La Bioingeniería y sus nuevos paradigmas

Academia Mexicana de Ingeniería
ff
LA BIOINGENIERÍA Y SUS NUEVOS
PARADIGMAS
Dr. Rodolfo Quintero Ramírez
P lacio de Minería, México, D.F.
Enero 25, 2001

La bioingeniería y sus nuevos paradigmas
En esta presentación voy a hacer un relato de lo que ha sido el devenir de la
bioingeniería en los últimos treinta años, basado principalmente en mi experiencia
personal, ya que fue en 1972 cuando leí el primer libro de Ingeniería Bioquímica,
el famoso Aiba, Humphrey y Millis, que me fascinó e indujo a tratar de conocer un
poco más sobre ese campo y posteriormente decidí dedicarle mi vida profesional.
Desde un punto de vista histórico, los procesos biológicos son inmemoriables,
pues hay evidencias de que la fermentación alcohólica ya se realizaba desde hace
miles de años en muchas culturas en diferentes partes del mundo. Sin embargo
como antecedente de la bioingeniería se considera el trabajo de investigación y
aplicación del famoso microbiólogo francés Louis Pasteur en el siglo XVIII como
pionero. Posteriormente, durante las dos Guerras Mundiales hubo necesidades
imperiosas que fueron cubiertas por procesos biológicos, en la Primera el Dr.
Weizzman en Inglaterra desarrolló la fermentación para producir acetona,
sustancia esencial para la fabricación de explosivos, y en la Segunda se inició la
producción de antibióticos a partir de cultivos de hongos en tanques agitados. En
ambos casos se lograron avances en construcción de tanques y sistemas
asépticos para poder asegurar una producción continua y de calidad.
La fecha del inicio formal de la bioingeniería es 1958, cuando aparece el primer
libro con el título de Ingeniería Bioquímica en Inglaterra, posteriormente su
reconocimiento internacional como un área diferenciada de la ingeniería se
atribuye a la publicación del libro Biochemical Engineenng escrito por especialistas
de tres países, el Dr. Aiba de Japón, el Dr. Humphrey de Estados Unidos y la Dra.
Millis de Australia, en sus ediciones de 1963 y 1973. Es interesante hacer notar
que en esta fase inicial, la ingeniería bioquímica se derivó principalmente de la
ingeniería química y a la microbiología y a los aspectos biológicos se les atribuían
una participación limitada.
A partir de los años setenta, la bioingeniería se desarrolló y consolidó como un
área con características propias, con campos de acción específicos y aplicaciones
multisectoriales. Esto fue en gran medida posible debido al enorme esfuerzo en
recursos, humanos y financieros, que se destinaron después de la Segunda
Guerra Mundial al área de investigación científica y tecnológica. En este período
es particularmente notable el avance en el conocimiento básico que se tiene sobre
los procesos de la vida, tanto a nivel celular como bioquímico y en aspectos
tecnológicos, la ingeniería, la instrumentación y el cómputo se han desarrollado
enormemente, permitiendo la generación de nuevas industrias, procesos
innovadores y productos de mejor calidad.
Los paradigmas de la bioingeniería a lo largo de estos años han venido cambiando
y es mi propósito mostrar cuáles podrán ser éstos en el futuro.

Bioingeniería en los años 70
En los años setenta fue cuando tuve la oportunidad de poneçme en contacto con
un campo del conocimiento fascinante y en aquél entonces aún emergente, la
bioingeniería. Me llamó poderosamente la atención el enorme potencial que
ofrecía la generación de "biofábricas" y por otra parte con respecto a la ingeniería
química, todavía era un área en donde poco se sabía y había grandes
oportunidades para hacer aportaciones relevantes e importantes.
En ese entonces, bajo el término bioingeniería se entendían dos grandes campos,
uno de ellos era la denominada ingeniería biomédica, que estaba enfocada hacia
la creación de órganos artificiales y ya se iniciaba la búsqueda de la aplicación de
la electrónica para control de aparatos relacionados con la salud humana; la otra
área que también se identificaba con ese nombre era la ingeniería bioquímica,
también denominada ingeniería biológica, tecnología de fermentaciones y
microbiología industrial. Este documento se referirá principalmente a la ingeniería
bioquímica, pero como se podrá apreciar al final del mismo, hoy día la
bioingeniería y seguramente la bioingeniería del futuro, serán una sola, pues el
crecimiento de los dos campos los ha unificado.
A partir de mi posgrado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, decidí
estudiar y dedicarme a la ingeniería bioquímica. La concepción que se tenía sobre
los procesos biológicos era bastante simple y se seguía un enfoque de caja negra,
en donde los seres vivos que se utilizaban para la transformación, lo hacían de
manera natural después de que algún investigador los hubiese descubierto en el
laboratorio, el caso más notable y conocido es el de Fleming y la producción de
penicilina, y había que poner estos organismos en un reactor con condiciones
físico-químicas ambientales adecuadas, que permitieran la proliferacíón celular y,
si se era exitoso, también se obtenía el producto deseado.
Condiciones ambientales
4
Células 1
(Ca~ctor
.-..-*. Productos
Materias
pnmas
Esquema general de un bioproceso
PAF

El marco de referencia de la ingeniería bioquímica era limitado y los principales
problemas y preguntas que se hacían en investigación, estaban relacionados con:
Crecimiento microbiano: se iniciaba el entendimiento dp cómo formular un
medio de cultivo que permitiese, por una parte la generación de biomasa, y por
otra favoreciese la obtención del producto deseado. La idea y/o concepto de
balance de materia era incipiente pues los rendimientos de transformación eran
empíncos y no existían métodos para poder hacer estimaciones teóricas.
C Hx O, H + a02 + b CaHbOcNd —* c Cn H, O, H + d CO2 + e r120
Biomasa Fuente de C, N Biomasa
Ecuación este quiométrica de crecimiento aeróbico
Modificación genética: en ese entonces se usaban mutágenos químicos
para la obtención de organismos hiperproductores, este tipo de experimento se
hacía tanto en las empresas de fermentación como en los laboratorios de
investigación, pues se sabía que ocurrían cambios al azar que eventualmente
generaban nuevas cepas, las cuales tenían una mayor productividad pero en
general eran inestables en la operación cotidiana. Poco se hablaba sobre la
genética y menos aún sobre la posibilidad de "construir' cepas ad hoc.
Agentes mutagénicos + Células Células hiperproductoras
(luz uy, nitrosoguanidina, etc.) (generalmente inestables)
Microorganismos utilizados: tanto en la producción industrial como en los
laboratorios de investigación, las especies utilizadas eran restringidas,
principalmente bacterias, levaduras, algunos hongos y unas pocas algas. Los
virus y conjuntos celulares, y. gr. tejidos, eran poco conocidos y menos aún
utilizados. La mayoría de los organismos que se utilizaban eran de tipo
aeróbico y poco se conocía y estudiaba la fermentación anaeróbica.
Biorreactor: en esa época a los recipientes en donde se llevaba a cabo la
reacción biológica se les conocía como fermentadores, todavía se trabajaba
intensamente sobre el diseño geométrico y muchos investigadores dedicaban
sus esfuerzos hacia los problemas de agitación, mezclado y aereación. La
transferencia de masa y el coeficiente volumétrico de transferencia de masa
(kLa) dominaban el campo y se generaron numerosas correlaciones para poder
predecirlo y relacionarlo con la transferencia de oxígeno.
Ir-
3

Rinrns
Producto
ato
Tiempo
Agitado mecánicamente Air-lift
Tipos de fermentador
Condiciones de cultivo: las condiciones ambientales que favorecían el
crecimiento microbiano se restringían principalmente a la medición y control de
pH y temperatura óptimos, apenas se iniciaba el diseño y construcción de
sensores, habiendo sido uno de los primeros el de medición de oxígeno
disuelto y todavía no se empezaban los estudios sobre simulación y control de
biorreactores. La mayor parte de las fermentaciones industriales no tenían
control automático de pH ni de temperatura y se trataba de que ambos
tuviesen valores constantes, bien por adición intermitente y control manual de
la temperatura.
Cinética de fermentación: la mayor parte de los estudios reportaban
cinéticas de crecimiento microbiano y de formación de producto (modelo de
Leudeking-Piret). La ecuación de Monod para crecimiento microbiano, por su
semejanza con el modelo de cinética enzimática de Michaelis-Menten fue la
base para el establecimiento de modelos posteriores que aún hoy día
persisten. Modelos basados en la composición celular y en el metabolismo en
sí, no existían.
JtJ.tmax S
Ks+S
o
Ecuación de Monod c
G)
o
c
o
o
Cinética de fermentación batch
a-'

