Biotecnología
La biotecnología es la tecnología
basada en la biología, especialmente
usada en agricultura, farmacia, ciencia
de los alimentos, ciencias forestales y
medicina.
Se desarrolla en un enfoque
multidisciplinario.
La biotecnología podría definirse
como "toda aplicación tecnológica
que utilice sistemas biológicos y
organismos vivos o sus derivados
para la creación o modificación de
productos o procesos para usos
específicos".
Los inicios de la transformación de
alimentos
Hace 8 mil años, los sumerios
y babilonios comenzaron a
producir cerveza mientras que los
egipcios descubrieron la técnica
para elaborar pan de levadura
hace 6 mil años.
Alrededor de la misma época se desarrollaron otros
procesos para la conservación de alimentos
(particularmente en en China) como la fabricación
de yogurt, queso, vinagre y vino.
El biólogo Louis Pasteur
gracias a cuyos trabajos se
comprendió el mecanismo
de la fermentación.
En 1798 Edward Jenner, infectaba a la gente con
viruela bovina para inducir resistencia a la viruela
humana, (vacuna viene de la palabra latina
vaccinus que quiere decir "a partir de vacas").
En 1928, Alexander Fleming, descubre la
penicilina.
-La Ingeniería Genética es una
nueva ciencia que trata de la
manipulación de los genes y de
sus productos.
Sus métodos de trabajo son
también conocidos como técnicas
del ADN recombinante.
Las aplicaciones de esta tecnología y, por
tanto, sus finalidades entre otras muchas, son:
a)facilitar la prevención de algunas
enfermedades.
b)identificación de personas con fines
legales.
c)posibilidad de aislar un gen y expresarsintetizar la proteína que codifica a gran
escala.
La Ingeniería Genética nació como
consecuencia del descubrimiento de que
algunas bacterias resistentes a los fagos
tienen unas enzimas que cortan en trozos
pequeños las moléculas de ADN extrañas..
Estas enzimas se conocen como enzimas
de restricción o restrictasas (son del
tipo de las endonucleasas y se conocen más
de 200)
.
-Las técnicas del ADN recombinante,
básicamente, consisten en lo siguiente:
a)se toman fragmentos de ADN de distintos
organismos y se unen 'in vitro' ('recombinación in
vitro'); el ADN que resulta se conoce como ADN
recombinante.
b)el ADN recombinante se introduce en otras
células (generalmente bacterias), en las cuales
se logra la expresión de sus genes
-La Ingeniería Genética utiliza, entre
otras técnicas de trabajo:
1) Obtención de fragmentos de ADN que
pueden ser estudiados y manipulados. Para
ello se utilizan enzimas de restricción y
retrotranscriptasas.
2) Clonación génica para la obtención de gran
cantidad de fragmentos de ADN. Entre otras se
utiliza la técnica PCR (reacción en cadena de
la polimerasa).
PAPEL DE LAS ENZIMAS DE RESTRICCIÓN
-Las restrictasas ...
a)se utilizan para obtener ‘fragmentos de
restricción’ (pequeños segmentos de ADN),
fáciles de analizar y manipular.
b)cortan el ADN por sitios específicos, llamados
secuencias de reconocimiento (formadas por
cuatro u ocho pares de bases, que, en la bacteria
original, están protegidas para evitar que se
destruya su propio ADN)
c)estas enzimas ‘tijeras biológicas’, al
cortar el ADN, originan segmentos
cohesivos (o adhesivos)
d) estos extremos cohesivos pueden
unirse a otros fragmentos de ADN
para constituir segmentos de ADN
objeto de análisis y estudio.
Preparando ADN Recombinante
5’
G
3’
C T T A A
A A T T C
G
one DNA fragment another DNA fragment
5’
G
A A T T C
3’
3’
C
T T A A G
5’
nick
5’
G
A A T T C
3’
3’
C
T T A A
5’
G
nick
DNA ligase action
G A A T T C
C T T A A G
Cromatografía y electroforesis
- Separación de fragmentos de ácidos
nucleicos por migración en geles
- En electroforesis se aplica una
diferencia de potencial eléctrico
- Pueden separar fragmentos de mezclas
de hasta 20 Kb
Pueden diferenciarse fragmentos de 1000
pb
http://biomodel.uah.es/biomodel-misc/anim/elfo/electrof2.html
Tinción con bromuro
de etidio que presenta
fluorescencia al ser
iluminado con luz
ultravioleta
PAPEL DE LAS RETROTRANSCRIPTASAS
-Esta técnica se utiliza para obtener
fragmentos de ADN, cada uno de los cuales
corresponde a un gen estructural, cuando se
dispone del ARNm.
