INGENIERIA_BIOLOGICA

Ingeniería BiológicaRetos del siglo XXI para las Tecnologías Biológicas

CATEDRA ESPECIAL DE SEDE: “ENTRE ARTEFACTOS E IDEAS: 150 AÑOS DE INGENIO”

SEMINARIO : “QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA: UNA INTERACCIÓN EN AVANCE CONTINUO”

RUBÉN DARÍO GODOY SILVA Septiembre 1 de 2011

� Introducción� Definiciones� Aplicaciones

•Medicina• Arquitectura• Textiles• Ambiente• Energía

2CONTENIDO

3INTRODUCCIÓN

� Lema del MIT� Nueva disciplina

� Fusión de las ciencias de ingeniería con las ciencias moleculares de la vida.

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Creando Tecnologías Biológicas desde el descubrimiento hasta el diseño

4INTRODUCCIÓN

� Do you want to make poop smell like peppermint or bananas?� Do you want to work with stem cells in your introductory lab course?� Do you want to know how to manipulate biological systems for your

own diabolical purposes?� Have you ever wondered how Tylenol works?� Have you ever wanted to make a turtle moo?� Have you ever wanted to make surgical tools?

� Do you want to combine your interest in biology with your wicked engineering skills?

� Do you like to think of the body as a machine?� Do you want to engineer life?

THEN, YOU SHOULD CONSIDER DISCOVERING BIOENGINEERING AT MIT!

Discover Biological Engineering (DBE)

5INTRODUCCION

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Snowbird. 2 Agosto 2010. 19.3 s.145 metros. 25.6 Km/h. Todd Reichert. Ontario (Canadá)

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Biomímica: Imitación de la NaturalezaLeonardo Da Vinci (1452-1519): Esquema de máquinas voladoras. No

exitosas.

6INTRODUCCION

Vida: Evolución de 3800 millones de años

• Desarrollo de modelos exitosos por prueba y error.• No necesariamente los más eficientes u óptimos• Necesidad de entender el concepto subyacente para adaptarlo y mejorarlo.•“Domesticar” la naturaleza ≠ Hacer ingeniería a la naturaleza

7INTRODUCCION

Vida artificial: Synthia. Junio 3 de 2010. 850 Genes.

8APLICACIONES

�Medicina� Arquitectura� Textiles� Ambiente� Energía

9MEDICINA

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Novela I am Legend – Richard Matheson, 1954

10MEDICINA

Model for early interactions of rotaviruses with MA104 cells.

Three-dimensional reconstruction of a

mature, triple-layered rotavirus particle. Image

obtained by cryoelectron microscopy.

FUENTE: AriasC.F., Isa P., Guerrero C.A., FUENTE: AriasC.F., Isa P., Guerrero C.A., FUENTE: AriasC.F., Isa P., Guerrero C.A., FUENTE: AriasC.F., Isa P., Guerrero C.A., Mendez E., Zarate S., Lopez T., Espinosa R., Mendez E., Zarate S., Lopez T., Espinosa R., Mendez E., Zarate S., Lopez T., Espinosa R., Mendez E., Zarate S., Lopez T., Espinosa R., Romero P, Lopez S., Molecular Biology of Romero P, Lopez S., Molecular Biology of Romero P, Lopez S., Molecular Biology of Romero P, Lopez S., Molecular Biology of Rotavirus Cell Entry, Archives of Medical Rotavirus Cell Entry, Archives of Medical Rotavirus Cell Entry, Archives of Medical Rotavirus Cell Entry, Archives of Medical Research, Volume 33, Issue 4, JulyResearch, Volume 33, Issue 4, JulyResearch, Volume 33, Issue 4, JulyResearch, Volume 33, Issue 4, July----August August August August 2002, Pages 3562002, Pages 3562002, Pages 3562002, Pages 356----361,361,361,361,

Rotavirus como virus oncolítico

PDI: Proteína disulfuro isomerasa

INGENIERÍA DE TEJIDOS

�Regenerar o recrear tejido humano

�Reconstrucción atrofia lobular congénita

11

INGENIERÍA DE TEJIDOS12

�Regenerar o recrear tejido humano

(Dr. Charles Vacanti)

NO INGENIERÍA DE TEJIDOS

Fuente: http://.www.colorlook.netFuente: http://.www.colorlook.netFuente: http://.www.colorlook.netFuente: http://.www.colorlook.net

13

QUEMADURA SEVERA14

�Afectación: Cara, cuello, pecho y brazos)

�Limitaciones de movimiento mandibular y cabeza, imposibilidad de cerrar la boca.