Procesos de separación y purificación: esta importante área prácticamente
no se tocaba en los textos de ingeniería bioquímica y tampoco se le daba
importancia en los planes de estudio de la bioingeniería, La mayoría de los
productos biológicos eran extracelulares y de bajo peso molecular. La calidad y
pureza de los mismos estaba determinada por el sector industrial al cual iban
dirigidos. Las operaciones unitarias que se utilizaban para separación y
purificación eran clásicas: centrifugación, filtración, extracción, precipitación,
cristalización y secado.
Aspectos económicos de los bioprocesos: como excepción se hacían
estudios económicos sobre las diferentes etapas de los bioprocesos y menos
aún se relacionaban los aspectos económicos: costos de producción, inversión
y rentabilidad, con el diseño y el desarrollo del proceso. La carencia de un
sistema rápido para cálculos económicos limitaba su uso como herramienta en
( investigación y en la toma de decisiones para la instalación de nuevos
procesos o modificación de los ya existentes.
Aspectos de bioseguridad: no existía una preocupación muy grande por el
riesgo asociado a este tipo de proyectos, con excepción de la producción de
vacunas para humanos que se hacía en sistemas considerados poco
ortodoxos en aquél entonces: cerebro de ratón para la producción de vacunas
contra la rabia o riñón de mono para la vacuna contra la polio, etc. Tampoco se
consideraba importante ni necesario el comunicar a los diferentes grupos
sociales sobre las ventajas y potenciales riegos de este tipo de tecnología.
Areas de aplicación: los productos biológicos de esa época estaban
principalmente enfocados hacia la industria alimentaria: levadura de
panificación, enzimas para producción de quesos, fermentaciones lácticas tipo
yogur, aminoácidos, ácidos orgánicos, bebidas alcohólicas y ya se iniciaba la
producción de enzimas y su uso para la modificación de materias primas de
esta industria. En la industria farmacéutica la participación de los productos
biológicos era restringida: antibióticos, vacunas virales y bacterianas para
humanos y animales y algunas vitaminas. En el sector químico, todavía la
incidencia era limitada y en el área ambiental prácticamente solo se utilizaba el
sistema de lodos activados para tratamiento de aguas municipales e
industriales.
Formación de recursos humanos: la ingeniería bioquímica se estudiaba a
nivel de posgrado, principalmente en Estados Unidos, Inglaterra, Francia,
Alemania, Japón y Australia, y en muy pocos países existían estudios a nivel
de licenciatura. También en muchos sitios estos estudios y la investigación se
hacían en departamentos de ingeniería química o de tecnología de alimentos.
La mayor parte de los estudiantes interesados provenía de la ingeniería
química ó de alguna subárea de la química (químicos farmacobiólogos,
tecnólogos de alimentos), pero había una participación mínima de biólogos y
médicos.
5

/
Desarrollo de la ingeniería bioquímica de los 70 al 2000
La ingeniería bioquímica ha tenido un desarrollo enorme en los últimos treinta
años, sus dos componentes, la ingeniería y la biología, se ),an desarrollado en
forma paralela y sinérgica y ambas se han beneficiado con los avances de la
electrónica. A continuación comentaré el desarrollo individual que han seguido,
pero también señalaré la retroalimentación que ha habido entre ellas y cómo esto
ha acarreado un mayor desarrollo y crecimiento de la bioingeniería.
Desde el punto de vista de la ingeniería, la ingeniería bioquímica ha tenido un
notable avance pues se han logrado resolver problemas tecnológicos de gran
relevancia y muchos de ellos han llegado a utilización práctica en diferentes tipos
de industria. Sin pretender hacer una revisión exhaustiva del tema, quiero destacar
siete áreas que ilustran con claridad los logros alcanzados:
1. Cultivo continuo: fue un notable avance científico y tecnológico el poder
crecer microorganismos de diferentes especies en forma continua. En especial
cuando el sistema continuo se opera como quimiostato, o sea, que no hay
cambio de la concentración de ninguno de los componentes en el medio líquido
con respecto al tiempo. En este sistema la productividad que se alcanza es
muy superior a la de los sistemas tradicionales batch y también es posible
tener condiciones de operación que permitan crecer a velocidades de
crecimiento superiores a las máximas del microorganismo. Los sistemas de
tratamiento industrial de aguas, tanto aeróbicos como anaeróbicos, operan
como cultivos continuos con retroalimentación y ello ha favorecido su uso
generalizado en los últimos años.
()
a)
o
c
o
rato
D=JL=FN
Estado
estacionano
iasa
Tasa de dilución
Cinética de cuftivo continuo en quimiostato
2. Reología de las fermentaciones: a medida que se fue estudiando con mayor
profundidad el problema de mezclado y agitación en los sistemas de
fermentación aeróbica, se tuvo que desarrollar la reología de los caldos de
fermentación. De hecho se ha tenido que ser muy innovador en este campo
pues la definición clásica de viscosidad no es aplicable lo mismo que los
instrumentos analíticos diseñados para su medición, ya que en la fermentación
se tiene presente un fluido multifásico: la fase líquida (principalmente agua)
cuyas propiedades reológicas en ocasiones se ven modificadas a lo largo del

proceso por el producto biológico que llega incluso a alterarlas
dramáticamente, tal es el caso de los polisacáridos o bien de fermentaciones
fúngicas; la fase sólida está representada por la biomasa, que tiene diferente
densidad a la del agua y dependiendo de su tamaño y del tipo de crecimiento,
y. gr. pellets, agregados celulares, etc., da origen a fluidos de tipo no-
newtonianos; y la fase gaseosa la conforman las burbujas de aire de diferente
tamaño que se introducen durante la fermentación. Esta complejidad puede
aumentarse si se toma en consideración que en muchas ocasiones se utilizan
sustratos poco solubles o bien que los productos biológicos se precipitan en el
propio caldo.
IÚ
= kr
n < 1
fi
Reo/o gía típica de un caldo de fermentación
3. Transferencia de masa en procesos biológicos: siendo el agua el principal
componente en masa de los medios de cultivo (la solubilidad del oxígeno es
baja y depende de la presión total y de la temperatura), siempre se ha tenido la
dificultad de poder transferir suficiente oxígeno de la fase gaseosa al líquido
para que una vez disuelto esté disponible para el crecimiento y metabolismo
microbianos. Este fenómeno, sencillo en principio, ha sido motivo de grandes
esfuerzos de investigación y de un sinnúmero de publicaciones que buscan por
una parte poder predecir cuál será la velocidad de transferencia de oxígeno
para un sistema dado y por otra en qué condiciones hacerlo para que resulte
económicamente aceptable. Existen muchos diseños, tanto de agitadores
como de aspersores de aire, que cubren satisfactoriamente los requerimientos
de oxígeno a lo largo del proceso.
KLa AC
KLa = (PN) (Vs)
..-.. ....'
célula
Transferencia de oxígeno en fermentación
7

