Aplicaciones de la biotecnología marina.

Algunas de las aplicaciones más pertinentes de la acuicultura / biotecnología marina son las siguientes:

Acuicultura:

La Organización para la Agricultura y la Alimentación (FAO) define la acuicultura como “el cultivo de organismos acuáticos, incluidos peces, moluscos, crustáceos y plantas acuáticas. La cultura implica alguna forma de intervención en el proceso de crianza para mejorar la producción, incluyendo el almacenamiento, la alimentación, la protección contra depredadores, etc.

La cultura también implica la propiedad individual o corporativa de la población que se cultiva ”. En pocas palabras, la acuicultura significa manipular y mejorar la producción de seres acuáticos. Esta práctica tiene una influencia significativa en la industria pesquera.

La demanda mundial de productos del mar está lista para dispararse en un setenta por ciento en los próximos treinta y cinco años. Y dado que la captura de mariscos de la pesca está disminuyendo gradualmente, la industria se ve amenazada por una importante escasez en los próximos años.

El uso de herramientas biotecnológicas modernas para criar y mejorar la producción de especies acuáticas no solo puede ayudar a satisfacer las demandas globales de los productos del mar, sino también mejorar la acuicultura en sí. Estas técnicas también mejoran la salud, la reproducción, el desarrollo y el crecimiento de los organismos acuáticos y, por lo tanto, promueven el desarrollo interdisciplinario de sistemas ambientalmente sensibles y sostenibles. Esto a su vez conducirá a la comercialización sustancial de la acuicultura.

Transgénico

Peces transgénicos:

La cría de peces convencional se basa en la selección de la cría de peces para mejorar los rasgos deseables en los peces. Sin embargo, este proceso es lento e impredecible. Las nuevas herramientas moleculares son mucho más eficientes para identificar, aislar y construir los genes responsables de los rasgos deseables y, posteriormente, transferirlos a la cría.

La producción de peces transgénicos es en realidad mucho más fácil que la producción de otros mamíferos transgénicos. Esto se debe a que los peces producen una gran cantidad de huevos (de varias docenas a varios miles), que pueden generar grandes cantidades de material genéticamente uniforme para la experimentación.

Por ejemplo, el pez cebra (Brachydanio rerio) produce 1, 50, 400 huevos, el salmón del Atlántico (Salmo salar) 500, 015, 000, y la carpa común (Cyprinus carpio) produce más de 1, 00, 000 huevos. Además, el proceso no requiere manipulación una vez que los genes se han transferido a través de los huevos de peces. Por lo tanto, el mantenimiento de un criadero de peces no es muy costoso, especialmente en contraste con la transformación de mamíferos fertilizados.

Resistencia a las enfermedades:

La biología molecular proporciona información valiosa sobre los ciclos de vida y los mecanismos de patogénesis, resistencia a los antibióticos y transmisión de enfermedades. Esta información puede mejorar nuestra comprensión de la inmunidad del huésped, la resistencia, la susceptibilidad de las enfermedades y los patógenos asociados.

Tal entendimiento tiene mucha importancia para la industria marina. Por ejemplo, las condiciones de cultivo de alta densidad de la acuicultura ponen mucho estrés en los peces, haciéndolo extremadamente vulnerable a la infección. Un brote importante de este tipo impone un alto precio a toda la operación agrícola, causando enormes pérdidas para la industria. Esto puede evitarse desarrollando cepas robustas de peces que puedan soportar una variedad de enfermedades.

La ciencia moderna ofrece enormes oportunidades para mejorar la salud y el bienestar de los organismos acuáticos cultivados, así como para reducir la transferencia de enfermedades de las poblaciones silvestres. Se han utilizado varios enfoques transgénicos para mejorar la capacidad de resistencia a la enfermedad en los peces. Las tecnologías antisentido y ribozima se utilizan para neutralizar o destruir el ARN viral. Por ejemplo, el virus de la necrosis hematopoyética (VHN) causa una grave mortalidad en los salmónidos, y la neutralización de este virus puede mejorar el crecimiento de los salmónidos.

Otro método es expresar las proteínas de la cubierta viral (como la proteína G de 66 kDa de HNV) en la membrana del huésped. Esto provocará la unión a los sitios de unión del receptor y, por lo tanto, competirá con los sitios de unión viral, minimizando la penetración viral. Joann Leong y su grupo en la Universidad Estatal de Oregón informaron sobre este estudio.

