facultad de ciencias de la salud departamento académico de

Mblgo. Luis Alberto Sánchez Angulo / Mblgo. José Luis Gutierrez Aponte
Biología Celular y Molecular
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA Y FARMACIA
SECCIÓN DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
ASIGNATURA
BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR
CONTENIDO:
• CAPITULO UNO
: “LAS BASES BIOLÓGICAS Y QUÍMICAS DE LOS SERES VIVOS”
o La biología y los seres vivos
o Componentes químicos de la materia viviente
• CAPITULO DOS
: “ESTRUCTURA Y FISIOLOGÍA CELULAR”
o Biología celular: Citología y teoría celular
o Estructura celular: Membrana celular citoplasma y núcleo
o Fisiología celular: Respiración celular
• CAPITULO TRES
: “EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA”
o Reproducción celular: Ciclo celular, mitosis y meiosis
o Flujo de la información genética: Replicación, transcripción y traducción
o El código genético y la regulación genética
• CAPITULO CUATRO : “GENÉTICA, BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA”
o Genética: Conceptos básicos y genética mendeliana
o Genética póstmendeliana. Citogenética general y humana
o Biotecnología e ingeniería genética
COMPILADORES:
MG. BLGO. MBLGO. LUIS ALBERTO SÁNCHEZ ANGULO
BLGO. MBLGO. JOSE LUIS GUTIERREZ APONTE
Universidad Los Ángeles de Chimbote - ULADECH
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Mblgo. Luis Alberto Sánchez Angulo / Mblgo. José Luis Gutierrez Aponte
Universidad Los Ángeles de Chimbote - ULADECH
Biología Celular y Molecular
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Biología Celular y Molecular
GENÉTICA, BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA
GENÉTICA
INTRODUCCION
La ciencia genética es un campo de estudio fascinante e importante. Los procesos genéticos
son esenciales para la comprensión de la vida, la información genética dirige el funcionamiento
de la célula, determina la apariencia externa de un organismo y sirve de unión entre
generaciones en todas las especies.
La palabra genética viene de generes, y estos son su objeto central de estudio. ¿Qué es un
gen? Un gen es un segmento de una molécula cintiforme con forma de una escalera de caracol
llamado Acido Desoxirribonucleico (ADN) EL ADN es el material hereditario que pasa de
generación en generación, y de esta molécula depende las características inherentes a cada
especie.
Todas las características externas e internas de un organismo dependen de los genes. Los
genes son la causa, el origen de las características y controlan los rasgos únicos de una
especie, sean estructuras o procesos.
Antiguamente se pensaba que las jirafas provenían del cruce de caballo con leopardos,
actualmente se sabe que proviene de jirafas, lo que sucede es que el ADN es capaz de
producir copias de si mismo, permitiendo que se generen y persistan a lo largo del tiempo,
nuevas replicas de células y organismos.
Los genes no son inmutables, cambian a través del tiempo; esta propiedad se llama
mutabilidad, la mutabilidad es una de las bases de la evolución. Las mutaciones genéticas se
relacionan con la variabilidad de las especies. Entonces podemos definir a la genética como el
estudio de los genes a través de su variación.
La genética es el corazón de la biología. Los descubrimientos de la genética han sido
fundamentales, a tal punto que han permitido enlazar las diversas disciplinas biológicas.
GENETICA
1. DEFINICION
La genética es una rama de la biología que estudia los mecanismos de la herencia, es
decir, la transmisión de características biológicas de una generación a otra, de los padres a
los hijos; estudia las leyes que rigen la herencia, sus bases moleculares y las variaciones
que ocurren en la transmisión de caracteres hereditarios.
2. HISTORIA DE LA GENETICA
Unas de las observaciones hechas por el hombre desde épocas primitivas es el hecho de
que los seres vivos son capaces de transmitir sus características de la descendencia. Los
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Hebreos, Griegos y otros pueblos de la antigüedad aplicaron de manera empíricas estas
observaciones en la crianza del ganado y en la agricultura.
Muchos de los hechos sociales del esclavismo estaba ligado al convencimiento de la
fecundación de transmiten las caracterizas de los padre a los hijos. Hipócrates, quien fuera
el primero en enseñar sobre la herencia, creía que en el semen del hombre se encuentran
todo los elementos representativos del ser humano, incluso los adquiridos, señalaba: el
calvo tendrá hijos que serán calvos, y el que tiene ojos azules engendrará hijos que tiene
ojos azules. Aristóteles discrepaba respecto a los caracteres adquiridos, señalando que el
semen actúa modelando la sangre materna en la formación del descendiente.
Bajo los criterios desarrollados por Platón, se promovía como política de estado la
reproducción y el cuidado de aquellos individuos mejor dotados, impidiendo en muchos
casos la reproducción de los esclavos, a quienes se le consideraban inferiores, Sócrates
también fue de la misma opinión. En sentido opuesto se pronuncia Demócrito sosteniendo
que la capacidad de los individuos se debía más a la capacitación que a la predisposición
heredada.
Es interesante observar como muchos estudios son utilizados por ciertos sectores sociales
para mantener sus estados de dominación clasista. En nuestros tiempos aún se mantienen
algunas de esas ideas primitivas, se promueve los métodos de control de la natalidad
utilizando nuevos argumentos tales como la falsa idea de la superpoblación, y alentándola
la xenofobia de las razas fuertes sobre las débiles.
Durante el feudalismo, por limitado desarrollo del conocimiento objetivo, no se generaron
aportes teóricos sobre la herencia; más aún la tendencia general era de aceptación tácita
del designio divino.
En el renacimiento predominó la teoriza de la preformación, planteada por Aristóteles,
retomada y desarrollada por Malpighi (1628-1694), según la cual un organismo en forma de
homúnculo esta preformado en el ovulo o en el espermatozoide.
El botánico Linneo, realizo cruces con diversas especies, obteniendo muchos híbridos, sin
embargo, debido a su religiosidad no aceptaba la posibilidad de que se originen nuevas
especies partir de los cruces. En el año 1761, Koelreuter publicó los resultados obtenidos
en sus cruces con plantas de tabaco. Entre 1830 y 1837 Carls Federico Gaertner expuso
sus más de 9,000 resultados de hibridación vegetal a la Academia de la Ciencia de
Haarlern (Holanda). Naudin, botánico reconocido, presentó el resultado de sus trabajos en
1838.
También son importantes los trabajos de Maupertuis (1752) sobre la polidactilia y de Nasse
que en 1820 estudió la transmisión hereditaria de la hemofilia. Sin embargo es recién en
1865 cuando la Genética tiene su origen como rama científica con la publicación de los
hallazgos hechos por Gregor Mendel al cultivar guisantes “Phisum sativum”.
Johann Gregor Mendel nació en 1822 en la aldea de Heizendorf. Fue hijo de campesinos.
Como consecuencia de sus necesidades económicas tuvo que abandonar sus estudios de
filosofía en la Universidad de Viena e ingresar como monje agustino en el Monasterio de
Bruno (actual república checa), al hacerse monje adoptó el nombre de Gregorio, como se le
conoce actualmente.
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El mayor mérito de Mendel fue el modo en el que abordó sus trabajos; observó y analizó las
características de las plantas de arvejas de forma aislada, a diferencia de los anteriores
experimentos que habían tomado en cuenta los caracteres globales. No se conocía aún en
aquella época los genes ni su localización en los cromosomas y núcleo celular.
En 1888 Waldeyer acunó el término Cromosoma para cuerpos celulares que Homeister
había observado en 1848.
No fue sino hasta el año de 1900 en que los trabajos de Mendel fueron revalorados cuando
Correns, Tschermak Y Hugo de Vries llegaron a las mismas conclusiones. Luego vendría el
aporte del genetista inglés Reginald Punnett.
En las primeras décadas del siglo XX, Sutton, Boveri y Morgan demostraron que los genes
descritos por Mendel como factores estaban situados en los cromosomas. Morgan y
colaboradores revelaron en la “mosca de la fruta” Drosophila melnogaster la base genética
de la determinación del sexo y la herencia ligada al sexo.
El más importante de los principios establecidos por Morgan y sus colegas fue que los
factores de Mendel, los genes, están ubicados en los cromosomas.
En 1927, Muller demostró que se podía inducir la mutación de los genes mediante la acción
de los rayos X.
En 1941. Beadle y Tatum plantearon la correlación: un gen una enzima; es decir, que un
gen origina a una enzima.
En 1953, James Watson, Francis Crack y Maurice Wilkins plantearon el modelo de la doble
hélice para explicar la estructura del ADN. Sus trabajos se basaron en el aporte de Linus
Pauling, Edwin Chargaff y Rosalind Franklin. A partir de este modelo el desarrollo de la
Genética ha sido vertiginoso, está revolucionando las ciencias biológicas.
3. APLICACIONES DE LA GENETICA
Como se ha señalado, desde tiempos antiguos se aplico el conocimiento empírico de la
herencia en el aumento de la producción agrícola y ganadera en el cruzamiento de
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especies vegetales de grandes frutos y de especies de animales productoras de mucha
carne, leche o huevos. En al actualidad se trabaja en el mejoramiento genético de las
especies.
Gracias a la genética se ha logrado la prevención y el tratamiento de diversas
enfermedades asociadas a la herencia, tales como la eritoblastosis fetal y la diabetes
mellitus. Actualmente por ejemplo; se produce insulina para los diabéticos, utilizando genes
(ADN) que se incorpora a bacterias; del mismo modo como se produce ínterleucinas para
los que padecen de enfermedades inmunitarias.
Mediante la técnica de hibridación del ADN se puede realizar estudios de evolución de los
seres vivos; de lo que a su vez permite establecer los parentescos entre diferentes
especies.
La técnica de clonación, producción de idénticos, si se aplicara en la ganadería a gran
escala podría servir para satisfacer el hambre de muchos países.
El establecimiento de la paternidad en casos de problemas judiciales se puede solucionar
con la llamada prueba del ADN. Esta misma prueba permite, en base de análisis de
cadáveres, dar con la identidad de individuos desaparecidos.
