Fundamentos de la Biotecnología

La Biotecnología es la tecnología aplicada a procesos y sistemas biológicos, utilizada especialmente en la agricultura, la farmacia, la ciencia de los alimentos, las ciencias forestales y la medicina. Consiste en la aplicación de agentes biológicos en la industria manufacturera, utilizando organismos vivos o compuestos obtenidos de estos para generar productos de valor.

Compuestos Biotecnológicos Clave

• Compuestos: Antibióticos, anticuerpos monoclonales, alcohol, fármacos.

Áreas de Aplicación de la Biotecnología

• Biotecnología Humana: Producción de antibióticos.
• Biotecnología Vegetal: Desarrollo de organismos transgénicos.
• Biotecnología Industrial: Producción de biodiésel.
• Biotecnología de Fermentación: Elaboración de yogur.

Las Cinco Eras de la Biotecnología

1. Pre-Pasteur (antes de 1865): Época inicial.
2. Era Pasteur (1865-1940): Surgió la obtención del etanol, butanol, acetona y ácidos orgánicos.
3. Era de los Antibióticos (1940-1960): Producción industrial de penicilina y otros antibióticos.
4. Era Pos-Antibióticos (1960-1975): Inicia la producción de aminoácidos, proteínas celulares, enzimas y el tratamiento anaeróbico de aguas residuales (H₂O).
5. Era de la Biotecnología Moderna (1975-2009): Desarrollo de anticuerpos y su aplicación en pruebas de diagnóstico.

Biología Celular y Molecular

Organelos Celulares y sus Funciones

• Núcleo: Dirige las actividades celulares y contiene el material genético.
• Nucleolo: El “núcleo del núcleo”. Aquí se ensamblan los ribosomas celulares.
• Mitocondrias: Encargadas de la liberación de energía (respiración celular).
• Membrana Celular: Limita la célula y actúa como una barrera selectivamente permeable.
• Lisosomas: Llevan a cabo la digestión intracelular.
• Retículo Endoplasmático Rugoso (RER): Sitio de la síntesis de proteínas.
• Peroxisomas: Vesículas que poseen enzimas oxidativas.
• Complejo de Golgi: Lugar donde se empacan y modifican las proteínas para su exportación.
• Ribosomas: Tienen a cargo la síntesis de las proteínas.
• Centríolos: Participan en la división celular.
• Citoesqueleto: Estructura que sujeta y mantiene la forma de la célula en todo el citoplasma.
• Leucoplastos: Intervienen en la síntesis de almidones, aceites y proteínas (típicos de células vegetales).

Organización Celular

• Multicelulares: Plantas y animales (eucariotas).
• Unicelulares: Algas, protozoarios, hongos, bacterias, virus.

Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son macromoléculas, polímeros formados por la repetición de monómeros llamados nucleótidos, unidos mediante enlaces fosfodiéster.

ADN (Ácido Desoxirribonucleico)

• Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas.
• Forma hélices dobles con giro a la derecha.
• Bases nitrogenadas: Guanina (G), Adenina (A), Timina (T), Citosina (C).
• Codifica la información para la producción de proteínas.
• Contiene 2-desoxirribosa.

ARN (Ácido Ribonucleico)

• Se encuentra principalmente en el citoplasma.
• Existen tres tipos principales: ARNm (mensajero), ARNt (transferencia) y ARNr (ribosomal).
• Moléculas generalmente menos estables que el ADN.

Herramientas y Conceptos Genéticos

• Enzima de Restricción: Es una enzima que puede reconocer una secuencia característica de nucleótidos dentro de una molécula de ADN y cortar el ADN en ese punto en concreto.
• PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa): Su objetivo es obtener un gran número de copias de un fragmento de ADN particular, partiendo de una cantidad mínima. Sirve para amplificar un fragmento de ADN.
• Gen: Es un segmento corto de ADN que le indica al cuerpo cómo producir una proteína específica. Hay aproximadamente 30,000 genes en cada célula del cuerpo humano.
• Clon: Es un conjunto de individuos genéticamente idénticos que descienden de un mismo individuo por mecanismos de reproducción asexual.
• Palíndromo: Un segmento de ADN de doble cadena en el que la secuencia de bases de las dos hebras tiene una simetría binaria por rotación alrededor de un centro.

Microbiología y Metabolismo

Metabolismo Microbiano

El Metabolismo Microbiano es el conjunto de procesos por los cuales un microorganismo obtiene la energía y los nutrientes (carbono, por ejemplo) que necesita para vivir y reproducirse.

Clasificación del Metabolismo

El metabolismo se clasifica según la fuente de:

• Carbono (para la construcción de la masa celular):
  • Autótrofo: El carbono se obtiene del dióxido de carbono (CO₂).
  • Heterótrofo: El carbono se obtiene de compuestos orgánicos.
• Equivalentes Reductores (para la conservación de energía o reacciones biosintéticas):
  • Litotrofo: Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos inorgánicos.
  • Organotrofo: Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos orgánicos.
• Energía (para vivir y crecer):
  • Quimiotrofo: La energía se obtiene de compuestos químicos externos.
  • Fototrofo: La energía se obtiene de la luz.

Curva de Crecimiento Microbiano

Describe las fases de crecimiento de una población microbiana:

• Fase Lag (Adaptación): Fase de adaptación inicial.
• Fase Exponencial: Las células crecen y se multiplican rápidamente.
• Fase Estacionaria: El crecimiento exponencial se detiene (los nutrientes indispensables se agotan). No hay incremento ni decremento neto en el número de células o masa.

Conceptos de Fermentación y Virología

• Virus: Es una entidad biológica que para replicarse necesita obligatoriamente de una célula huésped.
• Fermentación: Es un proceso catabólico de oxidación incompleto, siendo el producto final un compuesto orgánico. Es un proceso bioquímico donde hay biocatálisis.
• Fermentador: Reacción bioquímica donde hay consumo de sustrato, generación de biomasa y formación de metabolitos o productos.

Tipos de Fermentadores

• Batch o Discontinuo (por lotes): Tiene un tiempo determinado.
• Continuo: Las condiciones son constantes; se agrega sustrato y se retira producto continuamente.

Enzimología y Cinética

• Enzima: Moléculas de proteínas que tienen la capacidad de facilitar y acelerar las reacciones químicas que tienen lugar en los tejidos vivos, disminuyendo el nivel de la energía de activación propia de la reacción.
• Velocidad de la Reacción Enzimática: Función de la concentración del sustrato o producto obtenido con respecto al tiempo.

Clasificación de las Enzimas

Las enzimas se clasifican en seis categorías principales:

• Óxido-Reductasas
• Hidrolasas
• Transferasas
• Liasas
• Isomerasas
• Ligasas

Factores que Afectan la Actividad Enzimática

• Respuesta normal
• Inhibidor presente
• Activador presente
• Agotamiento del sustrato
• Inactivador

Modelos Cinéticos

• Cinética de Michaelis-Menten: Describe la velocidad de reacción de muchas reacciones enzimáticas.
• Lineweaver-Burk: Se emplea como herramienta gráfica para calcular los parámetros cinéticos de una enzima.

Alcance y Aplicaciones de la Biotecnología

• Biotecnología Verde: Es la biotecnología aplicada a procesos agrícolas. Un ejemplo es el diseño de plantas transgénicas capaces de crecer en condiciones ambientales desfavorables o plantas resistentes a plagas y enfermedades.
• Digestión Ácida (animales) y Digestión Alcalina (insectos/invertebrados).
• Transgénicos: Intercambio de genes entre diversas especies (ejemplo: tomate con antocianinas).