Sin embargo, el método más eficaz para combatir la infección por enfermedades es estimular el sistema inmunitario del huésped mediante la expresión de sustancias antimicrobianas y antibacterianas. Se están probando péptidos antibacterianos como maganinas y lisozima para aumentar la respuesta de defensa del huésped contra una amplia gama de patógenos.

La técnica de la reacción en cadena de la polimerasa (RT-PCR) de la transcriptasa inversa ha permitido identificar y detectar el birnavirus acuático. Estos virus forman el grupo más grande y diverso dentro de la familia Birnaviridae, que incluye virus de numerosas especies de peces e invertebrados.

Muchas de estas especies causan enfermedades tanto en el agua dulce cultivada como en la silvestre y en las especies marinas. El ensayo de RT-PCR es un sustituto rápido y confiable de los métodos de cultivo celular para la detección de agentes de enfermedades de peces como el virus de la necrosis pancreática. También puede mejorar la prevención y el control de las enfermedades de los peces.

Otra aplicación importante de la biotecnología marina se ha visto en la Universidad de California, donde los investigadores han descifrado la causa de una enfermedad altamente contagiosa y mortal que afecta a la acuicultura del esturión blanco. Usando manipulaciones genéticas, estos científicos han desarrollado protocolos para detectar la presencia del iridovirus blanco Strugeon, que ayudará en el desarrollo de poblaciones de reproductores libres de enfermedades.

Pescado resistente a la congelación:

Se pueden usar técnicas recombinantes para transferir un gen de proteína anticongelante (AFP) para conferir resistencia a la congelación en varias especies. Las AFP son producidas por varios teleósteos marinos de agua fría (como la platija de invierno, el fango del mar, el cuervo de mar, la escultura de cuernos cortos). Estas proteínas evitan la formación de cristales de hielo en la sangre y, por lo tanto, protegen a los peces de la congelación.

Desafortunadamente, muchos peces de importancia comercial, como el salmón del Atlántico, no tienen tales genes y, por lo tanto, no pueden sobrevivir a temperaturas bajo cero. El desarrollo de salmón atlántico transgénico al agregar este gen puede ser extremadamente fructífero para la industria pesquera. También se ha informado que las AFP confieren protección contra la hipotermia para los ovocitos de cerdo y pueden ser útiles para la protección contra el frío. Los peces dorados transgénicos con el gen AFP también sobreviven mejor a bajas temperaturas.

Tasa de crecimiento :

Las manipulaciones genéticas pueden mejorar sustancialmente la tasa de crecimiento en el cultivo de peces. Un método es la microinyección de genes de la hormona del crecimiento en huevos de salmón fertilizados. Esto ha acelerado sus tasas de crecimiento entre un treinta y un sesenta por ciento. Poner una copia adicional del gen de la hormona del crecimiento en un embrión de pez (tilapia) en una etapa temprana también ha mejorado su tasa de crecimiento cinco veces.

Reproducción

La reproducción es un tema importante para la industria de la acuicultura de peces. A medida que los peces maduran, su tasa de crecimiento disminuye y la calidad de la carne se deteriora. Los métodos biotecnológicos para suprimir el proceso de maduración podrían emplearse beneficiosamente para mantener la calidad de tales peces. Estas técnicas también se pueden usar para regular la reproducción de algunas especies de peces desarrollando especies no reproductivas (estériles).

Estas especies tienen un enorme valor comercial, ya que los organismos mono-sexuales o las especies esterilizadas no conllevan ningún riesgo de interacción de granja a naturaleza. Estas especies también permiten la reconstrucción del stock de esperma conservado, y proporcionan marcadores genéticos para la identificación del stock. Así, estas técnicas ayudan en la conservación de los recursos silvestres.

Los investigadores también han desarrollado técnicas para usar partículas virales modificadas (vectores retrovirales) para alterar el gen de un invertebrado marino. Esta es la primera aplicación de biología molecular donde se ha demostrado la alteración del ADN en un organismo marino. Ahora es posible alterar genéticamente la almeja de surf enana usando una nueva envoltura viral, que permite que el vector entre virtualmente cualquier tipo de célula.