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PIEL1

5

�Fibroblastos: Función…relleno, matriz extracelular

�Melanocitos: Función…producción de melanina. Color

�Queratinocitos: Función…protección. Erosión

Fuente: Iriarte (2007)Fuente: Iriarte (2007)Fuente: Iriarte (2007)Fuente: Iriarte (2007)

16APLICACIONES

REEMPLAZO17

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REEMPLAZO18

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Función principal puede ser variada y subjetiva

INGENIERÍA DE TEJIDOS1

9

�Reparación de función de tejido dañado o enfermo

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�Medicina�Arquitectura� Textiles� Ambiente� Energía

20APLICACIONES

Eastgate building (Harare- Zimbabwe)

• Usa los principios de diseño de una colonia de termitas africanas

• El edificio posee ventilación y refrigeración natural. Ahorro de Energía

21ARQUITECTURA

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Living Machines

• Parte de la arquitectura del edificio

• Bioremediación

• Subproductos benéficos. (Agua, plantas,productos vegetales)

•South Burlington, Vermont. Este sistema se usa para tratar los efluentes residenciales. (80,000 galones/dia)

22ARQUITECTURA

Lobby of the Port of Portland headquarters, which was completed and ready for occupation May 2010. Certification as a LEED Platinum building.

http://www.livingmachines.com/




23ARQUITECTURA

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; Living Machines

• Parte de la arquitectura del edificio

• Bioremediación

• Subproductos benéficos. (Agua, plantas, productos vegetales)

•South Burlington, Vermont. Este sistema se usa para tratar los efluentes residenciales. (80,000 galones/dia)

24ARQUITECTURA

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OTRAS APLICACIONES DE ARQUITECTURA NATURAL


25APLICACIONES

26APLICACIONES

A propósito de algunas tareas domésticas…

http://uglyhousephotos.com/wordpress/?p=3504





27ARQUITECTURA/TEXTILEShttp://www.superstock.com/stock

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28ARQUITECTURA/TEXTILES

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ot.com/2011/01/reconnecting

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6:52…Tengo clase de 7 y aun no me he maquillado/afeitado…


LOTO (Nelumbo nucifera)

Planta acuática perenne de excepcional pureza. Clave en religión en China, India y Japón.

Hojas de Loto en una laguna durante la lluvia, mostrando el denominado efecto

Loto. Fotografía tomada en "Gärten der Welt" (Jardines del Mundo) en Erholungspark

Marzahn, Berlin / Alemania. http://commons.wikim

edia.org/wiki/File:LotusPlant_by_ArchiKat.jp

http://commons.wikim





edia.org/wiki/File:LotusPlant_by_ArchiKat.jpgg gg


EFECTO LOTO

Dr. en Botanica Wilhelm Barthlott – Universidad de Bonn, Alemania.SEM

Superficies con superhidrofobicidad inducida por una alta rugosidad, autolimpieza y baja adhesión

http://www.youtube.com/watch?v=MFHcSrNRU5Ehttp://www.youtube.com/watch?v=MFHcSrNRU5Ehttp://www.youtube.com/watch?v=MFHcSrNRU5Ehttp://www.youtube.com/watch?v=MFHcSrNRU5E


EFECTO LOTO

Líquido

Sólido

Aire

θ Líquido

Sólido

Aire

θ

Líquido

Sólido

Aire

θ

Hidrofílico: θ <30°Hidrofóbico: θ >90° Superhidrofóbico: θ >150°

Superficie lisa

Superficie rugosaLíquido

Sólido

Aire

θ

Sólido

Aire

Aire

Líquido

Microprotuberancias: Papilas de células epidermales. Inestables por microgotas, condensación, ondas o inhomogeneidad de la superficie


EFECTO LOTO – Estructura Jerárquica

Superficie rugosaLíquido

Sólido

Aire

θ

Sólido

Aire

Aire

Líquido

Sólido

Aire

Aire

Líquido

Nanoprotuberancias: Túbulos cristalinos cerosos, mezcla de nonacosano – 10 –ol y nonacosanodiol (C29). Soluciona el problema de microgotas, condensación Z

. Burton and B. Bhush

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Z. Burton and B. Bhush






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Nanotechnology17, 2758 (2006);





EFECTO LOTO - Textiles

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EFECTO LOTO – Textiles

• El efecto Loto se podría imitar si se pudiese crear una superficie rugosa y cerosa (hidrofóbica).

• Patentado alrededor de 1980

• Multinacional alemana Sto AG: Pintura de exteriores StoLotusan

http://www.youtube.com/watch?v=KaDhdA5takwhttp://www.youtube.com/watch?v=KaDhdA5takwhttp://www.youtube.com/watch?v=KaDhdA5takwhttp://www.youtube.com/watch?v=KaDhdA5takw


EFECTO LOTO – Textiles - Ropa superhidrofóbica a prueba de suciedad

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• NanoCare – NanoTex (David Soane, Alemania)

Basado en polimero hidrocarbonado.Pequeños “bigotes” similares a un durazno

•Schoeller Textil AG (Suiza)Basado en nanoesferas de silica o polímero

•NanoCare AG (Alemania)www.nanocare-ag.com/textilien/Basado en SiO2Inerte, invisible, permanente, resistente a T, aplicación simple, resistente al lavado y a químicos


Conos de Pino dorado

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C_change™: the bionic climate membrane

Schoeller Textil AG (Suiza)

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39APLICACIONES

40APLICACIONES

1- Agua potable para la humanidad

2- Calentamiento Global

RETOS AMBIENTALES�Medicina� Arquitectura� Textiles� Ambiente� Energía

�Escasez de agua seráun enorme problema en el siglo XXI – “ONU statement on water crisis” - 2006.�Desalinización por destilación flash o por membranas. �Aún demasiado $�Jebel-Ali. (Emiratos Arabes). 300 millones m3/año.

