12/6/2010
1
Curso “Bioseguridad y Biotecnología Moderna”La Molina-Lima, 6-10 de diciembre de 2010
PERÚ: CRECIMIENTO POBLACIONALPERÚ: CRECIMIENTO POBLACIONAL
35
40
45
50
5
10
15
20
25
30
35
UrbanaRuralTota l
Mill
ones
pers
onas
019 9 7 19 9 9 2 0 0 1 2 0 0 3 2 0 0 5 2 0 0 7 2 0 0 9 2 0 11 2 0 13 2 0 15 2 0 17 2 0 19 2 0 2 1 2 0 2 3 2 0 2 5 2 0 2 7 2 0 2 9 2 0 3 1 2 0 3 3 2 0 3 5 2 0 3 7 2 0 3 9 2 0 4 1
Año: 2007Población: 28’750,770
Año: 2041Población estimada: 45’700,000
Año: 1997Población: 24’681,045
Fuente: INEI TASA DE CRECIMIENTO ANUAL: 500,000 PERSONAS
En el año 2020 habrá que alimentar a 7 millones más de peruanos
12/6/2010
2
0.160.14
Perú
Disponibilidad de tierra cultivable para alimentación (Tierra cultivable en el Perú: 4’000,000 ha)
0.110.09
Para tener en el 2020 los valores del 2007 se debe:1.Incrementar la superficie cultivable en mas de 2 millón de hectáreas (¿de la Amazonía?); e2.Incrementar los rendimientos agrícolas en más de 30% (¿cómo?)
Fan chart de la temperatura y pronósticos 1000-2100
1.4 –5.8º C
Fuente: Ⓒ Mitsubishi Corporation
Proliferación del uso de combustibles fósiles - petróleo, carbón y gas natural
12/6/2010
3
140
130
Junio 2008: El precio superó los US$130 por barril
Julio 2008: El precio superó los US$ 140 por barril
El 4 de enero del 2010 el precio fue de US$ 81.68 por barril
La creciente presión de los biocombustibles resultante del cambio climático
Bioetanol: En 2007, 13.000 millones de
galones en 162 plantas, 7% de la gasolina.
EEUU 2008 ili ó l
Biodiesel: En 2007, 2.000 millones de
EEUU en 2008 utilizó el 29% del área de maíz
galones. La U. Europea en 2015 absorbería
62% de sus cosechas de oleaginosas
12/6/2010
4
Industria Biotecnológica: Progreso y PromesaIndustria Biotecnológica: Progreso y Promesa
• La Biotecnología será uno de los motores clave en l ó i ñM los próximos años
• En el 2010, el mercado de químicos será afectado por la biotecnología con un valor total de ~USD 158,000 millones
• A mitad del presente sigloD 2
,000
M
D 2
1,20
0 M
US
D 1
58,0
00
US
D 5
49,0
00 M
A mitad del presente siglo la totalidad de químicos será producida por biotecnología
1999 2005 2010 2025
US
US
OECD, Bioeconomy to 2030, p. 121
Una economía basada en la biotecnologíaque usa materias primas renovables, particularmente biomasa y recursos
Una economía basada en la biotecnologíaque usa materias primas renovables, particularmente biomasa y recursosp ygenéticos para producir alimentos, productos industriales y energía al menorcosto ambiental.
p ygenéticos para producir alimentos, productos industriales y energía al menorcosto ambiental.Implica el cambio de la unidad de Implica el cambio de la unidad de comercio: de la molécula de comercio: de la molécula de comercio: de la molécula de comercio: de la molécula de hidrocarburo a la molécula de ADNhidrocarburo a la molécula de ADNEs decir:Es decir:
Del petróleo a los genesDel petróleo a los genesM. Gutiérrez-Correa, Perú Económico, Enero 2007, p. 27.
12/6/2010
5
EconómicosCostos reducidos, mejor control de las propiedades del productop
Nuevos productos y oportunidades de mercado
Ambientales SocialesMiniaturización y modularidad
Diversificación y crecimiento de la economía rural
Prevención de la polución, emisiones reducidas de gases y tóxicos
Combustibles, químicos y materiales ‘Verdes’
Productos reusables y reciclables
Organismos Número de especies dé i *
Número total de genes dé i
VDP**
US$ Billones
VDC**
US$
Potencial económico de la biodiversidad Potencial económico de la biodiversidad génica en el Perú génica en el Perú
endémicas* endémicos disponibles*
Billones/año
Animales 771 0.13 x 108 3.9 390
Plantas 5,530 2.70 x 108 81.0 8,100
TOTAL 6 301 2 83 x 108 84 9 8 490TOTAL 6,301 2.83 x 108 84.9 8,490
*Datos genómicos tomados de la ref. 1**VDP = Valor dinámico potencial (0.01% de los genes); VDC = valor dinámico comercial
GUTIERREZ-CORREA, Marcel. 2009. El Valor de los Genes: Una Visión Preliminar. Bios 2(3), 4-7.
