biologia molecular
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1. Introducción a la Biología Molecular
El desarrollo de la Biología Molecular
LA BIOLOGÍA MOLECULAR ES UNA CIENCIA CUYO OBJETIVO FUNDAMENTAL ES LA COMPRENSIÓN DE TODOS AQUELLOS PROCESOS CELULARES QUE CONTRIBUYEN A QUE LA INFORMACIÓN GENÉTICA SE TRANSMITA EFICIENTEMENTE DE UNOS SERES A OTROS Y SE EXPRESE EN LOS NUEVOS INDIVIDUOS.
Biología Molecular
ESTE CONOCIMIENTO HA PERMITIDO CRUZAR BARRERAS NATURALES ENTRE ESPECIES Y COLOCAR GENES DE CUALQUIER ORGANISMO EN UN ORGANISMO HOSPEDADOR NO RELACIONADO MEDIANTE EL EMPLEO DE TÉCNICAS DE INGENIERÍA GENÉTICA.
El descubrimiento del principio transformante.
EVIDENCIAS QUE DEMOSTRARON QUE EL ADN ES EL MATERIAL GENETICO
LA IDEA DE QUE EL MATERIAL GENETICO ESTA COMPUESTO POR ACIDOS NUCLEICOS TIENE SU ORIGEN EN EL DESCUBRIMIENTO DE LA TRANSFORMACION EN 1928
LOS EXPERIMENTOS DE:
Oswald T. Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, en 1944.
Alfred D. Hershey y Martha Chase, en 1952,
CONSTITUYERON UN HITO EN EL CONOCIMIENTO DEL MATERIAL GENETICO A ESCALA MOLECULAR
EXPERIMENTO DE Avery, MacLeod y McCarty (1944)
BACTERIA Pneumococcus
PROVOCA MUERTE DE LOS RATONES POR NEUMONIA
VIRULENCIA DADA POR POLISACARIDOS LOCALIZADOS EN SU SUPERFICIE
TIPOS DE NEUMOCOCOS
I
II
II
TIENEN SUPERFICIE
LISA (S)
PUEDEN DAR LUGAR A VARIANTES QUE LES CONFIERE UNA SUPERFICIE RUGOSA (R)
BACTERIAS CON SUPERFICIE LISA
BACTERIAS CON SUPERFICIE RUGOSA
VIRULENTA
NO VIRULENTA
En 1953, James Watson y Francis Crick, futuros ganadores del Premio Nobel, descubrieron la estructura de doble hélice del ácido desoxirribonucléico, conocido vulgarmente como ADN. Las proteínas están formadas por cadenas de aminoácidos. El número, orden y tipo de aminoácido determinan las propiedades de cada proteína. El ADN contiene la información necesaria para ordenar los aminoácidos correctamente. El ADN transmite esta información hereditaria de una a otra generación.
El descubrimiento del códigogenético
El código genético se descifró completamente el año 1965, gracias al descubrimiento y desarrollo de distintos procesos moleculares dejando al descubierto que el código actual es una de las más elegantes creaciones de la evolución.
Ya que se encuentran veinte aminoácidos conformando las proteínas, pero sólo cuatro bases en el ADN, se estableció que un grupo de tres bases codifica para cada aminoácido, además que el código no es del tipo sobrelapado y que la secuencia de las bases es leída desde un punto de partida fijo. Además se mostró la degeneración y universalidad de éste.
La evidencia provista por el esfuerzo y la creatividad científica a partir de los años 50s ha establecido que la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica de una proteína está determinada por la secuencia de bases en el material genético.
El modelo del operón
El funcionamiento del operón lac fue propuesto por Jacob y Monod. Por este trabajo recibieron el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1965.
La bacteria E. coli puede utilizar lactosa como fuente de carbono, pero para ello necesita expresar una serie de enzimas clave.
El operon lac engloba los genes estructurales y reguladores que permiten producir estos enzimas sólo cuando hay lactosa presente en el medio de cultivo.
