{"id":1313,"date":"2023-10-27T06:42:12","date_gmt":"2023-10-27T00:42:12","guid":{"rendered":"https:\/\/amc.edu.mx\/amc2024\/?p=1313"},"modified":"2024-03-02T01:27:43","modified_gmt":"2024-03-02T07:27:43","slug":"tapetes-microbianos-laminados","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/amc.edu.mx\/amc2024\/tapetes-microbianos-laminados\/","title":{"rendered":"\u00bfQu\u00e9 son los tapetes microbianos laminados?"},"content":{"rendered":"\n

Autor: Hever Latisnere Barrag\u00e1n
vol. 74 num. 4 octubre \u2013 diciembre 2023<\/a> <\/p>\n\n\n\n

Estudiar a los microorganismos y sus beneficios para la humanidad brinda m\u00faltiples oportunidades. Los tapetes microbianos son ecosistemas donde suceden procesos biogeoqu\u00edmicos de importancia planetaria, ya que producen metabolitos con potencial aplicaci\u00f3n industrial, biotecnol\u00f3gica y m\u00e9dica. Es esencial preservarlos para su correcto aprovechamiento, dado que poseen innumerables secretos por descubrirse.<\/p>\n\n\n\n

Ver art\u00edculo en PDF<\/a><\/p>\n\n\n\n

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Los microorganismos y su origen<\/h3>\n\n\n\n

Para estudiar a los microorganismos podemos subdividirlos en siete grandes grupos; de \u00e9stos, cuatro pertenecen al dominio eucarionte (microalgas, \u201cmohos limosos\u201d, protozoarios y hongos) y dos son procariontes (bacterias y arqueas). El \u00faltimo grupo es de los virus y viroides, clasificados por separado debido a que son entes biol\u00f3gicos sin capacidad de reproducci\u00f3n propia. En el presente art\u00edculo, los microorganismos de inter\u00e9s son las bacterias y arqueas, puesto que producen mol\u00e9culas de gran utilidad biotecnol\u00f3gica (por ejemplo, pl\u00e1sticos biocompostables), industrial (cremas cosm\u00e9ticas, elaboraci\u00f3n del papel, agentes gelificantes, aglutinantes y recubrimientos para alimentos) y m\u00e9dica (nuevos antibi\u00f3ticos). <\/p>\n\n\n\n

Menos de 200 a\u00f1os han pasado desde que se reconoci\u00f3 la importancia de los microorganismos para la salud animal (incluida la humana) y vegetal; asimismo, hace menos de 100 a\u00f1os tambi\u00e9n se devel\u00f3 su relaci\u00f3n con la salud de los ambientes naturales de los que dependemos los organismos metazoarios. Con ello, es primordial reconocer que, sin el surgimiento de estos seres microsc\u00f3picos, la \u201cmacro\u201d flora y fauna, que cohabitamos con ellos, no podr\u00edamos existir.<\/p>\n\n\n\n

A la fecha, los esfuerzos para explicar el surgimiento de los primeros seres vivos en la Tierra no han concluido. Durante casi tres siglos, se han postulado diversas teor\u00edas cient\u00edficas tratando de dilucidar estos procesos. Algunas de las m\u00e1s renombradas son aquellas de Georges-Louis Leclerc, conde de Buffon (1749), Thomas Henry Huxley (1868) y Ernst Haeckel (1879, 1897) sobre las mol\u00e9culas org\u00e1nicas; Aleksandr I. Oparin (1924, 1938) sobre los coacervados y una atm\u00f3sfera reductora; John B. S. Haldane (1929) sobre la \u201csopa prebi\u00f3tica\u201d en un oc\u00e9ano primitivo; su confirmaci\u00f3n experimental por parte de Harold Urey y Staley Miller (1953); pasando por la hip\u00f3tesis de la \u201cPanspermia\u201d de Joan Or\u00f3 (1961), la teor\u00eda endosimbi\u00f3tica de Lynn Margulis (1967) (v\u00e9ase la Figura 1), y hasta las m\u00e1s recientes que postulan el origen de la vida en ventilas hidrotermales (Martin y Rusell, 2003), mediado por elementos met\u00e1licos como el fierro (Fe), n\u00edquel (Ni) y molibdeno (Mo); minerales como awaruita (Ni3 Fe) y greiguita (Fe3 S4 ), adem\u00e1s del hidr\u00f3geno molecular (H2 ) como donador de electrones (Preiner y cols., 2020).<\/p>\n\n\n\n