La principal limitación que se sigue observando es que el conocimientos y los logros
obtenidos no se encuentran al servicios de los amplios sectores de la humanidad, si no que
están sujetos al control de las clases dominantes y de los grandes consorcios imperialistas.
4. CONCEPTO BASICOS:
Gregorio Mendel, considerado el iniciador de la genética, acuño algunos términos para
utilizarlos en la descripción de sus experimentos tales como: generación p (parental),
generación F1 (1ra. filial), generación F2 (2da. filial), factor dominante y factor recesivo.
Con el paso de los años y los avances de la ciencia se ha ido sumando nuevos términos y
conceptos tales como: gen, alelos, carácter, cromosomas homólogos, locus, loci, genotipo,
fenotipo, etc.
La transmisión de caracteres de generación ocurre cuando los organismos se reproducen
y los descendientes se desarrollan manifestando las características heredadas.
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 GENERACION PATERNA (P)
En la reproducción sexual típica participan dos progenitores; uno es el macho
representando con el símbolo de Marte (dios de la guerra); y el otro es la hembra,
representando con el símbolo de Venus (diosa de la fecundidad). Los padres es lo que
Mendel denominaba la generación P (paterna).
Los progenitores forman células especializadas llamadas gametos (Gamos = esposo).
El gameto masculino en los animales es una célula flagelada conocida como
espermatozoide y el gameto femenino es inmóvil y ovoide llamada consecuentemente
ovulo (huevo pequeño). En las plantas superiores los gametos son los anterozoides, la
ovocélula y la célula polar.
 GENERACION FILIAL (F)
Los gametos se fusionan en el proceso de fecundación originando el huevo (cipote o
zigoto), que al desarrollarse fuera o dentro del cuerpo de la hembra origina un individuo
o hijo que constituye la primera generación o generación F1 (Filium = hijos, tribu). La
descendencia de la primera generación se denomina F2.
 LA MOLECULA HEREDITARIA : EL ADN
Los seres vivos poseen muchas características, algunas de ellas son comunes a todas
las especies, otros son patrimonios de solo algunas especies y existen incluso
características específicas a grupos muy pequeños de individuos de una especie.
Las características biológicas heredables son aquellas que se han ido desarrollando a
lo largo de la evoluciona y que no dependen directamente de los procesos de la
socialización. El habla, el comportamiento social y sexual, la actitud para el deporte y
las matemáticos no son heredables pues se adquieren según el estimulo recibido
durante el desarrollo.
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Las características biológicas heredables dependen de la existencia de un tipo especial
de información a nivel molecular, contenida en las moléculas de acido
desoxirribonucleico o ADN constituyendo su material genético. En las eucariotas del
ADN se encuentran formados parte de la cromatina y, cuando esta se condensa forma
parte de los cromosomas.
Los organismos que se reproducen sexualmente heredan a través de los gametos de
sus progenitores los cromosomas, la cromatina y el ADN de su progenitor. En cualquier
caso, las cantidades heredadas de cada uno son equivalentes y en la misma
proporción. Es decir, cada individuo recibe la mima cantidad de información de cada
progenitor. Por ello en cada individuo los segmentos de ADN, cromatina y cromosomas
se hayan en pares.
Cuando los gametos se combinan para formar un cigoto, éste y el embrión resultante tienen
pares homólogos de cromosomas, pero en cada par un miembro será de origen materno y otro
será paterno. Cada par portará genes alélicos.
 CROMOSOMAS
Los cromosomas se definen como cuerpos de cromatina (ADN y Proteínas) condensada.
Durante la reproducción cada gameto es portador de la mitad del número cromosómico
que caracteriza a una especie dada. Cuando se forma el cigoto en su núcleo
encontraremos pares de cromosomas morfológicas y genéticamente similares. Cada par
esta formado por uno de origen paterno y otro de origen materno, este par de
cromosomas se denomina homólogos (homo = igual), de acuerdo a los postulados de la
teoría cromosomita de Morgan, los cromosomas son los cuerpos que portan los genes.
o LOCUS
Es el lugar físico que ocupa un gen dentro de los cromosomas.
o LOCI
Evidentemente un cromosoma porta muchos genes y por lo tanto existen muchos
locus. El conjunto de los locus de un cromosoma se denomina loci.
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 GEN
Palabra griega que significa llegar a ser o convertirse en algo. Los genes son los factores
de la herencia, las unidades que determinan la transmisión de caracteres (gen = origen).
Según Banzer se trata de un cistrón es decir, un fragmento limitado de ADN, con una
secuencia especifica de nucleótidos, que tiene información y por tanto codifica para la in
formación de un polipéptido.
En los escaritas el descubrimiento de la maduración del ARNm permitió definir a los
genes como fragmentados o discontinuos, por que están constituidos por secuencias
modificantes o exones y secuencias no codificantes o intrones.
 ALELOS (genes alelomorfos)
Son las variantes hereditarias de un gen, es decir segmentos de ADN que controlan un
carácter biológico porque contienen información diferenciable en su expresión. Los alelos
han surgido a lo largo de la evolución como consecuencia de mutaciones que han
modificado la secuencia original de nucleótidos en el segmento de ADN.
En los organismos diploides (con dos juegos cromosómicos) los caracteres biológicos
son controlados en algunos casos por pares de alelos, es decir genes que contiene
información para una misma característica y localización en el mismo locus de un par de
cromosomas homólogos .Un par de alelos siempre estas formado por uno que se hereda
del padre y otro de la madre.
 GENOTIPO
Es la carga o constitución genética de un individuo; es decir la clase de alelos que existe
en sus células; a veces los dos alelos heredados son iguales, lo que da lugar a dos
genotipos: genotipo homocigoto y genotipo heterocigoto.
o GENOTIPO HOMOCIGO O PURO
Cuando dos genes alelos son idénticos. Se les llama homocigoto dominante cuando
los dos son dominantes y se denotan, por ejemplo: AA. Otras veces los dos genes
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son recesivos a lo que se denomina homocigoto recesivo y se denota, Ejemplos: aa.
En los otros tipos de los alelos se sigue el mismo patrón.
o GENOTIPO HETEROCIGOTE O HIBRIDO
Cuando los dos genes alelos son diferentes. Ejemplo: uno dominante y otro recesivo,
el primero se denota con la letra mayúscula y seguidamente se presenta el recesivo
con una letra minúscula, Ejemplo: Aa
 FENOTIPO
Es el resultado de los genes alelos y su interacción. Se trata de las características
observables, visibles y detectables de un organismo; tales como y tamaño, forma,
textura, color, brillo, olor, etc. Para determinar un fenotipo se puede requerir de pruebas,
por ejemplo para decir que una persono es grupo sanguíneo A Rh positivo se requiere de
un análisis de un grupo sanguíneo.
El fenotipo que depende de alelos dominantes se denomina carácter dominante, mientras
el dependiente de los alelos recesivos se denomina carácter recesivo.
GENÉTICA MENDELIANA
PRINCIPIOS Y LEYES DE MENDEL
Mendel eligió para sus experimentos el guisante (Phisum sativum) común de jardín, conocido
también como “legumbre”, “chícharo” o “arveja”. Al escoger a la “arveja” tomo en cuenta lo
siguiente:
1. Fácil disposición de muchas variedades que se podían cultivar.
2. Los guisantes tienen flores que se autofertilizan.
En sus experimentos Mendel extrajo todos los estambres de las flores de un grupo de plantas
para convertirlas en femeninas, luego las polinizó con polen de otras plantas y obtuvo la F:1.
Para obtener la F:2 dejó que las plantas de la F:1 se auto polinizaran.
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Mendel estudió caracteres opuestos en las plantas de arvejas, los siguientes caracteres fueron
estudiados para establecer sus postulados:
Carácter
Forma de la semilla
Color de la semilla
Posición de la flor en el tallo
Color de la cubierta de la semilla
Forma de la vaina oi fruto
Color de la vaina
Altura
Dominante
Lisa (redonda)
Amarillo
Axial- a lo largo del tallo
Gris
Lisa (Inflada)
Verde
Alto (largo)
Recesivo
Rugosa (Arrugada)
Verde
Terminal- en la punta
Blanca
Rugosa (Arrugada)
Amarillo
Bajo (Corto)
El carácter del color de la flor de las “arvejas” también fue estudiado por Mendel, pero no lo
consideró carácter dominante ni recesivo.
LOS 7 CARACTERES ESTUDIADOS POR MENDEL EN Phisum sativum
Mendel hizo publico sus trabajos el 8 de febrero de y el 8 de marzo de 1865 en dos reuniones de
la Sociedad de Historia Natural de Bruno. De acuerdo a datos muy recientes, también experimento
con ratones, sin embargo, sus trabajos no fueron publicados por cierto pudor religioso.
PRINCIPIO DE LA UNIFORMIDAD Y LA RECIPROCIDAD (Principio de la dominancia)
Del cruce de dos líneas puras la primera generación filial (F:1) estará formada por individuos
idénticos que presentan solo uno de los caracteres alternativos paternos, cualquiera que sea la
dirección del cruce.
Mendel tomó plantas altas (trepadoras) y plantas enanas (matas) de línea pura, es decir
homocigotos, realizó cruzamientos entre estos dos grupos de plantas; y obtuvo una
descendencia F:1 donde todas las plantas eran altas (trepadoras).
Generación P : Planta alta x planta enana.
Generación F1 : Plantas altas.
Esta clase de apareamiento se le llama cruce monohíbrido ya que es sólo para una
característica; en este caso la talla de la planta.
En la generación F:1 formada, las plantas altas eran más altas que la generación P.
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¿Cómo se explica que del cruce de dos plantas, una alta y una enana, de descendientes sólo
plantas altas? ¿Que sucedió con el carácter enano?
La explicación se encuentra en que los individuos cruzados de la generación paterna (P) son
homocigotos .La planta alta era homocigoto dominante (AA) y la planta enana homocigoto
recesiva (aa); el resultado del cruce genera heterocigotos (Aa) donde el alelo dominante (A) se
expresa y el alelo recesivo (a) no se expresa en el fenotipo final .