El operon lac consta de tres genes estructurales:
1.lacZ2.lacY3.lacA)
Que codifican enzimas metabólicos implicados en la utilización de la lactosa como fuente de carbono:
• Una β-galactosidasa (que degrada la lactosa a galactosa y glucosa)• Una permeasa (que introduce la lactosa en la célula)• Una transacetilasa (sin función asignada en el metabolismo de la lactosa).
La expresión de los tres genes origina un mRNA a partir de un único promotor, donde se une la RNA polimerasa para comenzar la transcripción.
La transcripción de estos genes estructurales se regula mediante una secuencia, contigua a la secuencia promotora, denominada operador. Una proteína represora, codificada por el gen regulador lacI se une o no al operador en función de los niveles de lactosa en el medio, controlando así el paso de la RNA polimerasa a los genes lacZ, lacY y lacA.
En ausencia de lactosa la proteína represora se une al operador impidiendo el paso de la RNA polimerasa y, por la tanto la transcripción de los genes estructurales. En la actualidad se conoce la estructura del represor lac, así como su modo de unión a la secuencia del operador en forma de tetrámeros.
En presencia de lactosa, la alolactosa (un isómero de la lactosa) se une a la proteína represora, cambiándole su conformación e impidiendo su unión al operador, lo que posibilita que la RNA polimerasa transcriba los genes estructurales destinados a la utilización metabólica de la lactosa.
La biología Molecular en México
En México, la introducción de los paradigmas fundamentales de la biología ocurre con un retraso con respecto a Europa, siendo Alfonso Luis Herrera, farmacéutico de formación escolar, pero con una genuina mentalidad de biólogo, quien en 1897 escribe el primer texto mexicano claramente darwinista: Recueil des lois de la biologíe génerale (Recopilación de las leyes de la biología general -editado en francés-) y en 1902 establece la primera cátedra de biología en nuestro país, la cual se impartió en sustitución de Historia natural, en la Escuela Normal para Profesores. Ante la carencia de un texto adecuado para su enseñanza, Herrera escribió el libro Nociones de Biología, publicado en 1904, que es el primer libro mexicano de esta disciplina.
Sin embargo, a pesar de que la biología comienza a estar presente gracias al impulso de don Alfonso L. Herrera, que bien puede ser considerado el primer biólogo que hubo en México, o "la primera figura de la biología mexicana", la enseñanza de la biología en la normal se suspendió en 1906, y la enseñanza profesional de la biología y la formación de biólogos, ocurrirán muchos años después
La carrera de biólogo surge en México ya entrado el siglo XX. Su antecedente fueron los cursos de Botánica, Zoología y Microscopía que se impartieron en la Escuela Nacional de Altos Estudios, -fundada en 1910 cuando Justo Sierra puso en marcha la Universidad Nacional de México-, que comenzó a funcionar a partir de 1911, bajo la dirección del fisiólogo positivista Porfirio Parra. Los profesores de esta Escuela fueron Carl Reiche -procedente de la Universidad de Munich, Alemania-, que enseñaba Botánica con un programa de dos años. En 1915 el profesor Guillermo Gándara amplio la enseñanza de esa disciplina a tres y luego cuatro años. En 1916 se incorporó Agustín Reza que inició la enseñanza de la zoología en tres y luego cuatro años. También se impartían histología, bacteriología, microscopía, química, geografía, física, psicología, latín, alemán, entre otras. En 1922 Alfonso L. Herrera se hizo cargo de los cursos de zoología.
Dichos cursos, agrupados bajo el nombre de "Ciencias naturales" eran impartidos de manera dispersa, tomados por profesores normalistas, médicos, estudiantes de medicina o personas con otra profesión, interesados en ampliar sus conocimientos ya fuera por cultura general o para mejorar su trabajo docente, sin que nadie cursara el programa completo tendiente a obtener el grado de "profesor académico en ciencias naturales", aunque si alguien cursaba solo la serie de botánica o de zoología y las materias complementarias, sería "profesor de botánica" o "profesor de zoología".