-Consiste en sintetizar en 'in vitro' el ARNm
correspondiente, o bien aislar de la célula el
ARNm deseado (hay técnicas para conseguirlo).
Entonces, utilizando el ARNm adecuado,
mediante transcriptasa inversa, se sintetiza el
ADN correspondiente.
http://ametsaskeak.wordpress.com/2008/12/19/describe-brevemente-como-actua-elvirus-en-las-celulas-humanas-adjunta-una-animacion-flash-que-ilustre-lareproduccion-del-vih/
REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA
(Técnica PCR)
-Caracterísitcas:
a)es una técnica de clonación génica
b)produce muchísimos fragmentos de ADN (‘in vitro’) a velocidad
extraordinaria.
c)requiere conocer las secuencias de bases del fragmento de ADN
que se pretende replicar (clonar).
d)con estas secuencias se deben sintetizar cortas cadenas
complementarias de ADN (de unos 20 nucleótidos).
e)estas cortas cadenas funcionarán como cebadores o ‘primers’
de ADN para que actúe la ADN-polimerasa.
Se emplean ADN polimerasas termoestables, extraídas de
microorganismos adaptados a vivir a esas temperaturas, restrictivas para la
mayoría de los seres vivos.
Dichos microorganismos, generalmente arqueas, son: Thermus aquaticus
(polimerasa Taq), Pyrococcus furiosus (Pfu), Thermococcus litoralis
(Vent) y Thermus termophilus (Tth).
Generalmente se emplean mezclas de polimerasas muy procesivas (Taq)
con otras con corrección de errores (Pfu, Vent).
-La técnica PCR se desarrolla así:
a)el fragmento de ADN a replicar se introduce en una
disolución que contiene ADNpol.
b)se añaden desoxirribonucleótidos en cantidad y las
moléculas de cebador ya sintetizadas.
c)al calentar, se separan las hebras complementarias del
fragmento de ADN.
d)al enfriar, se unen los cebadores a las hebras simples de
nucleótidos, lo cual es reconocido por la ADN-pol que
comienza a añadir nucleótidos formando la hebra
complementaria.
e)calentando y enfriando alternativamente la solución, se
pueden obtener millones de copias de ADN en períodos de
tiempo cortos.
90-95º
C
PRIMER
DE UNOS 18
NUCLEOTIDOS
VECTORES DE CLONACIÓN
Los vectores de clonado, son los agentes transportadores
capaces de introducir el ADN en las células hospedadoras.
Los vectores de clonación son pequeñas moléculas de ADN,
que tienen capacidad para autorreplicarse dentro de las
células hospedadoras.
Se utilizan con frecuencia dos tipos de vectores de clonación:
plásmidos y virus. de introducirlos en las células
hospedadoras.
Plásmidos. Son moléculas de ADN circular, con un tamaño
menor que el del cromosoma. Se replican con independencia del
cromosoma bacteriano ya que tienen su propio origen de
replicación.
Tenemos un gen(color rojo) que interesa insertar en un
plásmido (color turquesa)
Una enzima de restricción ha cortado el gen y el
plásmido, quedando unos bordes cohesivos o
pegajosos.
La unión del ADN que contiene el gen que se desea clonar
con el vector de clonación, se realiza por medio de otras
enzimas, denominadas ADN-ligasas, que unen ambos trozos
de ADN.
El resultado es una molécula de ADN recombinante, ya que
contiene fragmentos de ADN de distinta procedencia.
•Bacteriófagos. El proceso es similar, se trata de
insertar el gen deseado en un fragmento de ADN vírico
(figura d)
•Posteriormente se ensamblarán las distintas partes del
virus (figura e). Así quedará el virus completo(figura f). En
el siguiente paso se insertará este ADN por el proceso de
la TRANSDUCCIÓN.
figura e
figura d
figura f
Cósmidos .
Son plasmidos que contienen el fragmento
de ADN deseado que posee un borde
cohesivo procedente del genoma del fago
lambda (extremo cos)y se empaqueta en el
interior de un fago.
Se construye el cosmido uniendo los tres
elementos génicos, y el resultado final es
poder introducir en la célula receptora
fragmentos largos de ADN.
Además del origen de replicación, los
vectores de clonación deben llevar
otros genes denominados marcadores,
que sirven para identificar las células
que contienen el vector de clonación.
Se suelen utilizar como marcadores,
genes de resistencia a antibióticos y
genes de bioluminiscencia.