Ingeniería enzimática: la idea de reutilizar enzimas para disminuir el costo
unitario de su uso, motivó que se generase la inmovilización de enzimas y de
esta manera se lograron incrementar significativamente los tiempos de vida
media y la estabilidad de las enzimas propiciando la aplicación industrial de
estos sistemas. Uno de los más conocidos es la inmovilización de penicilino
amidasa de Eschenchia coli que se utiliza para la hidrólisis de la penicilina G y
obtención del ácido 6-aminopenicilánico, importante intermediario en la
producción de penicilinas semisintéticas. Este proceso enzimático desplazó a
la hidrólisis química por consumir menos energía, ser más eficiente en la
conversión y de menor costo. La tecnología enzimática ha sido de gran interés
académico y se han inmovilizado cientos de enzimas en muy diversos tipos de
soporte y en años más recientes también se han inmovilizado células
completas y otro tipo de componentes celulares con actividad biológica.
V = Vmax S E E
E
KaP /)
•E E E
E................ E:, E
)/
Enzimas inmovilizadas
Biocatálisis en fase no acuosa: por muchos años existió el paradigma y casi
creencia de que la biocatálisis sólo se podía llevar a cabo en fase acuosa y por
ello las principales reacciones bioquímicas que se estudiaron y utilizaron son
de tipo hidrolítico (proteasas) u oxidativo (oxidasas), pero una vez que en 1984
se reportó biocatálisis en medio no acuoso, se abrieron nuevos campos de
aplicación. Se demostró que las enzimas son activas en fase orgánica y
gaseosa, así como en fluidos supercríticos, estos sistemas presentan ventajas
para el desarrollo de procesos a nivel industrial en los cuales los sustratos en
muchos casos no son solubles en agua y por lo tanto se deben utilizar
solventes orgánicos. Un ejemplo de este tipo de tecnología aún en desarrollo
pero a la cual se le están dedicando enormes esfuerzos a nivel internacional,
es la biodesulfuración del petróleo vía acción microbiana, si este proceso se
vuelve una realidad industrial, sin duda será mas económico que el
hidrotratamiento tradicional, requerirá menor inversión, consumirá menos
energía y será una tecnología limpia que permitirá un desarrollo sustentable de
industria petrolera. En el proceso de biodesulfuración el contenido
e1 rgético del combustible tratado con bacterias no disminuye debido a que no
es legradado y los átomos de azufre se eliminan en forma de sulfatos en la
comente acuosa que contiene al biocatalizador. Al biorreactor se le adiciona en
una solución acuosa el biocatalizador (constituido de células completas) y se
pone en contacto con el combustible a tratar, la reacción de biodesulfuración
[I

ocurre en la interfase entre la fase orgánica y la fase acuosa. Posteriormente
las fracciones se separan y se recirculan el biocatalizador y el agua.
eliminación
de vapor
aire
biocatalizador
agua
control de
adición de reactivos
bioreactor
fracción
desulfúrada
unidades
de
separación
fase acuosa
fracción
rica
en azufre recirculación de
biocatalizador y
eliminación de agua
biocatalizador
unidades de
separación
- agente
neutralizante
Proceso de biodesulfuración del petróleo
6. Bioseparaciones: fue a finales de los años 70 cuando se empezaron a
producir a nivel industrial las primeras proteínas recombinantes y hoy existen
muchos nuevos productos de carácter proteico en el mercado. Este tipo de
moléculas son generalmente de alto peso molecular, 10,000 daltones como
mínimo, son lábiles tanto a la temperatura como al pH y deben conservar su
estructura terciaria para mantener su actividad biológica y evitar en la medida
de lo posible la contaminación con otro tipo de moléculas, y. gr. metales,
residuos celulares, virus, etc. Estos requerimientos obligaron a crear toda una
nueva área del conocimiento y de la investigación, las denominadas
bioseparaciones, que son operaciones unitarias que permiten separar y
purificar biomoléculas con alto grado de pureza y rendimientos elevados. Hubo
que transformar métodos de laboratorio en operaciones de carácter industrial,
entre las más conocidas se encuentran los diferentes tipos de cromatografía
(adsorción, afinidad, gel, etc.), las separaciones por tamaño molecular
(microfiltración, ultrafiltración, osmosis reversa) o bien la purificación por carga

(electroforesis). La liofilización del producto final y la cristalización de proteínas,
también han tenido avances notables. Este campo desde el punto de vista
económico es muy importante sobre todo para las proteínas recombinantes de
uso farmacéutico ya que requieren en términos de inversión entre 5 y 10 veces
más que la fermentación, en términos de costos de producción se tiene una
relación similar.
7. Control de bioprocesos: si tuviese que destacar un área que ha avanzado
tecnológicamente en los últimos treinta años, sin duda seleccionaría la de los
biosensores y su uso para el control de bioprocesos en línea. Ahora es posible
establecer sistemas de medición in situ y directamente en el biorreactor para
determinar parámetros tales como; oxígeno disuelto, CO2, pH, temperatura,
potencial redox, viscosidad, distintos tipos de azúcares, diferentes
componentes celulares, moléculas con propiedades específicas (espectros de
emisión particulares), etc. Todos estos biosensores a la vez conjuntándose con
el uso de las computadoras, ha permitido generar sistemas de control en
tiempo real de enorme complejidad y rápida respuesta. De tal manera que es
posible determinar la actividad biológica en un biorreactor, seguirla a lo largo
del tiempo y poder estudiar los cambios que sufre cuando se presenta alguna
modificación ambiental. El paradigma de que el pH, la temperatura y la
concentración de oxígeno disuelto, deberían ser constantes a lo largo de un
proceso, o bien que tenían que seguir "el patrón natural" de las
fermentaciones, está superado. Ha sido posible establecer condiciones de
operación para las diferentes fases de un cultivo: crecimiento, producción y
muerte.
Este avance en los aspectos ingenienles de la bioingeniería, permitió resolver tres
problemas prácticos a través de mucho trabajo en investigación en los últimos
años. Su solución creó nuevas industrias y áreas de aplicación, estos problemas
fueron:
• Escalamiento de bioprocesos: el problema de llevar un proceso biológico
desde la fase de laboratorio hasta la escala industrial, significa pasar en varios
órdenes de magnitud el volumen y la masa, y. gr. de un mililitro en un tubo de
ensaye a un biorreactor de una escala de 1,000 m3. Para lograr teste cambio,
se siguen varias etapas y en cada una de ellas los procesos de transferencia
que controlan o limitan el proceso, varían. Por ejemplo, a escala pequeña la
transferencia de oxígeno es limitante, mientras que a escalas mayores la
transferencia de calor es la que domina. El tiempo de mezclado aumenta a
medida que aumenta la escala y esto tiene importantes implicaciones en
cuanto a los microambientes que "sienten" las células en un biorreactor de
diferente escala. La idea que se tuvo por muchos años de mantener un diseño
geométrico constante entre los biorreactores de diferentes escalas y un
parámetro de operación constante en todas ellas, y. gr. p/v, kLa, tiempo de
mezclado, kLa AC, ha sido superada y actualmente se emplean sistemas de
simulación a microescala que permiten obtener una mejor distribución de los
10

microambientes presentes en un biorreactor y así poder predecir mejor los
resultados de la actividad microbiana.
Laboratorio
Cajas Petri, matraces Erlenmeyer (250 ml-41), fermentadores 1-101)
Planta piloto
• Fermentadores (1): 10, 30, 100, 1000, en algunos casos hasta
30,000
Producción industrial
o Fermentadores (m 3): 10, 30, 50, 100, 240 y350
Escalas típicas de los bioprocesos
• Ampliación del uso de la biodiversidad: otro cambio significativo que ha
habido en la bioingeniería es la ampliación del tipo de organismos que se
utilizan para llevar a cabo las transformaciones, así como el incremento en el
aprovechamiento de componentes celulares. Por una parte, los organismos
tradicionales y las cepas recombinantes derivados de ellas han proliferado pero
también han surgido nuevos sistemas de producción basados en células de
mamíferos, de insectos, lo mismo que diferentes tipos de células vegetales.
Además se ha desarrollado el cultivo de tejidos tanto de células animales como
vegetales y han surgido áreas como la ingeniería de tejidos, de aplicación en
biomedicína para producción de piel, y más recientemente para la producción
de órganos artificiales; en el caso de células vegetales, se pueden tener
cultivos de raíces, de embriones somáticos o bien de callos. Como se puede
comprender estos sistemas constituyen fluidos multifásicos muy complejos, de
reología de difícil caracterización y las propiedades físico-químicas
tradicionales también son difíciles de definir y de medir, entre ellas: la
densidad, la viscosidad, la tensión superficial, etc. A esto hay que añadir que
no solamente se utilizan las células viables por su actividad biotransformadora,
sino que ahora también se emplean enzimas, nbozimas, abzimas, anticuerpos
u otros componentes celulares más complejos como las mitocondnas. Algunos
otros sistemas aún se encuentran en fase de investigación, como son las
plantas transgénicas productoras de proteínas tanto de origen vegetal como
bacteriano y humano, metabolitos secundarios o bien de animales
transgénicos (ovejas) productores de proteínas que se excretan en la leche.
Esta enorme complejidad y diversidad de sistemas de biotransformación ha
generado la ampliación de los campos de aplicación de la bioingeniería. Un
ejemplo ilustrativo son los procesos de fitorremediación que utilizan plantas
verdes para remover, contener o degradar los contaminantes presentes en Ci
suelo.
11

