Desarrollo de OGMs:
Biotecnología moderna y nuevas aplicaciones
Dra. Laura Esther Tovar Castillo.
Directora Técnica de Información y Fomento a la Investigación.
Secretaría Ejecutiva – CIBIOGEM.
CONACYT
Organismo Genéticamente Modificado:
Cualquier organismo vivo que ha adquirido unacombinación genética novedosa, generada através del uso específico de técnicas de labiotecnología moderna.
Cultivos GM
(LBOGMs Artículo 3, fracción XXI)
Según el Convenio sobre Diversidad Biológica:
Biotecnología puede definirse como "toda aplicación tecnológica que
utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para lacreación o modificación de productos o procesos para usos específicos".
Industria Alimentaria
Medicina y Farmacéutica
Aplicaciones Diagnósticas
Biotecnología Ambiental
Tratamiento de aguas y biorremediación
BiocombustiblesBiofertilizantes
Agrobiotecnología
Mejora de cultivos y selección de
nuevas variedades.
Ingeniería Genética
Aprovechando el conocimiento
en Biología Molecular.
BIOTECNOLOGÍA
(CBD, 1992)
19801960 1970 1990 2000 20101950
1961Mejoramiento genético
Norman Borlaug
[Premio Nobel 1970]
1953 Estructura del ADNWatson-Crick
Wilkinson-Franklin
1976-77 Secuencia ADNSanger/Maxam-Gilbert
1982Vacunas Recombinantes
1978 Interacción Agrobacterium-PlantaSchell-Van Montagu
2002 Salmón de rápido crecimiento
1980 Ratones GM
1985Cerdos GM
1988Maíz resistente a plagas
1994Jitomate FlavrSavr
Aprobado por FDA
1999 Arroz vitaminado
1996 Algodón y Soya
(Aprobación USDA y FDA)
1995 Papa contra plagas
(Aprobación EPA)
2003 GlowFish
1985-86 Tabaco GM
Primer vegetal transgénico
Desarrollo de la Biotecnología Moderna
1972ADN RecombinanteBoyer-Cohen
BIOTECNOLOGÍA MODERNA
(Protocolo Cartagena, 2000; LBOGMs 3, VI)
Por “biotecnología moderna” se entiende la
aplicación de:a.Técnicas in vitro de ácido nucléico, incluidos el
ácido desoxirribonucleico (ADN) recombinante y la
inyección directa de ácido nucléico en células u orgánulos,
o
b.La fusión de células más allá de la familia
taxonómica,
que superan las barreras fisiológicas naturales
de reproducción o de la recombinación y que
no son técnicas utilizadas en la reproducción y
la selección tradicional.
Ciencias Genómicas e Información
Biológica
Respeto y Sustentabilidad del Medio Ambiente y
la Biodiversidad
Innovación Tecnológica
Acceso y potenciamiento de
la biodiversidad nacional
Biotecnología Agroecológica en el
campo mexicano
Adaptación. Academia Mexicana de Ciencias (2010) http://www.amc.unam.mx/biotecnologia/comite/tendencias.htm
Provisión de AlimentosProductos y/o materias primas para la industria
Desarrollo de nueva industria soportada en tecnología biológica más limpia
Nuevos Bioprocesos y otras aplicaciones con potencial tecnológico
Metagenómica, Caracterización, Biocatálisis
e Ingeniería Celular
ClasificaciónComparaciónDiagnósticoCertificación
Mejoramiento Genético
• El hombre ha
seleccionado y
modificado a las plantas.
• Más de 10,000 años.
• Fomento del avance de
la Ciencia y Tecnología.
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¿Reconoces esta raíz?
La influencia de la domesticación
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A través de la selección
artificial:
“favoreciendo la sobrevivencia
y reproducción de individuos
de una especie con rasgos o
atributos de interés, durante
muchos años”, se han
domesticado numerosas
plantas y animales.
La influencia de la domesticación
Muchas de las variedades agrícolas comestibles más comunes se generaron inicialmente a través de procesos de selección
humana favoreciendo las características deseables:
Variedades Agrícolas
Algunos resultados de años del trabajo de la humanidad...