Genes de resistencia a antibióticos.
Sirven para identificar bacterias que
contienen el vector de clonación, porque
estas bacterias serán resistentes al
antibiótico del gen marcador.
Genes de luminiscencia.. En este caso, la
célula que contenga el gen que se quiere
clonar, tendrá la propiedad de emitir luz,
ya que el marcador que se le incorpora
determina que se exprese esa
característica. Este sistema se emplea
cuando la célula hospedadora es una célula
eucariota.
Métodos de introducción del vector.
El siguiente paso será introducir el vector de clonación que
contiene el gen que se quiere clonar en la célula
hospedadora, para que ésta, al multiplicarse, origine un clon
celular que lleve el gen concreto.
Existen varios métodos que dependerán del tipo de célula
fundamentalmente.
En bacterias (células procariotas), mediante estos
procesos:
- TRANSFORMACIÓN
- TRANSDUCCIÓN
Transformación.
Ocurre espontáneamente en ciertos tipos de bacterias y se
consigue artificialmente sometiendo a la célula bacteriana a
tratamientos físicos y químicos.
La célula capta moléculas de ADN que se encuentran en el
medio externo, las introduce en su interior y las incorpora a
su genoma.
Transducción.
Este método consiste en introducir el ADN en la célula
hospedadora mediante un virus, utilizando como vector
de clonación el genoma del virus.
En la siguiente figura puede verse el proceso en tres
etapas.
El número 1 corresponde al virus aproximándose a
una bacteria. Se puede observar como lleva un
genoma ya con el gen que interesa clonar.
El siguiente momento 2, corresponde al contacto
entre el virus y la pared bacteriana, en cuya zona de
contacto se produce un poro por donde como vemos
en la etapa 3.
El virus inyecta su ADN al interior de la célula
bacteriana.
IDENTIFICACIÓN DE UN
CLON CON EL FRAGMENTO
DE ADN DESEADO
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APLICACIONES DE LA INGENIERÍA
GENÉTICA.
EN MEDICINA
-Actualmente se sabe que las
enfermedades genéticas debidas a un solo
gen defectuoso ascienden a más de 4000,
de las cuales 345 afectan al cromosoma
X.
A título de ejemplo, en el siguiente gráfico
anotamos algunas de las enfermedades
genéticas y su localización cromosómica:
-
-Las aplicaciones se pueden concretar en cuatro
aspectos:
1) La producción de sustancias con efectos
terapéuticos.
Entre estas sustancias podemos citar a título de
ejemplos más relevantes:
-Somatostanina (SS) que, segregada por el
hipotálamo, inhibe la síntesis de somatotropina (GH)
u hormona del crecimiento.
-Insulina que, segregada por el páncreas, regula la
concentración de glucosa en sangre.
La producción de insulina que se obtiene a partir de
la levadura Sacharomyces cerevisae, en la cual se
clona el gen de la insulina humana
-Somatotropina (GH) que, segregada por la adenohipófisis
controla y regula el normal crecimiento (evitando enanismo).
- Interferones, que son proteínas elaboradas por células
animales en respuesta a una infección vírica.
-Factor VIII antihemofílico (AHF), es una globulina que
estimula a las plaquetas (para la coagulación sanguínea).
-Renina, es una enzima que cuaja la leche, necesaria para la
elaboración de quesos (o para algunos fármacos).
-Celulasa, enzima hidrolítica de la celulosa, es utilizada en
algunos preparados digestivos.
-Vacunas recombinantes, como la de la hepatitis B.
El sistema tradicional de obtención de
vacunas a partir de microorganismos
patógenos inactivos, puede comportar un
riesgo potencial.
Muchas vacunas, como la de la hepatitis B,
se obtienen actualmente por ingeniería
genética.
Como la mayoría de los factores antigénicos
son proteinas lo que se hace es clonar el gen
de la proteina correspondiente.
2) El diagnóstico de enfermedades
hereditarias.
Para ello se utilizan técnicas como la amniocentesis,
basadas en la extración de células amnióticas del
feto.
Se pueden diagnosticar enfermedades como la
hemofilia, la anemia falciforme, la diastrofia
muscular y otras, que son debidas a mutaciones
genéticas.
Se utilizan sondas que son genes defectuosos
marcados para comprobar si se hibridan con el ADN
procedente del cultivo
3) La identificación de genes
humanos específicos.
Se trata de localizar e identificar el gen
responsable de una enfermedad que se
sabe que es hereditaria.