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Figura 1. Algunos de los m\u00e1s importantes cient\u00edficos naturalistas de la historia. Sus teor\u00edas han aportado al conocimiento para develar los or\u00edgenes de la vida. Fuente: Karl Harrison\/3DChem.com.<\/em><\/p>\n\n\n\n

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Otras figuras cient\u00edficas, desde sus disciplinas de estudio y teor\u00edas postuladas, de una u otra manera han hecho importantes aportaciones al estudio del origen de la vida y, gracias a ello, se ha ido amasando una gran cantidad de evidencia experimental. Sin embargo a\u00fan existe un debate respecto a las formas y tiempos en que las primeras mol\u00e9culas org\u00e1nicas surgieron y formaron en conjunto un primer ente biol\u00f3gico. Algunas retoman postulados de otras para evaluar sus hip\u00f3tesis y contribuir poco a poco con las piezas de este complejo rompecabezas. No obstante, el objeto de este manuscrito no es analizar el origen de la vida, pero recomendamos acudir a las revisiones exhaustivas hechas por reconocidos divulgadores de la ciencia en M\u00e9xico, como Antonio Lazcano Araujo.<\/p>\n\n\n\n

Volviendo al tema, se calcula que los primeros microorganismos surgieron entre los 3 800 y 3 200 millones de a\u00f1os (e\u00f3n Arqueano). En general, se acepta que la Tierra tiene entre 4 600 y 4 200 millones de a\u00f1os, desde que se enfri\u00f3 y fue bombardeada por meteoritos y cometas que \u2013se sugiere\u2013 aportaron el agua al planeta y as\u00ed comenzaron a formar una atm\u00f3sfera primitiva. Concluido este periodo, durante aproximadamente 500 millones de a\u00f1os, hace 3 800 a 3 500 millones de a\u00f1os, se registraron formas de vida en un planeta con una atm\u00f3sfera con gases de metano (CH4<\/sub>), amonio (NH3<\/sub>), di\u00f3xido de carbono (CO2<\/sub>), vapor de agua (H2<\/sub>O) y otros.<\/p>\n\n\n\n

La vida microbiana de tipo bacteria y arquea domin\u00f3 por alrededor de 3 000 millones de a\u00f1os, mucho antes de que las plantas, animales y hongos se diversificaran y colonizaran la superficie terrestre. Retomando las teor\u00edas de Oparin y Haldane, la vida pudo surgir en pozas de agua primigenias, en ambientes similares a los que actualmente conocemos como tapetes microbianos fototr\u00f3ficos (que hacen fotos\u00edntesis), los cuales tuvieron un papel ecol\u00f3gico primordial en la Tierra primitiva, de manera an\u00e1loga a los bosques de lluvia y selvas actuales, con respecto a la fijaci\u00f3n de carbono (C) inorg\u00e1nico. En dicha \u00e9poca, los microorganismos fijaban C debido a la gran disponibilidad de CO2<\/sub>, y la fotos\u00edntesis se realizaba anaer\u00f3bicamente (en ausencia de ox\u00edgeno [O2<\/sub>]).<\/p>\n\n\n\n

A partir de los procesos de evoluci\u00f3n y selecci\u00f3n natural, un antepasado de las cianobacterias fue capaz de liberar el O2<\/sub> como subproducto de la fotos\u00edntesis, y otros microorganismos lo utilizaron como \u00faltimo receptor de electrones en su cadena respiratoria. Este suceso evolutivo, junto con la fotolisis del O2<\/sub> del agua, y otros aportes del manto terrestre, permitieron una de las m\u00e1s cr\u00edticas modificaciones ambientales que ha sufrido el planeta: la oxigenaci\u00f3n de la atm\u00f3sfera, conocida como el gran evento de oxidaci\u00f3n (2 500 millones de a\u00f1os). Aunque a\u00fan existen discrepancias en cuanto a la forma, n\u00famero y \u00e9poca exacta en que los eventos de oxigenaci\u00f3n sucedieron, esto acarrear\u00eda cambios primordiales en la evoluci\u00f3n biogeoqu\u00edmica y biol\u00f3gica de la Tierra.<\/p>\n\n\n\n

