Biotecnología

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Biotecnología definida
Biotecnología
La manipulación (mediante la ingeniería genética) de los
organismos vivos o sus componentes para producir productos
útiles, generalmente comerciales (como los cultivos resistentes
a las plagas, nuevas cepas de bacterias, o nuevos productos
farmacéuticos)
La ingeniería genética - el grupo de técnicas aplicadas de la
genética utilizadas para cortar y unir ADN a partir de una o más
especies de organismos
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La Biotecnología es un negocio
En el año 2006 la industria de la biotecnología tenía una ganancia cercana
a los 180 millones de dólares en valor total. En el 2011 el valor total había
aumentado a 360 mil millones.
Esto representa un
crecimiento del 100%
durante un período de
5 años. Los analistas
predicen que esta
La Biotecnología es un negocio
Actualmente, hay más de 250 productos en biotecnología de la
salud y vacunas disponibles para los pacientes, muchas para
enfermedades que antes eran intratables.
Más de 13,3 millones de
agricultores de todo el
mundo utilizan la
biotecnología agrícola
tendencia de
para aumentar el
crecimiento continuará
rendimiento, evitar daños
porque surgen nuevas
por insectos y plagas y
tecnologías
reducir el impacto de la
regularmente.
agricultura sobre el medio
ambiente.
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Biorefinerías
En América del Norte se construyeron 50
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1 ¿Cuál de los siguientes se consideraría un producto de la
ingeniería genética?
A
Un producto químico para reducir el colesterol
en los humanos
B
Un producto químico utilizado para dispersar un derrame
de petróleo
biorrefinerías para probar y perfeccionar
tecnologías para producir biocombustibles y
productos químicos a partir de biomasa
renovable, estos combustibles son
producidos biológicamente.
C
Una bacteria hecha para romper los componentes
tóxicos de un derrame de petróleo
D
Un transplante de corazón
E
Cosecha de células madre
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La ciencia de la biotecnología
Hay muchas tecnologías individuales que se clasifican como
herramientas necesarias para la biotecnología..
Clonación
Manipulación de células madre
Tecnología de ADN recombinante
Terapia génica
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Clonación
La clonación se refiere a los procesos utilizados para crear copias de
fragmentos de ADN, células u organismos. Los científicos han
clonado animales durante muchos años. En 1952, el primer animal
que fue clonado fue un renacuajo.
Dolly, el primer mamífero
clonado de una célula de
un animal adulto, era una
oveja.
Los investigadores han
clonado un gran n{umero
de pequeños y grandes
animales incluyendo
ovejas, cabras vacas,
ratones, cerdos conejos y
un bisonte
Todos estos clones fueron creados usando tecnología de transferencia
nuclear.
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Clonación de transferencia nuclear
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Células madre
Las células madre son células
que se encuentran en todos los
organismos multicelulares, que
pueden ser divididos a través de
la mitosis y diferenciarse en
diversos tipos de células
especializadas.
http://www.youtube.com/watch?v=hepoJgGJtNc
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Tipos de células madre
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Capacidad de las células madre
En los mamíferos, hay dos tipos de células madre:
Las células madre embrionarias que están aisladas de la masa
celular interna del blastocisto. En un embrión en desarrollo, las
células madre pueden diferenciarse en todas las células
especializadas.
Las células madre adultas actúan como un sistema de
reparación para el cuerpo. Mantienen el recambio constante de los
órganos regenerativos, como la sangre, la piel o los tejidos
intestinales.
Las células madre embrionarias son totipotentes. Pueden
diferenciarse de cualquier tipo de célula que está presente en el
organismo.
Las células madre adultas son pluripotentes. Pueden
diferenciarse en algunas, pero no en todas las células presentes
en el organismo adulto.
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Células madres adultas
Tecnologías de células madre
Un ejemplo de células madre adultas, serían las células de la
médula ósea (conocidas como las células hematopoyéticas) que
pueden producir muchos tipos de células sanguíneas.
Actualmente, las células madre embrionarias se han utilizado
principalmente para la investigación. El potencial de las
tecnologías existen, pero en la actualidad ningún producto ha
sido elaborado.
Las células madre adultas han sido utilizadas para el tratamiento
del cáncer y para producir nuevos órganos para la medicina
regenerativa.
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Usos de las células madre adultas
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¿Cuál de las siguientes representa mejor los posibles productos
de la clonación?
Una tráquea que ha "crecido" a
partir de células madre adultas
recolectadas.
A una oveja
B gen de la insulina, una oveja
Han sido utilizadas para
reemplazar la tráquea dañada de
una mujer. Dado que las células
madre eran de ella, no hubo
ninguna posibilidad de rechazo
por parte de su sistema
inmunológico.