El rasgo enano no sea ha expresado, pero la descendencia porta el gen recesivo (a).
Los resultados del cruzamiento son la F:1 (primera generación) y se expresan de la siguiente
forma:
GENOTIPO
Proporción genotípica
Probabilidad porcentual genotípica
FENOTIPO
Proporción fenotípica
Probabilidad porcentual fenotípica
4/4 Aa (Heterocigotas)
100% Aa (Heterocigotas)
4/4 altas
100% altas
LEY DE LA SEGREGRACION Y PUREZA DE LOS GAMETOS
También es conocida como ley de la disyunción. Mendel la planteó así: Los caracteres
hereditarios están controlados por pares de factores hereditarios, los cuales se separan
durante la formación de gametos.
Actualmente, se plantea de la siguiente forma: Los dos miembros de una pareja genética se
distribuyen separadamente entre los gametos, de modo que la mitad de gametos lleva un
miembro de la pareja y la otra mitad el otro.
Mendel tomo dos plantas de la F:1 y las cruzó obteniendo una F:2, donde el 75% de las plantas
eran altas y el 25% enanas, es decir, se daba una relación 3:1.
Generación F 1 : planta alta x planta alta.
Generación F 2 : 75% plantas altas, 25% plantas enanas.
¿Cómo se explica que del cruce de dos plantas altas se obtenga como descendientes plantas
enanas?
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La explicación se encuentra en que los individuos cruzados de la F:1 eran heterocigotes (Aa).
De acuerdo a la ley de la segregación los gametos serían el 50% con el factor dominante (A). Y
el 50% con el factor recesivo (a). Al producir las fecundaciones, 3 de las cuatro posibilidades
llevan por lo menos un gen dominante por lo que son altas y uno resulta ser homocigoto
recesivo (aa) y manifiesta el fenotipo de planta enana (baja).
Los resultados del cruzamiento son la F2 (segunda generación) y se expresa de la siguiente
forma:
GENOTIPO
Proporción genotípica
Probabilidad genotípica
Probabilidad porcentual genotípica
Relación genotípica
1/4 AA
1/4 AA
25% AA
1AA
FENOTIPO
Proporción fenotípica
Probabilidad fenotípica
Probabilidad porcentual fenotípica
Relación fenotípica
3/4 altas :
3/4 altas :
75% altas :
3 altas :
: 2/4 Aa
: 1/2 Aa
: 50% Aa
: 2Aa
:
:
:
:
1/4 aa
1/4 aa
25% aa
1aa
1/4 enanas
1/4 enanas:
25% enanas
1 enana
Este cruzamiento también se puede resolver usando el tablero de Punnett, llamando así en
honor al genetista que lo propuso. El tablero de Punnett es un conjunto de cuadriculas que se
utiliza para realizar las posibilidades de fecundación de una forma ordenada.
El tablero de Punnett tiene la siguiente estructura:
TABLERO DE PUNNETT
♀
♂
Gameto
masculino
Gameto
masculino
Gameto
femenino
25%
Cuadrilula 1
25%
Cuadricula 3
Gameto
femenino
25%
Cuadricula 2
25%
Cuadricula 4
n = número de generaciones
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Biología Celular y Molecular
Si utilizamos el tablero para el cruce anterior, la solución seria:
Se considera como proporción genotípica : 1 : 2 : 1.
y como proporción fenotípica
:
3:1
LEY LA DISTRIBUCION INDEPENDIENTE DE LOS CARACTERES
También llamada distribución de la libre combinación de factores hereditarios. Mendel planteo
que cuando dos o más factores hereditarios se agregan simultáneamente la distribución de
cualquier de ellos es independiente de los demás.
Actualmente se sostiene que durante la formación de la célula sexual, en cada gameto se
incluye solamente un gen de cada par.
En el guisante Mendel encontró que la semilla amarilla (A) era dominante a la semilla verde (a)
y que la forma lisa de la semilla era dominante (B) sobre la rugosa (b).
Cuando se cruza una planta de semillas amarillas y redondas (AABB) con una planta de
semillas verdes y rugosas (aabb) se obtiene plantas de semillas amarillas y redondas (AaBb).
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P: plantas de semillas amarillas y lisas x plantas de semillas verdes y rugosas
AABB
aabb
F1: plantas de semillas amarillas y lisas
AaBb
¿Cómo se explica este resultado?
Primero, hay que tener en cuenta que se trata de dos caracteres: el color de la semilla, y la
forma de la semilla.
Segundo, para el color de la semilla tenemos el alelo dominante A (amarillo) y el alelo recesivo
a (verde), para la forma, el alelo dominante B (lisa) y el alelo b (rugosa).
Tercero, debido a la independencia de los pares de alelos, o sea del que determina el color con
respecto al que determina la forma, se tiene los siguientes gametos:
Cada gameto posee un gen para el color y otro para la forma. Además los gametos del primer
progenitor son (AB) y los gametos del segundo progenitor son (ab). Los resultados de la
fecundación siempre darán AaBb.
La fecundación se puede representar en un tablero de Punnett de 16 posibilidades o en uno
resumido de solo una posibilidad.
TABLERO DE PUNNETT DE 16 POSIBILIDADES
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Cuando se cruza dos plantas F1 de semillas amarillas - lisas (AaBb) se obtiene 9 amarillas lisas, 3 amarillas - rugosas, 3 verdes - lisas, 1 verde - rugosa.
GENOTIPO
Proporción genotípica:
1/16 AABB; 2/16 AaBB; 2/16 AaBB; 4/16 AaBb; 1/16 AAbb; 2/16
Aabb; 1/16 aaBB; 2/16 aaBb; 1/16 aabb.
Probabilidad genotípica:
1/16 AABB; 1/8 AABb; 1/8 AaBB; 1/4 AaBb; 1/16 AAbb; 1/8Aabb;
1/16 aaBB; 1/8 aaBb; 1/16 aabb.
1 AABB; 2 AABb; 2 AaBB; 4 AaBb; 1 AAbb; 2 Aabb; 1 aaBB;
2 aaBb; 1 aabb.
Relación genotípica:
FENOTIPICO
Proporción fenotípica:
Probabilidad fenotípica:
Relación fenotípica:
9/16 amarilla - lisas
3/16 verdes - lisas
9/16 amarillas - lisas
3/16 verdes - lisas
:
:
:
:
3/16 amarillas - rugosas;
1/16 verdes - rugosas.
3//16 amarillas - rugosas;
1/16 verdes – rugosas
9 amarillas - lisas
3 verdes - lisas
:
:
3 amarillas - rugosas;
1 verde - rugosa
¿Cómo se explica la relación entre genotípico y fenotipito en estos casos?
Recuerde que el alelo A es para semilla amarilla y es dominante sobre su alelo a que es para
semilla verde.
Recuerdas también que el alelo B es para semilla lisa y dominante sobre su alelo b que es para
semilla rugosa.
Por lo expuesto, analiza la siguiente relación genotípica y su correspondiente relación
fenotípica.
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RELACION
GENOTIPICA
1 AABB
2 AABb
2 AaBB
4 AaBb
1 AAbb
2Abb
1 aaBB
2 aaBb
1 aabb
Biología Celular y Molecular
Se expresan los genes
RELACION FENOTIPICA
9A_B_
9 amarillas - lisas
3 A _ bb
3 amarillas - rugosas
3 aaB _
3 verdes - lisas
3 aabb
1 verde - rugosa
.
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Biología Celular y Molecular
GENÉTICA POSTMENDELIANA CITOGENÉTICA GENERAL Y HUMANA
GENETICA POSTMENDELIANA
INTRODUCCION
En la primera década del siglo XX se observó que algunos heterocigotos mostraban rasgos
intermedios, lo que contradecía la herencia descubierta por Mendel o de la dominancia
completa, este tipo de herencia sería llamada con el tiempo NO MENDELIANA. Sin embargo, la
dominancia completa no es lo esencial de las leyes de Mendel, lo importante de ellas es la
forma en que se transmiten las características biológicas. Mendel y los Mendelistas aportaron
con el descubrimiento de los principios básicos que rigen la herencia de las plantas y en los
animales.
Por ello se prefiere usar el concepto de herencia Postmendeliana para referirse a la que se
desarrolla después de los aportes de Mendel y de los Mendelistas.
La Dominancia incompleta es la interacción génica en la cual los homocigotos son
fenotípicamente diferentes a los heterocigotos. Los cruzamientos que tienen una dominancia
incompleta son aquellos en los que no existe rasgo dominante, ni recesivo. Suponiendo que la
forma de los ojos estuviera determinada por un gen cuyo homocigoto dominante da forma
grande y redonda y el homocigoto recesivo da una forma semi-alargada, y el heterocigoto
resulte con forma achatada y más alargada que la de cualquier progenitor homocigoto para
esta característica, se puede tener el ejemplo en los progenitores IJ y KL y mostrándose en el
heterocigoto IJKL. Hay dos tipos:
Herencia Intermedia (Dominancia incompleta)
En los cruzamientos que hay una herencia intermedia o sin dominancia, los individuos
heterocigotos para cierta característica expresan una "condición intermedia" de los dos genes
alelos. Por ejemplo: al cruzar dos plantas de líneas puras, una con flores rojas y otras con
flores blancas, la generación filial uno será 100% heterocigota y 100% plantas con flores
rosadas. Para simbolizar los genes de los individuos se usa la letra inicial del rasgo (en el caso
anterior C - color de la flor-), en mayúscula y la letra inicial de las distintas expresiones del
mismo (Rojo o Blanco), en minúscula y superíndice.
Por ejemplo, en la herencia del color de algunas flores el genotipo CRCR expresan color rojo y
el genotipo CBCB expresa blanco, mientras el genotipo CRCB expresa el color rosado, es decir el
color rojo no es dominante sobre el blanco ni viceversa, sino que se expresa un color que es
intermedio: el rosado.
Las plantas híbridas F1 tienen un fenotipo diferente (flores rosadas) de cada uno de los padres.