\u00bfY c\u00f3mo sabemos esto?<\/h3>\n\n\n\n

La comunidad cient\u00edfica se basa en evidencias para conjugar una serie de estudios de diversas disciplinas, como las se\u00f1ales biogeoqu\u00edmicas capturadas en las rocas, por ejemplo, al evaluar la variaci\u00f3n de los \u00edndices isot\u00f3picos estables de 12C y 13C, mediante estimaciones filogen\u00e9ticas de enzimas que utilizan y producen O2<\/sub> (Jab\u0142onska y Tawfik, 2021), as\u00ed como hallazgos de microf\u00f3siles (Pang y cols., 2018; Homann, 2019), los cuales son microestructuras que presumiblemente pertenecieron a los microorganismos del pasado. Existen evidencias f\u00f3siles, conocidas como estromatolitos, en regiones como Shark Bay en Australia, Cuatro Ci\u00e9negas en Coahuila o la laguna de Bacalar en Quintana Roo. De lo que conocemos, son las formas representativas de vida m\u00e1s antiguas que existen.<\/p>\n\n\n\n

Los estromatolitos se forman gracias a condiciones ambientales particulares de temperatura, salinidad, pH, presencia de carbonato de calcio (CaCO3<\/sub>), as\u00ed como la ausencia de organismos que pudieran perturbar dr\u00e1sticamente su proceso de sedimentaci\u00f3n y consolidaci\u00f3n. En un inicio se forman biopel\u00edculas (biofilm) constituidas por biomasa microbiana y fragmentos minerales, junto con residuos metab\u00f3licos debido a su crecimiento. Su acrecentamiento se deposita capa tras capa hasta formar un tapete microbiano laminado (TML), el cual contin\u00faa capturando sedimentos de rocas y otros materiales inorg\u00e1nicos, adem\u00e1s de precipitar minerales como parte del metabolismo de los microorganismos que lo conforman. En ocasiones, esto genera una estructura s\u00f3lida conocida como microbialita, la cual, con el tiempo, puede crecer lo suficiente hasta formar un estromatolito (v\u00e9ase la Figura 2).<\/p>\n\n\n\n

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Figura 2. Representaci\u00f3n de la formaci\u00f3n de estromatolitos. Los recuadros muestran microf\u00f3siles presumiblemente de protocianobacterias.<\/em><\/p>\n\n\n\n

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Hay estructuras similares derivadas de este tipo de acreci\u00f3n \u00f3rganosedimentaria, con condiciones particulares para su formaci\u00f3n, como los thrombolitos, oncolitos, dendrolitos y leiolitos, las cuales se diferencian por el tipo y la forma como se depositan los sedimentos que las conforman. Al igual que los f\u00f3siles de plantas, organismos invertebrados y vertebrados, o los dinosaurios que quedaron capturados en la roca, los estromatolitos son una \u201cfotograf\u00eda\u201d del pasado en la que es posible observar la presencia de las l\u00e1minas que formaron el TML. Incluso en algunos tapetes fosilizados (de 3 500 a 3 200 millones de a\u00f1os) se han preservado microf\u00f3siles de protocianobacterias y otras estructuras posiblemente de origen microbiano (Homann, 2019).<\/p>\n\n\n\n

