Búsqueda de genes de uña de gato (Uncaria tomentosa), utilizando estrategias de microarreglos heterólogos o chips de ADN

Un paso importante para desarrollar los nuevos materiales es conocer la biología molecular de Uncaria tomentosa. El genoma de uña de gato no está secuenciado, por el contrario, existe poco conocimiento con respecto a la caracterización genética de la especie. La propuesta pretende determinar los genes homólogos de U. tomentosa en Arabidopsis thaliana, mediante la estrategia de microarreglos heterólogos. Esta información es elemental para identificar genes homólogos que sean de interés tanto a nivel de metabolismo y caracterización, como en el mejoramiento genético de la especie.

Una nueva tecnología de chips de ADN o microarreglos de otras especies como Arabidopsis thaliana podrían ser útiles como plataforma para buscar genes homólogos, esto es genes del mismo origen evolutivo, en genomas desconocidos como el de Uncaria.

Esta propuesta se relaciona con el proyecto “Obtención a escala comercial de un extracto hidroalcohólico de uña de gato” ejecutado por CENIBiot-TEC-UCR y la empresa Emprendedores de Costa Rica S.A.

Palabras claves: Geobacillus stearothermophilus, endosporas, escalamiento, biorreactor, control de calidad, esterilización, indicadores biológicos.

• Periodo de ejecución: Enero 2011 - Diciembre 2012.
• Área: Ingeniería y Tecnología
• Subárea: Otras Ciencias de la Ingeniería

El proyecto tiene como objetivo evaluar la utilización de microorganismos que se han modificado genéticamente y de cepas mutantes para aumentar la eficacia del proceso de producción de etanol a partir de la biomasa alta en celulosa y lignina.

Para ello se modificarán cepas (S. cerevisiae) que conviertan xilosa en etanol, se analizarán las variables de pretratamiento (pH y temperatura) para determinar las condiciones óptimas de trabajo, se analizarán los productos de la acción de Phanaerochaete chrysosporium sobre celulosa y lignina y se desarrollarán ensayos para inducir resistencia a etanol en las cepas de Clostridium thermocellum.

Palabras claves: Etanol, celulosa, lignina, cepas mutantes.

• Subárea: Ciencias Biológicas

La piña es un cultivo de gran importancia para la economía nacional gracias a las grandes exportaciones realizadas hacia Europa y principalmente a Estados Unidos lo cual significan una alta entrada de divisas y generación de empleo. Sin embargo esta práctica agrícola ha generado problemas sobre todo a nivel ambiental. Debido al cultivo de la piña se produce una gran cantidad de rastrojo (resto de la planta), por lo que ha aumentado la densidad poblacional de Stomoxys calcitrans la cual afectan la actividad ganadera, se han dado contaminación de ríos y erosión de suelos por una excesiva aplicación de agroquímico. Es necesario desarrollar nuevas tecnologías que puedan reducir el impacto de los perjuicios generados por la siembra de piña con el objetivo de disminuir su impacto en el medio ambiente y generar nuevas oportunidades laborales para los pobladores de las zonas piñeras. La generación de compuestos de interés utilizando residuos orgánicos como materia prima resulta en una excelente oportunidad para disminuir el impacto de residuos agrícolas y al mismo tiempo generar productos de alto interés. Mediante el uso de biología sintética es posible re-diseñar microrganismos capaces de utilizar estos residuos como fuentes de carbono en la producción de biocombustibles, vacunas, alcoholes, aceites, etc. La producción de farneseno y sus precursores se hace posible mediante la modificación de microrganismos tales como Escherichia coli que al rediseñar sus rutas metabólicas podemos producir este compuesto el cual es utilizado en otros países como una alternativa amigable con el ambiente al combustible de origen fósil.

Palabras clave: Farneseno, biología sintética, residuos agroindustriales, biodiesel.

Búsqueda de genes de Uña de gato, mediante diseño bioinformático de primers, basados en los datos obtenidos por microarreglos heterólogos de Arabidopsis thaliana. II Parte

