vol. 1 núm. 1 (2019): memorias institucionales uis

Los microorganismos se encuentran en prácticamente todos los seres y medioambientes de la tierra interactuando en una variedad de relaciones. El desarrollo de las bioindustrias debido a la producción de una gran cantidad de productos y sustancias de uso potencial para la medicina, la agricultura y la industria ofrece un enorme potencial para la bioprospección microbiana y para el descubrimiento de nuevas aplicaciones. Este artículo presenta una breve descripción del uso de microorganismos y metabolitos microbianos como una base sostenible de los desarrollos agrícolas, de medicina, ambientales e industriales del futuro.

Considerando que en 2050 la agricultura deberá producir 70 % adicional para atender la demanda de alimentos y la seguridad alimentaria global (FAO, 2010), el 90% de dicho aumento debería provenir del mayor rendimiento y la intensificación sostenible de la producción asociados a menores perdidas poscosecha y a una significativa disminución de los desperdicios de alimentos (50% de reducción) a la vez y en conjunto, con una disminución (60%) de las emisiones en las operaciones agrícolas. Entre los desafíos para alcanzar el gran objetivo anterior figuran, un nivel crítico de urbanización acelerada, el creciente aumento en el consumo de proteína animal que demandará mayores disponibilidades de maíz y soja, la consideración estricta a la degradación ambiental y sus planes de control, el manejo sostenible de los recursos hídricos, el control o reversión de la erosión de los suelos (que afectan concretamente al Departamento de Santander en forma significativa) y la mitigación de los impactos del cambio climático especialmente en situaciones de fragilidad de recursos o marginalización socio económica como es el caso de la agricultura familiar. Este sector alcanza en ALC al 80% del total de las unidades de producción, con generación significativa de empleo familiar y aportando el 40 % del valor bruto de la producción agrícola sin participar visiblemente en su comercialización en los mercados formales. En el caso del Departamento de Santander el cultivo de cacao es clave en la economía departamental alcanzando a 47 000 ha en 15 000 unidades productivas mayoritariamente familiares y representando el 48% de la producción nacional. Si bien lo anterior, la producción de cacao santanderiano enfrenta serias limitantes dado que 35 000 ha requieren renovación (edad de los árboles, deficiencias en las prácticas agronómicas, problemas fitosanitarios y baja calidad genética de los materiales utilizados) y solo el 12% de los productores controlan bien Monilia spp. (principal enfermedad que puede causar perdidas de hasta el 90% de la producción) lo que hace que en términos promedio, se generen ingresos inferiores a COL $ 500,000/mes en un 33% de las familias productoras de cacao. En este contexto, la biotecnología agrícola puede aportar múltiples soluciones para la producción sostenible tales como, entre otras: i) mejores plantas a través de selección de plantas madre y clonación por micropropagación y multiplicación masiva en viveros; ii) clonación masiva a través de embriogénesis somática; iii) selección y mutación de microorganismos presentes de los granos de cacao (levaduras, bacterias lácticas, bacterias acéticas, Bacillus y enterobacterias) y su inoculación al proceso de fermentación para obtener cacao premium, especial en aromas nuevos; iv) producción de inóculos microbianos y sustratos para la bioremediación de suelos contaminados (en especial con Cd) a partir de actividades mineras y/o petroleras; y v) biocontrol de Monilia a partir de biofungicidas producidos en emprendimientos productivos. Existen importantes recursos genéticos de cacao que deben ser conservados, mejorados y utilizados en forma sostenible. En ello, el desarrollo de la agrobiotecnología y de la genómica en particular, están cobrando especial interés en cacao a partir del primer genoma secuenciado en 2011 revelando mas de 30 mil genes (10 mil más que el genoma humano) con secuencias genéticas que empiezan a aportar fuentes de resistencia a enfermedades (Monilia y escoba de bruja) y nuevos sabores. Si bien a 2018 no hay ningún cacao transgénico comercial existe una gran presión pública y percepción negativa frente a la posibilidad de variedades OGM en uva para vino, olivos, café y cacao. En el caso del cacao inclusive se pretende eliminar los aditivos en el chocolate de jarabe de maíz y de lecitina de soya que son importados mayoritariamente desde países productores de OGM. Crear un chocolate OGM no es fácil (600 componentes de sabor) dado que involucra obtener la combinación correcta de sabores, junto con resistencia a enfermedades lo que resulta extremadamente difícil. En este contexto, las “nuevas” biotecnologías de mejoramiento (nBT/CRISPR) a partir de la edición de los genomas abren expectativas dado que es posible hacer precisos ajustes al ADN lográndose plantas mejoradas no OGM, capaces de soportar mejor las enfermedades en cacao (i.e. gen TcNPR3 que suprime la respuesta a la enfermedad en la planta) y la falta de agua. Las opciones para la agricultura familiar implican disponer no solo demejores semillas (tanto por mejora convencional o por biotecnología) y mejores tecnologías para la protección de cultivos, el manejo del suelo y el agua, buenas prácticas para asegurar producción y calidad sino que también de formas apropiadas de organización y comercialización. En adición a aplicar biotecnologías apropiadas, es necesario establecer a nivel de los productores familiares un claro mapa de ruta de comercialización con criterios de calidad y precios diferenciados, analizar los puntos críticos de la cadena, mejorar el control del proceso con tecnología poscosecha para mantener la calidad adecuada e identificar nuevos productos y nichos de mercado. Un enfoque de educación no formal y de transferencia de tecnologías en Colombia, a través de escuelas de campo desarrolladas por FAO, con participación de las comunidades de agricultura familiar en la identificación de los problemas y sus posibles soluciones incluyendo el reconocimiento del saber local en sinergia con los conocimientos científicos, ha resultado en emprendimientos socioproductivos sostenibles de agricultura familiar (http://www.fao.org/3/a-i7493s.pdf). Los resultados de estos emprendimientos, conducidos por las familias en sus condiciones (agro-ecosistemas, situación socioeconómica, cultivos y sistemas productivo), resaltan la importancia de la agregación de valor a través de las buenas prácticas y el registro de datos del proceso, el empoderamiento y liderazgo de la mujer, la construcción de confianza y tejido comunitario, el acceso a servicios y bienes públicos así como la necesidad de incorporar tecnologías de información y comunicación (TIC). Los anteriores ejemplos y factores brindan perentorias oportunidades para la UIS en su rol tanto académico como de institución líder en la gestión del territorio.

