Biotecnología en frutos: mejoramiento de la calidad y producción de compuestos farmacéuticos. Dr. Miguel A. Gómez Lim CINVESTAV Irapuato

Biotecnología en frutos: mejoramiento de la calidad y producción de compuestos farmacéuticos Dr. Miguel A. Gómez Lim CINVESTAV Irapuato Alimentos y

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Biotecnología en frutos: mejoramiento de la calidad y producción de compuestos farmacéuticos

Dr. Miguel A. Gómez Lim CINVESTAV Irapuato

Alimentos y Población Prdn Rel.

Población (Billones)

Desde 1950 a la fecha la producción de alimento creció durante un periodo de acelerado crecimiento poblacional

10 8 6 4 2 0 1800

Producción mundial per cápita de alimentos 1948-50 = 100 (Fuente: “The Ultimate Resource 2” de Julian L. Simon)

Cuando menos durante las dos próximas décadas, habrá una “nueva Alemania” cada año y una “nueva China” cada década. Estudios de la ONU sugieren una estabilización de la población de 10.73 Billones en el siglo 21

1850

1900

1950

2000

2050

2100

Los avances tecnológicos permitieron aumentar la producción de alimentos en el mundo industrializado Tecnología desarrollada en el siglo XX: Mecánica, Química, Genética La disponibilidad y el apoyo intensivo de capital a estas tecnologías favoreció a las naciones desarrolladas. 1945; siembra de maiz (Sin híbridos, sin comp. químicos)

1995; Mecanización

La Biotecnología es la mas reciente tecnología en impactar la producción de alimentos Ya se está aplicando en el mundo en desarrollo

LA AGRICULTURA EN AMERICA LATINA • Bajos rendimientos • Falta de subsidios (créditos, comercialización, fertilizantes) • Tecnología inadecuada • Políticas de comercio desventajosas • Disminución en la cantidad de tierra cultivable • Aspectos culturales

LA AGRICULTURA EN AMERICA LATINA Tendencias en la producción •Países eminentemente agrícolas se están volviendo importadores netos de alimentos •Tierra cultivable se dedica a viviendas •Alto crecimiento en exportaciones pero el balance comercial per cápita sigue siendo negativo

Fuente: IICA

PROBLEMAS AGRICOLAS EN LATINOAMERICA Sequía: Pérdidas de millones de toneladas de granos Erosión: 80% de la tierra cultivable con 10% de daños irreversibles Pérdidas en biodiversidad Plagas y enfermedades: Se estiman pérdidas de 15-30%. Aplicación de 25 mil toneladas de plaguicidas

Muchos problemas agrícolas han rebasado a la agronomía tradicional

Biotecnología ¨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¨

 Cultivo de tejidos  Marcadores moleculares  Ingeniería Genética  Genómica

Los frutos: Parte importante de la dieta humana y animal Son materia prima para aplicaciones industriales

Tienen características variadas:  Color  Tamaño  Textura

 Sabor  Aroma

Alto contenido de: • • • •

Minerales Vitaminas Carotenos Antioxidantes

Biología de los frutos Desarrollo División celular

Maduración

Senescencia

Expansión celular

Carotenoides

Ablandamiento Etileno y Respiración

Climatericos

No Climatericos

Tiempo

Calidad de los frutos • • • • •

Textura Color Contenido de azúcares Firmeza Aroma

Propiedades organolépticas características de cada fruto Atributos de calidad post-cosecha de los frutos

Productos perecederos

Manejo postcosecha de frutos Cosecha

Transporte y distribución

Selección, empaque, almacenamiento,comercialización

Consumo o procesamiento industrial

Conservación de atributos de calidad

Producción total mundial de frutos carnosos 3.8 x108 millones de toneladas

$

1.2 x1012 dólares

Las pérdidas postcosecha pueden ser 15-50% del total producido FAO, 2009. http://www.fao.org

Estrategias para control de maduración Impacto de pérdidas postcosecha

económico ambiental

Limitan la producción agrícola a nivel mundial

Tecnologías convencionales: Inhibir la acción del etileno (hormona vegetal que controla la maduración

• Ventilación • Adsorbentes • Recubrimientos • Atmósferas Controladas • Inhibidores • Refrigeración

No existe un tratamiento universal postcosecha para preservar los frutos

FAO, 2009.

