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BIOTECNOLOGÍA
INGENIERÍA
GENÉTICA
YBIOTECNOLOGÍ
A
BIOTECNOLOGÍA
Es la utilización de seres vivos o parte de ellos, con el fin deobtener productos de interés para las personas.
HISTORIA1919: Karl Ereky, ingeniero húngaro utiliza por primera vez la palabra biotecnología.
1965: El biólogo norteamericano R. W. Holley «leyó» por primera vez la informacióntotal de un gen de la levadura compuesta por 77 bases, lo que le valió el PremioNobel.
1970: El científico estadounidense Har Khorana consiguió reconstruir en el laboratoriotodo un gen.
1973: Se desarrolla la tecnología de recombinación del ADN por Stanley Cohen, yHerbert Boyer.
1976: Har Khorana sintetiza una molécula de ácido nucleico compuesta por 206 bases.
1976: Robert Swanson y Dr. Herbert Boyer crean Genentech, la primera compañía debiotecnología.
1982: Se produce insulina para humanos, la primera droga derivada de labiotecnología.
1983: Se aprueban los alimentos transgénicos producidos por Calgene. Es la primeravez que se autorizan alimentos transgénicos en Estados Unidos.
2003: Cincuenta años después del descubrimiento de la estructura del ADN, secompleta la secuencia del genoma humano.
• La ingeniería genética puede definirse como un conjunto de
técnicas, nacidas de la Biología molecular, que permiten manipular el
genoma de un ser vivo.
• La ingeniería genética es la biotecnología de la manipulación y
transferencia de ADN de un organismo a otro, esto permite:
• Crear nuevas especies.
• La corrección de defectos genéticos.
• La fabricación de numerosos compuestos.
INGENIERÍA GENÉTICA
• Se realiza a través de las enzimas de restricción que son
capaces de "cortar" el ADN en puntos concretos.
• Se denomina ADN recombinante al que se ha formado al
intercalar un segmento de ADN extraño en un ADN
receptor. Por ejemplo, la integración de un ADN vírico en un
ADN celular.
INGENIERÍA GENÉTICA
HERRAMIENTAS EN
INGENIERÍA
GENÉTICA
ENZIMAS
DE
RESTRICCIÓN:
son endonucleasas(tijeras moleculares) que
cortan el ADN
• Cada enzima reconoce una
secuencia de nucleótidos y
corta en ese punto cada
cadena de ADN.
• Los extremos libres son
pegajosos porque pueden
unirse a otros fragmentos
cortados por las mismas
enzimas de restricción.
VECTORES DE
CLONACIÓNPlásmidos:son moléculas de ADN
extra cromosómico de
forma circular en
bacterias.
Bacteriófagos:
Son virus que sirven de portadores
de Material genético a bacterias.
BAC: Cromosomas artificiales bacterianos son
vectores sintéticos que
combinan características
del fago lambda que posee
extremos cohesivos o
regiones cos.
HERRAMIENTAS EN INGENIERÍA GENÉTICA
ADN LIGASAS
HERRAMIENTAS EN INGENIERÍA GENÉTICA
Cultivo celular• Proceso mediante el cual, células procariotas o eucariotas pueden
cultivarse en condiciones controladas en el laboratorio (in vitro)
• Los "cultivos celulares" hacen referencia a la siembra de células aisladas de eucariotas
pluricelulares, especialmente células animales, cultivo de órganos y tejidos.
Cultivo de células
humanas en medios
enriquecidos con
aminoácidos, vitaminas y
factores de crecimiento
Procesamiento de cultivo de células madre
PROYECTO DE INGENIERÍA GENÉTICA
1. Localización y aislamiento del gen que se desea transferir.
2. Selección del Vector.
3. Unión del ADN elegido al ADN del Vector.
4. Inserción del vector en el gen transferido en la Célula
Hospedadora:
•Transformación: Plásmidos.
•Transducción: Bacteriófagos y Cósmidos.
5. Multiplicación del Organismo Transgénico.
MECANISMOS DE TRANSMISIÓN
HORIZONTAL DE IMPORTANCIA EN
INGENIERÍA GÉNETICA
TRANSFORMACIÓN
• Las bacterias transmiten material genético a través
de DNA libre en el medio elementos episomiales.
