biotecnología - biología y geología

Biología y Geología
IES La Zarza
Emilio F. Vicioso
BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA. 2º DE BACHILLERATO
NIVEL IV. MICROORGANISMOS Y BIOTECNOLOGÍA
BIOTECNOLOGÍA
1.
2.
BIOTECNOLOGÍA: CONCEPTO................................................................................................ 1
INGENIERÍA GENÉTICA: CONCEPTO .................................................................................... 2
2.1. ENZIMAS DE RESTRICCIÓN ............................................................................................ 2
2.2. ADN RECOMBINANTE ...................................................................................................... 3
2.3. APLICACIONES DE LA I NGENIERÍA GENÉTICA ........................................................ 3
2.3.1.
LA INGENIERÍA GENÉTICA EN MEDICINA .......................................................... 3
2.3.2.
OBTENCIÓN DE ORGANISMOS TRANSGÉNICOS ............................................... 5
3. INVESTIGACIÓN SOBRE EL GENOMA HUMANO ............................................................... 8
3.1. MANIPULACIÓN Y CLONACIÓN .................................................................................... 9
4. REPERCUSIONES SOCIALES Y ÉTICAS DE LA TECNOLOGÍA ......................................... 9
1.
BIOTECNOLOGÍA: CONCEPTO
La biotecnología es una disciplina que se basa en la utilización de los microorganismos o sus
componentes para beneficio de los seres humanos.
La biotecnología es una técnica más que una ciencia y, aunque se apoya en gran medida en la
microbiología, la sobrepasa en muchos aspectos.
La biotecnología emplea técnicas de ciencias muy diferentes: microbiología, genética,
bioquímica, química orgánica, química-física e ingeniería-química.
Los procesos biotecnológicos son tremendamente variados, desde la clonación o la
inseminación artificial, a la fabricación de armas biológicas, pasando por la fabricación de bebidas
alcohólicas y productos lácteos.
No obstante esta variedad, en todo proceso biotecnológico se siguen una serie de pasos:
a. Control de la estirpe de interés: se selecciona el organismo que produce la sustancia de
utilidad.
b. Identificación y aislamiento del gen codificador: se localiza y aísla el gen que codifica la
sustancia de interés, para introducirla en una célula productora (una bacteria,
generalmente).
c. Selección de la cepa productora y cultivo: se localizan las bacterias que han asimilado el
gen de interés y producen la sustancia requerida. Se cultivan en laboratorio y luego, a
gran escala, en la industria.
d. Aislamiento y purificación de la sustancia de interés: la sustancia ha de ser aislada y
purificada para poder utilizarla más eficazmente.
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Biotecnología: disciplina basada en la utilización de seres vivos o sus
componentes, para realizar determinados procesos químicos con finalidad
industrial.
Incluye
Ingeniería
genética
Procedimientos
biotecnológicos
clásicos
como
Identificación y aislamiento de
GENES TERAPÉUTICOS
Obtención de
ORGANISMOS
TRANSGÉNICOS
implica
para
FERMENTACIONES
Extración del ARNm
Traducción y obtención
de la proteína
Estudio de la posible
solución terapéutica
2.
Producción de
medicamentos
Conseguir órganos
para trasplante
INGENIERÍA GENÉTICA: CONCEPTO
La ingeniería genética es un conjunto de técnicas destinadas a la manipulación de los genes de
los organismos biológicos, con el fin de modificarlos en beneficio de los seres humanos.
La mejora genética de organismos se ha venido realizando por el hombre desde que nacieron la
agricultura y la ganadería, mediante cruce y selección de razas y variedades. Las técnicas de
manipulación genética tienen el mismo objetivo, pero los cambios son muchos más rápidos e
importantes.
La ingeniería genética aplica una serie de métodos y técnicas llamadas, en conjunto, tecnología
del ADN recombinante.