Aunque es un problema tan arduo
como el de 'encontrar una aguja en un
pajar', se ha logrado algún éxito como
es el caso de la identificación de la
fibrosis quística (enfermedad, sobre
todo, pulmonar).
4) La terapia génica.
La terapia génica está siendo considerada la
cuarta revolución de la medicina (después de
las medidas de salud pública, la anestesia, y
las vacunas y antibióticos).
Para su aplicación se siguen dos estrategias:
a)Insertar una copia sana de un gen en las
células del paciente con una enfermedad
genética, para compensar el efecto del gen
defectuoso (esto se consiguió con una
niña que tenía una inmunodeficiencia grave).
b)Introducir un gen especialmente
diseñado para que proporcione una nueva
característica a las células (por ejemplo,
introducir en linfocitos un gen que produzca
un inhibidor del virus del sida en pacientes
afectados por el VIH).
EN AGRICULTURA
-En el ámbito de la agricultura siempre se ha
pretendido obtener plantas cultivables, cuyos
rendimientos sean óptimos.
Desde hace muchos años se utilizan los
conocimientos de la Genética, aunque muchas veces
de una forma inadvertida, y en este sentido deben
entenderse los procesos de selección génica
realizados provocando cruces y originando
poliploidías, para luego seleccionar aquellas plantas
de buenos resultados y multiplicarlas asexualmente,
formando clones con ellas.
-La aplicación de técnicas de Ingeniería
Genética están dando resultados
espectaculares en la obtención de plantas
transgénicas, es decir, plantas a las que se
ha introducido ADN clonado (recombinante)
y que lo han incorporado a su genoma de
forma estable.
Los principales caracteres conseguidos en las
plantas transgénicas, son:
a)resistencia a herbicidas, a insectos y
enfermedades microbianas.
b)incremento del rendimiento fotosintético.
c)mejora en la calidad de los productos
agrícolas.
Las primeras plantas obtenidas mediante estas
técnicas fueron un tipo de tomates, en los que
sus frutos tardan en madurar algunas semanas
después de haber sido cosechados.
Biología de Agrobacterium tumefaciens
Esta bacteria, presente en el suelo, es patógena de muchas
plantas a las que produce un tumor conocido como "agalla
de cuello".
Durante el contacto con las células vegetales la bacteria
transfiere a las células vegetales un plásmido llamado Ti
(inductor de tumores).
Este plásmido se integra en el ADN del cromosoma de la
célula vegetal.
Este fenómeno natural es empleado para utilizar a la bacteria
Agrobacterium tumefaciens como vector de los genes que se desean
introducir en una célula vegetal, con lo que se transforma dicha célula,
la cual puede regenerar, por micropropagación, una planta entera que
será transgénica.
PLANTAS TRANSGÉNICAS
· Resistencia a herbicidas, a insectos y a
enfermedades microbianas.
Ya se dispone de semillas de algodón, que son
insensibles a herbicidas.
Para la resistencia a los insectos se utilizan
cepas de Bacillus thuringiensis que producen una
toxina (toxina - Bt) dañina para las larvas de
muchos insectos, de modo que no pueden
desarrollarse sobre las plantas transgénicas con
este gen.
· Incremento del rendimiento fotosintético
Para ello se transfieren los genes de la ruta fotosintética de
plantas C4 que es más eficiente.
· Mejora en la calidad de los productos agrícolas
Tal es el caso de la colza y la soja transgénicas que producen
aceites modificados, que no contienen los caracteres
indeseables de las plantas comunes.
· Síntesis de productos de interés comercial
Existen ya plantas transgénicas que producen anticuerpos
animales, interferón, e incluso elementos de un poliéster
destinado a la fabricación de plásticos biodegradables
· Asimilación de nitrógeno atmosférico
Aunque no hay resultados, se ensaya la transfección del gen
nif responsable de la nitrogenasa, existente en
microorganismos fijadores de nitrógeno.
EN ANIMALES
-En animales, la aplicación de las técnicas de la Ingeniería
Genética persiguen los objetivos siguientes:
a)favorecer la investigación biomédica para estudiar la
fisiología de los genes y la biología del desarrollo.
b)mejorar la productividad o la resistencia a las
enfermedades de animales útiles para los hombres.
c)producción de proteínas de valor farmacológico.
La corrección de errores innatos de metabolismo
mediante terapia génica.
Generalmente, en animales, el ADN
extraño, llamado transgen, se introduce
en zigotos, y los embriones que hayan
integrado el ADN extraño en su genoma,
previamente a la primera división ,
producirán un organismo transgénico; de
modo que el transgén pasará a las
siguientes generaciones a través de la
linea germinal (gametos).