• La bacteria receptora tiene mecanismos para
captar el DNA a través de sus envolturas externas e
introducirlo en su cromosoma.
• Los genes intracrosomales se recombinan dando
lugar a genes mosaico.
TRANSDUCCIÓN
Transferencia de información genética de una célula
a otra através de un virus.
• Estos virus se denominan bacteriofagos o fagos.
• Penetran las membranas y la pared celular de la
bacteria para inyectarle su material genético.
• Se replicación y luego salen de la bacteria, e
infectan a otras, a las cuales les transmite e integran
el DNA que llevan.
La ingeniería genética incluye un conjunto de técnicas
biotecnológicas, entre las que destacan:
1.La tecnología del ADN recombinante: consiste en aislar ymanipular un fragmento de ADN de un organismo paraintroducirlo en otro.
2.La secuenciación del ADN: permite saber el orden osecuencia de los nucleótidos que forman parte de un gen.
3.La reacción en cadena de la polimerasa (PCR): consigueaumentar el número de copias de un fragmento determinadode ADN, por lo tanto, con una mínima cantidad de muestra deADN, se puede conseguir toda la que se necesite para undeterminado estudio.
INGENIERÍA GENÉTICA
TÉCNICAS DE INGENIERIA GENÉTICA1.- TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE:
Permite aislar un fragmento de ADN de un organismo (transgén) e insertarlo en el
ADN de otro organismo que puede ser de otra especie.
Nos permite obtener fragmentos de ADN en cantidades ilimitadas, que llevará
además el gen o los genes que se desee.
Molécula A MoléculaB
Tratar con ADN-ligasa
ADNrecombinante
Digestión de ambas moléculas con la misma enzima de restricción, BamHI
Extremos cohesivos
Mezclar
Esta técnica permite
la obtención de
transgénicos:
organismos que
portan genes de otra
especie (vegetales,
animales,
bacterias...) en los
que se podrá
"expresar" la
información de
dichos genes.
Un ejemplo es la síntesis de insulina humana en bacterias o levaduras,
para ello se incorpora a estos microorganismos el gen humano que codifica
la síntesis de esta proteína.
2.- REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR)
Permite obtener grandes cantidades de ADN a partir de una muestra muy pequeña
Aplicaciones:- Obtención de cantidad suficiente de ADN para su secuenciación (leer el orden de las bases nitrogenadas) y poder determinar si existe alguna mutación o simplemente conocer la disposición normal de las bases (se utiliza en el estudio de los genomas).- Análisis de ADN fósil.- Estudios de parentesco evolutivo: el grado de similitud en el ADN permite establecer relaciones de parentesco entre especies.- Identificación de espcies- Determinación de huellas genéticas, permite obtener suficiente cantidad de ADN a partir de muestras pequeñas (gotas de sangre, semen, bulbo de cabello, restos de piel) para poder realizar estudios comparativos (investigaciones policiales, medicina forense, pruebas de paternidad).
Técnica PCR
Enfriamiento
Enfriamiento
Calentamiento
Calentamiento
ADN polimerasa
Nucleótidos
Nucleótidos
ADN polimerasa
El fragmento de ADN que se
desea amplificar se calienta
para que las dos hebras se
separen.
Las hebras separadas se
enfrían y se tratan con ADN
polimerasa y nucleótidos para
formar las cadenas
complementarias de cada
hebra de ADN.
Se inicia un nuevo
ciclo en el que los
fragmentos de partida
serán los formados
en el cicloa anterior.
Se forman las
cadenas
complementarias de
ADN de las hebras
separadas. Después de 20 ciclos de este proceso, se logra disponer de más de un millón de copias de la
molécula.
3.- SECUENCIACIÓN
Consiste en poder determinar la secuencia de nucleótidos (bases
nitrogenadas) de un fragmento de ADN
•Permite identificar posibles mutaciones diagnosticar enfermedades asociadas
a estas mutaciones: DIAGNÓSTICO MOLECULAR
•El diagnóstico molecular permite diagnosticar la enfermedad antes de que se
manifieste clínicamente lo cual puede permitir un mejor control de la misma.
•Se utiliza en el diagnóstico prenatal y en la selección de embriones para evitar
enfermedades hereditarias
•En investigación forense, por ejemplo, identificación de individuos o en pruebas de
paternidad.
