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
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