41AGUA POTABLE

�Solución a corto plazo: tratar y recircular agua residual.�Problema:

•Patógenos•Compuestos tóxicos•Compuestos indeseables

�Detección difícil y demorada.

42AGUA POTABLE

http://www.oxygenics.com/blog/index.php/2009/09/09/wastehttp://www.oxygenics.com/blog/index.php/2009/09/09/wastehttp://www.oxygenics.com/blog/index.php/2009/09/09/wastehttp://www.oxygenics.com/blog/index.php/2009/09/09/waste----waterwaterwaterwater----treatment/treatment/treatment/treatment/

�Solución:•Biosensores

•Rapidez•Sensibilidad

43AGUA POTABLE

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44AMBIENTE

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Calentamiento global

45AMBIENTE

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ot.com/2010/05/ready

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“Global Warming Ready”

•Campaña publicitaria•Posición despreocupada

46AMBIENTE

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Soluciones para el calentamiento global

Intercambio de gasesSecuestro de CO2

47AMBIENTE

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Microalgas

Reino EukaryotaDivisión ChlorophytaClase ChlorophyceaeOrden ChlorococcalesFamilia OocystaceaeGénero ChlorellaEspecie Chlorella vulgaris

Alga verde unicelular De agua dulceEsférica diámetro entre 2 y 10 µm

Clasificación científica

48APLICACIONES

�Captación de CO2 en la fuente

http://operationalgae.com/Bioreactors.htm

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49APLICACIONES

�Reactores de diferentes tipos

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lder.wordpress.com/2008/04/16/alga

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50APLICACIONES

�Raceway reactor

http://www.dotyenergy.com/Markets/Micro



http://www.dotyenergy.com/Markets/Micro-- -- algae.htm

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algae.htm

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http://www.altdotenergy.com/2009/01http://www.altdotenergy.com/2009/01http://www.altdotenergy.com/2009/01http://www.altdotenergy.com/2009/01/international/international/international/international----biofuelbiofuelbiofuelbiofuel----partnershippartnershippartnershippartnership----betweenbetweenbetweenbetween----primafuelprimafuelprimafuelprimafuel----andandandand----benbenbenben----guriongurionguriongurion----university/university/university/university/

51APLICACIONES


http://inhabitat.com/newhttp://inhabitat.com/newhttp://inhabitat.com/newhttp://inhabitat.com/new----submissionsubmissionsubmissionsubmission----30303030/

52ENERGIA

Precios internacionales del crudo

Au

g 3

0,

20

11

53ENERGIA

FUENTES DE ENERGIA

Sólida (carbón) Líquida (Petróleo)Gaseosa (Gas natural)ENERGÍAS NO

RENOVABLES

ENERGÍASRENOVABLES

Energía fósil

Energía nuclear

Energía solar (el sol)Energía eólica (los vientos)Energía hidráulica (corrientes agua)Energía mareomotriz (mares)Energía geotérmica (calor de la Tierra)Energía undimotriz (las olas)

Permanentes

Temporales Biocombustibles

54ENERGIA

Oferta mundial de energía según combustible (IEA, 2009)

Emisiones de CO2 mundiales según combustible

(IEA, 2009)

55ENERGIA

Ventajas y desventajas de los biocombustibles

Ventajas•Ciclo cerrado del carbono

Desventajas•Uso en casos limitados•Empleo de terrenos extensivos•Competencia con el sector alimenticio•Impacto negativo en la biodiodiversidad•Capacidad calorífica menor que combustibles fósiles

56ENERGIA

BIODIESEL DE MICROALGASComparación de algunas fuentes de biodiesel para suplir el 50% de la demanda anual de E.U.

Cultivo Rendimiento

aceite (L/ha)

Tierra necesaria

(Mha)

Porcentaje área

cultivable en EU

Maíz 172 1540 846

Soya 446 594 326

Canola 1190 223 122

Jatropha 1892 140 77

Coco 2689 99 54

Palma 5950 45 24

Microalga 70% rend 136900 2 1,1

Microalga 30% rend 58700 4,5 2,5

57ENERGIA

HIDRÓGENO DE MICROALGAS

• El H2 se produce gracias a la hidrogenasa, la cual funciona anaeróbicamente.

• La producción de H2 por microalgas fue descubierto por Hans Gaffron en 1939

• Algunas microalgas que pueden hacer esto son Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella fusca y Scenedesmus obliquus

58

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PREGUNTAS?

GRACIAS

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