•En medio ambiente, por ejemplo, para la identificación de especies animales y
vegetales, la conservación de recursos genéticos animales, la identificación de
organismos genéticamente modificados, la identificación de especies bacterianas.
Secuenciación de ADN: método Sanger
Se necesita un gran cantidad de muestra, por lo
clona el fragmento de ADN seleccionado.
A continuación, se desnaturaliza el ADN y se
obtienen cadenas simples que se incuban en un tubo
de ensayo junto con el resto del material.
Este método incorpora desoxirribonucleótidos,
cuya incorporación a la secuencia de ADN provoca
la terminación de la cadena, ya que no se puede
añadir ningún ribonucleótido más al extremo en el
que se incorporan.
Se inicia la síntesis de nuevas cadenas de ADN
que utilizan como molde el ADN que se quiere
secuenciar. Las cadenas incorporan un
desoxirribonucleótido por azar e interrumpen su
síntesis. Al realizar miles de copias se obtienen
múltiples cadenas de longitud variable, que se
diferencian en un nucleótido.
Al identificar los desoxirribonucleótidos
terminales de las cadenas se puede “leer” la
secuencia de nucleótidos del fragmento de
ADN analizado.
Aplicaciones de la ingeniería genética
Obtención de fármacos
Mejora en la producción
agrícola y animal.
•Insulina
•Proteínas de
coagulación del
suero sanguíneo.
•Vacunas
Carpas y salmones portadores del gen de la hormona del crecimiento
Maíz resistente al frío
Terapia génicaTratamiento de enfermedades humanas:
•Diabetes
•Hemofilia
•Parkinson
Eliminación de metales
pesados
Producción de alimentosBiorremediación
Producción de energíaProducción de
sustancias terapéuticas
Insulina
APLICACIONES EN MEDICINA
DIAGNÓSTICO
El desarrollo de la Genómica y la Proteómica, así como laaplicación de la Biotecnología ala Medicina, ha
identificar genes
permitido
alterados
productores de enfermedades y
elaborar fármacos para reducir
la incidencia de patologías
genéticas.La investigación biotecnológica
permitió antes de 2010, conocer
la predisposión que tiene cada
individuo a padecer un tipo de
cáncer y detectar tumores antes
de que existan, por la posibilidad
de examinar los mas de 30.000
genes que tiene cada serhumano.
TERAPIA GÉNICALa terapia génica es el proceso por el cual se
inserta material genético en una célula, con el fin
de que tenga implicaciones fenotípicas, por ej.
hacer que esta produzca una proteína normal. Las
utilidades van desde curar enfermedades
unigénicas hasta modificar el equilibrio del sistema
inmune, permitiendo la modulación de la respuesta
contra cualquier antígeno.
La terapia génica pretende curar
enfermedades hereditarias,
mediante la introducción de
genes sanos.
Es aplicable también al
tratamiento de enfermedades
actualmente incurables, como
cánceres, hepatitis, sida,
fibrosis, hemofilia, distrofia
muscular, talasemia, diabetes,
enfermedades
neurodegenerativas, cegueras,
induficiencia cardiáca,
disfunción eréctil, infertilidad,
terapia del dolor.
La genética de los animales tiene múltiples objetivos:
Aumentar el rendimiento del ganado.
Producir animales con enfermedades humanas para la investigación.
Elaborar fármacos, etc.
•Los primeros pasos se han dado obteniendo animales clónicos. Estas nuevas
razas pueden ser más resistentes y rentables.
•En la actualidad, se emplean ratones transgénicos en los laboratorios de
investigación. Por ej. algunos de ellos llevan genes humanos que provocan cáncer.
•Se está investigando la creación de nuevas razas de animales mediante técnicas
de manipulación genética.
CLONACIÓN REPRODUCTIVA: OVEJA DOLLY• El equipo de Ian Wilmut, del Instituto Roslin de Edimburgo comunicó en 1997 que
habían logrado una oveja por clonación a partir de una célula diferenciada de un
adulto.
• Esencialmente el método (que aún presenta una alta tasa de fracasos) consiste
en:
-obtener un óvulo de oveja,
-eliminarle su núcleo,
-sustituirlo por un núcleo de célula de oveja adulta (en este caso de glándula
mamaria),
-implantarlo en una tercera oveja que sirve como “madre de alquiler” para llevar el
embarazo.