En otros avances significativos, los científicos han diseñado un 'gen informador' en vectores. Este gen informador incita al huevo de surfclam fertilizado a dar un color azul, que es indicativo de la implantación del gen.

Se espera que este trabajo proporcione una nueva herramienta para combatir las enfermedades que atacan las existencias comerciales de ostras, almejas y abulón. Una vez que se identifican los genes responsables de proteger los mariscos cultivados de la enfermedad, se pueden usar vectores retrovirales para administrar estos genes protectores directamente en el stock de crías.

Técnicas como la electroporación son efectivas para introducir ADN extraño en embriones de abulón (peces). Los científicos de la Universidad de Minnesota han utilizado con éxito secuencias de aisladores genéticos (obtenidas del ADN de la gallina y la mosca de la fruta) en peces, y han descubierto controladores genéticos que funcionan mejor para activar genes extraños.

Conservación:

Las herramientas moleculares se pueden usar para identificar y caracterizar germoplasma acuático importante que incluye muchas especies en peligro de extinción. Estas herramientas han permitido analizar los genomas de muchas especies acuáticas. También nos han ayudado a comprender las bases moleculares de la regulación de los genes, la expresión y la determinación del sexo. Esto puede mejorar las metodologías para definir especies, poblaciones y poblaciones.

Tales enfoques moleculares incluyen:

1. Desarrollar tecnologías de selección asistidas por marcadores.

2. Mejora de la precisión y eficiencia de las técnicas transgénicas.

3. Huellas dactilares de ADN para conocer el polimorfismo en poblaciones de peces.

4. Mejora de las tecnologías para la crioconservación de gametos y embriones.

Estas técnicas pueden ayudarnos a mantener la biodiversidad de los ecosistemas naturales. Las herramientas biotecnológicas también se pueden usar para desarrollar protocolos hormonales que controlan el desove de peces económicamente importantes como el salmón del Atlántico, la lubina, la platija, la dorada, la lubina y algunos marinos tropicales.

Las algas y sus productos:

Las algas marinas son algas marinas (macroalgas) que existen en el medio marino. Estas son plantas que viven en el mar y que carecen de tallos, raíces y hojas verdaderas. Al igual que las plantas terrestres, las algas marinas también tienen maquinaria fotosintética y utilizan la luz solar para producir alimentos y oxígeno a partir del dióxido de carbono y el agua. La mayoría de las algas marinas son rojas (5500 sp.), Marrones (2000 sp.) O verdes (1200 sp.).

Las algas marinas son una fuente rica de alimentos, forraje y una gran cantidad de compuestos químicos de importancia industrial. De hecho, las algas son una industria de mil millones de dólares. Las algas más valoradas son las algas rojas Porphyra o nori, que es una fuente importante de alimento humano en todo el mundo. Su producción mundial es de aproximadamente catorce mil millones de hojas, y está valuada en unos 1, 8 mil millones de dólares cada año.

Las otras algas comestibles incluyen Gracilaria, Undaria, Laminaria y Caulerpa. Las algas marinas importantes para las carrageninas incluyen especies como Chondrus, Eucheuma y Kappaphycus, alginatos (Ascophyllum, Laminaria, Macrocystis) y agar-agar (Geledium y Gracilaria). Estos polisacáridos importantes, también llamados phycocolloides, son reconocidos mundialmente como inofensivos.

Agar agar:

El agar se extrae comúnmente de las malezas rojas como Gelidium y Gracilaria. El agar contiene dos componentes importantes: la agarosa y la agropectina, que hacen que los compuestos de agar sean extremadamente útiles para la fabricación de papel, los medios de cultivo, la conservación de alimentos y las industrias de envasado, cuero, lácteos y cosméticos.

Carrageenan's:

Los carragenanos se extraen comúnmente de las especies de Eucheuma y Chondrus. Las diferentes formas de carrageninas se denominan kappa, lambda, iota, mu y epsilon. Las industrias cosméticas y farmacéuticas utilizan casi el veinte por ciento de la producción de carragenina como estabilizadores de emulsiones. Las carrageninas también se utilizan en alimentos dietéticos como postres sin almidón, aderezos para ensaladas, jaleas, mermeladas, jarabes y salsas con pudín.

