Isalan, M. et al., (2006).

EMBL-CRG Systems Biology programmeCRG, Barcelona Spain

EL PERFECCIONAMIENTO GENÉTICO DE LA ESPECIE HUMANA

El material genetico y las mutaciones

Las mutaciones son cambios en las 4 letras que componen el codigo genetico que paraecen espontaneamente ys e puede incrementar su numero por radiacion o compuestos quimicos

Todos los seres vivos tienen cromosomas compuestos de ADN

La tasa de mutacion espontanea en humanos es de 1.1 (10’8 bases por generacion. Eso implica alrededor de 30 mutaciones.

La seleccion natural opera sobre las mutaciones espontaneas

Pinzones en las islas Galapagos

Los genomas humanos de media portamos unas 800 mutaciones deletereas, pero al tener dos copias de cada cromosoma muchas veces no vemos el efecto

Desde hace miles de años la humanidad ha seleccionado mutaciones espontaneas en especies diferentes para aumentar su productividad

Ancestro del Maiz

10000 BC8000 BC

2500 BC

Initially early human farmers simply selected food plants with particular desirable characteristics, and used these as a seed source for subsequent generations, resulting in an accumulation of characteristics over time.

33000 BC

Desde hace miles de años la humanidad ha seleccionado mutaciones espontaneas en especies diferentes para seleccionar caracteristicas

H. Sapiens intercambio genes con otras especies humanoidesLos neandertales, los denisovanos y otros son, de hecho, una parte de cruzamiento del linaje humano moderno. Somos la misma especie. Ha habido una amplia mezcla de seres humanos modernos durante decenas de miles de años, y al menos algo de mezcla en varios grupos arcaicos. Los neandertales, los denisovanos y otros arcaicos pueden ser el mejor ejemplo de una verdadera raza o subespecie humana. El ADN neandertal favoreció en los humanos alergias pero mejoro su inmunidad

Mejora de las plantas por cruces selectivos

Plantas resistentes a sequia (Izda) y no resistentes (dcha)

Por ejemplo, un guisante resistente al moho puede cruzarse con un guisante de alto rendimiento pero susceptible, el objetivo de la cruz es introducir resistencia al moho sin perder las características de alto rendimiento. La progenie de la cruz se cruzaría con el progenitor de alto rendimiento para garantizar que la progenie se asemejara más al progenitor de alto rendimiento (backcrossing). La progenie de ese cruce luego se analizaría para determinar el rendimiento y la resistencia al moho y las plantas resistentes de alto rendimiento se desarrollarían aún más. Las plantas también pueden cruzarse entre sí para producir variedades consanguíneas para la reproducción.

Los rasgos que los criadores han intentado incorporar en las plantas de cultivo en los últimos 100 años incluyen: Mayor calidad y rendimiento del cultivo. Mayor tolerancia a las presiones ambientales (salinidad, temperatura extrema, sequía). Resistencia a virus, hongos y bacterias. Mayor tolerancia a las plagas de insectos. Mayor tolerancia a los herbicidas.

Creacion de nuevas variedades por mutaciones quimicas o irradiacion

Después de la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron varias técnicas que permitieron a los fitomejoradores hibridar especies relacionadas distantes e inducir artificialmente la

diversidad genética.

Mundo, una nueva variedad de dalia con un nuevo color de flor (izquierda) y la variedad principal "Miharu" (derecha). Como resultado del tratamiento con haces de iones pesados, el color de la flor se volvió rojo oscuro y la flor se hizo más grande con un mayor número de pétalos.

Los fitomejoradores utilizan varias técnicas de cultivo de tejidos vegetales para producir progenie a partir de apareamientos infructuosos. Los híbridos interespecíficos e intergenéricos se producen a partir de un cruce de especies o géneros relacionados que normalmente no se reproducen sexualmente entre sí.

Mejoramiento de plantas moderno

El fitomejoramiento moderno puede usar técnicas de biología molecular para seleccionar, o en el caso de modificación genética, para insertar rasgos deseables en las plantas. La aplicación de la biotecnología o biología molecular también se conoce como reproducción molecular.

Produccion de nuevas medicinas por biologia molecular

Insulin, Human growth hormone, EPO, Antibodies for cancer therapy etc….

De prueba y error a diseño por ordenador: La biologia sintetica

Synthetic Biology

“Synthetic Biology: ENGINEERING LIFE”

BIOLOGIA SINTETICA

La mayoría de las aplicaciones de la biología sintética son en microbios o en biotecnología.