Tapetes microbianos laminados<\/h3>\n\n\n\n

Los TML son comunidades microbianas (bacterias, arqueas y algunos eucariontes como microalgas) autotr\u00f3ficas, autosustentables, formadas por biomineralizaci\u00f3n directa o indirecta, sedimentaci\u00f3n y acumulaci\u00f3n de biomasa residual de los microorganismos que los conforman. Se pueden desarrollar desde las profundidades marinas y ambientes subterr\u00e1neos, hasta grandes altitudes, como laderas de volcanes, as\u00ed como en zonas donde las condiciones bi\u00f3ticas son extremas y pr\u00e1cticamente ni plantas ni animales pueden sobrevivir. Algunos ejemplos de los ecosistemas extremos donde se encuentran los TML son: manantiales calientes (geiseres), ventilas hidrotermales (grandes profundidades marinas), as\u00ed como lagos y cuerpos de agua alcalinos o hipersalinos. Estos entornos ecol\u00f3gicos, conocidos como ambientes extremos, son de suma importancia y requieren que se garantice su preservaci\u00f3n, pues albergan a microorganismos que act\u00faan sobre los ciclos biogeoqu\u00edmicos del planeta en la fijaci\u00f3n de elementos como C, nitr\u00f3geno (N), entre otros. Adem\u00e1s, poseen caracter\u00edsticas metab\u00f3licas que proveen al ser humano con productos derivados que son \u00fatiles en distintas \u00e1reas.<\/p>\n\n\n\n

Innovadores moleculares<\/h3>\n\n\n\n

Debido a la cercan\u00eda f\u00edsica de los miembros que forman el TML, est\u00e1n en una condici\u00f3n ideal para intercambiar informaci\u00f3n gen\u00e9tica que permita la evoluci\u00f3n molecular de metabolitos derivados y la generaci\u00f3n de nuevos metabolismos. Estos ambientes albergan microorganismos que nos aportan beneficios en forma de metabolitos secundarios o enzimas, \u00fatiles en sectores comerciales como la industria del papel, el desarrollo de detergentes, la industria de la leche (productos deslactosados), as\u00ed como en la industria alimenticia, donde los procesos de inocuidad requieren calentar los productos a temperaturas relativamente altas (60 \u00baC).<\/p>\n\n\n\n

Adem\u00e1s del \u00e1mbito industrial, otros grupos investigan c\u00f3mo las interacciones entre los microorganismos de estos ambientes producen sustancias que limitan el desarrollo de otros individuos. En la comunidad del TML se producen mol\u00e9culas org\u00e1nicas, conocidas como bacteriocinas, que act\u00faan como antibi\u00f3ticos y que pueden ser una fuente importante de nuevas biomol\u00e9culas \u00fatiles en el \u00e1rea m\u00e9dica. En investigaciones recientes se ha mostrado que hay cepas de arqueas extremas que producen distintos tipos de mol\u00e9culas antimicrobianas, lo que permitir\u00e1 desarrollar nuevos medicamentos contra las bacterias resistentes a los antibi\u00f3ticos actuales. Asimismo, otros grupos estudian c\u00f3mo las bacterias colonizan el cuerpo humano y buscan maneras de aprovechar esta cualidad, para usarlas como veh\u00edculos que liberen o produzcan mol\u00e9culas bioactivas con efectos antitumorales. Actualmente tambi\u00e9n se llevan a cabo diversas investigaciones en torno a los beneficios de la microbiota que habita nuestro tracto digestivo y c\u00f3mo influencian en nuestro metabolismo, respuesta a enfermedades e, incluso, el estado de \u00e1nimo. <\/p>\n\n\n\n

Otros metabolitos producidos son algunos pol\u00edmeros bacterianos con propiedades pl\u00e1sticas, que podr\u00edan sustituir a los pl\u00e1sticos convencionales, ya que son biocompostables. Nuestro grupo ha desarrollado investigaciones en esta \u00e1rea para aislar bacterias y arqueas capaces de producir este tipo de pol\u00edmeros, conocidos como polihidroxialkanoatos (PHA). Otra de nuestras investigaciones tiene el objetivo de obtener bioenerg\u00e9ticos. En este contexto, comprender las interacciones entre las bacterias y arqueas que habitan los TML de ambientes marinos hipersalinos nos ha permitido generar informaci\u00f3n sobre la biodiversidad de estos microorganismos involucrados en la descomposici\u00f3n de la materia y la producci\u00f3n de biog\u00e1s, como el metano.<\/p>\n\n\n\n