Alginatos:

Los alginatos son sales de alginato de sodio, calcio o potasio, y se utilizan en una amplia variedad de productos. El ácido algínico se extrae comúnmente de Laminaria, Ecklonia y Macrocystis. Los alginatos se utilizan como emulsionantes y estabilizantes de emulsión en cremas y lociones. El alginato de sodio actúa como un agente lubricante en jabones y cremas de afeitar. Los alginatos también se utilizan en la encapsulación de microbios, células vegetales y animales que se utilizan como productores de metabolitos o bio-convertidores.

Agentes terapéuticos:

La amplia aplicación de los extractos de algas marinas en la industria cosmética ha dado a luz a la 'talasoterapia', en la que las algas marinas y sus extractos se utilizan como agentes terapéuticos. En el tratamiento de talasoterapia, el agua de mar y las algas marinas se utilizan para actuar sobre las células del cuerpo humano para desintoxicar y al mismo tiempo reequilibrar el pH de la piel.

Las algas marinas utilizadas para esta terapia incluyen Laminaria digitata, que es rica en vitaminas A, E, C y B, aminoácidos, hormonas y yodo. Aumenta la tasa de metabolismo y también estimula el consumo de oxígeno en las células y alivia la producción de calor.

Otros compuestos de las algas marinas incluyen terpenos, aminoácidos, fenoles, sustancias pirrólicas, arsenosugaras, esteroles (como el fucosterol), colorantes (como las ficoerrinas de las algas rojas y salinas del alga parda) y aminoácidos (como la condrina, gigartinina, ácido kaánico o β). caroteno) también tienen un valor tremendo. La espirulina, la bacteria verde azul (cinobacterias) y el Ascophyllum nodosum se pueden usar eficazmente como ayudas para la dieta, tónicos generales y rejuvenecedores.

También se ha encontrado que algunos de los polisacáridos sulfatados de algas rojas, verdes y marrones tienen propiedades anticoagulantes. Estos incluyen proteoglicanos de Codium fragile sp. atlántico y lambda - carragenina y carragenina de Grateloupia dichotoma. Estos compuestos exhiben propiedades similares a la heparina que se encuentra en los tejidos de los mamíferos, lo que ayuda a la coagulación de la sangre. Estos extractos sirven como una excelente alternativa a la heparina utilizada en la prevención de la trombosis coronaria.

Algunos polisacáridos sulfatados también tienen propiedades antivirales. Los carragenanos se han utilizado para inhibir el virus del herpes simple (VHS). Recientemente, se ha visto que la carragenina también inhibe el Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH) al interferir con las células de fusión infectadas por el VIH y, posteriormente, a la inhibición de la enzima retroviral transcriptasa inversa.

Muchas otras algas y sus productos tienen beneficios directos para la salud humana. Por ejemplo, las especies de Laminaria son ricas en yodo y pueden usarse para elaborar bebidas dietéticas y cremas de masaje. De manera similar, Sargassum muticumm es rico en vitaminas E y K, Lithothamnion y Phymatolithon son ricos en carbonato de calcio y oligoelementos. Las herramientas moleculares pueden ayudar a explotar estas especies y cosechar productos importantes de ellas.

Productos farmacéuticos:

Los investigadores de biotecnología han aislado muchas sustancias bioactivas del ambiente marino, que tienen un gran potencial para tratar diversas enfermedades humanas. El compuesto 'Manoalide' de una esponja específica ha generado más de trescientos análogos químicos, muchos de los cuales han acudido a ensayos clínicos como agentes antiinflamatorios. Los científicos también han identificado varios metabolitos marinos que son activos contra el parásito de la malaria Plasmodium falciparum.

En un estudio realizado en la Universidad de Hawái, los investigadores informaron la presencia del compuesto complejo 'Depsipeptide'. Pequeñas cantidades de este compuesto se encuentran en el molusco Elysia rufescens y en el alga del que se alimenta. Depsipeptide es activo contra los tumores de pulmón y colon, y las manipulaciones genéticas del molusco pueden generar cantidades suficientes del fármaco para la prueba.

Otra droga obtenida de plantas marinas e invertebrados es la 'pseudopterosina'. Este novedoso glucósido diterpénico inhibe la inflamación. Aunque actualmente se está utilizando ampliamente en la industria cosmética, se espera que asalte también a la industria farmacéutica después de los ensayos clínicos.