Feeding the World: A Challenge for the Twenty-First CenturyIt is estimated that feeding 8.2 billion people – an additional 1.4 billion – in2030 would require raising overall food production by some 50 per cent between 2005/07and 2030.Soil contamination & BioremediationClean ChemistryNew MedicinesExploitation of aquifers: Water salinizationEnergy: Biofuels

Some of the challenges of the 21st Century

Biosensors

16June 14, 2008

Biofueles• First generation

– Food feedstock: sugar, starch, vegetable oil or animal fats using conventional technology (food for fuel debate)

– Fuel types: vegetable oil, biodiesel, butanol, ethanol, syngas• Second generation (Needs Synthetic Biology)

– Non food crop feedstock: cellulose, waste biomass: wheat, corn, wood – Fuel types: biohydrogen, biomethanol, DMF, bio-DME, Fischer-Tropsch diesel,

biohydrogen diesel, mixed alcohols and wood diesel • Third generation (Needs Synthetic Biology)

– Algae feedstock • Fourth generation (Needs Synthetic Biology)

– CO2 feedstock: CO2 converted to methane by bacteria

Algal Oil

Reciclado

Bioremediacion

Nuevos materiales

QUIMICA LIMPIA Y NUEVAS MEDICINAS

As living pills

Hacia los robost biologicos “biobots”: Bacteria contra el cancer

Vibrio fisheri: Quorum sensing (cell density sensing)E.coli: hypoxia responsive promotor (fdhF)Yersinia pseudotuberculosis: invasin (inv)

Anderson et al (2006) J Mol Biol, 355, 619

Tratamiento de enfermedades

Uso de bacterias pulmonares

Biologia sintetica: Terapia genica en Humanos

Today we sense we are close to be being able to alter human

heredity,” Nobel Laureate and California

Institute of Technology virologist David Baltimore

Tres problemas principales deben resolverse para el uso generalizado de la terapia génica o de ingeniería racional.

1)Rechazo inmune de las células portadoras del gen nuevo o corregido. Al igual que en el trasplante de órganos, la terapia génica se ha visto afectada por este problema. El sistema inmunológico normalmente reconoce el nuevo gen como extraño y rechaza las células que lo transportan.

2) Control de donde se debe insertar el gen o genes. Los virus utilizados para la terapia génica o el uso de ADN desnudo dan como resultado una inserción aleatoria y esto podría causar otras enfermedades, incluido el cáncer. Con un paciente francés en terapia génica que desarrolló una forma de cáncer, se estárealizando un frenético esfuerzo de detección para determinar qué salió mal: el gen y el vector se integraron en la parte del genoma que contenía LMO2 y activóel gen.

3) Comprensión cuantitativa de una célula o un organismo, hasta el punto en que podríamos diseñarlo como lo hacemos hoy en día con aviones o automóviles.

Necesitamos herramientas que permitan insertar o corregir un gen de forma especifica

Chromosome

Virus Gene to correct a disease

Cancer gene

Cancer

CrispR la herramienta que permite cortar, editar y modificar el ADN de forma especifica

Incialmente descubierta por Francisco Mojica en 1993

Xenotransplantation

Problemas que impiden laxenotransplantation

Rechazo al organo Virus ocultos en el genoma del cerdo

Genome engineering and Xenotransplantation

CRISPR slices virus genes out of pigs

showed that CRISPR could knock out PERV genes at all 62 sites in the pig genome—

PERVs: Remnants of ancient viral infections, genes from porcine endogenous retroviruses

G. Church and co-workers

TERAPIA GENICA Y ENFERMEDADES RARAS

Boy with rare disease gets most of skin replaced through gene therapy

Sickle cell anemia patient 'cured' by gene therapy, doctors say

Two Months After Gene Therapy, Jack Sees Brighter, More Clearly

Hannah Has Her Gene Therapy for GAN (ALS): When Science Becomes Medicine

Ingenieria de Immunoterapia en Cancer

Creo que muchos estaran de acuerdo en usar la Biologia sintetica para curar enfermedades geneticas raras, o el

cancer, hacer quimica limpia, biofuelesEtc……

Pero donde empieza el desacuerdo ?

La mejora genética plantea una serie de cuestiones éticas, legales y sociales.

¿Qué se entiende por normalidad?

¿Cuándo es una intervención genética "potenciadora" o "terapéutica"?