Esta tecnología emplea múltiples descubrimientos de la genética microbiana, aunque se puede
decir que nació gracias al descubrimiento de las enzimas de restricción.
2.1.
ENZIMAS DE RESTRICCIÓN
En la década de los años 60 del s. XX, Werner Arber y Hamilton Smith descubrieron las
endonucleasas de restricción. Éstas son enzimas bacterianas encargadas de destruir el ADN
de bacteriófagos. Tienen la particularidad de cortar el ADN sólo en ciertas secuencias de
nucleótidos. Las diferentes especies bacterianas tienen endonucleasas que cortan el ADN en
secuencias distintas. Eligiendo las endonucleasas adecuadas, se puede cortar el ADN por el
lugar deseado, como si fueran unas “tijeras moleculares”.
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2.2.
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ADN RECOMBINANTE
Una vez obtenidos los fragmentos de ADN deseados mediante enzimas de restricción, estos
fragmentos se unen a otras moléculas de ADN transportadoras, llamadas vectores.
Fragmento de ADN
Fragmentación del ADN
con enzimas de restricción
Plásmido
Formación con ADN ligasa
de una molécula de ADN
recombinante
Aislamiento y corte del
plásmido con la misma
enzima de restricción
Selección del clon deseado
y producción de células
La aplicación de
estas técnicas en
agricultura tiene
como objetivos:
•
Introducción en la célula huésped
Conseguir plantas
resistentes a
herbicidas.
•
Conseguir plantas
resistentes a los
insectos.
•
Proteger las
plantas frente a
enfermedades
microbianas y víricas.
•
Mejorar el
producto que se
obtiene.
Los vectores suelen ser plásmidos bacteriano o genomas víricos de ADN, aunque también
puede ser ADN artificial.
La unión la realiza la ADN ligasa.
Al conjunto del gen escogido y el vector se le llama ADN recombinante.
2.3.
APLICACIONES DE LA I NGENIERÍA GENÉTICA
La ingeniería genética presenta un campo de aplicación enormemente amplio. Algunas de sus
aplicaciones son ya una realidad, sobre todo en el ámbito de la medicina y la investigación. Otras
aplicaciones serán de gran importancia en el futuro.
2.3.1. LA INGENIERÍA GENÉTICA EN MEDICINA
La ingeniería genética es una herramienta fundamental en la investigación médica actual, pero
las aplicaciones más conocidas y destacables son la fabricación de productos farmacéuticos, la terapia
génica y la producción de vacunas.
A) FABRICACIÓN DE PRODUCTOS FARMACEÚTICOS
Entre los principales productos farmacéuticos elaborados con ingeniería genética destacan los
antibióticos y las hormonas.
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a) Antibióticos: desde que Alexander Fleming descubriera la penicilina en 1929, las técnicas de
obtención de antibióticos y el número y variedad de los mismos han evolucionado enormemente.
Aunque aún se emplean hongos y bacterias tradicionales, con técnicas de cultivo
modernas, para la obtención de la mayoría de los antibióticos, actualmente la tendencia es
a obtener una mejora en la producción y una mayor diversidad de antibióticos.
Para ello se emplean técnicas de ingeniería genética, modificando el genoma de hongos y
bacterias productoras.
b) Hormonas: muchas proteínas animales, sobre todo hormonas, tienen gran valor como productos
farmacéuticos. Sin embargo, estas sustancias se encuentran en muy pequeñas cantidades en los
tejidos animales y su extracción y purificación es muy costosa.
Por ello, actualmente se recurre a la obtención de hormonas a partir de microorganismos
modificados genéticamente, principalmente bacterias.
Un caso típico es la insulina. Esta se obtiene en la actualidad de cepas de E. coli
modificadas mediante técnicas de ingeniería genética. A las bacterias se les han
introducido los genes que codifican para la insulina, con lo que la fabrican a gran escala.
La forma activa de la insulina consta de dos polipéptidos (A y B), que están codificados por partes
separadas de un mismo gen. Estos se pueden obtener en cultivos bacterianos separados.