• Así pues, Dolly carece de padre y es el producto de tres "madres":
-la donadora del óvulo contribuye con el citoplasma (que Contiene además
mitocondrias que llevan un poco de material genético),
-la donadora del núcleo (aporta la mayoría del ADN),
-y la que parió, que genéticamente no aporta nada.
EDIMBURGO. El científico Ian Wilmut
con la oveja Dolly, en una foto de 1997.
E. Fernando Salcedo, M.Sc
Dolly (1997-2003), la primera oveja obtenida por clonación a partir de
células adultas
Los investigadores Stanley Cohen y Herbert
Boyer :
Insertaron 277 núcleos de la células adultas en
otros tantos óvulos. Sólo 29 sobrevivieron.
Los 29 óvulos se implantaron en el útero de 13
ovejas nodrizas. Sólo una quedo preñada y parió
a Dolly.
UN LABORATORIO DE TEXAS CLONA AL PRIMER ANIMAL DOMÉSTICO.
“Copycat ” es el primer gatito nacido mediante clonación.
El experimento abre las puertas de la clonación masiva
de animales domésticos, un fin sin explorar cuya sola
posibilidad había desencadenado ya el almacenamiento
de células de mascotas por parte de sus ricos
propietarios.
EN ESPAÑA SE CLONA
AL PRIMER TORO DE
LIDIA.
OBTENCIÓN DE MEDICAMENTOS POR INGENIERÍA GENÉTICAPlásmido con gen
insertado
Células embrionarias
Vaca receptora
Vaca transgénica
Vaca transgénica
El gen del factor VIII,
procedente de células
humanas, se inserta en
un plásmido.
El plásmido se
inserta en células
embrionarias de
una vaca.
Los embriones se
implantan en una
vaca receptora.
Tras el desarrollo del embrión,
nacerá una vaca transgénica
que portará el gen del factor VIII
en sus células.
Cuando la cría
crezca, de su leche
se podrá obtener el
factor VIII.
Plásmido
Mansa (nació en 2002)
Primera ternera clonada y transgénica. Produce la hormona de crecimiento humana en la leche
Pampero nació hace dos semanas (Foto cortesía
de Bio Sidus).
Según Bio Sidus, el ternero modificado
por vía genética posee en sus células
germinales el gen de Hormona de
Crecimiento Humana (hGH).
Las descendientes del animal podrán
producir leche que contenga esa
hormona, que se utiliza para tratar a
niños y adolescentes con déficit de
estatura.
La madre de Pampero es una vaca
clonada por Bio Sidus, Pampa Mansa,
que posee en su ADN la hormona
CLONAN TERNEROS EN EE UU PARA PRODUCIR ANTICUERPOS
HUMANOS (Empresa biofarmacéutica Hematech)
CLONAN CERDOS DESTINADOS A TRASPLANTAR SUS ÓRGANOS A
HUMANOS (Empresa escocesa PPL Therapeutics)
Los anticuerpos son proteínas que se
aferran a un elemento extraño que
ingresa al cuerpo -como los virus y las
bacterias-, para impedir su
funcionamiento o para que éste sea
atacado por el sistema inmunológico.
Tratamiento de enfermedades del
sistema inmunólógico (cáncer), y tan
variables como el la otitis o la viruela
hasta el antrax.
La logra retirar de los cerditos el gen que provoca
el rechazo en transplantes a humanos "alfa 1,3
galactosil transferasa” (ej. válvulas cardiacas, piel,
hígado).
Un gen de un pez plano del Ártico
que no interrumpe su crecimiento
en invierno
Otro gen del propio salmón modificado
que no interrumpe la producción del
hormona del crecimiento cuando el pez
llega a la madurez
SALMÓN TRANSGÉNICO
Crece entre 6 y 8 veces más que un salmón normal.
Se le han incorporado dos genes.
Por primera vez un animal genéticamente
modificado fue aprobado para su consumo
humano por la Administración de Alimentos y
Medicamentos de Estados Unidos (FDA, por
sus siglas en inglés).
