Resumen Tema 1

 A continuación, se presenta un resumen de los conceptos clave del temario de "Ingeniería de Bioprocesos" basado en los documentos proporcionados, enfocado en ayudarte a preparar un examen teórico y a razonar tus respuestas.

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Resumen del Temario: Ingeniería de Bioprocesos

El temario se centra en la aplicación de principios biológicos e ingenieriles para el desarrollo y optimización de procesos que utilizan sistemas biológicos (células, enzimas, microorganismos) para producir sustancias de interés. Se abordan desde los fundamentos bioquímicos y la manipulación genética hasta las aplicaciones industriales y los métodos de mejora de cepas.

1. Biotecnología e Ingeniería de Bioprocesos:

• Biotecnología: Implica el uso de sistemas biológicos o sus derivados para crear o modificar productos o procesos para usos específicos. Es una disciplina transversal con aplicaciones en diversos sectores como la salud, la alimentación, la energía y el medio ambiente.
• Ingeniería de Bioprocesos: Se encarga del diseño, operación y optimización de procesos que involucran organismos vivos o sustancias de origen biológico. Esto incluye el diseño de biorreactores, la purificación de productos (downstream processing), y la integración de las etapas "upstream" (preparación del cultivo) y "downstream" (recuperación y purificación del producto).
• Etapas de un Bioproceso:
  • Upstream: Preparación del cultivo celular o microbiano, que incluye la selección y mejora de cepas, formulación del medio de cultivo y optimización de las condiciones de crecimiento en el biorreactor.
  • Downstream: Cosecha del producto, purificación (separación de la biomasa y otras impurezas), concentración y procesamiento adicional para obtener el producto final.

2. Fundamentos Bioquímicos: La Célula y Proteínas

• La Célula: Unidad básica de la vida, ya sea procariota (bacterias) o eucariota (levaduras, células de mamíferos), ambas utilizadas en bioprocesos. Es fundamental entender su metabolismo para optimizar la producción de metabolitos o proteínas de interés.
• Propiedades Fisicoquímicas de las Proteínas:
  • Estructura: Las proteínas tienen una estructura tridimensional específica (primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria) que determina su función.
  • Especificidad: Las proteínas son altamente específicas en sus funciones, lo que explica fenómenos como la compatibilidad en trasplantes de órganos o la acción enzimática. La enorme diversidad proteica se debe a las múltiples combinaciones de aminoácidos, determinada por el ADN.
  • Desnaturalización: Pérdida de la estructura tridimensional nativa de una proteína, lo que generalmente conlleva la pérdida de su actividad biológica. Puede ser causada por calor excesivo (50-60 °C), cambios de pH, alteraciones en la concentración, alta salinidad, o agitación molecular. La desnaturalización puede ser reversible (renaturalización) o irreversible. Este concepto es crucial en el manejo y purificación de proteínas en bioprocesos.

3. Enzimas y Microorganismos de Interés Industrial:

• Los Enzimas:
  • Características Generales: Son biocatalizadores altamente específicos y eficientes que aceleran las reacciones químicas en los sistemas biológicos.
  • Nomenclatura y Clasificación: Se clasifican según el tipo de reacción que catalizan (óxido-reductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas, ligasas).
  • Uso como Biocatalizadores: Pueden usarse libres o inmovilizados, catalizando reacciones químicas de manera sostenible. Las hidrolíticas (proteasas, amilasas, celulasas, lipasas) son ampliamente utilizadas en detergentes y la industria alimentaria.
• Microorganismos de Interés Industrial: Bacterias, levaduras, hongos, etc., son seleccionados por su capacidad de producir metabolitos específicos (antibióticos, vitaminas, ácidos orgánicos) o proteínas (enzimas, vacunas, anticuerpos) a gran escala.

4. Transformaciones Enzimáticas y Fermentaciones:

• Biotransformaciones o Transformaciones Microbianas: Pequeños cambios en moléculas realizados por enzimas libres, microorganismos o células que no necesariamente están en crecimiento activo.
• Fermentaciones: Procesos catabólicos de oxidación incompleta que no requieren oxígeno. Los productos finales son compuestos orgánicos (ej., ácido láctico, etanol). Liberan poca energía en comparación con la respiración y son característicos del metabolismo de muchos microorganismos.
  • Láctica: Producción de ácido láctico (ej., yogur).
  • Alcohólica: Producción de etanol (ej., cerveza, pan).
• Comparación con Respiración:
  • Respiración Aerobia: Aceptor final de electrones es el O2​. Oxidación total de la materia orgánica, liberando toda la energía.
  • Respiración Anaerobia: Aceptor final es una molécula inorgánica distinta del O2​.
  • A diferencia de las fermentaciones, en la respiración los productos de reacción no contienen energía.