Esto es un ejemplo de dominancia incompleta. Cuando las plantas híbridas F1 se autofertilizan, ambos fenotipos paternos (plantas con flores rojas y plantas con flores blancas)
reaparecen en la generación F2.
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Biología Celular y Molecular
Codominancia (Dominancia incompleta)
En los cruzamientos en los que hay codominancia, en los heterocigotos los dos genes alelos se
expresan, pero sin "unirse". Por ejemplo: en la “achira” (Canna edulis) del cruce de plantas con
flores rojas CRCR con plantas de flores amarillas CACA resultan plantas con flores amarillas y
manchas rojas CRCA. ¿Cómo se explica el fenotipo de las plantas de flores manchadas?, los
genes CR y CA se manifiestan y dan origen a enzimas que participan en la elaboración de
pigmentos rojos en una parte de la flor y pigmento amarillo en otras partes de la misma flor, de
tal manera que los colores no se mezclan sino que se expresan por separado.
ALELOS LETALES
Los alelos letales son alelos mutantes que causan la muerte de los individuos.
El alelo que causa la muerte de un organismo es llamado alelo letal y el gen involucrado es
llamado gen esencial. Genes esenciales son genes que al mutar pueden resultar en un fenotipo
letal.
Alelo letal dominante es aquel que causa la muerte en heterocigosis. Alelo letal recesivo es
aquel que causa la muerte en homocigosis.
Un ejemplo de un gen esencial, es el gen para el color amarillo del cuerpo en ratones. El color
amarillo es una característica codificada por AY. Ratones genotípicamente AYAY no son viables
y mueren antes del nacimiento. Ratones AY A son amarillos y ratones A A son no amarillos.
Entonces, cuando ratones amarillos son cruzados con ratones no amarillo, la progenie muestra
la proporción esperada de 1:1 de ratones amarillos versus no amarillos.
Cuando los ratones heterocigotos de la generación F1 son cruzados entre sí, esperaríamos una
proporción 1/4 homocigoto para el color amarillo, 1/2 heterocigoto para el color amarillo y 1/4
homocigoto para el no amarillo. Pero, los resultados obtenidos indican que dos tercios son
amarillos y un tercio no son amarillos, ya que el primer 1/4 muere antes de nacer.
El alelo amarillo posee un efecto dominante sobre el alelo no amarillo, pero sucede que cuando
el ratón es homocigoto para este alelo ocurre un efecto letal, en otras palabras el alelo amarillo
es un alelo letal recesivo.
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Patrones de herencia de tres cruces que involucran los alelos que se presentan en el tipo
salvaje Agoutti y el alelo mutante que le otorga el color amarillo a los ratones. El alelo mutante
se comporta de forma dominante sobre el alelo normal en el controlo del color de piel, pero
también se comporta como un alelo letal homocigoto.
CITOGENÉTICA GENERAL
DEFINICION
Ciencia híbrida que resultó de la fusión de los estudios de herencia y los estudios sobre la
célula. La citogenética se encarga de estudiar el fenómeno de la herencia a nivel celular. La
herencia de una generación celular a otra se da mediante los cromosomas, por ello la
Citogenética es el estudio de los cromosomas.
En 1902, Sutton fue uno de los primeros en llegar a la conclusión de que los genes son
llevados por lo cromosomas. Estudió el comportamiento de los cromosomas en la meiosis, y la
segregación de los genes descritos por Mendel.
LA CELULA ES UNA UNIDAD GENETICA
Se sabe que la teoría celular propuesta por los alemanes Schleiden y Schwann considera a la
célula como una unidad capaz de transmitir sus características de generación en generación.
Así en el proceso de división mitótica de una célula diploide se originan dos células dipliodes y
las células hijas son idénticas a la progenitora, además las células sexuales que en los
animales son los espermatozoides y los óvulos, permiten transmitir características de la
generación paterna a los hijos.
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Biología Celular y Molecular
LOS CROMOSOMAS EUCARIOTICOS
En las células eucariotas el centro que controla el metabolismo es el núcleo celular. Dentro del
núcleo se encuentra un material nucleoproteico llamado cromatina, que está compuesta
principalmente por ADN y proteínas histónicas. El ADN es la principal molécula de la herencia.
Desde el punto de vista estructural, los fragmentos de ADN con información hereditaria son los
genes. Las histonas son proteínas que bloquean y protegen al ADN.
En el proceso de la división celular la cromatina condensa y origina cuerpos conocidos como
cromosomas. Durante la división, los cromosomas serán los cuerpos responsables de llevar
genes de las células madres a las células hijas.
Cromosoma (del griego chroma, color, y soma, cuerpo o elemento) es cada uno de los
pequeños cuerpos en forma de bastoncillos en que se organiza la cromatina del núcleo celular
en la mitosis, cada uno de los cuales se divide longitudinalmente, dando origen a dos cadenas
gemelas iguales. Su número es constante para una especie determinada; en Homo sapiens (el
ser humano) se tienen 46. De ellos 44 son autosómicos y 2 son sexuales o gonosomas.
Es el material microscópico constituido del ADN y de proteínas especiales llamadas histonas
que se encuentra en el núcleo de las células eucariotas en las cuales los cromosomas se ven
como una maraña de hilos delgados, llamada cromatina. Cuando la célula comienza su
proceso de división (cariocinesis), la cromatina se condensa y los cromosomas se
hacen visibles como entidades independientes. La unidad básica de la cromatina
son los nucleosomas. Se suelen representar por pares, en paralelo con su homólogo.
CONSTANCIA DEL NÚMERO DE CROMOSOMAS
Usualmente las especies animales y vegetales tienen un número de cromosomas constante y
determinado que constituyen su cariotipo (ley de la constancia numérica de los cromosomas),
aunque existen especies con una alta variabilidad cariotípica, no sólo en número sino en forma
y tamaño de los cromosomas.
Cariotipo: Forma, cantidad y tamaño de los cromosomas. Aunque la diferencia entre un
individuo y otro es la información especificada en los genes de estos cromosomas.
El número de cromosomas de una especie (o fase vital) diploide se identifica como 2n mientras
que ese número en una especie (o fase vital) haploide se identifica con la letra n. En aquellas
especies que presentan un número repetido de cromosomas superior a dos complementos se
habla de poliploidía, representándose el múltiplo por delante de la letra n. Así: 3n indicaría un
complemento cromosómico triploide, 4n un tetraploide, etc. Todas estas son situaciones
euploides. Con la indicación x se quiere expresar el número básico de cromosomas de una
especie que presenta individuos con diversos grados de ploidía o el de una línea filogenética a
partir de la cual diversos táxones han alcanzado situaciones aneuploides variadas, siendo en
este caso el número cromosómico una variación del número original con aumento
o disminución del número básico, por pérdida, fusión o división de cromosomas (p. ej., n+1 o n1). Un ejemplo de esta situación anormal la tenemos en los individuos de la especie humana
que presentan el llamado síndrome de Down, situación de aneuploidía (2n=47) por la presencia
de un ejemplar más de lo habitual del cromosoma 21 (trisomía).
CROMOSOMAS SEXUALES
En muchos organismos, uno de los pares de los cromosomas homólogos es distinto al resto,
realizando la determinación genética del individuo. A estos cromosomas se les
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llama cromosomas sexuales o heterocromosomas e incluso gonosomas, porque determinan el
sexo por la proporción de los dos cromosomas homólogos.
Sistema de determinación XY: es propio del ser humano y muchos otros animales. Las
hembras, siendo XX, darán gametos iguales con cromosoma X, sexo homogamético y
los machos, siendo XY, darán dos tipos de gametos, uno con el cromosoma X y otro
con el cromosoma Y. La probabilidad de que en la fecundación, al unirse los gametos,
resulte una combinación XX (hembra) o XY (macho) es del 50%.
FORMA DE LOS CROMOSOMAS
La forma de los cromosomas es para todas las células somáticas constante y característica de
cada especie. La forma depende fundamentalmente de las constricciones que presente
el cromosoma y de su localización en la cromátida.
El cromosoma se encuentra constituido básicamente por el centrómero que divide
el cromosoma en un brazo corto o brazo p y un brazo largo o brazo q. Algunos
cromosomas presentan satélites en el brazo corto.
Según la posición del centrómero, los cromosomas se clasifican en:
o Metacéntricos: el centrómero se localiza a mitad del cromosoma y los dos
brazos presentan igual longitud.
o Submetacéntricos: la longitud de un brazo del cromosoma es algo mayor que la
del otro.
o Acrocéntricos: un brazo es muy corto (p) y el otro largo (q).
o Telocéntricos: sólo se aprecia un brazo del cromosoma al estar el centrómero
en el extremo (este tipo de cromosomas no se encuentran en el cariotipo humano).
Los cromosomas son los portadores del ADN, por lo tanto son parte integral estructural
imprescindible de los seres vivos.
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CARIOTIPO
Es el ordenamiento de los cromosomas de una célula metafásica de acuerdo a su tamaño y
morfología. El cariotipo es característico de cada especie y, el humano tiene 46 cromosomas o
23 pares de cromosomas, organizados en 22 pares autosómicos y un par sexual.
(Hombre 46 XY) (Mujer 46 XX).
Cariotipo de un linfocito de un humano mujer. No obstante puede darse el caso, en humanos,
de que exista otros patrones en los cariotipos, a lo cual se le conoce como aberración
cromosómica.
Mediante el cariotipado se pueden analizar anomalías numéricas y estructurales, cosa
que sería muy difícil de observar mediante genética mendeliana.
CARIOTIPADO CLÁSICO
Existen varios métodos para la visualización mediante microscopía óptica de los cromosomas
humanos. Los procedimientos más clásicos consisten en la tinción con sustancias como
la mostaza de quinacrina, que permite la observación de las bandas Q, giemsa, que permite la
observación de las bandas G, R o C (dependiendo del tratamiento que se realice con el ADN).
Este bandeo característico de cada uno de los cromosomas está relacionado con regiones de
eucromatina (bandas R), heterocromatina facultativa (bandas G), heterocromatina constitutiva
(bandas C). No obstante existen distintas visiones del motivo por el cual se pueden hacer estas
correlaciones.