C célula de médula ósea, gen de la insulina, una oveja
D
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En la transferencia nuclear, después de que se ha sacado el
núcleo del óvulo ¿Qué se introduce en el huevo?
A mitocondria
B un núcleo de célula somática
C el núcleo de otro huevo
D una célula de esperma
aceite, célula de médula ósea, gen de la insulina, una
oveja
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4
¿Cuál de las siguientes tipos de células madre es
totipotente?
A Las células madre
embrionarias
B Las células madre adultas
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¿Cuál de los siguientes se encuentra en un blastocito?
A Las células madre
embrionarias
B Las células
madre adultas
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La ciencia de la Biotecnología
Un estudio de caso: Diabetes
La diabetes es una enfermedad que afecta a 200 millones de
personas en todo el mundo. Se prevee que este número aumente
a una tasa exponencial continuada.
El control de la glucosa en
sangre es una necesidad
diaria para los diabéticos.
Una persona con diabetes carece de la capacidad de controlar
de manera efectiva el nivel de glucosa en su flujo sanguíneo.
Esto provoca muchos problemas, incluyendo enfermedades del
corazón, insuficiencia renal y ceguera.
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Tecnología de ADN recombinante
A fines del 1970, los científicos comenzaron a buscar una
manera de fabricar insulina humana en un laboratorio. Esto dio
lugar al primer producto producido por tecnología de ADN
recombinante.
Esta técnica permite a los científicos encontrar un gen de
interés, extraerlo a partir del genoma de una especie y colocan
el gen en el genoma de otra especie.
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¿Cuál de las siguientes se utilizaron para producir una tráquea
fabricada en un laboratorio?
A
Las células
madre adultas
B
Las células madre
embrionarias
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Diabetes
En el año 1921 se descubrió que muchas personas con
diabetes no tenían la cantidad adecuada de una hormona
proteica denominada insulina.
Al principio, los médicos trataban esta dolencia mediante la
inyección de insulina proveniente de las vacas, pero la
proteína de la vaca no es exactamente la misma que la
insulina humana. El sistema inmunológico humano comenzó a
rechazar los sustitutos de la vaca y a causar complicaciones
hormonales para el paciente.
Insulina humana
Insulina bovina
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Humulina
En este caso, el gen de la insulina humana fue hallado y
aislado. Luego, se puso en el cromosoma bacteriano de la E.
Coli.
Las bacterias luego de que
producen la insulina humana
conocida ahora como
Humulina, pueden volver a ser
recolectadas.
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Tecnología de ADN recombinante
El hombre puede hacer que las piezas de ADN puedan
recombinarse para hacer únicas las secuencias realizadas.
Hay 7 pasos principales.
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Tecnología de ADN recombinante
Paso 1: Encontrar la pieza del ADN en el genoma, el gen de
interés.
En la actualidad, este paso se
realiza mediante ordenadores
conectados a secuenciadores
robóticos de ADN que
fragmentan, analizan y
encuentran un gen basado en
la entrada del usuario.
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Tecnología de ADN recombinante
Paso 2: "Cortar" el gen de interés a partir del genoma.
La ingeniería genética se hizo posible por el descubrimiento de una
clase de enzimas denominadas enzimas de restricción. En la
naturaleza, estas enzimas son utilizadas por las bacterias como
armas contra los virus invasores.
Buscan secuencias específicas en piezas de ADN y las cortan.
Por ejemplo: EcoRI es una enzima de restricción que realiza un
corte escalonado cuando lee la secuencia GAATTC
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Tecnología de ADN recombinante
Si se conoce la secuencia del gen de interés, por ejemplo el gen de
la insulina, y se conocen también las secuencias en el ADN
circundante, la enzima de restricción corta sitios que están sobre los
lados opuestos del gen y puede ser utilizada para cortar el gen.
EcoRI lugar de corte
EcoRI lugar de corte
Fragmento de
ADN
Gen de insulina
(gen de interés)
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Tecnología de ADN recombinante
Paso 3: Separar el gen de interés
Se llama digestión a la mezcla de las enzimas de restrición con el ADN,
porque las enzimas rompen los fragmentos de ADN en muchas partes
pequeñas.
Es importante recordar que
estamos trabajando con
moléculas. No podemos
simplemente "tomar" el
trozo de ADN que
queremos. Debemos
separar las piezas únicas
de ADN en la digestión y
seleccionar el fragmento
que queremos.
Este tubo contiene
muchas partes
diferentes de ADN
El gen de interés
está aquí en
algún lado
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Tecnología de ADN recombinante
Si nuevamente nos fijamos en el gen de la insulina, podemos ver
que la secuencia entre los dos sitios de corte de EcoRI tiene una
longitud única.