Selección artificial
“La cruza del mejor con
el mejor esperando lo
mejor”
Ingeniería Genética
Selección de
características
especificas aun fuera de
la población
Mejoramiento Genético
La mutagénesis inducida se utiliza
desde mediados del siglo XX.
• Sustancias químicas o radiaciones.
• Cambios al AZAR.
• Diversas mejoras.
• Aprox. 3088 nuevas variedades
vegetales, 70% área de cultivo.
Cambios semejantes a los que ocurren
naturalmente de manera espontánea.
Mutaciones Inducidas
W. Murcott mandarin (left) and Tango (right).
Photo credit: T. Williams, UC Riverside.
No son considerados
Organismos Genéticamente Modificados (OGMs)
OVM: organismo vivo modificado (= OGM)
Cualquier organismo vivo que posea una
combinación nueva de material genético que
se haya obtenido mediante la aplicación de labiotecnología moderna*
Protocolo Cartagena, 2000; LBOGM 2005
Cultivos GM
¿Qué es un gene?
GENOMA: Material genético de un organismo.
Esta en TODAS las células
Gene:
Contiene la información de un organismo y es capaz pasar sus rasgos genéticos a la siguiente generación
Región del genoma que corresponde a una unidad hereditaria asociada a regiones reguladoras
Región transcribible que codifica para un producto difusible ya sea una proteína o un RNA
¿Cómo se expresa un gene?
DNA RNA Proteína
TraducciónTranscripción
Código para llegar a las
proteínas
DNA
RNAm
Promotor
Gene
Terminador
Transcripción
Expresión Genética:
Del DNA a la Proteína
Estructura General de un Gene
Traducción
Proteína
Quienes tienen DNA
Los genes codifican para diferentes proteínas .
Quiero C EO M R algo
C EO S R
C EO C R
C RO R E R
Cambia el sentido de la oración!
Cambios en la secuencia genómica de una especie (mutaciones,
inserciones, deleciones y número de copia) se reflejan en las
características visibles (fenotipo) de los individuos que la conforman.
Estos polimorfismos permiten entender la variación genética entre individuos.
Identificar genes que confieran las características deseadas y se
integran al DNA en la bacteria, eventualmente éstas características
podrán ser transferidas a la planta…
Producción de Vitaminas
Tolerancia a sequía
Mejor absorción de
nutrientes
GA T G A CT A CT
Resistencia a plagas
Como se genera un OGM
Métodos de introducción de DNA a una célula
Electroporación
Por choque eléctrico, apertura de poros en membrana celular y se introduce DNA
Gene gun (biobalística)
Partículas de oro o tungsteno, recubiertas de DNA y disparadas a embriones o células jóvenes
Transformación con bacterias
Algunas bacterias pueden introducir DNA a plantas en proceso de infección
Métodos de Transformación Genética Convencional
Transformación mediada por Agrobacterium sp. Transformación por Biobalística
Schell, Chilton, Van Montagu, Fraley, y Horsch, 1983. Sanford, 1986.
Transformación por agrobacterium
Utilizando esta estrategia, el (los) gen(es) deseado(s) se inserta(n) en el
Genoma de las células de la planta que han sido infectada con la bacteria
modificada.
Como se genera un OGM
A) Pequeñas partículas de oro o tungsteno se recubren del ADN que contiene las características deseadas.
B) Estas partículas se “disparan” a gran velocidad sobre las células a modificar.
D) Las células modificadas sepropagan, se seleccionan, y sehacen crecer hasta formar unanueva plántula.
C) El DNA externo penetra el genoma de las células, y
De esta forma el ADN se incorpora al genomade la planta que ahora esta genéticamentemodificada pues contiene la secuencia externade DNA que codifica para las nuevascaracterísticas.
Transformación por Biobalística
Sanford, 1986.
Laboratorio
Modificado de Raymond Layton, Ph.D.