La transgénesis puede efectuarse siguiendo dos
estrategias distintas:
Transgénesis por microinyección de
zigotos
Desde que en 1982 se obtuviera un ratón
transgénico, la producción de animales
transgénicas es cada vez más cotidiana,
existiendo ya animales transgénicos de las
siguientes especies: ratón, rata, conejo, cerdo,
vaca, cabra y oveja.
CLONACIÓN DE ANIMALES
El principio de la clonación está en la obtención
de organismos idénticos genéticamente, y por
tanto morfológic y fisiológicamente, como lo son
dos gemelos univitelinos.
Esto ha sido el sueño de muchos ganaderos, que
han deseado que todo su ganado tuviera las
cualidades de algún ejemplar especialmente
bueno.
Se pueden utilizar dos métodos para
conseguir clones de animales:
Por DISGREGACIÓN DE CÉLULAS
EMBRIONARIAS.Se basa en el mismo
principio por el que nacen gemelos de forma
natural.Se pueden separar las células de un
embrión en diferentes estados de
desarrollo, desde el estado de 2 células
hasta el estado de mórula. Cada célula
separada puede funcionar como un zigoto
que puede desarrollarse para dar un
individuo completo.
Por TRANSFERENCIA NUCLEAR. Se toman células
embrionarias en fase de mórula o blástula, obtenidas
por disgregación, se cultivan in vitro,y después se
transfieren a ovocitos a los que se les ha quitado el
núcleo.
Se provoca la fusión de las dos células animales de
modo que el núcleo de la célula embrionaria quede en el
interior del ovocito, pudiendo éste empezar a
funcionar como un zigoto.
Obtención de una cerda
transgénica
Un gen híbrido que contiene el
gen humano que codifica la
síntesis de una proteína de
interés biológico junto con el
promotor del gen que codifica una
proteína de la leche de rata, se
introducen por microinyección en
un óvulo de cerda fecundado.
El desarrollo de ese óvulo da
lugar a un animal transgénico que
tiene en todas sus células el gen
híbrido. Debido al promotor
elegido, ese gen solamente se
expresa en la glándula mamaria
de la cerda induciendo la
producción de la proteina
humana en la leche.
Esto es lo que se hizo con la oveja Tracy en 1992, la
primera oveja que produjo una proteina humana, la alfaantitripsina bajo la dirección del promotor ovino de la
beta-lactoglobulina.
Dicha proteina se produce en una cantidad de 35 g/l, la
cual se emplea para curar el edema pulmonar.
Lo mismo se ha hecho para la famosa cerda Genie, que
fabrica en su leche la proteina C humana que controla la
coagulación sanguinea y es necesaria para los
hemofílicos.
Frente a los múltiples beneficios que ofrece este campo, se
encuentran algunos problemas que puede presentar la aplicación
de la Ingeniería Genética:
· Problemas sanitarios. Pueden aparecer nuevos
microorganismos patógenos que provoquen enfermedades
desconocidas, o el uso de fármacos de diseño provoquen efectos
secundarios no deseados.
· Problemas ecológicos. La liberación de nuevos organismos en
el ambiente puede provocar la desaparición de especies contra
las cuales se lucha, con consecuencias aún desconocidas, ya que
cumplen una función en la cadena trófica de la naturaleza.
· Problemas sociales y políticos. Las aplicaciones de la
Biotecnología en el campo de la producción industrial, agrícola y
ganadera, pueden crear diferencias aún más grandes entre
países ricos y pobres.
El sondeo génico en personas puede llevar a consecuencias
nefastas en la contratación laboral, por ejemplo, y atenta
contra la intimidad a que tiene derecho toda persona.
· Problemas éticos y morales. La experimentación en la
especie humana puede atentar contra la dignidad de la misma.
Poder conocer y modificar el patrimonio genético humano puede
ser una puerta abierta al eugenismo.
En el campo de la Terapia Génica es defendible este
procedimiento cuando se utilice en células somáticas para
corregir enfermedades.
En la línea germinal se pide su prohibición en todo aquello que sea
recomponer un programa genético humano.
Los trabajos con embriones humanos con fines puramente
experimentales se consideran un atentado a la dignidad de la
especie humana.
Por todo ello, es preciso que los conocimientos y avances en
Ingeniería Genética se consideren patrimonio de la humanidad, y
que los Organismos Internacionales
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Diapositiva 1 - IES Ramon Llull