Los aceites esenciales son productos derivados agroindustriales, forestales no maderables, con valor agregado alto, cuya principal característica distintiva es un olor intenso y muy particular para cada aceite, que depende tanto del tipo de planta de la cual se extrae, como de la composición química, que puede ser variable y es muy compleja. Los aceites esenciales son líquidos de naturaleza aceitosa, volátil, aromática, que se obtienen de varias partes de las plantas, especialmente de hojas y flores. Son producto del metabolismo secundario de la planta, para protegerla de microorganismos patógenos, repeler insectos plaga, y reducir el apetito de algunos herbívoros al conferirle un sabor desagradable a la planta

Colombia alberga aproximadamente el 10% de todas las especies de plantas de la Tierra y está bendecida con las tres cordilleras de los Andes. Bajo el calentamiento climático, las especies de plantas tropicales necesitan migrar hacia arriba para mantener sus requerimientos térmicos. La migración hacia las cimas de las montañas puede llevar a la extinción de especies que están la parte más alta, a brechas y contracciones en los rangos de distribución altitudinal, y a la pérdida de biodiversidad en las tierras bajas. En esta ponencia, se presentan algunos aspectos sobre la vulnerabilidad de la flora en las diferentes bioregiones del país y se discute la importancia de los Parques Nacionales Naturales de Colombia como refugios para la flora durante el calentamiento climático.