Invernadero Cultivo ComercialPruebas de
campo
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Primeros Organismos Modificados
Bacterias recombinantes productoras de Somatostatina[péptido neurotransmisor de 14 aminoácidos] (1976)
PRODUCTOS RECOMBINANTES
UTILIDAD
Insulina Humana Diabetes
Interferón (a, b) Leucemia, Cáncer
Hormona del Crecimiento Enanismo
Eritropoyetina Anemia y Fallas Renales
Interleucina-2 Inmunoterapia
Lipasas Detergentes
Vacuna Hepatitis B Programas Salud Humana
Vacuna Poliomielitis Programas Salud Humana
Anticuerpos Pruebas Diagnósticas
Resis
tencia
a P
lagas
Tolerancia a herbicidas
OGMs de 1era Generación
Incremento de la Productividad debido al
mejoramiento de las características
agronómicas del cultivo.
OGMs de 2nda Generación
Tolerancia a condiciones adversas:
• Sequía
• Heladas
• Suelos salinos
OGMs de 3era Generación
Oleaginosas con contenidos grasos
de mejor calidad (Omega-3)
Vegetales (biofortificados) con mayor
contenido de aminoácidos esenciales,
minerales, vitaminas o modificados para
la mejor absorción de
nutrientes.
IRRM, 2009
CIAT, 2009
OGMs de 4ta Generación
Acercamiento a la Bioseguridad y a la Biotecnología
Vacunas recombinantes
Peces de Ornato
Ganado para la Producción de leche maternizada
Modelos de investigación
Enviro-pig
Productos lácteos biofortificados
Peces de crecimiento rápido
Mosquitos modificados para controlar enfermedades de relevancia epidemiológica
OTROS TIPOS DE OGMs…
El Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de laBiotecnología del Convenio sobre la Diversidad
Biológica (2000) define a la biotecnologíamoderna como la aplicación de:
a)Técnicas in vitro de ácido nucléico, incluidos el ácidodesoxirribonucleico (ADN)recombinante y la inyección directa deácido nucléico en células u orgánulos, o
b) La fusión de células más allá de la familia taxonómica,
que superan las barreras fisiológicas naturales de la reproduccióno de la recombinación y que no son técnicas utilizadas en lareproducción y selección tradicional.
BIOTECNOLOGÍA MODERNA
(PCB, 2000)
¿Qué es la edición de genomas?
La edición de genomas derefiere a un tipo deingeniería genética en elque manipulandirectamente secuencias enel genoma.
A diferencia de las técnicasprevias, esta manipulaciónse dirige a sitiosespecíficos.
Mutaciones
• Nucleasas Sitio Dirigidas (SDN)
• Mutagénesis Dirigida por Oligonucleótidos (ODM)
Nuevas Técnicas de Mejoramiento Genético
Producen alteraciones
en la secuencia de
nucleótidos de un gen.
• Pérdidas
• Inserciones
• Sustituciones
Nuevas técnicas de mejoramiento de Plantas.New Plant Breeding Techniques (NPBT)
1. Endonucleasas Sitio Dirigidas (SDN) y Tecnología deDedos de Zinc2. Oligonucleotide Directed Mutagenesis (ODM)3. Cisgenesis/Intragenesis4. Metilación de DNA dirigida por RNA (RdDM)5.Reverse breeding & other "negative segregants“(reproducción inversa y otras segregantes negativas)6. Agro-infiltracion7. Injerto sobre Patrón GM
1. Endonucleasas Sitio Dirigidas (SDN) y TeCNOLOGÍA DE DEDOS DE ZINC
• Las nucleases de dedos de Zinc son proteínas
quiméricas con un domino de “dedos de Zinc” (reconoce
especificamente 3 pares de bases de la secuencia de
DNA).
•La nucleasa corta la doble hebra de DNA
Nucleasas de dedos de zinc (ZFN)
Nucleasas tipo activadores de transcripción (TALEN)
Nucleasas de Secuencias Palindrómicas Repetidas
Inversas (CRISPR-Cas)
Especificidad del sistema CRISPR / CAS9
El sistema CRISPR se compone de dos partes
1) Un componente protéico CAS9 con actividad de nucleasa
2) Un RNA guía que brinda especificidad al sistema
2. OLIGONUCLEOTIDE DIRECTED MUTAGENESIS
• Uso de oligonucleotidos, los cuales
comparten homología con la secuencia blanco
(target) con excepción de los nucleotidos que
serán modificados.