Sitio de corte
de EcoRI
Gen de la insulina
(gen de interés)
Sitio de corte
de EcoRI
Fragmento de ADN
5,000 nucleótidos (bp)
15,000 nucleótidos (bp)
hasta el final del
fragmento
15,000 nucleótidos (bp)
hasta el final del
fragmento
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El digesto (sustancia
obtenida por digestión) se
carga en una pipeta en un
gel, similar a la gelatina. El
gel está formado una red de
fibras llamado colágeno.
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Tecnología de ADN recombinante
El ADN tiene una carga levemente
negativa.
El resultado es que las piezas
pequeñas pueden desplazarse
más lejos de las más grandes. El
ADN se separa por tamaño en lo
que se conoce como un patrón
de bandas.
La electroforesis en gel es una forma de separar fragmentos de
ADN en función del tamaño.
Los pequeños trozos de ADN
pueden moverse más rápido
a través del gel que las
piezas más grandes que se
enredan en las fibras de
colágeno.
Así que en esta digestión no son
fragmentos de ADN que son 5k, 10k, 15k
nucleótidos de largo. El gen de interés
aquí es la pieza 5k.
Una corriente eléctrica pasa a
través del gel y los fragmentos de
ADN se mueven a la carga
positiva. Los fragmentos
pequeños se mueven más rápido,
los fragmentos más grandes son
frenados por la matriz fibrosa de
colágeno.
Tecnología de ADN recombinante
Tecnología de ADN recombinante
Comienzo
15k
10k
Electroforesis en gel del laboratorio virtual de la Universidad de Utah
El Laboratorio de gel
http://learn.genetics.utah.edu/content/labs/gel/
5k
Gen de insulina
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Tecnología de ADN recombinante
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Tecnología de ADN recombinante
Paso 4: Ampliar el gen de interés (amplificación)
Una vez que se aisla el gen de interés dentro del gen, se
separa la banda que contiene el gen del resto del gel, pero esto
es una muestra muy pequeña. Debe producirse más ADN para
poder trabajar con él en el laboratorio.
RCP (Reacción en Cadena de la
Polimerasa) se utiliza para amplificar
el ADN. Esta reacción se efectúa con
una máquina especial que utiliza
ciclos de repetición de calor, la
polimerasa y los nucleótidos libres del
ADN para construir copias del
fragmento de ADN.
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Tecnología de ADN recombinante
Paso 5: "Pegar" el gen de interés en el ADN del huésped
Usando el ejemplo la insulina, la técnica utilizada para obtener
el gen de la insulina en la bacteria implicada de E. Coli
participa un plásmido, son las pequeñas piezas circulares de
ADN que las bacterias utilizan como piezas de intercambio de
información genética.
Sitio de corte
del EcoRI
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Tecnología de ADN recombinante
Mezcla el plásmido cortado con el gen de interés para crear un
plásmido de ADN recombinante que contiene un gen de la
insulina humana
Gen de insulina con extremos adhesivos
Un plásmido con un sitio de corte EcoRI se "digiere" utilizando la
misma enzima de restricción que se utilizó para cortar el gen de
la insulina.
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Tecnología de ADN recombinante
Paso 6: Colocar la parte de ADN recombinado en un organismo
huésped
Ahora que el gen de interés está en un plásmido, puede ser
mezclado con las células bacterianas y ser llevadas hacia el
interior del cromosoma bacteriano.
Plásmido del ADN recombinante
Plásmido con extremos adhesivos
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Tecnología de ADN recombinante
Paso 7: Recoger el producto proteínico
Se puede extraer la proteína a partir de cultivos bacterianos
utilizando diversas técnicas. Entonce se puede suministral al
paciente.
Recuerda, todos los seres vivos utilizan el código genético
universal. Las células bacterianas leerán el gen recién
adquirido, transcribirán en el ARNm y sus ribosomas
traducirán el ARNm en una proteína.
Las células bacterianas se reproducen y expresan el gen. Cada
vez que una célula bacteriana recombinante se divide por fisión
binaria, hará una nueva copia del gen.
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Tecnología del ADN: Problema grupal
Actualmente no existe una cura para la diabetes, pero con los
avances de terapia de insulina, se puede evitar muchas
complicaciones en los pacientes que amenazan sus vidas.
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Tecnología de ADN recombinante
Muchos productos se han realizado utilizando este procedimiento innovador
Tu y un pequeño grupo de compañeros de clase han identificado
un gen de los gorilas que codifica una proteína que ha sido
encontrada para disminuir la progresión del cáncer en humanos.
Sería demasiado caro recolectar esta proteína en los gorilas, por
lo que una compañía de biotecnología te ha solicitado diseñar un
procedimiento para producir la proteína en una forma más
económica y accesible .