¿Cómo debería calcularse el beneficio de una mejora genética al comparar sus riesgos y beneficios?

¿Las personas que han sido genéticamente mejoradas disfrutarán de una ventaja injusta al competir por los escasos recursos? Es decir,

¿la mejora genética estará disponible para todos o solo para los pocos que pueden permitirse comprarla utilizando sus finanzas personales?

Estas preguntas se relacionan con las dos preocupaciones principales presentadas por el mejoramiento genético: el socavamiento del principio de igualdad social y el problema de crear una ventaja injusta de la que disfrutarán los individuos mejorados.

Modificar nuestro genoma para tener mas musculo?

El uso de la edición del genoma para mejorar la musculatura en pacientes con distrofia muscular podría estar bien. Pero, ¿qué hay de mejorar la musculatura para personas genéticamente dispuestas a ser más débiles de lo normal? Y prevenir la perdida de musculatura con la edad?. ¿Dónde se traza la línea? ¿Qué pasa con la edición genética para mejorar los niveles de colesterol? Los científicos y los responsables de la formulación de políticas tendrán que pensar más en lo que cuenta como "normal" y en lo que es una "mejora"

Modificar nuestro genoma para dormir menos ?

Tome el gen DEC2. Ajustarlo podría hacer que una persona funcione como las personas raras que nacen con una variante que les permite funcionar bien con solo unas pocas horas de sueño. Ese rasgo no es necesario para la mayoría de las personas, pero podría ser útil para un soldado en el campo de batalla, por ejemplo. En última instancia, las mejoras de muchos tipos "definitivamente" ocurrirán en el futuro, dice Fyodor Urnov de Sangamo BioSciences, una compañía que está trabajando en el espacio de edición de genes. La pregunta más importante, dice, es cuándo sucederá.

Por ejemplo, las personas más altas tienden a ser más exitosas financieramente en la vida:Durante una carrera de 30 años, una persona de seis pies de altura ganaría $ 166,000 más que alguien de cinco pies y cinco pulgadas. Casi todos los CEO de Fortune 500 tienen al menos seis pies y dos pulgadas de alto, aunque eso es cierto en solo el 3.9% de la población. Los estudios han demostrado que la belleza física se traduce en mayores ganancias que las personas que son menos atractivas según las normas culturales. La brecha es tan grande como la de los factores de género o raciales. La gente asume erróneamente que el atractivo físico tiene una fuerte correlación con la competencia y la capacidad

Modificar nuestro genoma para ser mas altos?

En los Juegos Olímpicos de Invierno de 1964 en Innsbruck, más tarde se descubrió que un esquiador de campo a través de Finlandia que ganó dos medallas de oro tenía una mutación genética que aumentaba el número de glóbulos rojos en su cuerpo porque no podía apagar la producción de eritropoyetina (Epo) . Esta mutación incrementó la capacidad del atleta para el ejercicio aeróbico. Los esfuerzos recientes para introducir el gen Epo en las células de los pacientes eliminarían la necesidad de inyecciones regulares, pero este proceso también podría ser abusado por los atletas

Modificar nuestro genoma para ser super-deportistas?

Diseñar el genoma humano?

En algunos años podremos diseñar el genoma humano en la línea germinal. Esto significa que las personas con dinero tal vez puedan asegurarse de que tendrán hijos Sin cáncer ni diabetes. Esto creará diferencias entre los humanos no debido a Economía pero a la genética. ¿Qué dirá una madre si se le ofrece la posibilidad?Los padres que desean tener hijos más fuertes, más inteligentes y más altos, por ejemplo,

podrían verse tentados por esa tecnología. Todo esto lleva al ejemplo ubicuo de edición de genes para características superficiales: elegir el color de ojos

Donde los especialistas en ética se preocupan más es cuando las células germinales son el objetivo de CRISPR. Cualquier cambio en las células germinales puede ser potencialmente transmitido a las generaciones futuras, esencialmente introduciendo esos cambios en la población humana.

También es muy posible que en algunos años se integren componentes no biológicos en nuestro cuerpo.

Playing GODPet fluorescent fish

Fluorescent Animals

La ciencia no es ni buena ni mala. Pero se puede utilizar en ambos sentidos ". Depende de nosotros

como sociedad decidir qué es bueno o malo y para qué se debe utilizar.