• Oligonucleotidos “target” con secuencia
homologa en el genoma
• Crea uno o más pares de base de mismatch
que corresponde a los nucleotidos no
complementarios.
3. Cisgénesis/Intragénesis (genes/ADNc de especies sexualmente compatibles.
La Cisgénesis es la introducción de genes aislados con
sus promotores nativos de las especies susceptibles
de cruzamiento o de la propia planta de cultivo
En la intragénesis, el ADN insertado puede ser una
combinación nueva de fragmentos de ADN de la
misma especie o de una especie sexualmente
compatible sujeto a recombinación homologa.
Se usa en casos en donde el ADN flanqueante o el
vector no se originan de especies sexualmente
compatibles (Holme et al. 2013).
4. Metilación de DNA dirigida por RNA (miRNA, RNAi y horquilla de RNA para inducir metilación de DNA)”. (RdDM)
• Inserción de genes que codifican RNAs los cuáles son
homólogos al promotor de las regiones del gen blanco
• La transcripción de los genes dirige al RNAs de doble
cadena, el cual es cortado en pequeños RNAs
• sRNAs inducen la metilación de la región promotora
del gen blanco target lo que lleva al silenciamiento
transcripcional del gen (TGS)
• Los cambios en el patrón de metilación sera heredaro
aún en ausencia del transgene insertado
Reproducción inversa (RB) es una técnica de fitomejoramiento
diseñada para producir líneas parentales para cualquier planta
heterocigótica.
• El transgene que codifíca para una secuencia de RNAi es liberado
en el material y la planta transgenica se regenera en cultivo de tejido
• El silenciamiento de genes dirige a la supresión meiotica
• El transgene codificador de un constructo de RNAi o una proteína
dominante-negativa es insertado en el genoma de la línea inductora.
• La expresión del transgene permite la inhibición de la expresión
genica o la función de la proteína.
• El efecto del transgene es usado durante uno o varios ciclos de
reproducción.
• El transgene inductor finalmente es segregado o eliminado.
Dirks et al. 2009
5. REVERSE BREEDING(Reproducción inversa)
6. GRAFTING ON GM ROOTSTOCK (injerto sobre
patrón GM)
• El injerto en sí es un método de cultivo clásico en el que dos
plantas con diferentes fenotipos se combinan físicamente
adjuntándose.
• Se toma la parte inferior, el patrón, de una planta
transgénica y la parte superior, el vástago, de una planta
convencional.
• Este método puede ser utilizado para la expresión de ARN
de interferencia (o RdDM) en el patrón; estos son
sistémicamente transportados y puede llevar al
silenciamiento transitorio o heredable de los genes en el
vástago.
• Las semillas resultantes, frutas o descendencia de un
vástago no contienen ADN de origen transgénico, mientras
que la regeneración de brotes adventicios a partir de callos o
portainjerto puede llevar ADN transgénico.
Stegemann y Bock, 2009; Nagel et al, 2010;. Lusser et al., 2011
• La expresión transitoria de genes en plantas implica la
expresión de proteínas recombinantes sin necesidad de
transformación del material genético de la planta.
• El ADN recombinante no se inserta en el genoma, sino
que mediante distintos métodos se consigue producir
grandes cantidades de ARN mensajero, que se traduce
a proteínas en el citoplasma de parte de las células de
la planta.
• Una vez que el mensajero es traducido a proteínas la
planta lo degrada, no se transmite a la descendencia.
http://icono.fecyt.es/informesypublicaciones/Documents/2005-
Plantas%20biofactor%C3%ADa_d.pdf
7. Agro-infiltración (Expresión transitoria por transformación de
Agrobacterium)”.
(Lusser M, 2012)
Dra. Laura Esther Tovar Castillo
Secretaría Ejecutiva-CIBIOGEM
Tel. 55756878
e-mail: [email protected]