Si tu equipo hace el mejor procedimiento se les dará un subsidio
de $ 10 millones para fabricar el producto. Trabaja con tu grupo
de mesa en los próximos 10 a 15 minutos para llegar a un plan
por etapas para hacer este producto al menor precio posible.
A este salmón se le transfirió un gen para
sintetizar la hormona de crecimiento de la
anguila que es más potente que la propia y
hace que crezca 3 veces más grande en la
mitad del tiempo.
A estos tomates se les transfirió un gen que se
encuentra en el pescado para que puedan sobrevivir
a las heladas, lo que significa una temporada de
crecimiento más larga y más rendimiento.
El arroz dorado es una variedad de arroz
Oryza sativa producido a través de la
ingeniería genética para que el betacaroteno proporcione una mejor nutrición.
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Terapia génica
Terapia génica
La terapia génica es una técnica para corregir genes
defectuosos responsables de enfermedades.
Es un procedimiento único, ya que puede curar enfermedades a
nivel genético, en lugar de tratar los síntomas de la dolencia.
Volviendo al ejemplo
de la diabetes...
En lugar de obtener
bacterias para hacer la
insulina, sería mejor
dar al paciente el gen
para que pueda
fabricar su propia
insulina.
Ima ge Copyright Micros oft Enca rta Online Concis e Encyclope dia <http://e nca rta .ms n.com>
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Biología sintética: El
Futuro de la Biotecnología
Una cita de un reciente artículo del New York Times, Drew
Endey, uno de los fundadores de un concurso de biología
sintética en el MIT llamado iGEM:
"Los ingenieros genéticos han mirado a la naturaleza como un conjunto de
productos finales para ajustar y mejorar - un tomate que podría ser fabricado
como un mejor tomate. Pero los biólogos sintéticos se imaginan a la naturaleza
como una plataforma de fabricación: todos los seres vivos son sólo cajas de
engranajes genéticos; debemos ser capaces de derramar todas esas ruedas
dentadas al suelo y aparejarlas en cualquier nueva maquinaria que queremos.
Si quieres construir un estante para libros, puedes encontrar un buen árbol,
cortarlo, laminarlo, hacer viruta de la madera y con un martillo colocarle algunos
clavos. O bien, puedes programar el ADN en el árbol para que crezca un estante
para libros".
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Creando vida sintética
Para crear vida sintética, una célula bacteriana se ha eliminado de
su genoma de la misma forma que se haría en la técnica de
transferencia nuclear para la clonación.
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Biología sintética: El
Futuro de la Biotecnología
El Instituto J. Craig Venter es el centro principal
de la biología sintética. En el 2010 los científicos
del instituto crearon con éxito un genoma
totalmente artificial y desarrollaron una nueva
bacteria, que no podría haber sido creado por la
naturaleza.
La biología sintética ve la vida como las
computadoras: Las células y los organismos son
el hardware, poderosas máquinas capaces de
realizar funciones complejas.
John Craig Venter
Los genes son el software que le dicen al hardware qué
hacer. Este software puede ser actualizado, reemplazado y
agregado a un nuevo software.
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Metabolismo sintético
La célula produce todos los nuevos productos de la proteína y
utiliza una forma diferente de metabolismo que fue programada
por los científicos. Una característica del nuevo código es que
un gen que codifica una proteína está de pigmento azul, para
que se pueda confirmar visualmente que la celda está leyendo
el nuevo código genético.
Un genoma sintético fue producido por el uso de las técnicas de
ADN recombinante antes mencionado. Se unen piezas cortas de
secuencias conocidas en todo un genoma.
El nuevo genoma se inserta en las bacterias. Al igual que un
ordenador con un nuevo sistema operativo, la célula se inicializa y
ejecuta el nuevo "programa".
La esperanza de esta tecnología, es que los científicos
puedan crear células bacterianas que produzcan medicina y
combustibles, como también puedan absorber contaminantes
como los gases del efecto invernadero y los productos
derivados del petróleo.
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ADN sintético
Un sintetizador de
ADN es capaz de
hacer, secuencias
únicas de ADN
artificiales.
En otras palabras, ya no es necesario encontrar un gen en
la naturaleza. El científico puede hacer nuevos genes con
cualquier producto proteínico que puedan pensar.
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La ética de la Biotecnología
Estas nuevas tecnologías han permitido a los seres humanos
manipular la naturaleza y la evolución de una manera sin
precedentes. Con esta capacidad viene aparejada la necesidad
de examinar cómo lo vamos a utilizar y definir nuestras
responsabilidades.
Paul Wolpe es el Jefe de Bioética de la NASA. Presenta
un rápido recorrido por las nuevas tecnologías y se
pregunta qué haremos con ellas en TED.com.
Ted.com
http://www.ted.com/talks/paul_root_wolpe_it_s_time_to_question_bio_engineering.html