12/6/2010
6
La biomasa es una materia prima La biomasa es una materia prima energéticamente más eficienteenergéticamente más eficiente
Entalpía
CxHyOz Grasas y aceites
CxHzOyN Sv Proteínas y aminoácidos 20-30 GJ/ton
CxHyOz(OCHz)v Lignina
CxHy
CxHyN
CxHyO
CxHy
Nafta45 GJ/ton
Adapatado de:S cott et al. Appl Microbiol Biotechnol (2007) 75:751–762
CxHyOz Carbohidratos
CxHyO
EnfoquePetroquímico
Enfoque de Biorefinería
ProductosProductosquímicosquímicos
HerramientasHerramientas biotecnológicasbiotecnológicas en los en los BioprocesosBioprocesos
12/6/2010
7
PCR Lab-on-a-chipBiochip de DNA (eSensorTM)
Microbiorreactor sumergido (18 ml) de tanque agitado
Lipasa inmovilizada en nanopartículas de Fe3O4
Buenas prácticasagrícolas (FijaciónBiol. N2, Labranza
CultivosCultivos y y biomasabiomasa
S l
SistemasSistemas enzimáticosenzimáticosFactoríasFactorías celularescelulares
AgrorefineríasAgrorefineríasBiorefineríasBiorefineríasBiomasavegetal
Biol. N2, Labranzacero, biochar, etc)
limen
tos
limen
tos
mbu
stib
les
y m
bust
ible
s y
prod
ucto
spr
oduc
tos
SueloNutrientesreciclados
Pesticidas (minimizar)
Al
Al
Fertilizante(optimizar)
Pérdida de Nutrientes(minimizar)
Com
Com bi
obi
o
M. Gutiérrez-Correa. Rev. Agronegocios, 2009
12/6/2010
8
EXPORTACIONEXPORTACION
Enzimas
Ecotipos
Digitalización
YACONYACON FructoFructo--oligosacáridosoligosacáridos Ind. Alim.
Fructosa
Enzimas
Edulcorantes
de DNA
Mejoramiento Mejoramiento GenéticoGenético
Conservación ex situ e in situ
YACON CON NUEVOS YACON CON NUEVOS FRUCTANOS FRUCTANOS ––reducción de azúcaresreducción de azúcares
Biomasa Biomasa residualresidual
Combustibles Plásticos (Bio)químicos BiomaterialesAlimentos
Materia prima agrícola convencional Biomasa
12/6/2010
9
Conjunto de 35 40 45 50 55 60 65 70 75 ºC
1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0
Act
ivid
ad E
spec
ífica
Enzima nativa
Conjunto de secuencias seleccionadas procedentes de fuentes nativas y mutantes
Tamizado
nuevasnuevassecuencias seleccionadasseleccionadas
Reensamblaje recombinativo (shuffling)
ExpresiónEvaluación
35 40 45 50 55 60 65 70 75 ºC
1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0
Act
ivid
ad E
spec
ífica
Clonación
Transformación
Enzima Enzima evolucionadaevolucionada
Genómica funcional
Secuencia genómicaRecolección de datos
Análisis funcional de ORFs desconocidas
Transcriptoma Proteoma Metaboloma•Expresión diferencial de genes•Regulación global de genes
•Niveles de proteína•Interacciones proteicas•Estructura/función
• Parámetros cinéticos• Modelamiento de
vías metabólicas
Bioinformática•Estadística•Análisis de bases de datos•Reconocimiento de patrones
• Análisis de flujos metabólicos
Flujoma
Reconocimiento de patrones•Simulaciones de célula completa
Aplicaciones•Ingeniería metabólica •Nuevas drogas y sitios de acción•Optimización de bioprocesos
12/6/2010
10
Concepto de una Factoría Celular
GUTIERREZ-CORREA, Marcel. 2008. Bioeconomía (Primera Parte). Revista Agronegocios 2(3), 14 – 17.