Fue hasta 1920 que la Escuela Nacional de Altos Estudios -ubicada en la calle de Lic. Verdad número 2, en el Centro Histórico de la Ciudad de México-, se inscribieron dos alumnos para cursar todas las materias contenidas en el plan de estudios: Enrique Beltrán Castillo y Enrique Cortés. De ellos sólo Enrique Beltrán concluyó sus estudios y en 1926 obtuvo el grado de "Profesor Académico en Ciencias Naturales", con una tesis acerca de "los protozoarios del Lago de Xochimilco" , por lo que se le considera el primer "biólogo" profesional de México, aunque no tuvo un titulo con ese nombre.
En 1925, la Escuela Nacional de Altos Estudios fue suprimida y posteriormente se transformó en Facultad de Filosofía y Letras, donde se continuó con la enseñanza de la especialidad en ciencias naturales. En la nueva dependencia fueron separados de la docencia Alfonso L. Herrera y Enrique Beltrán -que se había incorporado como profesor libre-. Permaneció Guillermo Gándara e ingresó como docente Isaac Ochoterena Mendieta.
Después de años de letargo, y luego del otorgamiento de la autonomía a la Universidad Nacional en 1929, la nueva Facultad de Filosofía y Letras de la UNAM organizó en 1930 una sección de Ciencias, otorgó doctorados en biología a varios profesores universitarios en virtud de su trayectoria académica, e inició un nuevo programa de formación para obtener los grados de Maestro en Ciencias Biológicas y Doctor en Ciencias Biológicas, al que se inscribieron brillantes ayudantes de profesor o de investigación, de la Escuela Nacional Preparatoria y del recién fundado Instituto de Biología.
Los primeros alumnos que estudiando regularmente obtuvieron el grado de Maestría fueron: En 1931, Helia Bravo Hollis con la tesis: "Contribución al conocimiento de las cactáceas de Tehuacán" y Leopoldo Ancona Hernández, con la tesis "Los chilocuiles o gusanitos de la sal de Oaxaca". Los primeros grados de doctorado se otorgaron en 1938 a Eduardo Caballero y Caballero, con la tesis: "Contribución al conocimiento de la Helmintología en México" y en 1939 a Amelia Sámano Bishop con la tesis: "Anatomía microscópica comparada de los núcleos bulbares del nervio VIII (Acústico).
Desde 1935 el Ingeniero Ricardo Monges López jefe del entonces Departamento de Ciencias de la Facultad de Filosofía y Letras comenzó a diseñar la creación de una "Facultad de Ciencias". Su primer logro fue la creación de una Escuela de Ciencias Físicas y Matemáticas, que quedó a su cargo y en 1938 consiguió que las disciplinas biológicas también fueran separadas de la Facultad de Filosofía y Estudios Superiores (nombre que se le había dado para ese momento), dando lugar así a una nueva Facultad de Ciencias que inició sus labores el 2 de enero de 1939, bajo la dirección del mismo ingeniero Monges López . En ella se estableció el Departamento de Biología que quedó a cargo de Isaac Ochoterena.
La enseñanza del Departamento de Biología de la Facultad de Ciencias, estaba estrechamente relacionado con las investigaciones del Instituto de Biología, dirigido por el mismo Ochoterena (ubicado en la Casa del Lago de Chapultepec). La función primordial del Departamento, era la formación de los futuros técnicos, ayudantes e investigadores del Instituto de Biología, así como profesores para la preparatoria de la universidad, o para otras escuelas de enseñanza media y media superior. De 1943 a 1953, el Departamento de Biología funcionó en la calle de Ezequiel Montes número 115 en la colonia Tabacalera. Fue precisamente en 1943, que se reestructuro la organización de la facultad y se estableció la enseñanza a nivel de licenciatura en biología.