Gracias por su atencion

Celula de riñón teñida con diferentes anticuerpos

Gracias por su atencion

Celula de riñón teñida con diferentes anticuerpos

SYSTEMS BIOLOGY

SYNTHETIC BIOLOGY

CLASSICAL BIOLOGY

TOOLS FOR CUTTING MAMMALIAN DNA: ZINC FINGERS

Easy to engineerNot easy to target a specific sequenceLack of specificity and off-targetsLarge constructs difficult to transform

TOOLS FOR CUTTING MAMMALIAN DNA: MEGANUCLEASES

Moderately easy to engineerDifficult to target a specific sequenceGood specifictyEasy to transform

Biosecurity

TALENs was employed to create genetically modified T cells named UCART19, designed to treat acute lymphoblastic leukaemia

TOOLS FOR CUTTING MAMMALIAN DNA: TALENS

Easy to engineerEasy to target a specific sequenceGood specificityLarge constructs difficult to transform

Why now?• Advances in computing

power• Genomic sequencing• Crystal structures of

proteins• High through-put

technologies• Biological databases• Diverse biological

sampling/collection

DNA synthesis of large DNA fragments

A human genome sequencing costs now less than 5000 Dollars, itIs estimated that it will go down to some hundreds at which point all babies in the first world will be sequenced.

DNA synthesis of large DNA fragments

Until not many years ago DNA synthesis could only makeFragments of up to hundreds of bases. However, recently a bacterial chromosome of up to 400000 bases was artificially built

(artificial life by Venter ?) Reconstructed Spanish Flu Virus

A drug molecule.

CRISPR technology, if nothing else, is already proving to be a powerful research tool, and has been adopted by thousands of labs around the world. A small lab with modest funding can use CRISPR to, for example, turn off a gene in a target species (from bacteria to mice) and then study the effects in order to understand what the gene does. This promises to accelerate our understanding of genes which will likely have tremendous downstream effects.

CRISPR can also be used to create genetically modified organisms. It was recently reported, for example, that researchers used CRISPR technology to create genetically modified mosquitoes that are resistant to malaria. This sparked its own ethical discussion about releasing genetically engineered organisms into the wild before we can fully understand all the intended and unintended consequences.

CrispR

CrispR and Off-targets

Schwarzenegger mice have been bred - laboratory animals whose bodies have expanded rapidly after the injection of a gene that causes muscles to grow.For example, a gene called MGF (Mechano-growth factor) regulates a naturally occurring hormone produced after exercise that stimulates muscle production. Levels of MGF fall as we age, which is one reason why muscle mass is lost as we grow older. A treatment to build up muscles would allow us to remain able-bodied and independent much longer. IGF-1, another muscle-building hormone, has produced increased muscle mass in laboratory mice. Theoretically, gene insertion of IGF-1 could produce an equally impressive effect in humans

At the 1964 Winter Olympics in Innsbruck, a cross-country skier from Finland who won two gold medals was later found to have a genetic mutation that increased the number of red blood cells in his body because he could not switch off erythropoetin (Epo) production. This mutation increased the athlete's capacity for aerobic exercise. A synthetic version of Epo is currently used to treat anemia, but it has also been abused by athletes to heighten their stamina. For example, in the 1998 Tour de France, a team was thrown out of the race, and two top cyclists admitted taking the drug. Recent efforts to deliver the Epo gene into patients' cells would eliminate the need for regular injections, but this process could also be abused by athletes.

Signs and symptoms of familial erythrocytosis can include headaches, dizziness, nosebleeds, and shortness of breath. The excess red blood cells also increase the risk of developing abnormal blood clots that can block the flow of blood through arteries and veins. If these clots restrict blood flow to essential organs and tissues (particularly the heart, lungs, or brain), they can cause life-threatening complications such as a heart attack or stroke. However, many people with familial erythrocytosis experience only mild signs and symptoms or never have any problems related to their extra red blood cells.

Genetic enhancement raises a host of ethical, legal and social questions. What is meant by normal? When is a genetic intervention "enhancing" or "therapeutic?" How should the benefit from a genetic enhancement be calculated in comparing its risks and benefits? Would people who have been genetically enhanced enjoy an unfair advantage in competing for scarce resources? That is, will genetic enhancement be available to all or only to the few who can afford to purchase it using their personal finances? These questions relate to the two major concerns presented by genetic enhancement: the undermining of the principle of social equality and the problem of creating an unfair advantage that would be enjoyed by enhanced individuals.

