudios de biomedicina, como el desarrollo de terapias contra el cáncer.

PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa)

La PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa) es una técnica que permite amplificar millones de copias de un fragmento de ADN en un tiempo corto.

Reactivos utilizados en PCR

1. ADN molde: Fragmento de ADN que se desea amplificar.
2. Cebadores (primers): Pequeñas secuencias de ADN que marcan el inicio de la replicación.
3. Nucleótidos libres (dNTPs): Bloques de construcción del ADN.
4. ADN polimerasa (Taq polimerasa): Enzima resistente al calor que sintetiza nuevas cadenas de ADN.

Fases de la PCR

1. Desnaturalización (~95°C): El ADN se calienta para separar sus cadenas.
2. Alineamiento (~50-65°C): Los cebadores se unen a sus secuencias complementarias.
3. Elongación (~72°C): La Taq polimerasa extiende las nuevas cadenas de ADN.
4. Ciclos de amplificación: El proceso se repite 25-40 veces, duplicando la cantidad de ADN en cada ciclo.

Aplicaciones de la PCR

• Diagnóstico de enfermedades: Detección de virus como el SARS-CoV-2.
• Pruebas forenses: Identificación de ADN en escenas del crimen.
• Estudios evolutivos: Análisis de material genético antiguo.
• Control de calidad en alimentos: Detección de bacterias y patógenos.

Organismos Modificados Genéticamente (OMG)

Los organismos modificados genéticamente (OMG) son aquellos cuyo material genético ha sido alterado mediante técnicas de ingeniería genética para obtener características específicas.

Tipos de OMG

1. Microorganismos recombinantes:
   • Se utilizan en la producción de antibióticos, hormonas, vacunas y biofertilizantes.
   • Ejemplo: Bacterias modificadas para producir insulina humana.
2. Plantas transgénicas:
   • Se han desarrollado cultivos resistentes a plagas, herbicidas y enfermedades.
   • Ejemplo: Maíz Bt con genes que producen insecticidas naturales.
3. Animales transgénicos:
   • Se emplean en investigación biomédica y en la producción de proteínas terapéuticas.
   • Ejemplo: Cabras modificadas para producir proteínas humanas en su leche.

Aplicaciones de los Microorganismos y la Biotecnología

Utilización de Microorganismos en las Industrias

Los microorganismos se emplean para la producción de compuestos esenciales en procesos industriales.

Industria Química

• Producción de ácidos orgánicos:
  • Aspergillus niger: Producción de ácido cítrico (usado en alimentos y fármacos).
  • Gluconobacter: Producción de ácido acético (vinagre).
• Síntesis de aminoácidos:
  • Corynebacterium glutamicum: Producción de glutamato y lisina, usados en la industria alimentaria y farmacéutica.

Industria Farmacéutica

Los microorganismos han revolucionado la producción de medicamentos y tratamientos médicos.

• Síntesis de antibióticos:
  • Penicillium notatum: Produce penicilina, uno de los primeros antibióticos.
  • Streptomyces griseus: Produce estreptomicina, usada contra la tuberculosis.
• Producción de hormonas:
  • Escherichia coli modificada genéticamente: Produce insulina recombinante para tratar la diabetes.
  • Saccharomyces cerevisiae: Produce hormona de crecimiento humana.
• Producción de interferón (proteína con propiedades antivirales): Expresado en bacterias y células eucariotas modificadas genéticamente.
• Producción de vacunas:
  • Saccharomyces cerevisiae: Producción de la vacuna contra la hepatitis B.
  • Bacillus anthracis modificado: Desarrollo de vacunas contra el ántrax.

Industria Energética

Los microorganismos se usan para producir combustibles sostenibles, reduciendo la dependencia de los combustibles fósiles.

• Producción de biodiésel:
  • Microalgas como Chlorella y Nannochloropsis producen aceites que pueden convertirse en biodiésel.
• Producción de bioetanol:
  • Saccharomyces cerevisiae fermenta azúcares de biomasa vegetal para producir bioetanol.
• Producción de biogás:
  • Bacterias metanogénicas como Methanobacterium degradan residuos orgánicos para producir metano, usado como combustible renovable.

Biorremediación y su Aplicación para la Mejora del Medio Ambiente

La biorremediación es el uso de microorganismos, plantas o enzimas para degradar, eliminar o transformar contaminantes en el medio ambiente, especialmente en suelos y aguas contaminadas.

• Se basa en la capacidad de ciertos organismos para descomponer sustancias tóxicas y convertirlas en compuestos menos dañinos.
• Es una alternativa ecológica y sostenible a los métodos químicos de descontaminación.

Ejemplos de Biorremediación

1. Eliminación de mareas negras:
   • Se utilizan bacterias hidrocarbonoclásticas (como Alcanivorax borkumensis y Pseudomonas putida) que degradan los hidrocarburos del petróleo.
   • Ayudan a limpiar vertidos de petróleo en océanos y suelos.
2. Depuración de aguas residuales:
   • Se emplean bacterias en plantas de tratamiento de aguas para descomponer materia orgánica y contaminantes químicos.
   • Ejemplo: Nitrosomonas y Nitrobacter convierten amonio en nitratos en el proceso de nitrificación.
3. Compostaje:
   • Se utilizan microorganismos descomponedores como hongos y bacterias para transformar residuos orgánicos en compost, un fertilizante natural.
   • Ejemplo: Bacillus subtilis y Aspergillus niger aceleran la descomposición de materia vegetal.
4. Lixiviación microbiana o biolixiviación:
   • Uso de bacterias para extraer metales valiosos de minerales de baja calidad.
   • Ejemplo: Acidithiobacillus ferrooxidans y Leptospirillum ferrooxidans ayudan a recuperar cobre, oro y uranio de menas pobres.
5. Bioacumulación:
   • Algunos microorganismos pueden absorber y retener metales pesados como mercurio y plomo, reduciendo la contaminación en suelos y aguas.
   • Ejemplo: Pseudomonas aeruginosa y algas como Chlorella bioacumulan metales tóxicos.
6. Control biológico de plagas:
   • Se emplean microorganismos para combatir insectos y plagas agrícolas sin recurrir a pesticidas químicos.
   • Ejemplo: Bacillus thuringiensis produce toxinas que eliminan larvas de insectos dañinos en cultivos.

Importancia y Repercusiones de la Biotecnología

Aplicaciones en Diferentes Ámbitos

Biotecnología en la Salud

• Producción de medicamentos como insulina y hormona de crecimiento.
• Desarrollo de vacunas recombinantes.
• Terapias avanzadas como la terapia génica y la inmunoterapia contra el cáncer.

Biotecnología en la Agricultura

• Cultivos modificados genéticamente para resistir plagas, sequías y herbicidas.
• Producción de biofertilizantes y biopesticidas.

Biotecnología en el Medio Ambiente

• Biorremediación: Uso de microorganismos para eliminar contaminantes del suelo y el agua.
• Biodegradación de plásticos mediante bacterias especializadas.
• Producción de biocombustibles como biodiésel y bioetanol.

Biotecnología en la Industria Alimentaria

• Uso de microorganismos en la fermentación para producir alimentos como pan, queso, yogur, vino, cerveza y vinagre.
• Modificación genética para mejorar la calidad nutricional de los alimentos.