El Instituto Tecnológico de Costa Rica, a través del Centro de Investigación en Biotecnología, ha estudiado ampliamente la planta conocida comúnmente como uña de gato, de gran importancia a nivel mundial por sus propiedades medicinales atribuidas a los metabolitos secundarios encontrados en esta planta. Durante el 2011 y parte del 2012, se ha desarrollado un proyecto que lleva por nombre “Búsqueda de genes de uña de gato (Uncaria tomentosa) utilizando estrategias de microarreglos heterólogos de ADN”. En este proyecto se logró obtener la secuencia parcial del gen que codifica para la proteína DAHPS (3-Deoxy-D-arabino-heptulosonato-7-fosfato sintasa), que participa en la ruta metabólica del shikimato, en la que se producen precursores de oxiindolalcaloides. Esta propuesta pretende dar seguimiento a toda esta valiosa información que se generó con este primer proyecto, tomando en cuenta la importancia que debe tener el darle continuidad al conocimiento que se genere mediante investigaciones realizadas en nuestra institución y que dicha información sea utilizada para generar más conocimiento, nuevos proyectos y productos. Es así como, basado en la experiencia anterior, se pretende secuenciar de forma parcial el genoma de U.tomentosa utilizando las secuencias obtenidas mediante los microarreglos realizados en la primera fase del proyecto y con la información generada, se puede hacer una comparación entre
individuos identificados como altamente productores de metabolitos secundario con aquellos que no lo son, esto como base para tratar de seleccionar los mejores individuos para producción de extracto acuoso de uña de gato.

Palabras Claves: Gen, Bioinformática, Uncaria tomentosa, primer, metabolitos secundarios.

• Periodo de ejecución: Enero 2013 - Diciembre 2014
• Área: Ciencias Médicas
• Subárea: Ciencias de la Salud

Identificación de factores de transcripción putativos en Stevia rebaudiana y Tagetes patula, como herramienta para posterior uso en la descripción de rutas matabólicas de interés

La Stevia rebaudiana perteneciente a la familia Asteraceae, es una planta herbácea, perenne, que crece en climas tropicales y sub tropicales, y es originaria del norte de Paraguay y Sur América. En sus hojas se sintetizan endulzantes sin calorías y termo estables con aplicaciones en las industrias alimentaria y farmacéutica, que pueden ser hasta 300 veces más dulces que la sacarosa. Por su parte, Tagetes patula es una especie vegetal perteneciente a la familia Asteraceae y nativa de la región tropical de América, que se extiende desde México hasta Bolivia, y debe su atractivo a la delicada fragancia de sus flores y sus propiedades medicinales; en la última década, se ha puesto especial atención a los efectos antimicóticos que caracterizan a sus aceites.

La limitante actual es que aún es necesario profundizar en las características genéticas de ambas plantas, a través de técnicas moleculares, que faciliten la comprensión y análisis de los genes que intervienen en los procesos de síntesis de compuestos de interés, de manera que en un futuro pueda incrementarse su productividad con miras a la comercialización de productos; por tanto, la importancia de desarrollar un proyecto enfocado en la caracterización de factores de transcripción en especies de importancia comercial, se resume en la comprensión de los procesos génicos involucrados en las rutas metabólicas de síntesis. Por lo anterior, el objetivo principal del proyecto es identificar los factores de transcripción putativos en Stevia rebaudiana y Tagetes patula, implementando técnicas de extracción de ARN de alta calidad para obtención de ADN copia, que permita agrupar las familias de factores de transcripción putativas de ambas especies para su posterior análisis de filogenia.

Palabras Claves: ADN copia, ARN mensajero, metabolitos, transcriptoma, factores de transcripción.

• Periodo de ejecución: Enero 2013 - Diciembre 2014
• Área: Ingeniería y Tecnología
• Subárea: Otras Ciencias de la Ingeniería

La industria bananera es una de las más importantes a nivel mundial. En Costa Rica, genera gran cantidad de empleos sobre todo en la Región Atlántica, que actualmente es una de las más carentes de fuentes de trabajo. El cultivo de banano se ubica entre los primeros lugares en exportaciones. A principios del siglo XX, la enfermedad conocida como “Mal de Pamamá”, ocasionada por el hongo Fusarium oxisporum f.sp. cubense Raza 1, arrasó con miles de hectáreas de banano. En ese momento, el problema se solucionó con la nueva variedad de banano denominada Cavendish, resistente a dicha enfermedad. Sin embargo, en la segunda mitad del siglo pasado, se reportó la reaparición de la enfermedad, con el agravante de que ahora sí estaba afectando a cultivares de la variedad Cavendish. El agente causal de este nuevo brote de la enfermedad se clasificó como Fusarium oxisporum f.sp. cubense Raza 4, que afecta, no solo variedades de Cavendish y Gros Michel, sino también, plátanos y otros bananos de cocción.  Por otro lado, la identificación del agente causal de la enfermedad ha sido un problema ya que sus características morfológicas son las mismas para las diferentes razas y a nivel de síntomas ambos, se manifiestan de la misma forma.