ón
ulación y
olismo
Biodegradacuon
unía
Absorción
Contaminantes
Proceso de Morremediación
• Diferentes tipos de bioprocesos: la fermentación sumergida se ha utilizado
en la obtención de la mayoría de los productos biológicos; tradicionalmente se
le conocía como fermentación aeróbica siendo el agua el componente principal
en volumen. Sin embargo a medida que se fue ampliando el tipo de organismo
y el medio ambiente en donde se podían aplicar los procesos biológicos se
generaron nuevos tipos de bioprocesos. Actualmente se tienen sistemas de
fermentación en fase sólida, semisólida, en lodos y otros que son difíciles de
describir como pueden ser los suelos, de tal manera que la fermentación se
puede llevar a cabo en diferentes fases, con la presencia de agua y de aire
como portadores de oxigeno para los sistemas aeróbicos o en su ausencia
para los anaeróbicos. Estos nuevos sistemas de fermentación han tenido una
aplicación práctica muy importante en la remediación de suelos contaminados.
En la tabla siguiente se presentan diferentes procesos de biorremediación que
incluyen cultivos en fase sólida o semisólida, orientados a la eliminación y/o
degradación de productos contaminantes presentes en suelos. En todas estas
tecnologías se procura tener las condiciones nutricionales y ambientales
convenientes para que haya una proliferación rápida y eficiente de la biomasa
autóctona, conociéndose a este proceso como bioestimulación; cuando esto no
es posible, entonces la biomasa se produce ex situ generalmente en un
biorreactor y posteriormente se añade al suelo, asegurando así una alta
capacidad degradadora, a este proceso se le conoce como bioaumentación.
Cabe señalar que ninguna de estas tecnologías es de uso universal y más bien
su aplicación debe determinarse caso por caso, dependiendo en gran medida
de las características geológicas e hidrológicas del sitio contaminado así como
del contaminante mismo, que típicamente puede ser petróleo o alguno de sus
subproductos o bien plaguicidas agrícolas.
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Tecnología Descripción
Atenuación natural Es la acción de los procesos naturales intrínsecos del
suelo, sin la adición de elementos externos o la
manipulación del sistema. Es una estrategia de
remediación que debe ser supervisada y controlada
mediante un seguimiento analítico y basada en un
estudio de riesgo.
Biolabranza Arado de un suelo contaminado, de la misma forma que
se trabaja un suelo para cultivo, con el fin de airear y
homogeneizar el suelo contaminado para estimular la
actividad microbiana.
Composteo Proceso de degradación que se lleva a cabo en una
biopila por la acción de microorganismos aerobios. Es un
sistema controlado que utiliza la actividad microbiana
para degradar los contaminantes del suelo, el cual se
dispone en montículos, a los que se pueden agregar
materiales textunzantes o de volumen, nutnentes y
sistemas de aereación; formando un producto final
estable. En términos prácticos, composteo y biopilas son
equivalentes.
Bioaumentación Adición de microorganismos vivos para promover la
biodegradación o biotransformación de los
contaminantes.
Bioestimulación Adición de elementos nutncionales necesarios para
estimular la actividad de los microorganismos que
realizan la degradación o transformación de los
contaminantes.
Bioventeo Aplicación de aire a un suelo o cuerpo de agua para
satisfacer los requerimientos de oxígeno de los
microorganismos encargados de la biodegradación.
Fitorremediación Es la utilización de plantas verdes para remover,
contener o degradar los contaminantes del medio. Es
una tecnología prometedora orientada a la limpieza de
solventes orgánicos, bifenilos policlorados, metales
pesados, hidrocarburos poliaromáticos, explosivos, etc.
Principales tecnologías de biorremediación para suelos contaminados
Sin embargo el crecimiento y desarrollo que ha tenido la biología en las últimas
tres décadas ha sido espectacular y ha modificado sin duda los paradigmas
tradicionales de la bioingeniería. El surgimiento de la biología molecular en los
años 70 ha permitido entender desde un punto de vista conceptual cómo opera
una célula, qué elementos forman parte de la maquinaria biológica y diferentes
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formas de cómo modificarla para hacerla más eficiente y poder dirigir su actividad
hacia fines de interés humano.
En la siguiente figura se presenta un esquema de cómo se prpcesa la información
genética en un ser vivo y como ésta se expresa en forma de proteínas, moléculas
responsables de la actividad biológica. Este esquema prácticamente se repite en
todo tipo de células y es por ello que su conocimiento y estudio permite hoy en día
la modificación genética ad hoc. El modelo de caja negra para la actividad
biológica está superado.
ADN
Transcripción
rARN
Ribosomas
00 tARN
Traducción
1Proteína
Esquema simplificado del flujo de información genética y su transformación en
actividad biológica en el interior de las células
La aplicación de este conocimiento biológico ha permitido generar las llamadas
cepas recombinantes u organismos transformados genéticamente cuando se
refiere a bacterias o microorganismos en general, y plantas transgénicas y
animales transgénicos cuando se refiere a organismos superiores completos. Con
la tecnología disponible es posible identificar rápida y económicamente un gene
específico en cualquier tipo de organismo y una vez identificado, introducirlo para
que pueda integrarse a la información genética de otro organismo, no importa la
especie y así obtener un organismo con una nueva capacidad y/o propiedad. Al
conjunto de metodologías que permiten el manejo y transferencia de información
genética entre diferentes especies se le conoce genéricamente como ingeniería
14

genética y se han podido obtener miles de cepas recombinantes de diferentes
tipos de microorganismos: bacterias, hongos, levaduras, para fines de
investigación y/o de producción industrial.
©Sección Introducción Transfoimación
de un gene del gene genética
Cepa nativa con cepa hospedero Cepa recombinante
gene de interés con nueva actividad
Obtención de organismos recombinantes por ingeniería genética
También utilizando este mismo tipo de metodologías se han podido transformar
células vegetales y utilizando su característica de totipotencia se han podido
obtener plantas completas que se cultivan en el campo, más de 60 cultivos existen
a nivel comercial. La respuesta de la sociedad a este nuevo tipo de agricultura ha
tenido dos vertientes, una de ellas ha sido la rápida introducción y adopción que
tuvieron las plantas transgénicas en la agricultura comercial de países con gran
capacidad de producción, altamente tecnificados y grandes exportadores de
alimentos, Estados Unidos, Canadá, Argentina y más recientemente China y
Brasil. Para 1999 ya se cultivaban casi 40 millones de hectáreas de siete cultivos
transgénicos, según se muestra en la siguiente tabla.
Cultivo transgénico 1998 1999
Soya 14.5 21.6
Maíz 8.3 11.1
Algodón 2.5 3.7
Canola 2.4 3.4
Papa <0.1 <0.1
Calabacita 0 <0.1
Papaya 1 0 <0.1
Total 127.8 39.9
Superficie sembrada de granos transgénicos (millones de hectáreas)
La otra posición ante los cultivos transgénicos la han encabezado principalmente
organizaciones de carácter no gubernamental interesadas en la conservación del
medio ambiente y preocupadas por los riesgos potenciales en la salud humana
que conlleva el consumo de alimentos transgénicos. Dichas organizaciones han
cuestionado la falta de estudios que aseguren su inocuidad en el largo plazo. El
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debate continúa y en ocasiones ha sido muy ríspido y controvertido. La
bioingeniería debe obtener enseñanzas de esta dualidad con respecto a la nueva
tecnología biológica y diseñar estrategias y métodos para enseñar y convencer a
la sociedad de que las bondades y beneficios que ofrece son mayores que sus
riesgos y desventajas. Esta es una nueva tarea que los bioingenieros deberán
afrontar en el futuro.
A nivel más básico y todavía en una etapa de pre-explotación comercial, se han
logrado generar animales transgénicos a los cuales se les han introducido genes
de otras especies y se espera que en un futuro cercano sirvan como sistemas de
producción comercial. De nueva cuenta, diferentes grupos sociales han
manifestado su preocupación por la donación de animales superiores y los
aspectos éticos asociados a ella.
De ninguna manera voy a pretender resumir cuál es el estado del arte del
conocimiento biológico, pero si voy a comentar brevemente tres áreas de la
biología moderna que están teniendo un enorme impacto en la nueva
bioingeniería.
La primera de ellas es la ingeniería de proteínas que consiste en la modificación
del ADN para la obtención de proteínas modificadas con mayor actividad, con
nuevas capacidades de biotransformación y mayor resistencia a condiciones
ambientales. Se han reportado numerosos ejemplos en la literatura científica y
tecnológica sobre la obtención de enzimas mejoradas y todo esto apunta hacia un
acelerado desarrollo de nuevos procesos biocatal íticos.
Otra área emergente que tiene un gran potencial, sobre todo para el aumento de
rendimientos en procesos fermentativos es la denominada ingeniería metabólica
cuya finalidad última es modificar las rutas metabólicas presentes en un organismo
y hacerlas más eficientes a través de la adición de genes que codifican para la
obtención de enzimas ausentes en la vía metabólica.
A
Inhibición
4,Enzima 1 _______ Sustitución de El por
erma resistente a
inhibición
1B
,jE2 ______________
Adición de E5 para
E3 E5 4 obtención de F
E4 H F
yK
J
E7 __
M
1 Eliminación de E7 para
1
Esquema de la ingeniería metabólica
16