Take the DEC2 gene. Tweaking it could make a person function like the rare individuals who are born with a variant that allows them to function well with just a few hours of sleep. That trait is not necessary for most people, but it could be useful for a solider in the battlefield, for example. Ultimately, enhancements of many kinds will “definitely” happen in the future, says Fyodor Urnov of Sangamo BioSciences, a company that is working in the gene editing space. The bigger question, he says, is when it will happen.

George Daley of Harvard Medical School said on December 1 that he and his team have seen multiple patients affected by NEMO deficiency syndrome, a disorder where an inherited faulty gene results in a weak immune system and leaves patients prone to serious infections. To care for such patients, his team has seen families that try to have a second child– sometimes nicknamed a “savior sibling”—in the hopes that the second child’s bone marrow can be employed to help the older sibling. Yet by the time families try to conceive their second child the parents are older and that likely contributes to why they have trouble getting pregnant quickly via IVF, he says. In such instances families could save time and perhaps achieve greater success if CRISPR was on the table to help ensure a single embryo with good results, he says. The question boils down to if one should consider purely the statistics or the human, says Baltimore. But either way, even if such circumstances are rare, they still exist and cannot be ignored. Perhaps the fact that CRISPR could be performed is reason enough to leave it on the table.

Many parents would want to ensure their children had the best of advantages through genetic improvement. Those with means could obtain them. With the ability comes ethical questions beyond the ultimate safety of such techniques. Expense of procedures will produce scarcity and aggravate income inequality that already continues to grow.

Such improvements would certainly include physical characteristics because they can affect success. For example, taller people tend to be more financially successful in life, with one study showing that over a 30-year career, a six-foot tall person would make $166,000 more than someone five-foot five-inches. Almost all Fortune 500 CEOs are at least six-foot two-inches tall, even though that is true of only 3.9% of the population.Studies have shown that physical beauty translates into higher earnings than people who are less attractive by cultural norms. The gap is as large as those due to gender or racial factors. People wrongly assume that physical attractiveness has a strong correlation with competence and abilGenetic engineering of humans will happen as certainly as the atomic bomb would be developed once physics proved that such a device was possible in theory. Parents who can afford to already run children through enrichment programs and get them tutoring in how to take important standardized tests.

Where ethicists become most concerned is when germ cells are the target of CRISPR. Any changes in the germ cells can be potentially passed down to future generations, essentially introducing those changes into the human population.

The reason to do this is to treat genetic disorders. It might be possible, for example to treat sperm or eggs with a genetic mutation with CRISPR to remove or replace a gene that causes disease. Alternatively, a fertilized egg could be treated prior to implantation.

Playing GOD

British researchers get green light to genetically modify human embryos

The decision permits Niakan to study the embryos for 14 days for research purposes only. It does not permit them to be implanted into women. Niakan’s research is aimed at finding the genes at play in the early days of human fertilisation.

By contrast, the panel says editing embryos for human enhancement — say, making people stronger or more intelligent — should absolutely not proceed in the United States until there’s much broader society-wide discussion of the thorny ethics involved, like the risks of exacerbating the gap between rich and poor. The report is an in-depth discussion of the issues at play here, so let’s dig in.

But that’s easier said than done. The report notes that the boundary between disease prevention and enhancement can often be hazy. Using genome editing to improve musculature for patients with muscular dystrophy might be okay. But what about improving musculature for people genetically disposed to be weaker than normal? Where do you draw the line? What about genetic editing to improve cholesterol levels? As such, the report notes, scientists and policymakers are going to have to think harder about what counts as “normal” and what is an “enhancement.”

Desde hace miles de años la humanidad ha seleccionado mutaciones espontaneas en especies diferentes para aumentar su productividad

500 BC 1000 BC

600 BC

400 BC

1500 AC

Today the pharmaceutical industry sources natural artemisinin from thousands of small farmers who grow Artemisia annua, primarily in China, Vietnam, Kenya, Tanzania, Uganda, Madagascar and India. The average crop area per farmer in China and Africa is around 0.2 hectares.

If microbial production of synthetic artemisinin is commercially successful, pharmaceutical firms will benefit by replacing a diverse set of small suppliers with one or two production factories. The Royal Tropical Institute notes that, “pharmaceutical companies will accumulate control and power over the production process; Artemisia producers will lose a source of income; and local production, extraction and (possibly) manufacturing of ACT in regions where malaria is prevalent will shift to the main production sites of Western pharmaceutical companies

But like all advances in science there are always to sides