Con todo este panorama, en esta investigación, se plantea la implementación de un sistema de diagnóstico molecular a partir de análisis de curvas de melting (Desnaturalización del ADN), utilizando la tecnología High Resolutión Melting (HRM), que permita identificar el patógeno de forma temprana, permitiendo a los productores tomar las medidas de contención de la enfermedad a tiempo para limitar la propagación de la misma.

El uso de HRM se presenta como una alternativa confiable que permite la identificación del patógeno en caso de que haya sospecha de la enfermedad. Esta herramienta combina la técnica de PCR con el análisis de curvas de melting. 

PALABRAS CLAVE: HRM, SNP, Fusarium oxisporum, Raza 1, Raza 4, Banano, Cavendish, Gros Michel.

La piña es un cultivo de gran importancia para la economía nacional gracias a las grandes exportaciones realizadas hacia Europa y principalmente a Estados Unidos, lo cual significa una alta entrada de divisas y generación de empleo. Sin embargo, esta práctica agrícola ha generado problemas sobre todo a nivel ambiental. El cultivo de la piña produce una gran cantidad de rastrojo (resto de la planta), por lo que ha aumentado la densidad poblacional de la Mosca del establo (Stomoxys calcitrans), la cual afecta la actividad ganadera. Se ha provocado la contaminación de ríos y la erosión de suelos por una excesiva aplicación de agroquímicos. Es necesario desarrollar nuevas tecnologías que puedan reducir el impacto de los perjuicios generados por la siembra de piña, con el objetivo de disminuir su impacto en el medio ambiente y generar nuevas oportunidades laborales para los pobladores de las zonas piñeras. En los últimos dos años, el laboratorio de Biología Sintética del Centro de Investigaciones en Biotecnología del Instituto Tecnológico de Costa Rica ha estado desarrollando una plataforma a partir de bacterias para producir compuestos de interés industrial a partir de residuos de agrícolas de piña. Ya se ha logrado establecer los genes necesarios para la producción de farneseno y con este proyecto se busca optimizar la plataforma de expresión para aumentar los niveles de producción de este compuesto. La generación de compuestos de interés utilizando residuos orgánicos como materia prima, resulta en una excelente oportunidad para disminuir el impacto de residuos agrícolas y al mismo tiempo generar productos de alto interés de forma industrial. Mediante el uso de biología sintética es posible re-diseñar microrganismos capaces de utilizar estos residuos como fuentes de carbono en la producción de biocombustibles, vacunas, alcoholes, aceites, entre otros. La producción de farneseno se hace posible mediante la modificación de microrganismos, el cual es utilizado en otros países como una alternativa amigable con el ambiente, con relación al combustible de origen fósil.

PALABRAS CLAVE: Farneseno, biología sintética, residuos agroindustriales, optimización.

Cada año en nuestro país se detectan cerca de 1000 nuevos casos de cáncer de mama, causando el 14% de las muertes femeninas al año. Según datos reportados por la CCSS, con respecto a la mortalidad ocasionada por cuadros de cáncer de mama, se ha visto un aumento del 5% desde el 2000 al 2012, afectando principalmente a mujeres, de entre 15 y 74 años de edad; por lo anterior y muchas otras razones, actualmente se busca crear alternativas para su tratamiento y prevención. Dentro de esta línea, el cultivo in vitro de plantas medicinales como P. niruri y P. acuminatus, mediante técnicas innovadoras como la inducción de raíces pilosas, no sólo garantiza material de alta calidad y con mejores rendimientos de agentes bioactivos, sino que debido a
esto, se puede aprovechar el potencial de las propiedades anti cancerígenas de dichos compuestos. El género Phyllanthus en general se caracteriza por sus propiedades antioxidantes, potencial de prevención del cáncer y actividad antitumoral, relacionadas con la presencia de compuestos como alcaloides, flavonoides, lignanos, fenoles, taninos y terpenoides que posee el género. Entonces, sobre la base de que la técnica de hairy roots busca una mayor producción de raíces adventicias con el fin de aumentar la producción de metabolitos secundarios, este proyecto tiene por objetivo obtener raíces de cabellera de Phyllanthus acuminatus y P. niruri por agroinfección con Agrobacterium rhizogenes para la obtención de compuestos bioactivos con actividad sobre líneas celulares de cáncer de mama.