5. Aplicación de la Genética a la Mejora de Cepas:

• Mutación y Selección de Mutantes:
  • Mutación: Cambios en la secuencia de ADN que pueden generar nuevas características (ej., mayor producción de un metabolito, resistencia a condiciones adversas).
  • Selección de Mutantes: Identificación de cepas con propiedades mejoradas. Métodos como la evolución dirigida (mutación y clonación, screening, selección y crecimiento del huésped) permiten mejorar enzimas o procesos.
• Recombinación Genética: Intercambio de material genético que genera nuevas combinaciones de genes, aumentando la variabilidad y permitiendo la selección de cepas con características deseadas.
• Tecnologías del DNA Recombinante o Ingeniería Genética:
  • Concepto: Técnicas que permiten aislar, manipular y reintroducir ADN en organismos vivos para modificar sus características genéticas.
  • Producción de Proteína Recombinante: Implica el uso de vectores de expresión (plásmidos, virus) para introducir genes de interés en una célula huésped, que luego produce la proteína deseada.
  • Factores que Regulan el Nivel de Expresión:
    • Número de copias del gen: Más copias del gen en la célula huésped pueden llevar a una mayor producción de proteína.
    • Estabilidad de los plásmidos: Mantener el plásmido en la célula huésped (uso de marcadores selectivos como resistencia a antibióticos).
    • Integración en el cromosoma: En algunos casos, la integración del gen en el cromosoma de la célula huésped puede asegurar una expresión más estable.
    • Promotores fuertes y regulables: Secuencias de ADN que inician la transcripción del gen. Los promotores fuertes (ej., lac, trp, tac) aseguran una alta expresión, y los regulables permiten controlar cuándo se expresa la proteína.
    • Secuencia de unión a ribosoma (RBS) y codón de terminación: Cruciales para una traducción eficiente de ARNm a proteína.
    • Glicosilación: Modificación post-traduccional importante para la función de muchas proteínas, especialmente si la célula huésped y la célula donadora del gen son del mismo tipo o compatibles.
    • Estabilidad de la proteína: Estrategias como la formación de proteínas de fusión o la renaturalización de cuerpos de inclusión son importantes para obtener proteínas funcionales y estables.

6. Edición Genética con Tecnología CRISPR:

• CRISPR/Cas9: Una tecnología revolucionaria para la edición precisa del genoma.
  • CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats): Secuencias de ADN repetidas y espaciadas regularmente en el genoma de bacterias y arqueas.
  • Cas9 (CRISPR associated system): Una nucleasa (enzima que corta ADN) que actúa como "tijera molecular" guiada por una pequeña molécula de ARN (ARN guía o sgRNA) para cortar el ADN en un lugar específico.
  • Mecanismo: El ARN guía complementa una secuencia diana en el ADN, y Cas9 corta ambas hebras del ADN. La célula intenta reparar este corte, lo que puede resultar en la eliminación o inserción de fragmentos de ADN, permitiendo "editar" genes.
  • Aplicación en Bioprocesos: Permite la modificación precisa del genoma de organismos industriales para mejorar la producción de metabolitos, aumentar la resistencia a factores de estrés, o eliminar vías metabólicas no deseadas.
  • Ejemplo (del documento): Generación de una deleción del exón 7 en el gen CD163 en cerdos usando Cas9 mRNA y dos ARN guías (sgSL26 y sgSL28) para conferir resistencia al Virus del Síndrome Respiratorio y Reproductivo Porcino (PRRSV-1). Esto demuestra su poder para conferir características deseables en organismos complejos.

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Consejos para el Examen:

• Define Claramente: Asegúrate de poder definir con precisión cada término clave (biotecnología, ingeniería de bioprocesos, desnaturalización, fermentación, ingeniería genética, CRISPR/Cas9, etc.).
• Comprende los Procesos: No solo memorices, entiende cómo funcionan los procesos (ej., cómo la desnaturalización afecta a una proteína, cómo la ingeniería genética permite producir una proteína recombinante, el mecanismo básico de CRISPR).
• Razona las Aplicaciones: Para cada concepto, piensa en sus aplicaciones prácticas en la industria o investigación. Por ejemplo, ¿por qué es importante la estabilidad de las proteínas en un bioproceso? ¿Cómo la edición genética puede mejorar la producción de un fármaco?
• Interconexión de Conceptos: Los temas están interconectados. Por ejemplo, la ingeniería genética es una herramienta clave para la mejora de cepas utilizadas en fermentaciones, y la comprensión de las propiedades de las proteínas es vital para su purificación en el downstream processing.
• Ejemplos: Siempre que sea posible, usa ejemplos para ilustrar tus puntos (ej., la fermentación láctica en la producción de yogur, el caso del gen CD163 en cerdos para CRISPR).

¡Mucha suerte con tu examen!