Desde hace vanos años los genetistas se habían encontrado con un hecho que
los dejaba perplejos, se aumentaba la dosis génica a través de la adición de genes
multicopia y la actividad biológica que se medía no correspondía directamente a a
presencia de la enzima. Fue necesario realizar un análisis ms amplio e integral,
en el cual participaron bioingenieros e investigadores en termodinámica para
dilucidar el problema; no es suficiente la introducción de genes, ya que la
producción de la enzima depende también de otros factores, energéticos y de
disponibilidad de componentes celulares, y aún cuando la proteína esté presente,
la ruta metabólica sólo se puede alterar parcialmente ya que está inmersa en un
conjunto de reacciones bioquímicas simultáneas y en paralelo, todas ellas
demandan energía (en términos biológicos) y requieren de moléculas específicas.
La conclusión es que las leyes de la termodinámica, los fenómenos de óxido-
reducción y de potencial redox deben ser cumplidas por la maquinaria biológica
intracelular. El diseño de una nueva ruta metabólica debe integrar no solo el
conocimiento genético sino también los aspectos de termodinámica y de velocidad
de reacción para poder alcanzar los objetivos de reorientación del flujo de materia
y energía dentro de la célula para aumentar el rendimiento y evitar resultados
inesperados. La investigación en bioingeniería seguramente hará aportaciones
relevantes en este campo, pues tiene la capacidad de manejar sistemas de
reacción complejos.
A finales del año 2000 se anunció en los Estados Unidos la conclusión del
proyecto del genoma humano que había consistido fundamentalmente en la
decodificación de la información genética contenida en los cromosomas y que
resultó ser de 120,000 a 150,000 genes diferentes y una gran cantidad de
información genética redundante de la cual en la actualidad no se conoce su
propósito ni el porque de su existencia. En paralelo con este proyecto se han
venido decodificando genomas completos de diferentes tipos de seres vivos y la
lista crece día con día, es posible prever que en los años futuros la decodificación
de un genoma completo o de porciones muy importantes de él, será una tarea
rutinaria de costo menor y de fácil acceso para el público interesado; a esta área
del conocimiento se le conoce como ciencias genómicas (genomics) y también ha
surgido la llamada bioinformática, cuyo propósito es poder manejar eficientemente
enormes bases de datos para obtener información de manera rápida, a bajo costo
y a la vez poder realizar búsqueda de genes nuevos o de comparación de genes
entre especies con propósitos de estudios evolutivos. La tarea que ahora sigue es
transformar esta información decodificada en proteínas y conocer qué actividad o
actividades biológicas están asociadas a ellas, a este nuevo campo se le
denomina proteómica (proteomics) y aún se encuentra en etapa embnonana.
Para la bioingeniería, tanto las ciencias genómicas como la proteómica ofrecen
oportunidades inmensas, novedosas, de gran impacto, difíciles de visualizar y
enumerar, pero presentes. ¿Qué hará un bioingeniero del futuro cuando pueda, a
través de la consulta de un banco de datos de genomas decodificados, identificar
un gene de interés?, o bien, si se busca una actividad biológica específica para
resolver un problema particular, y. gr. una oxidación en fase orgánica, ¿cómo
deberá diseñar la proteína para obtener un biocatalizador de alta productividad y
vida media?, ¿cómo producirá la enzima?, ¿deberá diseñar el gene sintético o
17

utilizar alguno de los ya reportados?. Estas y muchas otras preguntas las podrá
responder la bloingeniería próximamente.
La bioingeniería en el nuevo siglo
La definición de lo que es la bioingeniería en los inicios de este nuevo siglo, es
compleja pues sin duda su carácter es multidisciplinario y su aplicación
multisectonal. A ello se debe agregar que con el gran impulso surgido de la
biología moderna, se acuñó a nivel internacional un nombre genérico para toda
esta área, la biotecnología, y es por ello que resulta difícil poder diferenciar la
bioingeniería de la biotecnología, pues en ambas confluyen la instrumentación, el
cómputo, la bioquímica, la biología molecular, la biología celular y por supuesto la
ingeniería.
La biotecnología se puede definir como el conjunto de tecnologías encaminadas a
la producción de bienes y servicios mediante la utilización de sistemas biológicos.
Es una actividad multidisciplinana cuyo sustento es el conocimiento de frontera
generado en diversas disciplinas, entre otras, la biología molecular, la
bioingeniería, la microbiología y la inmunología, que permiten el estudio integral y
la manipulación de los sistemas biológicos o de sus componentes celulares,
buscando hacer un uso inteligente y respetuoso de la biodiversidad, desarrollando
tecnología eficiente, limpia y competitiva para facilitar la solución de problemas
importantes en diversos sectores.
Los rápidos avances tecnológicos derivados de la manipulación del ADN (ácido
desoxirribonucleico), han permitido la generación de nuevas industrias y
bioprocesos. De esta manera el área de impacto de la biotecnología es amplia y
diversa, incluyendo sectores productivos como son el farmacéutico, el
agroalimentario, el de medio ambiente, el químico y el energético, principalmente.
Los productos biotecnológicos se pueden clasificar en dos tipos, los tradicionales y
los nuevos. El primer caso se refiere a productos biológicos que ya se obtenían
antes de 1970, entre ellos, los aminoácidos, los antibióticos, los ácidos orgánicos,
solventes, etc., cuya producción es de gran volumen y el cambio tecnológico más
importante ha sido la introducción de cepas recombinantes para aumentar los
rendimientos de conversión y disminuir los costos unitarios.
El segundo grupo está constituido principalmente por aquellas sustancias y/o
actividades biológicas que se empezaron a usar y/o producir comercialmente a
partir de los años 80. El primer producto asociado a la nueva tecnología biológica
fue la insulina humana, hormona proteica que fue producida por bacterias a nivel
comercial y autorizado su uso terapéutico en 1981. De ese entonces a la fecha,
los nuevos productos han llegado de manera diferenciada en varios sectores:
Sector farmacéutico: la salud humana ha sido la mayor beneficiaria de los
nuevos productos biotecnológicos, terapéuticos y preventivos; las proteínas
recombinantes (hormonas proteícas, interferones, eritropoietina, etc.) se han
18