Evidencias científicas han demostrado que el Cambio Climático que estamos experimentando, es una resultado de la intensificación del efecto invernadero natural ocasionado por la excesiva emisión a la atmósfera de los gases de efecto invernadero, especialmente, el dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (NO2), vapor de agua entre otros, desde finales del siglo XIX, que se incrementaron en el siglo pasado y no cesan sus emisiones, especialmente, en el trópico, a la deforestación que conlleva al cambio en el uso del suelo (tala y quema de bosques), la agricultura y la ganadería extensiva, entre otros. De ese modo, el equilibrio de la interface biosfera-atmósfera, que contribuyen a la regulación de los ciclos biogeoquímicos, i.e. ciclo del agua, ciclo del carbono, ciclaje de nutrientes, está siendo alterado dramáticamente. La presión sobre los recursos hídricos en Colombia y particularmente en el Dpto de Santander, debido al el crecimiento demográfico y la creciente urbanización la mayor demanda de energía y alimentos, y junto con la contaminación de las fuentes de agua y el cambio climático, plantean retos significativos para la gestión actual y futura del agua. Por lo tanto, la seguridad hídrica es un tema crucial y garantizar la oferta es uno de los principales retos para las centros urbanos y cabeceras municipales, y de manera especial en zonas áridas y semiáridas, confrontadas con la escasez recurrente o permanente, por causa de la alteración del fenómeno de El Niño o en su defecto, a La Niña, causando inundaciones, en ambos casos, que pueden ser catastróficas. En el departamento de Santander, se espera que el cambio climático afecté en el corto plazo, 2020-2050, los regímenes de la precipitación debido al aumento de la temperatura en aproximadamente 2ºC-3oC, con efectos en los diferentes ecosistemas de las diferentes zonas de vida, a lo largo del gradiente altitudinal. Entender cómo varía el ciclo hidrológico regional y de qué manera la vegetación puede responder y contribuir en su regulación, e igualmente, a la reducción del CO2 atmosférico y otros gases de efecto invernadero, en los agro-ecosistemas y ecosistemas naturales, con el fin de garantizar la seguridad hídrica es necesario y urgente. Finalmente, sugerimos la gestión de planes y programas para la conservación y restauración del paisaje con especies vegetales, preferiblemente, nativas, que favorezcan la regulación y uso eficiente del uso del agua en el territorio, que permitan la implementación de estrategias de doble propósito: reducir los gases de efecto invernadero, especialmente, el CO2, y se regule el ciclo hidrológico regional, a una escala de cuencas, en el departamento de Santander.

El objetivo de la investigación fue responder si ¿Puede un embalse llegar a cambiar el micro-clima y por ende el ciclo productivo y fenológico de los sistemas de producción agrícolas de su zona circundante? Se definió la metodología basado en: i) conocer el comportado del clima a lo largo del tiempo antes el embalse, ii) diferenciar los efectos del clima a escala global frente a los efectos a escala local (microclima), iii) definir cómo y dónde monitorear respecto al embalse, y iv) establecer los indicadores agronómicos más sensibles a los cambios del clima. Se instalaron siete estaciones meteorológicas alrededor del embalse y 21 parcelas de cacao por ser el cultivo de mayor relevancia en la zona. La ubicación de las unidades de monitoreo agronómico se realizó a través de dos procesos sucesivos: i) diagnóstico agroeconómico; y ii) análisis multicriterio. El monitoreo se llevó a cabo en dos momentos de tiempo “antes” y “después” del llenado del embalse. El primer periodo “antes” se obtuvo entre enero de 2012 y diciembre 2014 y el segundo “después” entre enero de 2015 y diciembre de 2017. Para el análisis de los datos se recurrió al algoritmo Environmental Impact Assessment (EIA), instrumento que permite evaluar información registrada en dos periodos de tiempo y determinar desde la variabilidad de los datos si existen cambios potenciales en su comportamiento debido a un disturbio ambiental. Al analizar el comportamiento de las variables meteorológicas y agronómicas entre enero de 2012 y diciembre de 2017, se obtuvo resultados que denotan escenarios sin cambios en el 91% de las parcelas y 71% de las estaciones. En dos estaciones y dos parcelas se presentan escenarios con cambios significativos reflejados en datos atípicos que corresponden a características asociadas temporalmente al fenómeno de “El Niño” presente en el 2015 y primer trimestre del 2016 en el área de estudio. A modo de conclusión se establece que en los tres años de monitoreo posterior al llenado del embalse, no se logró identificar estadísticamente cambios generales significativos en el ciclo fenológico y productivo de los cultivos de cacao asociados directamente a condiciones micro-climáticas.