Proteína de fusión con subunidad A
del gen de la insulina
Promotor
Subunidad A
del gen de la
insulina
Transformación
en E. coli
Extracción de
las proteínas
de fusión
Separación de
los polipéptidos
AyB
Promotor
Formación de
insulina activa
Subunidad B
del gen de la
insulina
Proteína de fusión con subunidad B
del gen de la insulina
B) TERAPIA GÉNICA
Muchas enfermedades humanas son de naturaleza genética. Las técnicas de ingeniería genética
pueden detectar los genes causantes de las mismas.
El tratamiento consiste en amplificar el gen defectuoso o sustituirlo por otro funcional.
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La primera enfermedad genética tratada con estas técnicas fue la deficiencia inmunitaria
combinada (SCID). Para ello se utilizó un vector, un virus, que introdujo el gen correcto en las
células defectuosas.
En la actualidad, la terapia génica se centra sobre todo en el tratamiento de diversos tipos de
cánceres, con grandes esperanzas futuras. Recientemente se ha conseguido la primera cura en
adultos con terapia génica de un tipo de inmunodeficiencia
(http://www.plus.es/codigo/noticias/ficha_noticia.asp?id=535578)
C) PRODUCCIÓN DE VACUNAS
Las vacunas son suspensiones de microorganismos patógenos que han sido atenuados o
destruidos para que no produzcan enfermedad. Cuando se inyectan en un animal producen
inmunidad frente a dicha enfermedad.
Sin embargo, el uso de microorganismos siempre puede ser peligroso. Lo ideal sería usar sólo
las proteínas de la superficie del patógeno, que dan inmunidad sin correr riesgos.
Con la ingeniería genética se pueden clonar los genes productores de esas proteínas y hacer que
se expresen en bacterias o virus no patógenos. Así se obtienen las vacunas recombinantes y las
vacunas subunidad (con sólo una subunidad de la proteína deseada). De éste último tipo es la
vacuna actual contra la hepatitis B. También se espera que sea de este tipo la futura vacuna
contra el VIH (virus del sida).
Fragmento del gen de
una proteína de la
cubierta del “virus de la
vacuna”
Gen de la proteína
de la cubierta del
tipo silvestre del
“virus de la vacuna”
Plásmido
Viriones
recombinantes
ADN del “virus de la
vacuna” tipo silvestre
ADN
recombinante
Condiciones de replicación
favorables para viriones
recombinantes
No hay
recombinación
ADN foráneo
Transfección
en células
hospedadoras
Plásmido recombinante
2.3.2. OBTENCIÓN DE ORGANISMOS TRANSGÉNICOS
Se denominan organismos transgénicos (OT) a aquellos que llevan en su genoma genes
“extraños”, introducidos artificialmente.
Los OT tienen gran interés médico y en la agricultura y ganadería.
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Los OT se obtienen introduciendo el gen deseado en el genoma de las células reproductoras o
embrionarias, con lo cual aparecerán en todas las células del organismo adulto.
En procariotas, es decir, bacterias, se puede fabricar un ADN recombinante utilizando
plásmidos (moléculas de ADN circular presentes en la mayoría de bacterias), genomas de virus o
cromosomas artificiales. Para introducirlos en las bacterias se puede recurrir a la transformación
(captación por la bacteria de ADN del medio) o a la transducción (utilizando como vector un virus
bacteriófago: ciclo lisogénico).
En eucariotas el ADN recombinante se obtiene de forma similar. Como vectores se pueden
emplear:
a. Genomas de virus: los retrovirus animales insertan su ADN en el genoma del hospedador, por lo
que se utilizan para este fin, aunque antes han de ser desactivados los genes de virulencia.
b. Cromosomas artificiales: se emplean en levaduras. Los YAC (yeast artificial chromosomes,
cromosomas artificiales de levadura) son moléculas de ADN recombinante muy estables. Se han
usado en el Proyecto Genoma Humano.
c. Plásmidos Ti para células vegetales: la bacteria Agrobacterium tumefaciens, patógeno vegetal,
tiene el plásmido Ti, que lleva los genes de la virulencia y puede integrarse en parte en el genoma
de la célula vegetal. Manipulando el plásmido, se eliminan los genes de virulencia y se emplea
como vector.