Palabras clave: Agroinfección, citotoxicidad, compuesto bioactivo, inmunocitoquímica, línea celular

Establecimiento de un proceso de recolección de biomasa, ultrasonificación y secado de la biomasa algal a partir de un cultivo de Chlorella vulgaris (Fase II)

Los estudios más recientes han demostrado el excelente potencial de las algas para producir una amplia gama de compuestos polisacáridos, lípidos, proteínas, pigmentos, vitaminas, esteroles, enzimas, antibióticos, productos químicos, farmacéuticos y biocombustibles (metano, etanol). La ubicación y las condiciones climáticas privilegiadas de nuestro país ofrecen un escenario favorable al cultivo masivo de microalgas que son de gran interés en la industria (Chisti, 2007). El conocimiento de la biodiversidad de las microalgas nacionales abre la posibilidad de desarrollar nuevas industrias en el país que tengan interés en la elaboración de productos de origen algal, con alto potencial económico.

Los cultivos de microalgas de Chlorella sp en sistemas abiertos son prometedores debido a su rápida tasa de crecimiento y la capacidad alta de fijación de CO2 y además su biomasa presenta una capacidad energética alta (18,59MJ/kg), pueden llegar a concentraciones de carbohidratos y lípidos potenciales (19,46%, 28,82% respectivamente), por tanto que las convierte en cultivos viables para ser utilizadas en producción de etanol y biodiesel (Phukan et al., 2012).

El Tecnológico de Costa Rica, la Escuela de Biología, la Escuela de Química y la Escuela de Electrónica en los últimos años ha trabajado con proyectos de microalgas. También se cuenta con un diseño de estanque y paletas que permite cultivar a escala semimasiva, un sistema electrónico a control remoto que facilita la captura de datos de variables ambientales y físicas. Las investigaciones han conformado alianzas con diversas empresas nacionales y que con su colaboración se ha alcanzado avanzar en los procesos de escalamiento.

Con los resultados de las investigaciones que hoy día se cuenta, se hace importante continuar con la investigación de las tecnologías de recolección de biomasa, ultrasonificación, secado y empacado de la biomasa seca. De esta manera, se cuenta con cultivos en estanques en cinco sitios del país y se necesita continuar con el acompañamiento a los empresarios asociados (fase II del proceso). Este estudio pretende realizar diversos ensayos de colecta de la biomasa en condición semimasiva de los estanques (empresas vinculadas) y ultrasonificar a diversas intensidades y posteriormente realizar pruebas químicas para la determinación de las concentraciones de aceites, su decantación y el posterior secado de la biomasa.

PALABRAS CLAVE: Ultrasonido, secado, colecta de microalgas, centrifugado de microalgas, biomasa microalgal.

Establecimiento de cultivos unialgales mediante microselección e inyección de microalgas para la obtención de fuentes de energía renovable

Las microalgas son un grupo de microorganismos principalmente Chlorobiaceae que incluye especies tanto procariotas y eucariotas. Estos organismos pueden convertir fotosintéticamente CO2 y minerales en biomasa, pero también existen algunas especies heterotróficas. Algunas microalgas han sido consideradas como organismos con gran potencial para la producción de diversos compuestos de interés, basado en su capacidad de crecer rápidamente y de acumular grandes cantidades de lípidos y otras sustancias de almacenamiento.

El aislamiento de las mismas es un proceso necesario para obtener cultivos puros y representa el primer paso hacia la selección de cepas de microalgas con potencial para la producción. Algunas técnicas de aislamiento tradicionales incluyen la selección manual para aislamiento al microscopio o diluciones de células seguidas de cultivo en medio líquido o en placas de agar; como resultado de este proceso se pueden obtener cultivos puros que suele ser fácilmente identificables.

Estos procesos de aislamiento, basado en métodos tradicionales, consumen mucho tiempo y requiere medios de cultivo estériles. Es por esta razón que la microselección asistida por micromanipulación permitiría acelerar el proceso de selección y producción de cultivos unialgales en microalgas de interés. La técnicas de aislamiento unicelular ha sido utilizada para tres propósitos principales en microbiología y biotecnología: (1) para el cultivo de microorganismos previamente no cultivables; (2) para evaluar y monitorear la fisiología de la célula y su función; y (3) para detectar productos microbiológicos novedosos tales como enzimas y antibióticos.

PALABRAS CLAVE: Microalgas, cultivos unialgales, microselección, microinyección, cepario, identificación molecular.

• Periodo de ejecución: Enero 2015 - Diciembre 2017
• Área: Ciencias Agronómicas
• Subárea: Biotecnología Agrícola