Los efectos del clima sobre la producción agrícola, los recursos hídricos o el funcionamiento de la vegetación están bien establecidos en la literatura; sin embargo, los efectos causados por los cambios en los ecosistemas naturales o manejados sobre el clima local son menos reconocidos. La vegetación afecta al clima local a través de su impacto directo en el balance energético de la región a través de dos procesos principales: el albedo y la evapotranspiración. En cuanto al albedo, las coberturas vegetales reflejan más radiación solar que los suelos sin cobertura vegetal o que los edificios u otras estructuras urbanas, y los pastos reflejan más radiación solar que los bosques. A mayor energía solar reflejada menor aumento de la temperatura de la superficie. De la energía no reflejada, la vegetación representa el tipo de cobertura que mayor energía usa para producir trabajo (fotosíntesis y evapotranspiración). Entonces, la energía absorbida no utilizada contribuye al aumento de la temperatura del suelo y aire. En otras palabras, cuanto mayor evapotranspiración, mayor productividad vegetal y menor aumento de la temperatura del aire. Además, un incremento significativo en la evapotranspiración un aumento de la humedad relativa del aire y en consecuencia, una mayor cantidad de lluvias debido a que las masas de aire son más frías. En consecuencia, el manejo de los ecosistemas naturales y productivos debe incluir el efecto que tales decisiones tienen sobre el clima. Teniendo en cuenta esas premisas, los sistemas naturales son más productivos que los sistemas manejados, las decisiones para su conservación no sólo afectaran al mantenimiento de la biodiversidad sino también otorgan capacidad reguladora sobre el clima, la precipitación y el mantenimiento de los recursos hídricos en el departamento de Santander.

En esta presentación se hizo un breve recuento de algunos aspectos del desarrollo de la ciencia en Colombia, comenzando por la Real Expedición Botánica del Nuevo Reino de Granada y sus personajes José Celestino Mutis y Francisco José de Caldas, el primer científico colombiano. Se mencionaron las contribuciones del General Francisco de Paula Santander a la educación y su reconocimiento de la importancia de la ciencia para el desarrollo del país. Se recordó al astrónomo y matemático Julio Garavito Armero. Se hizo énfasis en que la investigación básica sigue siendo el único motor que históricamente ha demostrado ser capaz de generar conocimiento y desarrollo económico. Todo se debe a la ciencia básica, a los trabajos de pioneros que, queriendo entender la naturaleza y la vida, construyeron el conocimiento que finalmente nos llevó a los prodigiosos avances que hoy vivimos. La riqueza de Colombia en términos de su extensión terrestre (1.141.748 km2 continentales y 930.000 km2 oceánicos) y de su biodiversidad, ofrece condiciones muy especiales para que se convierta en un país realmente competitivo. Se mencionaron algunos ejemplos de contribuciones que la ciencia colombiana ha hecho para el bien de la sociedad en áreas como la agricultura, la biotecnología, la salud y la tecnología, y se analizó brevemente la situación de financiación de la ciencia en el país.

La nanociencia ha permitido el desarrollo de nuevos nanomateriales con aplicaciones diversas. Sin embrago, dentro de la gran variedad de nanomateriales existentes, las nanopartículas (NPs) metálicas han atraído la atención debido a sus excelentes propiedades fisicoquímicas intrínsecas a su tamaño nanométrico. Una propiedad muy interesante de las NPs es que sus electrones libres experimentan oscilaciones coherentes colectivas (resonancia plasmónica, SPR) en presencia de radiaciones electromagnéticas, emitiendo calor. Esta propiedad denominada efecto fototérmico, las ha ubicado en la mira de la nanotecnología para diversas aplicaciones. No obstante, el singular comportamiento de las nanopartículas metálicas se encuentra esencialmente influenciado por factores intrínsecos generados por el proceso de síntesis, como son el tamaño, forma, anisotropía, ordenamiento atómico superficial, polidispersidad entre otros. En este sentido y como una alternativa a la generación de materiales nanotecnológicos eficientes en procesos puntuales, se ha sugerido una de las metodologías bottom-up más versátiles para la síntesis de nanopartículas como es el uso de micelas inversas a modo de medios de reacción confinados o nanoreactores moleculares. Las micelas inversas son sistemas organizados auto-ensamblados que se obtienen cuando se disuelve una molécula de surfactante en un solvente orgánico de baja polaridad. Las micelas inversas se han empleado como nanoreactores en diferentes reacciones químicas y biológicas, y en la síntesis de nanomateriales esta metodología se caracteriza por ser simple y reproducible, permite el control de la estructura, tamaño y forma de las partículas mostrando ser una promisoria estrategia de síntesis para el modulado de las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas en función a su aplicación.