Se ha informado que la 'Bugula neritina' de Bryozoan, un invertebrado marino de crecimiento lento, es una fuente de un potencial fármaco para la leucemia. La droga está presente en pequeñas cantidades en o sobre el animal. Dado que los animales invertebrados viven en relación simbiótica con la bacteria, la bacteria sintetiza el fármaco tóxico para proteger el briozoo contra los depredadores, a cambio del espacio en el que podría crecer.

Investigadores de la Universidad de California están tratando de probar que la bacteria puede producir el fármaco en grandes cantidades. Además, están tratando de desarrollar métodos para el cultivo a gran escala de la bacteria. Se están realizando más investigaciones para descubrir cómo se puede aislar el medicamento.

Enzimas:

Muchas enzimas también se han aislado de bacterias marinas. Estas enzimas muestran características únicas que les permiten prosperar mejor en ambientes extremos. Algunas de estas enzimas son resistentes al calor y la sal, lo que las hace útiles para procesos industriales. Veamos la aplicabilidad de algunas de estas enzimas.

Las proteasas extracelulares se pueden usar en detergentes y para aplicaciones de limpieza industrial como la limpieza de membranas de ósmosis inversa. 'Vibrio alginolyticus' produce proteasas, que se presentan como un inusual detergente resistente: la exproteasa de serina alcalina. Este organismo marino también produce la enzima 'Colagenasa', que tiene muchos usos industriales y comerciales.

Los estudios han demostrado que las algas contienen una enzima haloperoxidasa única, que cataliza la incorporación de halógeno en los metabolitos. Estas enzimas son extremadamente útiles ya que la halogenación es un proceso importante en la industria química.

Investigadores japoneses también han desarrollado métodos para inducir a un alga marina a producir grandes cantidades de la enzima superoxidasa dismutate, que tiene amplias aplicaciones en las industrias médica, cosmética y alimentaria. Las enzimas termoestables tienen una ventaja adicional en la investigación y los procesos industriales.

Las importantes enzimas modificadoras de ADN termoestables incluyen polimerasas, ligasas y endonucleasas de restricción. Por ejemplo, era un organismo marino del cual la enzima Taq. La polimerasa fue aislada. Esta enzima termoestable se convirtió en la base para la reacción en cadena de la polimerasa.

Investigaciones de la Universidad de Rutgers en Nueva Jersey han aislado una nueva enzima 'a-galactosidasa' de 'Thermotoga neapolitana'. Esta enzima hidroliza los oligómeros de melibiosa. Estos oligómeros son componentes principales de la soja y otros productos de frijol, que limitan la cantidad de soja que se puede incorporar en la alimentación animal para animales mono gástricos como cerdos y pollos (ya que no pueden digerir oligómeros). Por lo tanto, la galatosidasa se puede usar para eliminar los inhibidores de la melibiosa y la proteasa de los productos de soya.

Los científicos también están tratando de obtener ADN polimerasas (de bacterias), lo que aumentará la eficiencia de los procesos biotecnológicos durante la replicación del ADN. También están estudiando enzimas tolerantes al frío de ambientes oceánicos muy fríos.

La mayoría de las enzimas involucradas en las rutas metabólicas primarias de las bacterias termofílicas son más termoestables que sus contrapartes existentes a temperaturas moderadas. Un estudio detallado de las enzimas procedentes de microorganismos marinos termofílicos puede contribuir sustancialmente a la comprensión de los mecanismos de estabilidad térmica de las enzimas y, por lo tanto, permitir la identificación de enzimas adecuadas para aplicaciones industriales.

Biomoléculas:

Estudios recientes han demostrado que los procesos bioquímicos marinos pueden ser explotados para producir nuevos biomateriales. Una empresa con sede en Chicago ha comercializado una nueva clase de polímeros biodegradables modelados sobre sustancias naturales, que forman las matrices orgánicas de las conchas de moluscos.

Los mecanismos utilizados por las diatomeas marinas, cocolítoforidas, moluscos y otros invertebrados marinos para generar estructuras mineralizadas elaboradas son muy interesantes a escala nanométrica (menos de una mil millonésima parte de un metro de tamaño).