Es el único caso conocido de transferencia de genes entre una bacteria y un organismo
pluricelular.
Para introducir estos vectores en las células eucariotas se emplean diversos métodos:
a. Microinyección: inyección mediante un capilar finísimo.
b. Electroporación: descargas eléctricas que alteran la membrana plasmática y la hacen
permeable al ADN.
c. Pistola de genes: pistola que dispara microproyectiles de oro revestidos de ADN.
d. Liposomas con ADN: vesículas con bicapas lipídicas que se fusionan con la membrana
plasmática e introducen su carga de ADN.
e. Agrobacterium en células vegetales: ya descrito.
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Transferencia génica
Óvulo de oveja fecundado
Oveja nodriza
Rebaño de descendientes
transgénicos que producen la
proteína
PRODUCCIÓN DE
LECHE
IgG
Purificación de la
proteína
CP
Los animales transgénicos se utilizan para producir proteínas humanas de interés farmacéutico o
para investigación de enfermedades humanas. En el futuro podrían utilizarse para transplantes.
Isoinjerto
Autoinjerto
Entre dos individuos
genéticamente idénticos
De una parte del
cuerpo a otra
Xenoinjerto
Aloinjerto
Entre individuos de
diferentes especies
Entre miembros
diferentes de la
misma especie
No provocan rechazo
En cuanto a los vegetales, pueden obtenerse variedades resistentes a plagas, herbicidas o bien plantas
que den cosechas más grandes o mejoradas en algún aspecto. También se pueden usar para obtener
proteínas humanas y, en el futuro, vacunas.
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ADN
foráneo
Vector de
transfección
Cromosomas
Transferenci
a por
conjugación
Transformación
en E. coli
3.
A. tumefaciens
Célula vegetal
recombinante
Regeneración de la
planta con nuevas
propiedades
INVESTIGACIÓN SOBRE EL GENOMA HUMANO
El desarrollo de la tecnología del ADN ha permitido conocer en profundidad el genoma de los
seres vivos. Los primeros genomas secuenciados fueron el de algunas bacterias y virus. Posteriormente
se planteó la secuenciación de genomas eucariotas, mucho mayores y más complejos.
A finales de los años 80 se abordó el proyecto más ambicioso, la secuenciación del genoma
humano. Así, en 1990, comenzó el Proyecto Genoma Humano, que pretendía secuenciar dicho
genoma en 15 años.
http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/home.shtml
http://es.wikipedia.org/wiki/Proyecto_de_Genoma_Humano
1989
Comienza la secuenciación del Genoma (3000 millones de pares de bases).
¿Por
qué?
Porque encierra nuestra identidad, nuestra historia evolutiva,
nuestro presente y nuestras posibilidades futuras.
Técnicamente:
¿Puede
hacerse?
OBJETIVOS
MEDIOS
Conocer la base de múltiples enfermedades.
Comprender la estructura bioquímica de las células.
¿Para
qué?
Saber cómo funcionan y se regulan los genes.
Evitar el envejecimiento celular.
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Dada la envergadura del proyecto, se fundó la HUGO (Human Genome Organization) para
coordinar a todos los países participantes.
Aunque comenzó como una empresa pública, en los años 90 entró en competición una empresa
privada, Celera Genomics, con Craig Venter al frente. Este científico prometió acabar el proyecto en
mucho menos tiempo que el consorcio público y mediante métodos distintos. El desafío obligó a
redoblar los esfuerzos del equipo público y en 2000, cinco años antes de los previsto, Celera y el
Proyecto Genoma acordaron anunciar conjuntamente la finalización del primer borrador del genoma.