Como consecuencia de ello, en 1947 se graduaron los primeros biólogos: Salvador Lima Gutiérrez con la tesis. "Características hematológicas de 200 niños campesinos"; María Josefina Paniagua Cruz con la tesis: "Contribución al estudio de los valores normales de pH de la secreción gástrica in situ; y Hector Ochoterena Fuentes, con la tesis: "Características hematológicas de los niños prematuros en la ciudad de México" .
En la UNAM, a partir de 1943 comienzan a formarse biólogos, en 1966, ocurre la primera gran reestructuración de su plan de estudios, el cual llamado "Plan tradicional" fue el modelo para la enseñanza de la biología por muchos años. Con posterioridad al movimiento del 68, ocurren grandes cambios en la institución, entre ellos un gran incremento en la matrícula, que se manifiesta en la década de los 70 con la necesidad de nuevos espacios para la docencia y la investigación. Es de esa forma que surgen las Escuelas Nacionales de Estudios Profesionales, y que en dos de ellas se decidió también impartir la carrera de biología, en Iztacala y Zaragoza, donde se incorporan nuevas inquietudes y formas de enseñanza.
Así, la carrera de biólogo existe en la UNAM a partir de 1943 y en 1947 tuvo sus primeros graduados y su antecedente fue un solo Profesor Académico en Ciencias Naturales (de 1926). Como se ve, la carrera de Biólogo es en realidad muy joven y esa es una de las explicaciones de su estado actual de desarrollo.
En México contamos con:
Una de las diversidades biológicas más ricas del mundo, la cual puede ser aprovechada para beneficio de los mexicanos, evitando su saqueo y deterioroCien instituciones en donde se hace investigación biotecnológica 750 investigadores de alto nivel y competencia internacional trabajando en biotecnología Científicos precursores de la ingeniería genética en el ámbito mundial 400 graduados (de maestría y doctorado) por año 70-80 compañías que usan procesos biotecnológicos Comunidad biotecnológica agrupada en organizaciones gremiales activas Productos biotecnológicos desarrollados por empresas mexicanas innovadoras
La Biotecnología tiene una enorme potencial en México como herramienta para el desarrollo del país, incluyendo varios sectores. Por ejemplo: SECTOR AGRÍCOLA: nuevas variedades de cultivos, inoculantes, biopesticidas, certificación de semillas.
SECTOR SALUD: fármacos, vacunas y antivenenos accesibles, transplantes más seguros.
AMBIENTE Y BIODIVERSIDAD: registro de especies, remediación en sitios contaminados, tratamiento y reuso de aguas residuales y desechos sólidos, eliminación de gases y de residuos tóxicos.
RECURSOS MARINOS Y ACUACULTURA: nuevas sustancias de uso médico e industrial, alimentos balanceados.
SECTOR PECUARIO: nuevas razas y métodos eficientes de propagación de ganado, uso de animales para la producción de medicamentos
SECTOR INDUSTRIAL: combustibles renovables, procesos limpios
Perspectivas futuras de la BiologíaMolecular
INDUSTRIAL
LAS TECNOLOGÍAS DE ADN OFRECEN MUCHAS POSIBILIDADES EN EL USO INDUSTRIAL DE LOS MICROORGANISMOS CON APLICACIONES QUE VAN DESDE PRODUCCIÓN (A TRAVÉS DE PROCESOS INDUSTRIALES Y AGRO PROCESOS) DE VACUNAS RECOMBINANTES Y MEDICINAS TALES COMO INSULINA, HORMONAS DE CRECIMIENTO E INTERFERON, ENZIMAS Y PRODUCCIÓN DE PROTEÍNAS ESPECIALES.