Estas estructuras a escala nanométrica pueden mejorar la comprensión de los procesos de ingeniería para crear biocerámicas, que pueden revolucionar la fabricación de implantes médicos, piezas de automóviles, dispositivos electrónicos, recubrimientos protectores y otros productos novedosos.

Polímeros biodegradables:

Las conchas de ostra proporcionan una nueva fuente de polímeros sintéticos biodegradables con una amplia gama de propiedades industriales útiles. Estos polímeros se utilizan para el tratamiento de agua y aplicaciones agrícolas. La Corporación Donlar de Bed Ford Park, Illinois, ha estimado que el mercado potencial para tales productos vale millones de dólares.

Utilizando el compuesto anticongelante natural que se encuentra en la platija de invierno como modelo, los investigadores también están desarrollando péptidos anticongelantes sintéticos, que serán biodegradables y ayudarán a controlar la formación de hielo en aviones, carreteras y cultivos agrícolas.

Biorremediación:

La biorremediación tiene un gran potencial para abordar los problemas de los entornos marinos y la acuicultura. Este proceso puede ayudar a enfrentar los derrames de petróleo, el movimiento de químicos tóxicos de la tierra debido a la lixiviación, la eliminación de aguas residuales y desechos químicos, la recuperación de minerales como el manganeso y el manejo de la acuicultura y el procesamiento de mariscos.

Investigadores de la Universidad Estatal de Louisiana, EE. UU., Han desarrollado enfoques biotecnológicos tradicionales para metabolizar contaminantes tóxicos como los PCB (polifloro cloro bifenilo), HAP y creosota. También han tenido éxito en el tratamiento biológico y el reciclaje de maderas marinas usadas y pilotes recuperados de instalaciones marinas como puertos y estructuras de producción de petróleo. Sus estudios han proporcionado nuevas formas para la eliminación de la creosota, el cobre, el cromo, el arsénico y otros compuestos tóxicos de la madera tratada, para promover el reciclaje de la madera.

Las herramientas recombinantes también se pueden utilizar para transferir genes de plantas y animales, que producen metalotioneínas (proteínas de unión a metales) a organismos marinos, para facilitar la descontaminación del agua. Los científicos insertaron el gen de metalotioneína de pollo en un alga verde unicelular 'Chlamydomonas reinhardtii', e informaron que esto promovió un crecimiento de alga más denso en aguas contaminadas con cadmio.

Los científicos también han desarrollado nuevas bacterias que pueden digerir el aceite cinco veces más rápido en la vecindad de organismos unicelulares llamados protozoos. Dado que los protozoos comen bacterias que consumen contaminación, se prevé que eliminarlos posiblemente incremente las tasas de descomposición. Se ha sugerido que estos protozoos son importantes para la biodegradación. Los investigadores también están tratando de descifrar cómo los protozoos inducen a las bacterias a comer hidrocarburos más rápido.

Los organismos marinos también se han utilizado para detectar concentraciones de herbicidas en el suelo, el agua y los sitios contaminados. El ensayo desarrollado se basa en una cino-bacteria que ha sido diseñada genéticamente para transportar el gen lux en su genoma.

Esta proteína lux provoca la emisión de luz en presencia del reactivo químico dodo-canal. En presencia del herbicida, que actúa sobre la maquinaria fotosintética, la emisión de luz de la ciano-bacteria se reduce de tal manera que se puede medir y calibrar a la concentración del herbicida presente.

Las herramientas biotecnológicas también se pueden utilizar para restaurar el ambiente dañado. Por ejemplo, estudios de la Universidad de Florida sugieren que las técnicas de micropropagación utilizadas para producir avena marina y otra vegetación costera pueden ayudar en la reparación ambiental.

A pesar de todo este progreso científico, un gran tesoro de valiosos recursos marinos aún está sin explotar. Comprender la biotecnología marina y su potencial utilizando técnicas modernas puede ser revolucionario. Esto incluye áreas como biomateriales, productos farmacéuticos, diagnósticos, acuicultura, mariscos, biorremediación, biopelículas y corrosión. También puede desempeñar un papel importante en el desarrollo de la flora y fauna marinas, que pueden ser cosechadas para el mejoramiento de la especie humana.