ATPNADH,H+
Glucosa
ATPNADH,H+
ATP+NADPH,H2
CO2Glucosa6-P
Fructosa-P
TriosaP
Gli t 3P
Pentose P
Sedoheptulosa7 P+H 02 + 4 HNADH,H+
GlicerolP glicerolATP
Qresp
%pO2
pH
FlujomaFlujoma
Utilización de la genómica funcional en la optimización de bioprocesos
PEP
ATP
IsoCitrato
Suc-CoA
Malate
HS-CoA
HS-CoA
GTP
Fumarato
Succinato
ATP
ATP
Citrato
aKglu
NADH,H+CO2CO2
CO2CO2
+NADPH,H
NADH,H+
+NADPH,HCO2
FadH2
NADH,H+CO2
ANABOLISMO
ATP
CO2 NADH,H+
+NADPH,H
Acetato
Piruvato
Glicerato3PEritrosa-4P
OAA
NAD2
21/2 O
+
FAD
FADH2 H 02 + 2 H
3 H+ATP
1/2 O
SH-CoA
SH-CoA
Acetil CoA
Tiempos
Expresión de genes (Transcriptoma)
Expresión metabólica (Metaboloma)
MetabolitoMetabolito
IncrementoIncremento del del rendimientorendimiento, , concentraciónconcentración y y productividadproductividad
Expresión de proteínas (Proteoma) bVS nn =×
12/6/2010
11
“Comóditis” a partir de Materiales Agrícolas“Comóditis” a partir de Materiales Agrícolas
Almidón
EtanolAcido CítricoAcido LácticoAcido GlucónicoAcido Acético Sacarificación
Residuos Agrícolas
CelulosaHemicelulosa
Acido AcéticoAcetonaButanolAntibióticosCarotenoidesEnzimasPolisacáridos
SacarificaciónEnzimática Azúcares
Conversiones Microbianas
PretratamientoEnzimático
Sacarificación
AcidoFumárico Etanol Butilenglicol
Calor Deshidratación QuímicaVitaminasAminoácidosProteína UnicelularBiopesticidasBiosurfactantes
AnhidridoMaléico
Etileno Butadieno
Plásticos, Fibras, Jebes, Resinas, etc.
Azúcares (caña, remolacha)
Extracción de
Almidones (cereales,
tubérculos, raíces)
Hidrólisis
Lignocelulosa (madera, residuos agroindustriales)
Pretratamiento e
Estados en la conversión de biomasa a etanol
Estado I: FERMENTACIÓNConversión de los azúcares a etanol
Extracción de jugo
Hidrólisis enzimática
Pretratamiento e hidrólisis
Estado II: RECUPERACIÓN DEL ETANOL
Destilación
Deshidratación
ETANOL ANHIDRO
12/6/2010
12
M. Gutiérrez-Correa. BIOTECNOLOGIA, BIODIVERSIDAD Y BIOECONOMIA EN EL PERÚ. 2006
Estado de la Producción Caña de Azucar
Maíz
Rendimiento del cultivo (T ha-1) 80 100 12
Comparación de la producción de etanol entre la caña y el maíz
Rendimiento del cultivo (T ha 1)Rendimiento de etanol max (L ha-1)Rendimiento de etanol prom (L ha-1)Eficiencia promedio de Ferment.* (%)Tiempo típico de fermentación (h)
80-10090007750926-10
12440027508940
Bagazo seco producido (T ha-1)Azúcares fermentables en bagazo (T ha-1)**
26.421 0
6.64 8Azúcares fermentables en bagazo (T ha )
Rendimiento de etanol de bagazo (L ha-1)Eficiencia promedio de ferment.* (%)
21.013,20095
4.83,08095
*Basado en una producción teórica máxima de 511 g Etanol (Kg glucosa)-1
**Considerando 72 % de carbohidratos (celulosa y hemicelulosa)
12/6/2010
13
Hidrólisis Enzimática de la CelulosaRegionesAmorfas
RegionesCristalinas
Celulosa
Endo-β-glucanasa
Celobiohidrolasa
EG/CBH
β-glucosidasa n Glucosa
Biomasa celulósica
Liberación de azúcares y exposición
Bordes del proceso
Pretratamiento
Pasos Biológicos: Producción de celulasas hidrólisis fermentación
Calor y electricidad
de la biomasa a las enzimas
Formar enzima, romper la celulosa a glucosa y fermentar los azúcares
Recuperación de Etanol
Procesam. de residuos
Servicios
Efluentes
Electricidad exportada
Etanol
12/6/2010
14
Lignocelulasas Glucosa
FactoríaFactoría CelularCelular parapara etanoletanolcelulósicocelulósico
Xilosa
Xilosaisomerasa
Xilulosa
XilulosaQuinasa
Xil-5-P Ribl-5-P Ribosa-5-P