constituido en medicamentos de uso cotidiano, pues ofrecen nuevas propiedades
hasta hace poco prácticamente inexistentes y/o desconocidas. Las vacunas
recombinantes han tenido un desarrollo comercial más lento, pero de igual manera
tendrán un gran impacto en la prevención de todo tipo de enfrmedades. También
se ha beneficiado enormemente el área de diagnóstico clínico, pues ha sido
posible utilizar diferentes componentes celulares: anticuerpos, sondas de ADN,
enzimas ¡nmovilizadas, para la detección tanto de infecciones como de moléculas
dañinas y/o tóxicas. Prácticamente todos los días aparecen en la literatura
científica y de difusión comercial descubrimientos y noticias sobre nuevos
medicamentos derivados del conocimiento del material genético humano. No hay
ninguna duda de que se seguirán produciendo nuevas proteínas para uso
humano.
Sector agroalimentario: en 1984 se aprobó la producción y consumo masivo del
primer vegetal transgénico, el tomate de madurez retardada y como ya se
mencionó, en algunos países la aceptación fue muy rápida, mientras que en otros
han habido problemas y cuestionamientos sobre la seguridad de esta tecnología.
No es fácil poder anticipar qué sucederá en los años próximos, ya que si se acepta
la introducción de plantas transgénicas en la agricultura comercial, éstas tendrán
un gran impacto en la industria alimentaria, particularmente en el procesamiento
de alimentos y en la formulación de los mismos, ya se han obtenido plantas
productoras de aceites con una composición más favorable para consumo
humano, mayor cantidad de proteína o bien con un contenido vitamínico novedoso
y muy superior al de los cultivos tradicionales. El área de diagnóstico de
enfermedades en vegetales y en el sector pecuario también se ha beneficiado con
la adopción de las nuevas tecnologías. La producción de vacunas para animales
se hace en sistemas biotecnológicos más eficientes y los productos son de mejor
calidad. En la donación y reproducción de ganado la utilización de tecnología
biológica es aún incipiente, para la obtención de animales transgénicos habrá que
resolver el problema de los cuestinamientos éticos sociales que se han planteado.
Sector de medio ambiente: en 1992 se llevó a cabo la reunión de Río de Janeiro
sobre el medio ambiente, su conservación y explotación sustentable, de ahí surgió
el concepto de desarrollo sustentable, motivando que el problema de la
eliminación de la contaminación adquiera una gran envergadura a nivel nacional e
internacional. En casi todos los países se han tomado medidas legislativas para
definir los parámetros y los límites aceptables de la contaminación. En esta tarea
la biotecnología tiene una oportunidad pues sus propias características: alta
especificidad de la reacción, alto rendimiento de conversión, menor consumo de
energía y disminución de subproductos tóxicos, permiten anticipar resultados en la
dirección de lo que se busca. Se ha generalizado a nivel internacional el uso de
sistemas de tratamiento biológico de aguas contaminadas, tanto municipales como
industriales y han surgido nuevos procesos de biorremediación para suelos
contaminados. El uso de biofiltros para problemas específicos de corrientes
gaseosas con alto contenido de materia orgánica es incipiente pero con gran
potencial.
19

Sector químico: en la industria química los principales avances han sido por la
utilización de nuevos procesos biocatalíticos. lnicialmente los procesos
enzimáticos se usaron exclusivamente en la industria alimentaria y en menor
medida en la industria farmacéutica, pero con enzimas y/o qélulas inmovilizadas
se han establecido nuevos procesos para la obtención de materias químicas de
polímeros. También en la química fina se ha incrementado la utilización de
biotransformaciones para obtención de moléculas de gran valor y de muy difícil
síntesis por la vía química tradicional. Otro uso en esta industria ha sido la
utilización de biomoléculas con fines de separación y purificación (cromatografía
de afinidad).
Sector energético: recientemente la industria energética, particularmente la
petrolera, se ha interesado en los procesos biotecnológicos, no sólo para tratar los
efluentes y sitios contaminados que genera, sino también como una serie de
tecnologías alternativas en las áreas de exploración, producción y petroquímica.
En los últimos 20 años, la creciente preocupación por el efecto de las emisiones
contaminantes sobre la ecología del planeta, ha provocado una normatividad más
estricta, lo que ha traído cambios significativos en los procesos y tecnologías de la
industria. Actualmente las principales fuerzas que impulsan a la industria petrolera
en el mundo son: la creciente demanda de combustibles; la necesidad de procesar
crudos más pesados; la búsqueda de mayores niveles de rentabilidad;
cumplimiento de una reglamentación cada vez más exigente; y la necesidad de
producir combustibles más limpios. La consecuencia, ha sido la búsqueda de
nuevas tecnologías de carácter sustentable con un menor consumo energético y
con subproductos menos contaminantes. Por otro lado, la baja en las reservas
internacionales del crudo y la sobreproducción agrícola en los países
industrializados, han catalizado la investigación en fuentes alternativas de
combustibles y uso de materiales renovables. Estos esfuerzos no se ven aún
consolidados en la práctica por falta de competitividad y de la relación
costo/eficiencia, sin embargo se considera que la biotecnología tendrá un impacto
importante en el mediano y largo plazo.
Para completar la visión general sobe la situación actual de la biotecnología, es
necesario hacer unos breves comentarios sobre la investigación y la formación de
recursos humanos relacionados con ella.
Investigación: los recursos que se destinan a la investigación básica y aplicada
relacionada con la biotecnología son muy cuantiosos, casi todos los países
industrializados la han definido como un área prioritaria y han establecido
programas nacionales para su apoyo y fomento. También en varios sectores
industriales, las principales empresas trasnacionales han invertido importantes
recursos para establecer grupos de investigación propios y sobre todo orientar sus
negocios al campo de la biotecnología. En este contexto resulta casi imposible
resumir las principales líneas de investigación, por lo que he seleccionado, desde
mi muy particular punto de vista, aquellas áreas que considero tendrán mayor
impacto en el futuro y presentarán importantes retos a la bioingeniería; algunas de
20

ellas continuarán importantes tendencias establecidas desde ahora y otras son de
carácter emergente y su resultado potencial incierto.
• Salud humana: estandarización de los sistemas de terapia génica y producción
de órganos artificiales. Continuará siendo el área líder de la biotecnólogía.
• Agricultura: utilización de métodos biotecnológicos para la conservación de la
biodiversidad y utilización de plantas transgénicas como biorreactores para
obtención de biomoléculas de interés diverso. Su futuro depende de la solución
a la controversia ético social de su uso.
• Veterinaria: obtención de animales transgénicos como sistemas de producción
de proteínas recombinantes. Posiblemente su desarrollo se vea influenciado
por los resultados en el área agrícola.
• Medio ambiente: desarrollo de nuevos bioprocesos que sustituyan la
producción tradicional con carácter limpio y sustentable. Esta área crecerá sin
duda, sobre todo a medida que sulla evidencia científica sólida sobre el
1
deterioro ambiental del planeta y sus consecuencias en el clima y la salud.
• Marina: identificación de biomoléculas y/u organismos marinos con actividades
interesantes para el sector farmacéutico y alimentario. Area emergente.
• Minera: adopción de procesos biológicos para la obtención de metales,
disminuyendo el impacto ambiental. Su desarrollo depende de la legislación
local.
• Energética: producción de combustibles alternos utilizando recursos
renovables. Area de mediano plazo, hay varios proyectos en desarrollo.
• Química: transformación biológica de recursos naturales en materias primas
básicas y uso de biocatal izado res en condiciones extremas. Existen todos los
elementos para que crezca aceleradamente en los próximos años.
Formación de biotecnólogos: al igual que toda la biotecnología, la educación y
entrenamiento de biotecnólogos se ha diferenciado. En muchos países esto se
lleva exclusivamente a nivel de posgrado, bien sea en departamentos académicos
universitarios o en centros de investigación dedicados a la biotecnología. En otros
países, la formación se inicia a nivel de licenciatura y por lo tanto se le reconoce
como una carrera profesional. La orientación académica en estos dos niveles es
multidisciplinana pero generalmente con algún énfasis y se refleja en el nombre
del programa: bioingeniería, ingeniería bioquímica, biotecnología, biotecnología
ambiental, biotecnología vegetal, ciencias bioquímicas, biotecnología alimentaria,
etc. La tendencia es hacia la formación de científicos e investigadores en
biotecnología y pocos programas dirigen sus esfuerzos hacia personal orientado a
la producción y aplicación práctica de la tecnología biológica. El estudiantado
interesado en esta área se ha diversificado, hay biólogos, médicos, ingenieros
agrónomos, bioquímicos, químicos e ingenieros químicos.
Nuevos paradigmas de la bloingeniería para el presente siglo
A lo largo de este documento he tratado de identificar los paradigmas que enfrentó
la bioingeniería y cómo los fue superando uno a uno. ¿Cuáles serán los
21