Cariotipo clásico de una mujer normal
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No obstante el uso de técnicas de bandeo junto al estudio del cariotipo ha sido utilizado para la
detección de aberraciones cromosómicas a gran escala. Es decir, aberraciones que afectan a
regiones de un cromosoma o al propio cromosoma. Estas aberraciones cromosómicas o
anomalías cromosómicas se pueden dividir en numéricas y estructurales.
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BIOTECNOLOGIA MODERNA E INGENIERIA GENETICA
BIOTECNOLOGÍA MODERNA
INTRODUCCION
Actividad científica y comercial en la que se usan agentes biológicos (organismos pluricelulares
o unicelulares, células vivas o muertas, enzimas) para la producción industrial.
La Biotecnología es actualmente una estrategia para aumentar la productividad y obtener
mayores ganancias; así el poder económico de empresas transnacionales de los países
desarrollados les permite liderar la industria de la biotecnología en el mundo. Empresas como
Mnsanto, Novartis y Dow; que dominan el mercado mundial de herbicidas, son también las que
monopolizan la oferta de semillas transgénicas. Con la expansión del cultivo transgénico, en
cuatro o cinco años el consumo de fertilizantes se quintuplicó, y el de agroquímicos se triplicó.
Dominando el mercado de semillas y herbicidas, estas empresas tienen en sus manos el
proceso agrícola.
La Biotecnología tiene como áreas de aplicación actividades productivas ya existentes, como la
agricultura, agro-industria, industria farmacéutica, salud humana, minería, industria química y
energética, protección del medio ambiente.
RESEÑA HISTORICA DE LA BIOTECNOLOGIA
 Los inicios de la transformación de alimentos
Hace 8 mil años, los sumerios y babilonios comenzaron a producir cerveza mientras que los
egipcios descubrieron la técnica para elaborar pan de levadura hace 6 mil años. Alrededor
de la misma época se desarrollaron otros procesos para la conservación de alimentos
(particularmente en China) como la fabricación de yogurt, queso, vinagre y vino. Muchos de
estos procesos son tan efectivos que aún hoy seguimos haciéndolos siguiendo el mismo
método básico. Así por ejemplo, la producción de cerveza se hace a partir granos
sometidos a un proceso de malteo (lo que aumenta su cantidad de enzimas) para convertir
el almidón de los granos en azúcar y después añadiendo levaduras específicas para
producir la cerveza al convertir los carbohidratos del grano en etanol. Aunque el proceso de
fermentación no se comprendió sino hasta los trabajos de Louis Pasteur en 1857, éste es el
primer uso de la biotecnología para convertir un alimento en otro.
 La protección contra las enfermedades
En muchas civilizaciones antiguas se emplearon combinaciones de plantas y otros
organismos como medicinas. Desde hace aproximadamente 2200 años la gente empezó a
utilizar agentes infecciosos inactivos o en muy pequeñas cantidades para inmunizarse
contra las infecciones. En 1701, Giacomo Pylarini comenzó a practicar en Constantinopla la
"inoculación", el infectar intencionalmente a niños con viruela para prevenir casos más
graves más adelante en sus vidas. La inoculación competiría con la “vacunación” por casi
un siglo; en esta última técnica, desarrollada en 1798 por Edward Jenner, se infectaba a la
gente con viruela bovina para inducir resistencia a la viruela humana, lo que la convierte en
una técnica mucho más segura (vacuna viene de la palabra latina vaccinus que quiere decir
"a partir de vacas". Estos y otros procesos se fueron refinando a en la medicina moderna y
han llevado a muchos desarrollos tales como los antibióticos, vacunas y otros métodos para
combatir las enfermedades.
 La conservación de los alimentos
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En 1799, Lazaro Spallanzani realizó experimentos en los que mostró que se podían
conservar “infusiones” (medios de cultivo líquidos) por mucho tiempo sin que se
descompusieran mediante el calentamiento en agua hirviendo de matraces herméticamente
sellados que contenían la infusión, ya que el calor mata los microbios. Antes de esto se
pensaba que la vida se generaba de manera espontánea. Para 1809, Nicolas Appert
desarrolló una técnica, también usando calor, para enlatar y esterilizar la comida, con lo
que ganó un premio de 12 mil francos ofrecido en 1795 por Napoleón. En la primera mitad
de la década de 1860, el químico francés Louis Pasteur desarrolló la técnica que lleva su
nombre (pasteurización) para preservar los alimentos calentándolos, con lo que se destruye
a los microbios dañinos, y manteniéndolos aislados del exterior. Esta técnica ayudó a
mejorar la calidad de vida de las personas pues permitió conservar muchos alimentos sin
cambiar su sabor, con esto se pudo por ejemplo transportar leche sin que se echara a
perder o evitar que el vino se convirtiera en vinagre (“vino agrio”).
 El nacimiento de la lucha moderna contra las enfermedades
Hacia 1850, Ignacio Felipe Semmelweis, un médico austro-húngaro utilizó observaciones
epidemiológicas para proponer la hipótesis que la fiebre puerperal se transmite de una
mujer a otra a través de los médicos. Probó su hipótesis haciendo que los médicos se
lavaran las manos después de examinar a cada paciente, sin embargo su propuesta fue tan
escandalosa en la época que hizo que el resto de la comunidad médica lo despreciara y
que perdiera su trabajo. En 1865, Joseph Lister comenzó a utilizar desinfectantes como el
fenol en el tratamiento de heridas y en cirugías al tiempo que Pasteur desarrollaba la teoría
de los gérmenes como causa de las enfermedades. Para 1882, Robert Koch, usando
cobayas como huéspedes alternativos, describió la bacteria que causa la tuberculosis en
los seres humanos. Koch fue el primero en descubrir la causa de una enfermedad
microbiana humana y estableció qué cada enfermedad es causada por un microorganismo
específico.
 El surgimiento de la genética
Hacia 1859, Charles Darwin propuso que las poblaciones animales adoptan formas
diferentes a lo largo del tiempo para aprovechar mejor el medio ambiente, un proceso al
cual llamó “selección natural”. Mientras viajaba por las Islas Galápagos, observó como los
picos de una clase particular de aves se habían adaptado en cada una de las islas a las
fuentes de alimentos disponibles y planteó que sólo las criaturas mejor adaptadas a su
medio ambiente son capaces de sobrevivir y reproducirse. El libro emblema de Darwin “El
Origen de las Especies”, opacó todas las otras voces científicas (incluyendo la de Mendel)
durante varias décadas. Unos años después, Gregor Mendel, un monje agustino, presentó
en 1865 sus leyes de la herencia a la Sociedad de Ciencias Naturales en Brunn, Austria. Su
trabajo con chícharos llevó a Mendel a proponer que había unidades internas de
información invisibles dentro de los organismos, las que eran responsables de los rasgos
observables (como por ejemplo el color, altura de la planta, tamaño de la vaina, etc.) y que
estos factores (que después serían conocidos como genes), se transmitían de una
generación a la siguiente, sin cambiar pero recombinándose. El trabajo de Mendel
permaneció desapercibido durante largos años a causa del mucho más sensacional
descubrimiento de Darwin, hasta 1900 cuando Hugo de Vries, Erich Von Tschermak y Carl
Correns publicaron sus investigaciones corroborando el mecanismo de la herencia de
Mendel.

El papel del ADN en la herencia
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En 1868, Fredrich Miescher, un biólogo suizo, aisló por primera vez un compuesto al que
llamó nucleína y que contenía ácido nucleico, sin embargo esto no se relacionó en su
tiempo con las leyes de la herencia. En 1882, Walther Flemming reportó su descubrimiento
de los cromosomas y la mitosis. Para 1902, Walter Stanborough Sutton estableció que los
cromosomas se encuentran en parejas y que pudieran ser los portadores de la herencia,
apoyando la teoría de Mendel y renombrando a sus “factores” con el nombre que los
conocemos el día de hoy: “genes”. En 1910 el biólogo estadounidense Thomas Hunt
Morgan, descubre que los genes se encuentran en los cromosomas. En 1935 Andrei
Nikolaevitch Belozersky logró aislar ADN en forma pura por primera vez y en 1941 George
Beadle y Edward Tatum desarrollan el postulado de “un gen una enzima”. En el año de
1944, Oswald Theodore Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty determinaron que el ADN
es el material hereditario, sin embargo su teoría tuvo poca aceptación pues se pensaba que
el ADN era una molécula demasiado simple para poder llevar a cabo esta función. Para
principios de los 1950, la científica británica Rosalind Franklin trabajaba en modelos
estructurales de ADN que más tarde perfeccionarían James Watson y Francis Crick y que
serían la base para su descubrimiento de la estructura del ADN, que publicaron en 1953 y
en la que proponían el modelo de doble hélice complementaria y antiparalela que hoy
conocemos, con lo que inauguraron un nuevo capítulo en el estudio de la genética. La
comprensión del ADN fue esencial para la exploración de la biotecnología. Las células son
las unidades básicas de la materia viva en todos los organismos y el ADN contienen la
información que determina las características que tendrá una célula. Desde el inicio los
científicos vislumbraron la posibilidad de nuevos medicamentos diseñados para ayudar al
cuerpo a hacer lo que no podía por su propia cuenta o de cultivos capaces de protegerse
por si solos de las enfermedades.