ATPADP
Vía de la pentosa introducida de Escherichia coli
Glucosa
Glucosa-6-P
ATPADP
Gluconolactona-6-P
6-P-Gluconato
2-Ceto-3-deoxi-6-P-gluconato
Gliceraldehído-3-P
Pentosas
Transcetolasa
Sedoheptul-7-P Gliceraldehído-3-P
Transaldolasa
Erit-4-P
Frut-6-P
Glicerald-3-PTrancetolasa
Frut-6-P
1,3-P-Glicerato
3-P-Glicerato
2-P-Glicerato
Fosfoenolpiruvato Piruvato
ETANOLETANOL
ATPADP
ADP ATP
Vía Entner-Doudoroff de Zimomonas mobilis
Sacarificación y FermentaciónSacarificación y Fermentación• Hidrólisis enzimática de celulose a
glucosa• Fermentación de azúcares a etanol por
Z. mobilis
Rendimientos:Glucosa a Etanol 92%
Xilosa a Etanol 85%Arabinosa to Etanol 85%
• Tiempo de residencia de 2 días a 37ºC y 20% de sólidos
Arabinosa to Etanol 85%Pérdida por Contaminación 5%
12/6/2010
15
BiodieselBiodieselTriglicéridos
Metanol
Metil-ésteresBiodieselBiodieselGlicerolPetróleo NaOH/KaOH contaminantecontaminante
BiocombustibleBiocombustible+
contaminantecontaminante
Triglicéridos
Metanol
Metil-ésteresBiodieselBiodieselGlicerolPetróleo 1,3 Propanodiol;
Dihidroxiacetona; Ac. Succínico; Ac. Propiónico; Ac. Cítrico; Etanol; Astaxantina;
BiocombustibleBiocombustible
LipasasLipasas+
MicrodieselMicrodiesel BiocombustibleBiocombustible
Etanol; Astaxantina; Polihidroxi alcanoato;
Lignocelulasas
FactoríaFactoría CelularCelular parapara biodieselbiodiesel
Glucosa
KDPG ETANOL
Pentosa
Zymomonas mobilis
Lignocelulasas
CH3CH2OCR
=O
Ac. GRASOS Wax ESTER SINTASAAcinetobacter baylyi
12/6/2010
16
rbcLS Bacillus subtilis
Factoría celular Factoría celular de de SynechococcusSynechococcus elongatuselongatuspara biocombustiblepara biocombustible
. elo
ngat
us
Escherichia coli
S.
Lactococcus lactis
Isobutiraldehído IsobutanolIsobutanol
Fermentación Destilación
Levadurao
Bacteria
Recuperación Alcohol Agua
Pretratamiento Sacarificación
(Alcali)Enzimas
CelulasaXilanasa
Molienda
Tanq
ue d
e pa
sta
DDGSAlimento Animal
Biomasa
LigninaPegamentos
EtanolEtanolButanolButanolEtanolEtanolButanolButanol
PlásticosPlásticos
Alimento Animal
AcidoCítrico
AcidoLáctico
Recuperación de agua
VaporElectricidad
12/6/2010
17
FactoríaFactoría CelularCelular parapara plásticosplásticos
Glucosa
Metabolismo de E. coli (factoría)
E. coli
DHAP
TCA
Gly-3-P Gly 3HPA
G-3-P Pyr
Propanodiol
Vía del glicerol de levaduras
Extensión metabólica de Klebsiella O O
OO[ ]Polipropilen tereftalato
Lactato
FactoríaFactoría celularcelular parapara la la producciónproducción de de plásticoplástico polilácticopoliláctico..
Lactato
= =O
O
Láctido
Catalizadormetálico
PCTPCT
Lactil-CoA
PoliésterPoliláctico
Enzima Enzima polimerizantepolimerizante de ALde AL
Biomasa
Glucosa
Factoría Factoría celularcelular
Poliéster Poliláctico
metálico PolilácticoSustitución
12/6/2010
18
Glucosa
PiruvatoLDH
Lactato Acetil CoA
Lactil Co A AcetoAcetil CoA
PCT PhaA
PhaB
LDH = lactato deshidrogenasa
PCT = propionil-CoA transferasa
PhaA= β-cetotiolasa
PhaB= acetoacetil-CoA reductasa NADPH-dependiente
PhaC= PHA sintasa
P(LAP(LA--coco--3HB)3HB)
(R)-3-Hidroxibutiril-CoA
PLAPLA
PhaB
PhaCPhaC
PhaC= PHA sintasa
De Pseudomonas sp. 61-3, modificadamodificada porpor evoluciónevolución dirigidadirigida
Biopelícula
Celulasas xilanasas
IndustriaIndustria TextilTextil
Genes de celulasas
Factoría celular (produce celulasa) Optimización
de procesos
xilanasas
ETANOLETANOLFactoría celular
(produce celulasas y etanol)
Biomasa
12/6/2010
19