paradigmas del futuro?, ¿qué fuerzas los establecerán: el conocimiento científico
proveniente de la biología, de la ingeniería o de otras áreas?, ¿será la presión
social y los cuestionamientos éticos sobre la nueva, tecnología los que los
determinen?. Por supuesto que no tengo una respuesta única a estas preguntas,
pero de la revisión de las tendencias de lo que será posible hacer en el futuro,
pueden surgir algunos elementos para ir formulando las soluciones. Intentaré
hacer ésto a través del análisis de tres casos que a mi juicio serán realidades en el
futuro.
Biocatálisis en la industria química: con el conocimiento teórico y experimental
que se ha acumulado sobre las enzimas, su producción, su modificación y su uso
como catalizadores, es posible concebir nuevos procesos biocatalíticos para la
industria química. Los problemas fundamentales de transferencia de masa y calor
en reactores con enzimas inmovilizadas ya se dominan, el conocimiento de la
catálisis enzimática a nivel básico está muy avanzado, se conoce lo que significa
el sitio activo en términos físico-químicos y termodinámicos y además se tiene la
metodología para poder llevar a cabo modificaciones puntuales que incrementen
la reactividad y estabilidad del mismo. La tecnología para sobreproducír proteínas
y reducir sus costos de producción está disponible. La limitante de este tipo de
procesos que aún persiste es la ambiental, puesto que los biocatalizadores
funcionan eficientemente en condiciones fisico-químicas con rangos limitados.
Pero de nuevo, la investigación ofrece la respuesta, se han encontrado que ciertos
ambientes, considerados extremos por el hombre, están colonizados por
microorganismos especialmente adaptados, denominados microorganismos
extremófilos. Estos ambientes incluyen ecosistemas con altas o bajas
temperaturas, altas presiones, pH extremos (<3 y >10) y altas concentraciones de
sales (5-30%). Algunas de las principales aplicaciones de los extremófilos ya se
han empezado a explorar y se muestran en la tabla siguiente
Microorganismos Enzimas y Aplicaciones
extremófilos productos
Termófilos e Amilasas Edulcorantes
hipertermófilos 50-110°C Xilasas Proceso de blanqueo
Proteasas Producción de aminoácidos a partir de
queratinas, pan y procesamiento de
alimentos
Acidófilo pH < 2 Oxidación de azufre Desulfuración de petróleo y carbón
Alcalófilos pH > 9 Celulasas Degradación de polímeros
Proteasas
Amilasas
Lipasas
Halófilos 3 - 20% NaCI Enzimas Degradación de compuestos tóxicos
Lípidos Liposomas
Biosurfactantes Recuperación de petróleo
Polisacáridos Agentes estabilizadores, gelificantes,
emulsificadores y recuperación de petróleo
Polihidroxialcanoatos Bioplásticos
22

Los microorganismos extremófilos y sus enzimas funcionan en condiciones fisico-
químicas parecidas a las que prevalecne en el ambiente industrial. Las enzimas
aisladas de los extremófilo tienen propiedades que pueden ser aprovechadas para
aplicaciones industriales: son muy termoestables, generalmente resistentes a
solventes orgánicos y a pH extremos. En la última década se han descubierto
algunos microorganismos capaces de crecer a temperaturas de hasta 110°C y
soportar presiones de varias atmósferas. Una vez que se donen los genes de
organismos extremófilos, se podrán producir enzimas con potencial de uso
industrial, o bien a través de investigar por qué estas proteínas son capaces de
resistir condiciones ambientales drásticas, se podrán rediseñar enzimas conocidas
para que puedan operar eficientemente bajo esas condiciones. En este caso los
paradigmas científicos y tecnológicos determinarán el futuro de esta área.
Terapia génica en humanos: existen numerosas enfermedades que podrían ser
curadas si se introdujesen genes activos en humanos. La tecnología para la
( identificación y caracterización de los genes y sus subproductos ya está
desarrollada, así mismo se han logrado reproducir in vitro células humanas
modificadas genéticamente y se tienen diversas metodologías para la introducción
de éstas a un ser humano. En un caso hipotético, ¿cuál sería el papel del
bioingeniero?, un paciente llegaría a una clínica y un especialista removería
células de la médula ósea; posteriormente un experto en genética transformaría
algunas de estas células introduciéndoles el gene de interés, este gene provendría
de un banco de genes para este tipo de enfermedad y finalmente se le pediría a
un bioingeniero que las reprodujese en un biorreactor en cantidad suficiente para
ser reintroducidas al paciente y de esta manera curarlo. Las limitantes para que la
terapia génica se vuelva una práctica médica cotidiana no son científico-técnicas,
sino que surgen de cuestionamientos éticos y legales, por ejemplo, ¿existe un
dueño del gene que se va a introducir, y por ende qué derechos y beneficios tiene
sobre él?, ¿qué institución, autoridad, persona, deberá autorizar la terapia
génica?, ¿qué tipo de células humanas pueden ser transformadas genéticamente
y reintroducidas?, ¿es aceptable investigar transformación genética con células
reproductoras?. En este ejemplo específico, se ilustra claramente cómo la
concepción pasada de ingeniería biomédica y de ingeniería bioquímicase fusionan
en una sola.
Biocombustibles a partir de recursos renovables: el crecimiento de la
población humana y la constante demanda por energía para poder satisfacer las
necesidades básicas y de desarrollo económico, constituyen una preocupación a
nivel internacional que ha motivado la búsqueda de fuentes alternativas de energía
que utilicen recursos lignocelulósicos. Esta idea se fundamenta en que los
recursos naturales renovables más abundantes en la naturaleza son los materiales
lignocelulóscios cuya composición química los hace atractivos como materia prima
para un proceso biológico, pues entre un 60-80% están formados por polímeros de
azúcar, celulosa y, hemicelulosa; por hidrólisis química y/o enzimática pueden
transformarse en licores ricos en azúcar y posteriormente a través de una
fermentación anaeróbica, convertirse en etanol. El paso limitante en este proceso
era que al hidrolizar los recursos lignocelulósicos se obtenían mezclas de
23

azúcares de 6 carbonos (glucosa) y de 5 carbonos (xilosa) y no existía ningún
organismo productor de etanol que los pudiese utilizar indistintamente, ya que no
tenían las enzimas necesarias para procesarlos. Sin embargo, este problema fue
resuelto por ingeniería metabólica ya que fue posible donar cepas de bacterias y
de levaduras con enzimas que les permitiesen tener la capacidad de utilizar
cualquier tipo de azúcar. Con este avance se logró que los costos de producción
se redujeran sustancialmente, aumentando el rendimiento de transformación en un
30%. El proceso es rentable y atractivo, se utiliza un recurso renovable, no genera
CO2 y su uso como agente oxigenante está aprobado. El diagrama del proceso
esquemático se presenta en la figura siguiente:
Reducción
1 S e pa ra c ió n
e ta m año ___
__ con ________ só lid o/líq u id o
ido diluido avado de sólidos
Tdo
Sólidos
avados
Producción de 1 Detoxificacion
enzimas por 1 vía intercambio
fermentación iónico
Hizado
Fermentación
1alcohólica
Recuperación 1 1 Procesamiento
de etanol loj de sólidos
residuales
Diagrama del proceso de producción de etanol a partir de recursos celulósicos
Desde los inicios de los años 90, el Departamento de Energía de los Estados
Unidos ha venido promoviendo el desarrollo de un proceso de producción de
etanol que utilice como materia prima los recursos lignocelulósicos (álamo), con el
propósito de utilizarlo como agente oxigenante de gasolinas, sustituir al éter metil
terbutílico y contribuir a reducir la importación del petróleo, este año se inicia la
construcción de varias plantas en ese país, pues es factible obtener etanol anhidro
en grandes volúmenes a precios cercanos a 1 dólar por galán, lo que lo convierte
en un proyecto económicamente factible. Otros países, entre ellos Colombia,
Brasil y Tailandia, por ser grandes productores de caña de azúcar han venido
explorando la posibilidad de utilizar el bagazo de la caña como materia prima para
obtener etanol y adicionarlo a gasolinas; su motivación es doble, por una parte
24