Lo que permitirá a la empresa AquaBounty
Technologies empezar la comercialización
de su salmón de rápido crecimiento, una
creación que algunos críticos han
apodado Frankenfish (año 2015)
• La primera planta transgénica se desarrolló a partir de la planta del tabaco:
-Evitar la floración para que no muera y siga creciendo
-Disminución de la producción de productos tóxicos perjudiciales para la
salud humana
- Aumento de la producción de bioetanol a partir de tabaco
La biotecnología ha logrado a través de las llamadas plantas transgénicas, un campo
de investigación y desarrollo tan fascinante como polémico.
Los alimentos transgénicos
Transgen
Organismo transgénico
Mediante ingeniería genética se han conseguido:
• plantas resistentes a enfermedades producidas por virus, bacterias o insectos.
• cultivos que producen su propio insecticida o resistentes a insecticidas,
• tomates que conservan su frescura y sabor durante varias semanas,
• plantas que dan frutos de maduración muy lenta
• capullos donde crece algodón de colores
• mejora en la calidad de las semillas
Áreas con cultivos de OGM en 2005. Los cinco países que producen
más del 95% de OGM. Otros países con OGM's comercializados
Puntos naranja: solo cultivos experimentales.
En el año 2014, los cultivos de
transgénicos se extienden en
181,5 millones de hectáreas de
28 países, de los cuales 20
son países en vías de desarrollo.
En el año 2015, en Estados
Unidos, el 94 % de plantaciones
de soja lo eran de variedades
transgénicas, así como el 89 %
del algodón y el 89 % del maíz.
Las aplicaciones farmacéuticas son otro gran
punto de interés.
Estas plantas son capaces de producir antibióticos, toxinas y otras
sustancias que atacan a los microorganismos.
Retraso en la maduración
Producción de sustancias
Mejora de la calidad
LOS ALIMENTOS TRANSGÉNICOS
Ventajas
Tomate Flavr Svr
Café más aromático y con menos cafeína
Resistencia a herbicidas e insectos
Maíz resistentea insectos
Arroz que produce
provitamina A
Soja resistente aherbicidas
Patatas que inmunizan contra enfermedades
EL ABANICO DE ESTOS CULTIVOS ES MUY AMPLIO
Tomates morados, con el
gen de los arándanos, que
les aporta propiedades
anticancerígenas
Tomates azules con vacunas
Golden rice con vitamina A
LOS ALIMENTOS TRANSGÉNICOS
Desventajas
Pérdida de diversidad
genética
Pérdida de diversidad cultivada, invasión de ecosistemas naturales Paso de genes
transferidos a
especies silvestres o
tradicionales
Maleza resistente a herbicidas o bacterias resistentes a antibióticos
Efectos perjudiciales
sobre la salud
Se han descrito problemas alérgicos.Hay gran desconocimiento
Aumento de la
dependencia de
países en desarrollo
Las bacterias son los seres vivos
más utilizados en Ingeniería
Genética.
La más utilizada es la Escherichia
coli. Se usa prácticamente en todos
los procesos.
Las bacterias son microorganismos
con una capacidad extraordinaria de
adaptación a diferentes condiciones
ambientales.
Estas posibilidades se han visto incrementadas con el desarrollo de la
ingeniería genética y la disponibilidad de técnicas de biología molecular.
La capacidad infecciosa de las bacterias radica en que poseen la información
necesaria para colonizar los tejidos del huésped, invadirlos y producir la
enfermedad.
Por otro lado, ha permitido
usarlas para la prevención y t r
a t a m i e n t o d e a l g u n a s
enfermedades.
Biorremediación
Los expertos en ingeniería genética creen
que la utilización de organismos modificados
genéticamente traerá un mayor desarrollo
de la biorremediación.Los ejemplos son muy variados:
•La introducción de un gen en el organismo
específico para el vertido a tratar.
•El desarrollo de cepas biosensorasluminiscentes, que permitirían monitorizarel proceso de degradación.
•La creación de plantas transgénicas paralimpiar suelos contaminados.
La naturaleza tiene una cierta capacidad de limpieza de los elementoscontaminantes. Microorganismos como levaduras, hongos o bacterias degradanuna gran cantidad de sustancias tóxicas, reduciendo su carácter nocivo o inclusovolviéndolas inocuas para el medio ambiente y la salud humana.
La biorremediación consiste en acelerar este proceso natural para mitigar lacontaminación ambiental.