 Las fermentaciones industriales
A principios del siglo XX, los científicos ya habían adquirido una mejor comprensión de los
fenómenos microbiológicos y comenzaron a explorar nuevas formas de fabricar algunos
productos. Así, en 1917, Chaim Weizmann usó por primera vez un cultivo microbiano puro
en un proceso industrial para la fabricación de acetona a partir de almidón de maíz usando
Clostridium acetobutylicum; de esta manera el Reino Unido pudo fabricar a partir de
acetona el explosivo cordita durante la Primera Guerra Mundial. También en la misma
guerra, Alemania produjo glicerina por fermentación para la fabricación de nitroglicerina. Así
como la biotecnología ayudó a matar soldados, también contribuyó a curarlos. En 1928,
Alexander Fleming notó que todas las bacterias que crecían en una placa de cultivo
murieron alrededor de un moho que contaminaba al cultivo. Para 1938, Howard Florey y
Ernst Chain de la Universidad de Oxford en Inglaterra, aislaron el compuesto causante de
este efecto: la penicilina, pero fue hasta la década de 1940 que se logró la producción de
penicilina a gran escala, que probaría ser altamente exitosa en el tratamiento de heridos
durante la guerra. Fleming obtuvo el Premio Nobel de Medicina en 1945 gracias a este
descubrimiento.
 Nuevas agriculturas
Trabajando sobre los conocimientos ya existentes, William James Beal desarrolló en 1879
el primer híbrido experimental de maíz, demostrando incrementos en el rendimiento de
entre el 21 y el 51 %. En 1918, un ingeniero agrícola húngaro, Karl Ereky, utiliza por
primera vez la palabra “biotecnología”. Para el periodo de 1920 a 1930, técnicas de
mejoramiento agrícola se emplean ampliamente en los Estados Unidos incrementando la
productividad del campo con lo que para la década de 1940 el país ya era un líder agrícola.
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Entre esa década y la de los 1960 se conjuntaron una serie de avances tecnológicos en el
área agrícola que en conjunto se denominaron la “Revolución Verde” que implicaron el
poder tener una mayor disponibilidad de alimentos. La llegada de los híbridos implicó
además la creación de nuevos negocios como el de la industria de semillas. Los buenos
resultados de estas técnicas en los Estados Unidos llevaron a buscar el exportar la
Revolución Verde a otros países a través de la Fundación Rockefeller. Para esto se fundó
en México la “Oficina de Estudios Especiales” en 1943, antecesora del “Centro
Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo” (CIMMYT) que se fundaría en 1963.
Gracias a estos esfuerzos y a la inversión del gobierno en el área, México se volvió
autosuficiente en trigo para 1957 y más tarde exportador. Esto también permitió que la
población alcanzara 103.3 millones de habitantes para 2005 cuando en 1900 apenas había
13.6 millones. El CIMMYT más tarde ayudaría a llevar la Revolución Verde a India y
después a Filipinas, Indonesia, Pakistán, Sri Lanka y otros países de Latinoamérica, Asia y
el norte de África. Gracias a sus contribuciones, uno de los investigadores del CIMMYT,
Norman E. Borlaug, ganó el Premio Nobel de la Paz en 1970, el único otorgado por
contribuciones a la agricultura.
 Plantas de laboratorio
Desde 1898, el botánico alemán G. Haberlandt pudo cultivar de manera exitosa células
vegetales individuales, completamente diferenciadas, aisladas de diferentes tejidos
vegetales de varias especies, en un medio de glucosa y peptona, aunque no puedo obtener
división celular. Por aproximadamente 35 años se lograron pocos avances en la
investigación del cultivo de tejidos, aunque se pudieron cultivar embriones, raíces y otros
tipos de tejidos. Fue hasta el periodo de 1934 a 1939 que tres científicos: Roger-Jean
Gautheret, Pierre Nobécourt y Philip White, pudieron establecer las bases del cultivo de
tejidos vegetales gracias al descubrimiento de la importancia de los distintos reguladores de
crecimiento y otros compuestos como las vitaminas B, lo que permitió obtener los primeros
cultivos permanentes de callos (masas indiferenciadas de células) de zanahoria y tabaco.
Durante los siguientes veinte años (de 1940 a 1960), se identificaron una gran variedad de
compuestos químicos (hormonas, vitaminas, etc.) con efectos sobre la división celular, el
crecimiento y la diferenciación, pudiéndose obtener tejidos y órganos distintos de los
originalmente cultivados. Skoog y Miller demostraron en 1958 que la relación de
concentraciones entre varios de estos reguladores controla la formación de raíces y brotes,
lo que abrió la puerta a la regeneración de plantas completas a partir de la década de 1960;
la aplicación de técnicas de crioconservación exitosas a partir de 1976 y la propagación
automatizada a partir de 1988.
 La llegada de la ingeniería genética
Desde antes del descubrimiento de la estructura del ADN, en 1941, el microbiólogo danés
A. Jost, acuñó el término “ingeniería genética” para designar la idea que, escribiendo
directamente la información en las células se podían modificar sus funciones. Más tarde,
entre 1945 y 1950, se lograron crecer cultivos de células animales aisladas en el
laboratorio, lo que permitiría su estudio y aprovechamiento industrial. En 1957, Francis
Crick y George Gamov trabajaron en lo que se conoce como el “dogma central” que explica
cómo el ADN fabrica proteínas, cómo su secuencia especifica la de los aminoácidos en
dichas proteínas y cómo fluye la información en una sola dirección, del ADN al ARN
mensajero y a las proteínas. Para 1966 el código genético pudo ser descifrado, Marshall
Nirenberg, Heinrich Mathaei y Severo Ochoa demostraron que una secuencia de tres bases
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determina cada uno de los 20 aminoácidos. Más tarde, en 1972, Paul Berg aisló y empleó
una enzima de restricción para cortar ADN y después unirlo formando una molécula circular
híbrida: la primera molécula de ADN recombinante. Al año siguiente, Stanley Cohen, Annie
Chang y Herbert Boyer cortaron secciones de ADN viral y bacteriano para crear un
plásmido con resistencia dual a antibióticos y lo insertaron al ADN de una bacteria
produciendo el primer organismo con ADN recombinante.
 La primera compañía biotecnológica
En 1976, Herbert Boyer y Robert Swanson fundan Genentech, Inc., la primera compañía
biotecnológica, dedicada al desarrollo y comercialización de productos basados en el ADN
recombinante, y al año siguiente Genentech reporta la producción de la primera proteína
humana fabricada en una bacteria: la somatostatina. Por primera vez se usa un gen
sintético recombinante para producir una proteína por lo que muchos consideran a este
hecho como el inicio de la Era de la Biotecnología. En 1978 Genentech se convierte en la
primera empresa biotecnológica en entrar a la bolsa de valores de Nueva York, y ese
mismo año, junto con The City of Hope National Medical Center, anuncia la producción
exitosa en laboratorio de insulina human usando la tecnología del ADN recombinante; en
1982 Genentech recibe aprobación de la FDA para comercializarla, lo que la convierte en el
primer medicamento de origen recombinante aprobado.
 La biotecnología moderna y la industria
A partir del inicio de la Era de la Biotecnología, los avances en el campo han sucedido a
gran velocidad. Así, en 1980 la Suprema Corte de los Estados Unidos determinó que los
organismos modificados genéticamente podían ser patentados, lo que permitió a la
compañía Exxon patentar un microoganismo (derivado del género Pseudomonas) diseñado
para “comer” petróleo y utilizarse en derrames. Ese mismo año se consigue introducir
exitosamente un gen humano (el que codifica para la producción de interferón) en una
bacteria y al año siguiente Bill Rutter y Pablo Valenzuela publican un reporte en la revista
Nature sobre un sistema de expresión en levaduras para producir el antígeno de superficie
del virus de la hepatitis B y que llevaría más adelante a que la FDA aprobara a Chiron
Corp., en 1986, la producción de la primera vacuna recombinante: Recombivax HB.
También en 1981, un grupo de científicos de la Universidad de Ohio produjeron los
primeros animales transgénicos al transferir genes de otros animales a ratones y en 1988
los biólogos moleculares Philip Leder y Timothy Stewart recibieron la primera patente para
un animal genéticamente modificado, un ratón altamente susceptible a desarrollar cáncer.
 La biotecnología moderna entra a nuestras vidas
En el año de 1984, Alec Jeffreys introduce la técnica de caracterización de ADN para la
identificación de personas y al año siguiente comienza a usarse como una herramienta
legal en las cortes de los Estados Unidos. En 1985, la compañía belga Plant Genetic
Systems fue la primera en desarrollar plantas genéticamente modificadas con resistencia al
ataque de insectos. Esta compañía desarrolló plantas de tabaco que expresaban genes
que codifican proteínas insecticidas de la bacteria Bacillus thuringiensis (Bt). En 1987,
Calgene, Inc. recibe una patente para la secuencia de ADN de la poligalacturonasa del
jitomate, usada para producir una secuencia antisentido de ARN que permite alargar la vida
de anaquel de este fruto. En 1993 la FDA declara que los alimentos genéticamente
modificados “no son inherentemente peligrosos” y por lo tanto no requieren de una
regulación específica, lo que permite que estos jitomates obtuvieran el permiso de la FDA
para ser comercializados, lo que ocurriría bajo el nombre “Flavi Savr”. En 1988, Genencor
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International, Inc. recibe una patente para el proceso de fabricación de enzimas resistentes
a cloro para su uso en detergentes. Para el año 2000, se anuncia la creación del “Arroz
Dorado” (Golden Rice), una variedad de arroz modificada para producir vitamina A, que se
espera ayude a mejorar la salud en los países en desarrollo y a prevenir algunas formas de
ceguera. Todos estos avances llevan en 2004 a que la FAO apoye el uso de los cultivos
obtenidos por técnicas de ingeniería genética como una herramienta complementaria a las
técnicas agrícolas tradicionales para ayudar a los campesinos y consumidores en los
países en vías de desarrollo.