Las arqueas metan\u00f3genas<\/h3>\n\n\n\n

El metano (CH4<\/sub>) es uno de los gases resultantes del proceso de descomposici\u00f3n de la materia bajo condiciones an\u00f3xicas. Los microorganismos del dominio arquea llamados metan\u00f3genos liberan este gas y pueden vivir incluso en condiciones extremas de temperatura (4 \u00baC-100 \u00baC), pH (3-9) e hipersalinidad (30%). Los metan\u00f3genos usan sustratos como el dihidr\u00f3geno (H2<\/sub>), acetato, formato, como fuente de energ\u00eda y otros compuestos de tipo metilados (que presentan uno o varios radicales metilo; \u2022CH3<\/sub>). \u00c9stos cuentan con tres rutas de obtenci\u00f3n de energ\u00eda: 1) la metanog\u00e9nesis hidrogenotr\u00f3fica (reducci\u00f3n del CO2<\/sub>\/H2<\/sub>); 2) la metanog\u00e9nesis acetocl\u00e1stica (fermentaci\u00f3n del acetato); y 3) la metanog\u00e9nesis metilotr\u00f3fica, en la que los grupos metilados pueden ser parcialmente oxidados a CO2<\/sub> y H2<\/sub>. Esta tercera ruta catab\u00f3lica presenta variantes dependiendo del orden taxon\u00f3mico de las arqueas metan\u00f3genas. Es primordial destacar que estas variaciones del catabolismo en la generaci\u00f3n del CH4<\/sub> se traducen en la posibilidad de descubrir nuevas rutas de la metanog\u00e9nesis y, con ello, entender los procesos que estimulan su formaci\u00f3n para aprovecharlos.<\/p>\n\n\n\n

El CH4<\/sub> es considerado el segundo gas de efecto invernadero m\u00e1s importante para el calentamiento global, despu\u00e9s del CO2<\/sub>. Sus fuentes de producci\u00f3n en el planeta se clasifican en: 1)<\/em> emisiones naturales, como humedales, sistemas acu\u00e1ticos (pantanos y TML marinos o dulceacu\u00edcolas), permafrost en la tundra y otras, que producen 30% del total, y 2)<\/em> emisi\u00f3n antropog\u00e9nica, como arrozales, crianza de ganado (vacuno, caprino, ovino, porcino), quema de combustibles f\u00f3siles, rellenos de basura, etc., que aportan el restante 70% de este gas. En este contexto, es esencial entender de manera detallada las rutas metab\u00f3licas mediante las cuales se produce el CH4<\/sub>, lo cual nos permitir\u00e1 generar estrategias de manejo para evitar una sobreproducci\u00f3n de este gas de efecto invernadero.<\/p>\n\n\n\n

El CH4<\/sub> generado de fuentes naturales puede ser de origen termog\u00e9nico y biog\u00e9nico. El primero proviene del manto terrestre, pues escapa a la atm\u00f3sfera por fisuras en el suelo marino, exhalaciones volc\u00e1nicas o quema de hidrocarburos. En tanto, el biog\u00e9nico es emitido por los organismos vivos. De acuerdo con esta clasificaci\u00f3n, el CH4 <\/sub>termog\u00e9nico representa 20%, mientras que el biog\u00e9nico constituye 80%. En este sentido, mediante el \u00edndice isot\u00f3pico de 12C y 13C es posible diferenciar entre el CH4<\/sub> de origen termog\u00e9nico o biog\u00e9nico. Este conocimiento se ha utilizado como un indicador de posibles formas de vida en otros planetas. Actualmente, en las misiones rob\u00f3ticas en Marte, como el Curiosity de la NASA, han detectado se\u00f1ales de CH4<\/sub> en la superficie, aunque a\u00fan no se ha diferenciado su origen, pero este descubrimiento sugerir\u00eda la presencia en el pasado, o quiz\u00e1s actual, de vida microbiana (v\u00e9ase la Figura 3).<\/p>\n\n\n\n

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Figura 3. Esquema te\u00f3rico de emisi\u00f3n de metano en el subsuelo marciano.<\/em><\/p>\n\n\n\n

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Comentarios finales<\/h3>\n\n\n\n