Los materiales termoeléctricos (TE) son ampliamente conocidos por su capacidad de convertir la energía térmica en energía eléctrica y viceversa. La eficiencia termoeléctrica está relacionada con la figura de mérito zT la cual correlaciona la dependencia entre el coeficiente Sebeeck, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica. Una de las principales rutas abordadas en el incremento de esta eficiencia TE es precisamente la reducción en la conductividad térmica sin disminuir el coeficiente Sebeeck o la conductividad eléctrica. En esta línea de investigación, presentamos un novedoso proceso de fabricación de nanoestructuras (tanto en película delgada como nano-mallas) de Silicio-Germanio (Si0.8Ge0.2) a través de pulverización catódica a bajas temperaturas de sustrato. Esta nueva aproximación, nos permite controlar el tamaño de poro, espesor y tiempo de depósito en un solo paso, brindando la posibilidad de recubrir grandes áreas sin necesidad de recurrir a procesos litográficos o tratamientos térmicos adicionales.

Since the 1960s, researchers exploring the potential of artificially-structured materials for applications in quantum electronic devices have sought combinations of metals and semiconductors that could be combined on the nano-scale with atomically-sharp interfaces. Early work with multilayers of polycrystalline elemental metals and amorphous semiconductors showed promise in tunneling devices. More recently, similar metal/semiconductor multilayers have been utilized to demonstrate novel optical metamaterials. These metal/semiconductor multilayers, however, are not amenable to atomic-scale control of interfaces. We developed the first epitaxial metal/semiconductor multilayer and superlattice heterostructures that are free of extended defects. These rocksalt nitride superlattices have atomically sharp interfaces and properties that are tunable by alloying, doping and quantum size effects. Furthermore, these nitride superlattices exhibit exceptional mechanical hardness, chemical stability and thermal stability up to ~1000֩C.

Como consecuencia de los importantes avances y desarrollos derivados de la apropiación de tecnologías emergentes, principalmente las tecnologías de la información, nanotecnología y biotecnología, se están perfilando nuevos escenarios que construyen una hoja de ruta para el quehacer científico y tecnológico en los próximos años. Frente a los grandes desafíos que afronta la sociedad del siglo XXI, entre los que se destacan la crisis energética, el problema ambiental, de salud y alimentación, entre otros, la nanociencia y nanotecnología se está posicionando como una valiosa alternativa, que permitirá a partir de un uso responsable, atender las exigencias que conduzcan a soluciones sostenibles a corto y mediano plazo. Son tres los componentes de la oferta que hace la nanociencia y nanotecnología: i) nuevos materiales como soporte y materia prima para abonar el terreno de necesidades tecnológicas. ii) Procesos sostenibles y de bajo impacto en ambiente y seres vivos que permitan la manufactura de materiales nanoestructurados y estrategias para mejorar rendimiento energético y saneamiento ambiental. iii) Finalmente el componente de herramientas, orientado desde las ventajas que ofrece la nanoescala, al diseño y confección de dispositivos, sensores, etc. necesarios para atender las tareas de monitoreo, medición y actuación.

Todos nos hemos preguntado alguna vez cuál es el tamaño de nuestro Universo, cuál es su origen, cuál es su destino, y qué lugar ocupamos en él. Con el paso del tiempo nuestra curiosidad y los desarrollos tecnológicos nos han dado algunas respuestas, aunque a cada paso, inevitablemente, las preguntas se multiplican.

Las fibras de fique, consideradas las fibras naturales colombianas por excelencia, han sido tradicionalmente usadas en la elaboración de sogas, alpargatas y costales. Sin embargo, durante el proceso de aprovechamiento de la planta de fique no sólo se extraen fibras, que sólo representan un 4% de las hojas, sino otros subproductos con propiedades y potenciales aplicaciones muy interesantes. Una forma de explotar estas características de las fibras y los subproductos de la planta de fique es mediante procesos nanotecnológicos. Es así como, por ejemplo, se han elaborado materiales con propiedades antibacteriales y para el tratamiento de aguas, mediante la síntesis de nanopartículas sobre fibras de fique. Adicionalmente, se han realizado procesos de extracción de materiales a nanoescala de los subproductos de la planta de fique, los cuales podrían incursionar en la industria textil, cosmética, alimentaria o médica. De esta forma, el uso de la nanotecnología con los productos y subproductos de la planta de fique hace que las posibilidades sean casi infinitas.