En 2003 se completó definitivamente la secuencia.
Sin embargo, el proyecto continúa, pues aún quedan varios objetivos por cumplir, como la
determinación del número exacto de genes existentes y determinar la función de cada gen.
Hasta ahora las conclusiones más importantes son:
a. La secuencia completa contiene 3000 millones de pares de bases.
b. Sólo el 10 % del ADN tiene función codificante (proteínas o ARN), del otro 90 % se
desconoce la función.
c. El 99,9% de los genes de todas las personas es idéntico. El 0,1 % restante es la causa de la
variabilidad entre seres humanos.
3.1.
MANIPULACIÓN Y CLONACIÓN
El enorme potencial que el Proyecto Genoma Humano ha puesto en manos de los investigadores
ha supuesto unos avances espectaculares.
Las aplicaciones de la manipulación de genes en medicina, agricultura, farmacología,
arqueología, medio ambiente, etc, no parecen tener límites.
La capacidad de alterar el genoma de los seres vivos ha conducido también a la obtención de
seres clónicos, es decir, genéticamente iguales. Al famoso caso de la oveja Dolly (1966)
(http://es.wikipedia.org/wiki/La_oveja_Dolly) ha seguido el de otros mamíferos, abriendo el camino a
la clonación humana. Ésta ya ha sido realizada, al menos, por dos equipos distintos, aunque sólo con
fines de investigación.
Actualmente ya se permite en varios países la posibilidad de la clonación de embriones con
fines terapéuticos, mientras que hacerlo con fines reproductivos está expresamente prohibido en
muchos países.
4.
REPERCUSIONES SOCIALES Y ÉTICAS DE LA TECNOLOGÍA
Los avances de la ingeniería genética han dado una capacidad casi ilimitada para manipular los
genes por parte de los investigadores. Por primera vez en la historia del planeta, una especie puede
modificar su propio material genético y, por tanto, su evolución. El fantasma del doctor Frankenstein
ha vuelto a aparecer entre la opinión pública.
Las nuevas tecnologías provocan recelos y esperanzas al mismo tiempo. Recelos por razones de
seguridad y éticas, y esperanzas por las posibilidades de curación de enfermedades y otros beneficios.
Actualmente hay planteado un intenso debate ético sobre estos temas.
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Desde el punto de vista de la seguridad hay que plantearse qué puede ocurrir si, organismos
modificados genéticamente, como bacterias o virus, son liberados a la naturaleza. O si los llamados
alimentos transgénicos son absolutamente inocuos.
Desde el punto de vista ético, cabe preguntarse por los límites que ha de tener la investigación en
estos temas, así como la utilización de los resultados de análisis genéticos para preservar el derecho a la
intimidad.
El debate es complejo y son los gobiernos los que deben elaborar leyes que impongan límites a
los que se puede o no hacer con el potencial actual.
El vertiginoso avance de la ingeniería genética, plantea numerosas cuestiones éticas.
LIMITACIONES ÉTICAS A LA MANIPULACIÓN DE GENES HUMANOS
El 11 de noviembre de 1997 la ONU aprobaba la
Declaración Universal sobre el Genoma Humano y los Derechos Humanos.
El genoma humano es Patrimonio de la Humanidad.
Oposición a la comercialización del genoma humano.
Derecho a la protección de la información genética propia de cada individuo.
Prohibición de la clonación de seres humanos con fines reproductivos.
Subordinación de las investigaciones sobre genoma humano a los principios éticos de respeto
por la libertad y la dignidad.
PATENTES DE GENES
El Parlamento europeo se pronunció en contra de las patentes de genes en 1995
La Unión Europea aprobó en agosto de 1998 una directiva por la que se propone que un gen
puede ser patentado si es producido por un procedimiento técnico, aunque éste sea igual al
gen natural.
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