El estudio de los microorganismos que habitan estos ambientes naturales nos permite profundizar y develar poco a poco aquellos \u201csecretos metab\u00f3licos\u201d que se originan en estas condiciones particulares de vida. Como ejemplo, el estudio de la metanog\u00e9nesis nos permitir\u00e1 dise\u00f1ar estrategias de aprovechamiento de este gas natural. Para ello, es importante diferenciar la diversidad de arqueas y sus caracter\u00edsticas metab\u00f3licas mediante estudios como el de is\u00f3topos estables y metagen\u00f3mica.<\/p>\n\n\n\n

Gracias a las tecnolog\u00edas de biolog\u00eda molecular y secuenciaci\u00f3n masiva, hemos dise\u00f1ado \u201cmol\u00e9culas se\u00f1al\u201d a partir de genes involucradas en el proceso de la metanog\u00e9nesis, para, con ello, comenzar a entender c\u00f3mo ocurre. Por m\u00e1s de 40 a\u00f1os, nuestro equipo (a cargo del Alejandro L\u00f3pez Cort\u00e9s) ha enfocado sus esfuerzos en esta l\u00ednea de investigaci\u00f3n. A la fecha, estamos estudiando la bi\u00f3sfera rara en ambientes hipersalinos, con la finalidad de desentra\u00f1ar la diversidad y el metabolismo poco explorado de las arqueas metanog\u00e9nicas. Con ello buscamos conocer qu\u00e9 miembros de la comunidad de arqueas metanog\u00e9nicas en ambientes hipersalinos de los TML de Guerrero Negro, en Baja California Sur, localizados dentro de los estanques de producci\u00f3n de sal de la empresa Exportadora de Sal, S. A. (ESSA), se encuentran bajamente representados, con la intenci\u00f3n de ampliar nuestro conocimiento sobre sus complejas interacciones que resultan en la generaci\u00f3n no s\u00f3lo de gas CH4 , sino tambi\u00e9n en la producci\u00f3n de un vasto reservorio de mol\u00e9culas aprovechables para la humanidad.<\/p>\n\n\n\n

_______________________<\/p>\n\n\n\n

Agradecemos al doctor Alejandro L\u00f3pez Cort\u00e9s por las revisiones que ayudaron a mejorar el contenido de este manuscrito. Esta investigaci\u00f3n est\u00e1 siendo financiada por el proyecto 848287, Fordecyt-Pronaces<\/em><\/p>\n\n\n\n

Hever Latisnere Barrag\u00e1n
<\/strong>Laboratorio de Geomicrobiolog\u00eda y Biotecnolog\u00eda, Centro de Investigaciones Biol\u00f3gicas del Noroeste, S. C. hlatis04@cibnor.mx<\/p>\n\n\n\n

Lecturas recomendadas<\/h3>\n\n\n\n

Homann, M. (2019), \u201cEarliest life on Earth: Evidence from the Barberton Greenstone Belt, South Africa\u201d, Earth-Science Rev<\/em>, 196:102888.<\/p>\n\n\n\n

Jab\u0142onska, J. y D. S. Tawfik (2021), \u201cThe evolution of oxygen-utilizing enzymes suggests early biosphere oxygenation\u201d, Nat Ecol Evol<\/em>, 5:442-448.<\/p>\n\n\n\n

Lazcano, A. (2010), \u201cHistorical development of origins research\u201d, Cold Spring Harb Perspect Biol<\/em>, 2: a002089.<\/p>\n\n\n\n

Martin, W. y M. J. Rusell (2003), \u201cOn the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells\u201d, Phil Trans R Soc Lond<\/em>, 358:59-85.<\/p>\n\n\n\n

Pang, K. et al. (2018), \u201cNitrogen-Fixing Heterocystous Cyanobacteria in the Tonian Period\u201d, Current Biology<\/em>, 28:616-622.<\/p>\n\n\n\n

Revista Ciencia vol. 74 num. 4 octubre \u2013 diciembre 2023<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Estudiar a los microorganismos y sus beneficios para la humanidad brinda m\u00faltiples oportunidades. Los tapetes microbianos son ecosistemas donde suceden procesos biogeoqu\u00edmicos de importancia planetaria, ya que producen metabolitos con potencial aplicaci\u00f3n industrial, biotecnol\u00f3gica y m\u00e9dica. 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