generarían un combustible y disminuirían las importaciones de petróleo, los haría
menos dependientes y por la otra sería una salida para la industria azucarera que
a nivel internacional está en crisis económica desde hace vanos años, pues
existen excedentes muy importantes de azúcar. Para este proyecto las limitantes
no parecen ser tecnológicas ni éticas, sino más bien de tipo económicó y político.
En el caso de Estados Unidos, el proyecto es atractivo pues se enmarca en el
ámbito del desarrollo sustentable, utiliza un recurso natural renovable y se
disminuye la contaminación (CO2) por uso de combustibles, además genera
nuevas industrias y al país lo hace menos dependiente de la importación del
petróleo, recurso fundamental para su economía. En otros países y regiones la
situación es diferente, la motivación económica es doble, se disminuye la
importación de energéticos y se da valor agregado a un subproducto considerado
desecho, lo que aumenta la rentabilidad de una industria en crisis. Sin embargo
hay fuertes opositores a este proyecto, por una parte está la industria petrolera,
que no ve con buenos ojos, que combustibles de otro sector disminuyan su control
del mercado y también está la industria automotriz que se vería en la necesidad de
modificar el diseño de los motores de los automóviles para poder utilizar
eficientemente estos nuevos combustibles y alcanzar los niveles de emisión
aprobados.
La conclusión de este breve análisis es que el bioingeniero en el futuro afrontará
retos diversos, problemas cambiantes, condiciones ambientales cada vez más
estrictas, deberá tomar en consideración intereses no sólo económicos sino
también deberá atender cuestionamientos éticos, sociales y políticos. Si a esto
sumamos los avances científico-tecnológicos que seguramente se generarán en
los próximos años, entonces podemos vislumbrar un clima de oportunidades,
motivadas por la innovación y el ingenio. De tal manera que lo sucedido en los
últimos treinta años será rebasado ampliamente y la bioingeniería seguirá siendo
una actividad fascinante.
Bibliografia recomendada para aquellos interesados en la bioingeniería por
venir:
Biotechnology for the 21 Century: New Horizons. A Report from the Biotechnology
Research Subcommittee, National Science and Technology Council, Washington,
D.C, julio, 1995. En este documento se hace un análisis prospectivo sobre los
impactos que tendrá la biotecnología en diversos sectores productivos, tanto en
las áreas tradicionales como en las emergentes.
Metaboiic Engineenng: Principies and Methodologies, Gregory Stephanopoulos, A.
Anstidon y J. Nielsen, Academic Press, San Diego, 1998. Este es el primer libro
que se publica sobre ingeniería metabólica y marca los problemas de investigación
básicos a resolver y señala su enorme potencialidad.
Special Report The Promise of Tissue Engineering, Scientific American, 280 (4)
38-65, 1999. Es un conjunto de artículos que incluyen los avances en
investigación relacionados con el cultivo de tejidos y órganos humanos; se puede
25

apreciar con claridad cómo la ingeniería biomédica del futuro está asociada con la
bioingeniería moderna.
Biotecnología Moderna para el Desarrollo de México en el, Siglo XXI: Retos y
Oportunidades, Francisco Bolívar et al, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología,
México, D.F., noviembre, 2000. El estudio presenta una visión sobre la situación
de la biotecnología en México e identifica áreas estratégicas y propone proyectos
de gran potencial para diversos sectores productivos.
t.
[I
26

La bioingeniería y sus nuevos paradigmas
A lo largo de los últimos treinta años, la bioingeniería se ha consolidado y establecido como un
área particular de la ingeniería, ha identificado y definido sus áreas de conocimiento e investigación
y ha tenido un notable desarrollo en aplicaciones industriales. Hoy día no hay duda de su impacto
económico y social.
En esta presentación se hace un análisis de los cambios en los paradigmas de la bioingeniería que
se dieron a medida que se fueron resolviendo problemas científico tecnológicos, y a la aparición de
nuevos, que surgieron de su aplicación siendo más bien de carácter ético social o económico.
En los años setenta la bioingeniería estaba muy asociada a la ingeniería química y se tenía una
visión de caja negra con respecto al proceso biológico, se iniciaban los estudios sobre balance de
materia y energía, la modificación genética era al azar y no se le daba gran importancia; los
microorganismos utilizados estaban restringidos a unas cuantas especies y la mayor parte de los
procesos eran de tipo aeróbico y operaban en batch; el biorreactor o fermentador recibía la mayor
atención posible, se estudiaba agitación y mezclado, consumo de energía y diferentes diseños.
Gran parte de la investigación a nivel académico e industrial estaba relacionada con la
determinación de las condiciones óptimas de cultivo y se trataba de mantener constantes los
parámetros físico-químicos a lo largo del proceso, los estudios de cinética utilizando modelos
sencillos eran fundamentales. Prácticamente no había trabajo ni se le daba importancia en los
planes de estudio, a los procesos de separación y purificación, los aspectos económicos de los
bioprocesos eran poco atendidos y a la bioseguridad se le daba una importancia menor. Las
aplicaciones principales estaban orientadas al sector alimentario y en el farmacéutico y químico su
participación era limitada. La mayor parte de los estudiantes eran ingenieros químicos o químicos.
De 1970 al año 2000, la bioingeniería tuvo un gran desarrollo en sus dos vertientes, la ingeniería y
la biología. En el primero de ellos se tuvieron avances notables en cultivo continuo, pues se
instalaron grandes plantas de producción de proteína unicelular que operaban de esta manera, se
estudió profundamente la reología de fermentaciones encontrándose las dificultades de evaluar un
fluido multifásico, la transferencia de masa en procesos biológicos tuvo gran relevancia y se
lograron avances muy importantes; la ingeniería enzimática se estableció a nivel industrial y la
biocatálísis en fase no acuosa empezó a ser utilizada en otras áreas; se creó el área de
bioseparaciones, particularmente importante para la producción de proteínas recombinantes y el
control de bioprocesos se reconoció como un área de gran interés e importancia. En este lapso se
lograron resolver problemas fundamentales de aplicación, como lo fue el escalamiento de los
bioprocesos, se amplió el uso de la biodiversidad y ahora se utiliza cualquier tipo de célula y/o de
componente celular; además se empezó a trabajar con cultivo de tejidos y agregados celulares; se
desarrollaron diferentes tipos de bioprocesos que ampliaron las formas y sitios en dónde llevarlos a
cabo, Esto también significó una aplicación más extensa de la bioingeniería. Sin embargo la fuerza
motriz en esos años fue sin duda la explosión en el conocimiento biológico y genético que se dio, el
poder entender cómo opera y cómo está conformada la maquinaria biológica dio origen a nuevas
expectativas de uso y aplicación desconocidas hasta ese entonces. En particular por su relación
con la bioingeniería se comentan brevemente tres áreas: la ingeniería de proteínas y su relación
con la biocatálisis; la ingeniería metabólica por su impacto en el aumento de la productividad y
beneficio económico de los biorpocesos y finalmente se describen lo que son y significan las
ciencias genómicas, la bioinformática y la proteómica.
La situación de la bioingeniería en el inicio del nuevo siglo es muy prometedora, su impacto es
enorme y en algunos sectores claramente liderea los procesos de innovación y de generación de
nuevos productos, por ejemplo, en el sector farmacéutico el uso de las proteínas recombinantes se
ha establecido en la terapéutica cotidiana y en el sector agroalimentario ofrecen una promesa
semejante aunque han surgido algunas voces de alerta sobre los posibles riesgos asociados a este
-

tipo de tecnología. En el sector de medio ambiente los bioprocesos son una realidad y la
biocatálisis está teniendo una rápida introducción en la industria química. Todo apunta para que en
el sector energético, en el mediano plazo, la bioingeniería tenga un papel preponderante. La
investigación seguirá siendo el motor fundamental, existen tendencias establecidas en salud
humana, agricultura, medio ambiente y química; y otras de carácter emergente, con resultado
potencial incierto pero promisorio, como son la aplicación de bioprocesos en veterinaria, la
utilización de organismos marinos y la producción de nuevos energéticos, etc. El interés por la
bioingeniería se ha diversificado, el estudiantado interesado está formado por biólogos, médicos,
ingenieros agrónomos, químicos, bioquímicos e ingenieros químicos.
¿Cuáles serán los nuevos paradigmas de la bioingeniería en el presente siglo?. No lo sabemos,
pero para tratar de ¡dentificar algunos elementos para ir formulando las soluciones, se revisarán
tres casos sobre los cuales hay una relativa seguridad de que se desarrollarán y aplicarán en el
futuro cercano y mediano: biocatálisis en la industria química, terapia génica en humanos y
biocombustibles a partir de recursos renovables.
La conclusión de este análisis es que el ingeniero del futuro enfrentará retos diversos, una realidad
cambiante, condiciones ambientales más restringidas y en su quehacer deberá tomar en cuenta
intereses no sólo técnico y económicos sino también éticos, sociales y/o políticos. Con toda
seguridad los avances científico tecnológicos seguirán y se generará en los años próximos un
clima de oportunidades motivadas por la innovación y el ingenio. De tal manera que lo sucedido en
los últimos treinta años será rebasado ampliamente y la bioingeniería seguirá siendo una actividad
fascinante.

La Bioingeniería y sus nuevos paradigmas

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