 Pasos hacia la medicina del futuro
En 1989 se crea el Centro Nacional de los Estados Unidos para la Investigación del
Genoma Humano (National Center for Human Genome Research), dirigido por James
Watson para supervisar el proyecto elaborar el mapa y la secuencia del ADN humano para
2005. Al año siguiente se inauguró de manera formal el Proyecto Internacional del Genoma
Humano (International Human Genome Project). La meta de este proyecto era identificar y
secuenciar todos los genes del genoma humano. En 1990 se lleva a cabo la primera terapia
génica en una niña de cuatro años con una enfermedad del sistema inmune llamada
“deficiencia ADA”; aparentemente la terapia funcionó, pero desató una serie de debates
sobre los aspectos éticos de la misma. En 1998, dos grupos de investigación tuvieron éxito
en el cultivo de células troncales embrionarias, lo que abriría nuevas perspectivas para el
tratamiento de enfermedades. Como resultado del proyecto del Genoma Humano, se
publica en 2001 la secuencia de dicho genoma en las revistas Science y Nature, haciendo
posible el que investigadores de todo el mundo comiencen a desarrollar tratamientos
genéticos a enfermedades. La secuencia se completó para el 2003, dos años antes de lo
planeado y con un gasto menor al estimado. Un grupo de investigadores anuncia en 2002
sus resultados exitosos en la obtención de una vacuna contra el cáncer cérvico, la primera
vacuna preventiva para algún tipo de cáncer. En 2003, se encuentra un gen relacionado
con la depresión y se avanza en la detección de lazos genéticos con esquizofrenia y
desorden bipolar. Ese mismo año, el gobierno de China aprueba el uso del primer producto
de terapia génica (Gendicine), desarrollado por la compañía Shenzhen SiBiono GenTech
para el tratamiento de cáncer de cabeza y cuello.
 Más avances en genética
Para 1996, un grupo de científicos reportó la primera secuencia completa de un organismo
complejo: la levadura de pan Saccharomyces cerevisiae. El año siguiente pasaría a la
historia por el anuncio de investigadores del Instituto Rosalin de Escocia sobre la clonación
de una oveja, a la que llamaron Dolly, a partir de una célula adulta. A partir de la
secuenciación del primer organismo complejo, comienza la carrera por obtener el genoma
de más organismos, así en 1998 se obtuvo la secuencia del gusano Caenorhabditis
elegans, el primer genoma completo de un animal; en 2000 la primera planta, Arabidopsis
thaliana; en 2002 la primera planta usada como alimento, el arroz, así como el parásito que
causa la malaria y la especie de mosquito que lo transmite; en 2004 el pollo, la rata de
laboratorio y el chimpancé, el primate más cercano al hombre; en 2005 el perro; en 2006 la
abeja y de manera parcial el Neandertal; y en 2007 el caballo. En el año 2002, un grupo de
investigadores logra obtener un virus sintético (de poliomielitis) partiendo únicamente de su
genoma; este logro despierta muchas preguntas éticas y de seguridad. Ya en 2005, se
logra sintetizar parcialmente al virus de la influenza causante de la muerte de al menos 20
millones de personas en todo el mundo de 1918 a 1919. En 2003 se logra clonar por
primera vez una especie en peligro de extinción (el banteng) y otras especies como el
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caballo, venados y mulas; al año siguiente se lleva a cabo la clonación de la primera
mascota: un gato; un año más tarde, en 2005, se logra la clonación de una vaca a partir de
células de un animal muerto. En el año 2005, científicos de la Universidad de Harvard
reportan haber tenido éxito en convertir células de piel en células troncales embrionarias al
fusionarlas con células troncales embrionarias existentes.
TIPOS DE BIOTECNOLOGIA
De acuerdo a la técnica, la Biotecnología puede ser dividida en dos categorías: tradicional y
moderna.
A. Biotecnología tradicional
Utiliza técnicas tradicionales y sus principales productos son alimentos tales como el
pan, el yogur, las leches agrias, los quesos; saborizantes como el sillao, los
sazonadores; alcohol industrial, antibióticos y ácido cítrico.
B. Biotecnología moderna
Emplea técnicas novedosas de ingeniería genética para obtener organismos capaces
de formar productos útiles en el campo de la industria, salud y medio ambiente. En este
campo sobresale el cultivo de células y tejidos, la hibridación, la transgenia, la
clonación, la terapia génica y el estudio de genomas.
INGENIERÍA GENÉTICA
La ingeniería genética es la tecnología o más concretamente la biotecnología de la
manipulación y transferencia de ADN de un organismo a otro, que posibilita la creación de
nuevas especies, la corrección de defectos genéticos y la fabricación de numerosos
compuestos.
Actualmente la Ingeniería Genética está trabajando en la creación de técnicas que permitan
solucionar problemas frecuentes de la humanidad como, por ejemplo, la escasez de donantes
para la urgencia de trasplantes. En este campo se están intentando realizar cerdos
transgénicos
que
posean
órganos
compatibles con los del
hombre.
La ingeniería genética que
mediante la manipulación de
la información genética
ayuda al ser humano
El ADN es una base fundamental de información que poseen todos los organismos vivos, hasta
el más simple y pequeño. Esta información está a su vez dividida en determinada cantidad
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espacios llamado loci (plural) o locus (singular); que es donde se encuentra insertado los
genes, que varían dependiendo de la especie.
Entre los procesos biotecnológicos destacan la reproducción asistida, que involucra
conservación de espermatozoides y óvulos en nitrógeno líquido, la inseminación artificial,
fecundación “in Vitro”, conservación de embriones por congelación, y transferencia e
implantación de embriones en el útero de la hembra. La ingeniería genética ha alcanzado en
los últimos tiempos un alto grado de desarrollo. Entre las técnicas más usadas y conocidas
tenemos:
o La tecnología del ADN recombinante.
o La reacción en cadena de la polimerasa.
o El cultivo de células y tejidos.
o La hibridación.
o La transgenia.
o La terapia génica.
o La clonación.
o Elaboración de bibliotecas genómicas.
o El secuenciamiento de genomas.
La ingeniería genética puede definirse como un conjunto de técnicas, nacidas de la Biología
molecular, que permiten manipular el genoma de un ser vivo.
TECNOLOGIA DEL ADN RECOMBINANTE
Esta tecnología nos permite obtener fragmentos de ADN en cantidades ilimitadas, que llevará
además el gen o los genes que se desee. Este ADN puede incorporarse a las células de otros
organismos (vegetales, animales, bacterias...) en los que se podrá "expresar" la información de
dichos genes. (De una manera muy simple podemos decir que "cortamos" un gen humano y se
lo "pegamos" al ADN de una bacteria; si por ejemplo es el gen que regula la fabricación de
insulina, lo que haríamos al ponérselo a una bacteria es "obligar" a ésta a que fabrique la
insulina). Por lo tanto en la tecnología del ADN recombinante podemos diferenciar cuatro
etapas básicas:
1. Corte específico del ADN en fragmentos pequeños y manejables mediante la utilización de
un tipo de enzimas conocidas como enzimas de restricción que pueden considerarse como
las "tijeras moleculares". Estas enzimas se aislaron en bacterias y se identifican con
distintos nombres, siendo lo característico de ellas estos dos principios:
o Cada enzima de restricción reconoce una secuencia específica de nucleótidos y corta
en ese punto cada una de las cadenas de ADN.
o Los extremos libres que quedan se llaman extremos pegajosos, porque pueden unirse a
otros fragmentos de ADN que hayan sido cortados por la misma enzima de restricción.
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Biología Celular y Molecular
En este esquema se indica el lugar en el que corta la enzima de restricción. Se aprecia la actuación en
ambas hebras.
En este esquema se ve el resultado de la actuación de la enzima de restricción. Ha quedado rota la
molécula de ADN, quedando unos bordes pegajosos por donde puede unirse este ADN, con otro
aunque sea de una especie diferente.
2. Inserción de los fragmentos de ADN. Esta
inserción se realiza en vectores de
clonado,
que
son
los
agentes
transportadores capaces de introducirlos
en las células hospedadoras. Los vectores
de clonación son pequeñas moléculas de
ADN, que tienen capacidad para
autorreplicarse dentro de las células
hospedadoras. Se utilizan con frecuencia
dos tipos de vectores de clonación:
plásmidos y virus de introducirlos en las
células hospedadoras.
Plásmidos. Son moléculas de ADN circular,
con un tamaño menor que el del cromosoma.
Se replican con independencia del
cromosoma bacteriano ya que tienen su
propio origen de replicación.
En esta secuencia de dibujos se puede ver
como se realiza la inserción de un gen en un
plásmido. En la figura a tenemos un gen
(color rojo) que interesa insertar en un
plásmido (color turquesa).
En la figura b, vemos como una enzima de
restricción ha cortado el gen y el plásmido,
quedando unos bordes cohesivos o
pegajosos.
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La unión del ADN que contiene el gen que se desea clonar
con el vector de clonación, se realiza por medio de otras
enzimas, denominadas ADN-ligasas (figura c), que unen
ambos trozos de ADN. El resultado es una molécula de
ADN recombinante, ya que contiene fragmentos de ADN
de distinta procedencia.
Bacteriófagos. El proceso es similar, se trata de insertar el gen deseado en un fragmento de
ADN vírico (figura d) Posteriormente se ensamblarán las distintas partes del virus (figura e). Así
quedará el virus completo (figura f). En el siguiente paso se insertará este ADN por el proceso
de la TRANSDUCCIÓN.
Cósmidos.
Son
plasmidos
que
contienen
el
fragmento de ADN
deseado que posee
un borde cohesivo
procedente
del
genoma del fago
lambda
(extremo
cos) y se empaqueta
en el interior de un
fago. Se construye
el cosmido uniendo
los tres elementos
génicos,
y
el
resultado final es
poder introducir en
la célula receptora
fragmentos largos
de ADN.
Además del origen de
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replicación, los vectores de clonación deben llevar otros genes denominados “marcadores”, que
sirven para identificar las células que contienen el vector de clonación. Se suelen utilizar como
marcadores, genes de resistencia a antibióticos y genes de bioluminiscencia.
o Genes de resistencia a antibióticos. Sirven para identificar bacterias que contienen el
vector de clonación, porque estas bacterias serán resistentes al antibiótico del gen
marcador.
o Genes de luminiscencia. En este caso, la célula que contenga el gen que se quiere
clonar, tendrá la propiedad de emitir luz, ya que el marcador que se le incorpora
determina que se exprese esa característica. Este sistema se emplea cuando la célula
hospedadora es una célula eucariota.