VEGETAL
CON LAS TÉCNICAS DE LA BIOTECNOLOGÍA MODERNA, ES POSIBLE PRODUCIR MÁS RÁPIDAMENTE QUE ANTES NUEVAS VARIEDADES DE PLANTAS CON CARACTERÍSTICAS MEJORADAS
•MAYOR PRODUCCIÓN,
•TOLERANCIA A CONDICIONES ADVERSAS
• RESISTENCIA A HERBICIDAS ESPECÍFICOS
• RESISTENCIA A ENFERMEDADES
• PROPAGACION EN MASA DE CLONES VEGETALES
• DESARROLLO DE INSECTICIDAS BIOLÓGICOS
• MODIFICACIONDE PLANTAS PARA MEJORAR CARACTERISTICAS NUTRICIONALES
AMBIENTAL
LA BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL SE REFIERE A LA APLICACIÓN DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS MODERNOS PARA LA PROTECCIÓN Y RESTAURACIÓN DE LA CALIDAD DEL AMBIENTE.
LA BIORREMEDIACIÓN ES EL USO DE SISTEMAS BIOLÓGICOS PARA LA REDUCCIÓN DE LA POLUCIÓN DEL AIRE O DE LOS SISTEMAS ACUÁTICOS Y TERRESTRES.
LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS UTILIZADOS SON MICROORGANISMOS Y PLANTAS.
• RECUPERACIÓN BIOLÓGICA DE METALES PESADOS Y DESECHOS DE MINERIA Y OTROS DE ORIGEN INDUSTRIAL
• RECUPERACION BIOLÓGICA DEL SUELO Y EL AGUA CONTAMINADA CON QUIMICOS TÓXICOS
• TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES Y DESECHOS ORGANICOS
ALIMENTARIA
• PRODUCCION DE LEVADURA PARA PANADERIA, QUESOS, YOGHURT Y PRODUCTOS FERMENTADOS COMO EL VINAGRE Y LA SALSA DE SOYA
• FABRICACION DE CERVEZA Y VINO
• PRODUCCION DE AGENTES COLORANTES Y SABORIZANTES
MEDICINA
• DESARROLLO DE NUEVAS MOLÉCULAS TERAPÉUTICAS PARA TRATAMIENTOS MEDICOS
• SISTEMAS PARA LA ADMINISTRACIÓN DE DROGAS
• INGENIERIA TISULAR PARA REMPLAZO DE ÓRGANOS
• TERAPIA GENICA
• VACUNAS ADMINISTRADAS EN ALIMENTOS
VETERINARIA
• PRODUCION DE VACUNAS
•CONTROL DE LA FERTILIDAD
•CRIA DE GANADO
OBTENCIÓN DE VACUNAS
OBTENCIÓN DE VACUNAS RECOMBINANTES
DIAGNÓTICO DE ENFERMEDADES DE ORIGEN GENÉTICO
Conociendo la secuencia de
nucleótidos de un gen responsable de una cierta anomalía,
se puede diagnosticar si este gen anómalo está
presente en un determinado individuo.
PLANTAS TRANSGÉNICAS
TRANSFERENCIA NUCLEAR
OBTENCIÓN DE UNA CERDA TRANSGÉNICAUn 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. Da lugar a un animal transgénico que tiene en todas sus células el gen híbrido. Se expresa en la glándula mamaria de la cerda induciendo la producción de la proteina humana en la leche
PROYECTO GENOMA HUMANO
El 26 de junio de 2000 es ya una fecha para la historia de la humanidad. Tras 10 años de intensa investigación, el genoma humano, considerado el auténtico libro de la vida, ha sido descifrado en sus partes esenciales.
Este logro, que abre una nueva era en la lucha contra las enfermedades, fue anunciado consecutivamente en China, Japón, Francia, Alemania, el Reino Unido y Estados Unidos. Para conseguir este hito, que corona un siglo de investigación biológica
Mapas genéticos
Estos mapas simplemente indican la posición relativa de los diferentes genes.
Mapas físicos
De mayor resolución, pues muestra la secuencia de nucleótidos en la molécula de ADN que constituye el cromosoma.