Control de ablandamiento y prolongación de vida media de anaquel (I) Manipulación de enzimas hidrolíticas y no hidrolíticas

Enzimas hidrolíticas y no hidrolíticas

Lámina media, pared celular

• Pérdida de integridad • Disminuye adhesión célula-célula • Cambios en turgencia

Lámina media

Poligalacturonasas Pectinmetil esterasas Expansinas

La supresión de enzimas hidrolíticas o no hidrolíticas individuales no retrasa el ablandamiento significativamente

Control de ablandamiento y prolongación de vida media de anaquel (II)

Manipulación de la ruta de producción de etileno

∝-Ceto butirato ACC desaminasa

SAM

ACC sintasa

ACC

ACC Oxidasa

Etileno

La estrategia consiste en reducir la producción de etileno

El bloqueo del etileno puede tener efectos deletéreos en la planta • • •

El fenotipo normal no se restaura aplicando etileno en todos los frutos Se afectan atributos de calidad como sabor y aroma Existen procesos críticos que deben ocurrir en tiempo y forma

Es necesario usar estrategias con efecto más específico y controlado para aumentar la calidad de los frutos

El papel del metabolismo de lípidos durante la maduración ha sido poco explorado Inducción de una enzima clave (tiolasa peroxisomal) en el metabolismo de lípidos durante maduración en mango Bojórquez, G. 1995

En pera, se identificaron transcritos de enzimas del metabolismo de lípidos, durante maduración y senescencia Fonseca, S. 2004

En fresa se identificaron transcritos, inducidos durante maduración, que participan en metabolismo de lípidos

Nam, Y. 1999

Etileno regula la producción de aroma en manzana Schaffer, R. 2007

¿Cuál es el metabolismo de lípidos durante la maduración de frutos?

Degradación autocatalítica de lípidos Fosfolipidos de membranas Fosfolipasas

Ca2+, Etileno

Ácido fosfatídico Fosfatasas de ácidos fofatídicos Diacilgliceroles Acil hidrolasas Ácidos grasos libres (C18:2 y C18:3)

Lipoxigenasas y O2

Ácidos grasos hidroxiperoxidados y lipohidroxiperóxidos Hidroperoxido liasas y deshidratasas Compuestos de sabor

Enzimático y no enzimático Conversión de radicales libres a ROS

Peroxidación de lípidos

Membranas

Desestabilizaci ón Permeabilidad Descompartamentalización Liberación de fosfolipidos

Reducción en la degradación autocatalítica de lípidos

Metabolismo de lípidos en melón En melón Honey Dew Firmeza, sólidos solubles en melón HD

Se postula la participación tejido específica de LOX durante maduración en melón HoneyDew

Tiempo de maduración melones control: 10 d Tiempo de maduraciónmelones sin LOX: 45-60 d

Manipulación de la calidad de melon

Frutos de 45 dias despues de la cosecha Una pieza de melón en Japón puede costar de 30-50 dólares

Las plantas como biorreactores Enzimas y hormonas

Pigmentos

Anticuerpos Plásticos biodegradables

Vacunas

Ventajas de producción de compuestos en las plantas Menor costo Fácil Escalamiento Material fácil de transportar sin necesidad de Red fría Material producido SIN contaminación de patógenos humanos Altos rendimientos Fácil purificación Productos idénticos a los naturales. 1 kg de proteína recombinante es de 10-50 veces mas barato que producirla por fermentación en E. coli

LA UTILIDAD DE LAS PLANTAS Antígenos producidas en plantas Hepatitis Diabetes autoinmune Virus de la Viruela Virus de Influenza Rabia

Proteínas humanas de interés farmaceútico producidas en plantas Aplicaciones de anticuerpos producidos en plantas Anticoagulantes Factor GM-CS Eritropoietina Encefalina

HIV-Sida

Factor de crecimiento epidérmico

Rinovirus

Interferón-α y -ß

Fiebre Aftosa

Seroalbúmina

Paludismo

Hemoglobina α y -ß

HPV

Lactoferrina

Cáncer

Colágena Aprotinina

Caries dental Herpes genital Diagnóstico IgG humana Antígenos de diversos tipos de cáncer

Principales modelos de estudio: Tabaco, Papa y Jitomate

Expresión de Interleucina 12 in tomate Induce respuesta Th1 (celular) y producción de IFN-γ Se emplea como adyuvante en infecciones parasíticas y virales

IL-12 commercial IL-12 tomato

α 35kDa

β

40kDa

IL-12 comercial + Ab anti-IL12 IL-12 tomato + Ab anti-IL12

Efecto del JT-IL12 sobre la carga bacteriana en pulmones de ratones infectados con Mycobacterium tuberculosis- MDR 9

M illone s de UFC/pulm ón

8 7

**

6

*

5 JN

4

JT

3 2 1 0 semana 1

semana 2

mes 1

Duración del tratam iento

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