Proyectos de Código Abierto (Open Source) y de Acceso Abierto (Open Access) han definido y siguen dando forma a grandes desarrollos en la ciencia fundamental y las tecnologías de la información.Desde hace mucho tiempo, pero más aun hoy en día, empresas científicas y colaboraciones académicas impulsan un basto set de proyectos Open Source en términos de recolección, almacenamiento, distribución, análisis, procesamiento, visualización y efectiva utilización de datos.

Los descubrimientos en ciencia básica han permitido desarrollar métodos para entender las causas que alteran la salud y con ello establecer un mejor diagnóstico. Actualmente mediante las tecnologías de secuenciación de nueva generación y bioinformática es posible obtener el genoma de un ser humano u otros organismos y con ello dilucidar las causas genéticas de un enfermedad. En otros casos, el diagnóstico se realiza con la amplificación de segmentos de ácidos nucleicos del agente patógeno o del individuo con la Reacción de Polimerización en Cadena (PCR). Pero, en el caso del diagnóstico mediante secuenciación, aún continúan regiones desconocidas de los genomas; mientras que el diagnostico por PCR en cualquiera de sus variantes ocurren diagnósticos falsos positivos

La Física Médica es una rama altamente interdisciplinaria de la física, que consiste en la aplicación de conceptos, leyes, modelos, técnicas y métodos para la prevención, el diagnóstico, el tratamiento, el seguimiento y la rehabilitación de enfermedades en el ser humano. Comprende a la radioterapia, el radiodiagnóstico, la medicina nuclear, la protección radiológica, las neurociencias, las aplicaciones de láseres y nanopartículas en medicina, las resonancias nucleares y atómicas, la ciencia de materiales, el biomagnetismo y la electromedicina.

La producción mundial de cacao, con nuevo enfoque para consumo directo como Bean to bar, Chocolates artesanales o para la industria farmacéutica, han permitido el posicionamiento de un nuevo concepto “la calidad física y sensorial del cacao”. En el mundo cacaotero, América latina, aporta el 15% de la producción mundial, a su vez, la industria chocolatera se abre a nuevos mercados a través de subproductos y sucedáneos.

El proyecto Nextcoa fue concebido para mejorar la cadena de valor del cacao, a través del uso integral del fruto, en la obtención de productos innovadores para la industria. Santander es uno de los productores de cacao más importantes del país; sin embargo, la industria del cacao no está produciendo suficientes ingresos y la mayor parte de la biomasa del cacao se pierde en los procesos tradicionales.

En contexto de las convergencias científicas y tecnológicas, las cuales presentan un evidente ritmo de desarrollo exponencial en las últimas décadas, se abordan la Bioinformática y la Computación científica como ramas que son altamente influenciadas por el progreso y transversalidad de las tecnologías informáticas y de comunicaciones, representando grandes promesas de beneficios para la humanidad, en términos de sus aplicaciones positivas en diferentes ámbitos de mejora y solución a temas interés general tales como vivienda, salud, educación y alimentación, entre otros. No obstante, el desarrollo de estas tecnologías representa igualmente importantes implicaciones y desafíos globales tales como su impacto en el medio ambiente, la ciberseguridad, la distribución equitativa de la riqueza y el desempleo. Estas realidades exigen una plena consciencia global y el establecimiento de modelos de gobernanza que propicien el adecuado equilibrio para optimizar los beneficios, los riesgos y los recursos asociados y la transparencia evidente con la participación de todas las partes interesadas, durante los ciclos de investigación y desarrollo de estos avances y convergencias. Se observan importantes iniciativas de los estados, las empresas y el entorno académico para formular acciones concretas desde la sensibilización, donde la ética se determina como elemento fundamental para construir un futuro sostenible para la humanidad.