Deinococcus radiodurans: De los
microorganismos más resistentes a
la radiación que se conocen, ha sido
modificado genéticamente para que
pueda consumir el tolueno y los
iones de Mercurio de desperdicio
nuclear altamente radiactivos
Biorremediación
OTRAS APLICACIONES EN LA BIOTECNOLOGÍA
Producción de energía
VACAS PRODUCTORAS DE
METANO
Un notable logro de la Ciencia Descubrimiento del ADN cumple 50 años
El País. Madrid, 26 de Marzo de 2001.
Las multinacionales retiran los alimentos transgénicos del Estado español.
Joaquina Prades, Madrid.
Manipulación genética y controversia
ética.
La Dignidad del Hombre en Juego
El Libro de la vida Proyecto Genoma
Humano
Domingo, 14 de abril de 2002 - 22:58
GMTMapa del genoma humano en 2003
Con este mapa los científicos podrían trabajar en el descubrimiento de qué genes son responsables de enfermedades como el cáncer, la diabetes y la hipertensión
Proyecto genoma humano
• El proyecto genoma humano fue un proyecto
que tenía como objetivo la secuenciación de
todo el ADN de un ser humano.
• Secuenciar un genoma significa determinar el
orden en que se disponen los cuatro nucleótidos
que forman el ADN a lo largo de todas las
moléculas que contiene cada célula.
• El ADN humano contiene 3.000 millones de
nucleótidos lo cual significaba una dura tarea.
• 1988. El doctor Watson es nombrado director de la Oficina de Investigación del Genoma Humano, organismo dependiente de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH) de EEUU. Afirma que el genoma podrá estar descodificado para el año 2005 y que le costará al Gobierno alrededor de 3.000 millones de dólares.
• 1990. El doctor Craig Venter, un investigador de los NIH, desarrolla un método más corto para encontrar fragmentos del genoma humano. Demuestra que, a partir de estos fragmentos, se puede identificar a los genes completos.
• Mayo 1998. Venter se 'pasa' a una nueva compañía que pretende secuenciar el genoma humano en tres años, es decir, dos años antes de la fecha prevista por el proyecto estatal. La compañía se llamará Celera.
• Junio 2000. En un día que el presidente Clinton califica de histórico, Venter y Collins aparcan sus diferencias y anuncian que se ha logrado el primer borrador del genoma humano secuenciado
• 12 de Febrero de 2001. La empresa Celera publica la secuenciación del genoma en la revista 'Science'. El consorcio público hace lo mismo en 'Nature'
El proyecto genoma humano hapermitido conocer muchas cosas:
• Cuantos genes tenemos (30.000)
• Como son de grandes, unos 3.000 nucleótidos de media.
• Qué proporción de nuestro ADN da lugar a proteínas (2 %)
• Como se organizan los genes en nuestro ADN
• En que se diferencia nuestro ADN delde otras especies.
• Que diferencias hay entre los distintos humanos, el 0’1 %.
• Gracias al conocimiento
• humano será posible
• conocer mejor algunas enfermedades y:
• 1.- Diagnosticar mejor
• 2.- Aplicar un tratamiento adecuado
• 3.- Prevenir la aparición de
estas enfermedades.
del
genoma
en el futuro
Humanos 30,000genes
Chimpancé 30,000genes
A. thaliana 25,000 genes
Ratón 30,000genes
C. elegans 19,000 genes
D. melanogaster 13,000genes
98% idéntico
70% idéntico
20% idénticoDe 289 genes humanos implicados en enfermedades, hay 177
cercanamente similares a los genes de Drosophila.
El genoma humano es 10 veces mas pequeño que el genoma de la salamandra Bolitoglossa subpalmata y 200 veces menor
que el de la Ameba
Entre una persona y otra el ADN solo difiere en 0.2%
60% idéntico
• El 7 de marzo de 2010 fue publicad en larevista Nature, una de las revistascientíficas más prestigiosas del mundo,una investigación del Cinvestav Irapuatoen colaboración con científicos de EstadosUnidos y Francia en la cual hallaron unaproteína llamada argonauta 9 con la quese podría llegar a inducir la clonaciónnatural de las plantas, esto tendría unfuerte impacto en la industria de semillas,y algunos dicen que podría revolucionar laproducción agrícola internacional.
