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12/6/2010 1 Curso “Bioseguridad y Biotecnología Moderna” La Molina-Lima, 6-10 de diciembre de 2010 PERÚ: CRECIMIENTO POBLACIONAL PERÚ: CRECIMIENTO POBLACIONAL 35 40 45 50 5 10 15 20 25 30 35 Urbana Rural Total Millones personas 0 19971999 2001200320052007200920112013 2015 20172019 20212023202520272029203120332035203720392041 Año: 2007 Población: 28’750,770 Año: 2041 Población estimada: 45’700,000 Año: 1997 Población: 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
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PERÚ: CRECIMIENTO POBLACIONAL - LAC Biosafety · Lactato Acetil CoA Lactil Co A AcetoAcetil CoA PCT PhaA PhaB LDH = lactato deshidrogenasa PCT = propionil-CoA transferasa PhaA= β-cetotiolasa

Oct 01, 2018

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Curso “Bioseguridad y Biotecnología Moderna”La Molina-Lima, 6-10 de diciembre de 2010

PERÚ: CRECIMIENTO POBLACIONALPERÚ: CRECIMIENTO POBLACIONAL

35

40

45

50

5

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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 =×

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“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

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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)

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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

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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%

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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

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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

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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

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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

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