Métodos de introducción del vector
El siguiente paso será introducir el vector de clonación que contiene el gen que se quiere clonar
en la célula hospedadora, para que ésta, al multiplicarse, origine un clon celular que lleve el
gen concreto. Existen varios métodos que dependerán del tipo de célula fundamentalmente. En
bacterias (células procariotas), mediante estos procesos:
o Transformación. Ocurre espontáneamente en ciertos tipos de bacterias y se consigue
artificialmente sometiendo a la célula bacteriana a tratamientos físicos y químicos. La
célula capta moléculas de ADN que se encuentran en el medio externo, las introduce en
su interior y las incorpora a su genoma.
o Transducción. Este método consiste en introducir el ADN en la célula hospedadora
mediante un virus,
utilizando
como
vector de clonación
el genoma del
virus.
En
la
siguiente
figura
puede verse el
proceso en tres
etapas. El número
1 corresponde al
virus
aproximándose a
una bacteria. Se
puede
observar
como lleva un
genoma ya con el
gen que interesa clonar. El siguiente momento 2, corresponde al contacto entre el virus
y la pared bacteriana, en cuya zona de contacto se produce un poro por donde como
vemos en la etapa 3, el virus inyecta su ADN al interior de la célula bacteriana.
ENZIMAS DE RESTRICCION
¿Cómo cortar y pegar el ADN? Tijeras moleculares: enzimas de restricción
En 1975 Daniel Nathans y Hamilton O. Smith descubrieron un tipo de proteínas –las enzimas
endonucleasas o enzimas de restricción- que actúan como “tijeras moleculares”, cortando la
doble cadena de ADN a través del esqueleto de fosfatos sin dañar las bases. El descubrimiento
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de estas enzimas condujo a dichos microbiólogos al Nobel en 1978 y dio origen a la ingeniería
genética.
Las enzimas de restricción son producidas por bacterias como método de defensa contra virus
y degradan el ADN extraño.
A su vez, el propio genoma bacteriano está protegido contra sus enzimas de restricción
mediante metilaciones (es decir, el agregado de un grupo metilo [-CH3)]) en un átomo
específico de ciertos nucleótidos.
Estas moléculas son indispensables para la ingeniería genética, ya que producen fragmentos
que se pueden unir entre sí fácilmente (con la ayuda de un “pegamento molecular”: la enzima
ligasa).
Las enzimas de restricción cortan dejando extremos cohesivos o romos. Los extremos
cohesivos son generados cuando la enzima corta las dos hebras asimétricamente, dejando los
extremos de cada hebra de simples cadenas complementarias entre sí. Por otro lado, los
extremos romos son generados cuando la enzima corta las dos hebras por el mismo lugar,
generando dos extremos doble cadena.
Figura 1. Enzimas de restricción. Este tipo de endonucleasas puede dejar dos
tipos de extremos. En el primer caso, el corte genera nucléotidos de simple cadena
llamados extremos cohesivos. Estos extremos se pueden unir por medio de otra
enzima, la ADN ligasa. En el segundo caso, se generan extremos doble cadena
(extremos romos). Estos extremos también pueden ser unidos con la ayuda de una
enzima ligasa pero, como no los extremos no son complementarios, la unión será
más inespecífica.
Las enzimas de restricción permiten cortar el genoma de cualquier organismo en pequeños
fragmentos llamados fragmentos de restricción. La colección de miles o millones de estos
fragmentos se llama biblioteca génica.
Actualmente se conocen unas 200 enzimas de restricción (las más conocidas se muestran en
la tabla 1), las cuales se nombran de acuerdo al organismo del cual se extraen, como por
ejemplo EcoRI y EcoRII, que se extraen de Escherichia coli o HaeIII que se extrae de
Haemophilus aegyptius.
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Tabla 1: Algunas de las principales enzimas de restricción conocidas y su origen (en base a
Griffiths et al. 1998).
Enzima de
restricción
Organismo de donde se
extrae
EcoRI
Escherichia coli
EcoRII
Escherichia coli
HindII
Haemophilus influenzae
HindII
Haemophilus influenzae
HaeIII
Haemophilus aegyptius
HpaII
Haemophilus parainfluenzae
PstI
Providencia stuartii
SmaI
Serratia marcesens
BamI
Bacillus amyloliquefaciens
BglII
Bacillus globiggi
Las
enzimas
de
restricción
trabajan
únicamente
sobre
secuencias específicas
de bases nitrogenadas,
el lugar donde se
produce el corte se
denomina
sitio
de
restricción y producen
dos tipos de corte: (1)
corte con extremos
cohesivos y (2) corte con
extremos romos (ver Fig.
1) (Griffiths et al. 1998).
Los extremos cohesivos
dejan porciones lineales
a ambos lados del
fragmento, es decir,
quedan
pequeñas
secuencias de bases sin
aparear a cada lado,
siendo
éstas
complementarias entre
sí, mientras que los
extremos romos son
aquellos en los que no
queda una porción lineal
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Biología Celular y Molecular
a ninguno de los lados. De acuerdo a la especificidad de las enzimas de restricción, se conocen
dos tipos: las enzimas de tipo I cortan en un sitio cercano al sitio de restricción, a una distancia
que varía aleatoriamente, y por ello no se suelen emplear para DNA recombinante. Las de tipo
II reconocen y cortan en la secuencia específica, y son las más empleadas en este tipo de
protocolos por su alta precisión. Las enzimas de restricción de tipo III son similares a las de tipo
II en cuanto a la precisión del lugar de corte, pero se diferencian de éstas en que sólo cortan
entre nucleótidos del mismo tipo, por ejemplo entre dos adeninas.
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LA REACCION EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR)
INTRODUCCION
La reacción en cadena de la polimerasa, conocida como PCR por sus siglas en inglés
(Polymerase Chain Reaction), es una técnica de biología molecular descrita en 1986 por Kary
Mullis, cuyo objetivo es obtener un gran número de copias de un fragmento de ADN particular,
partiendo de un mínimo; en teoría basta partir de una única copia de ese fragmento original, o
molde.
Esta técnica sirve para amplificar un fragmento de ADN; su utilidad es que, tras la
amplificación, resulta mucho más fácil identificar con una muy alta probabilidad virus o
bacterias causantes de una enfermedad, identificar personas (cadáveres) o hacer investigación
científica sobre el ADN amplificado. Estos usos derivados de la amplificación han hecho que se
convierta en una técnica muy extendida, con el consiguiente abaratamiento del equipo
necesario para llevarla a cabo.
FUNDAMENTO E IMPORTANCIA
Esta técnica se fundamenta en la propiedad natural de las ADN polimerasas para replicar
hebras de ADN, para lo cual emplea ciclos de altas y bajas temperaturas alternadas para
separar las hebras de ADN recién formadas entre sí tras cada fase de replicación y, a
continuación, dejar que vuelvan a unirse a polimerasas para que vuelvan a duplicarlas.
Inicialmente la técnica era lenta, ya que las polimerasas se desnaturalizaban al realizar los
cambios de temperatura y era necesario agregar nuevas polimerasas en cada ciclo. Puesto que
las temperaturas del ciclo (95 ºC en las fases de desnaturalización del ADN) suponen la
inmediata desnaturalización de toda proteína, se emplean ADN polimerasas termoestables,
extraídas de microorganismos adaptados a vivir a esas temperaturas, restrictivas para la
mayoría de los seres vivos. Dichos microorganismos, generalmente bacterias, son: Thermus
aquaticus (polimerasa Taq), Pyrococcus furiosus (Pfu), Thermococcus litoralis (Vent) y
Thermus termophilus (Tth). Generalmente se emplean mezclas de polimerasas muy procesivas
(Taq) con otras con corrección de errores (Pfu, Vent).
Hoy, todo el proceso de la PCR está automatizado mediante un aparato llamado termociclador,
que permite calentar y enfriar los tubos
de reacción para controlar la
temperatura necesaria para cada etapa
de la reacción. Muchos termocicladores
modernos hacen uso del efecto Peltier,
que permite tanto calentar como enfriar
los tubos simplemente invirtiendo la
corriente eléctrica. Los tubos usados
para PCR tienen una pared muy fina, lo
que favorece una buena conductividad
térmica, permitiendo que se alcance
rápidamente el equilibrio térmico. Casi
todos los termocicladores tienen un
sistema que calienta la tapa de cierre
con el fin de evitar la condensación
sobre los tubos de reacción. Los termocicladores más antiguos que carecían de este sistema,
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solucionaban el problema de la condensación con una capa de aceite en la parte superior de la
mezcla de reacción o con un poco de cera dentro de los tubos.
Termociclador original 1987
Por lo general, la PCR es una técnica común y
normalmente indispensable en laboratorios de
investigación médica y biológica para una gran
variedad de aplicaciones. Entre ellas se
incluyen la clonación de ADN para la
secuenciación, la filogenia basada en ADN, el
análisis funcional de genes, el diagnóstico de
trastornos hereditarios, la identificación de
huellas genéticas (usada en técnicas forenses y
tests de paternidad) y la detección y diagnóstico
de enfermedades infecciosas.
Termocclador: aparato en el cuál se realiza la PCR
convencional.
REACTIVOS
Tubos de PCR que albergan la mezcla en un volumen total de 100 μL. Para realizar la técnica
se necesitan:
o Desoxinucleótidos trifosfato (dNTPs), el sustrato para polimerizar nuevo ADN.
o Dos cebadores (o primers), oligonucleótidos que son, cada uno, complementarios a una
de las dos hebras del ADN. Son secuencias cortas, de entre seis y cuarenta
nucleótidos, normalmente de 18 a 22, que son reconocidos por la polimerasa
permitiendo iniciar la reacción. Deben estar situados enfrentados y a no mucha
distancia (no más de 4 kb. Delimitan la zona de ADN a amplificar. Además deben de ser
complementarios con los extremos 3’ de cada cadena de ADN que se amplificará.
o Iones divalentes. Se suele usar magnesio (Mg2+), agregado comúnmente como cloruro
de magnesio (MgCl2), o algún otro catión divalente. También se puede emplear
manganeso (Mn2+), para mutagénesis de ADN mediante PCR, ya que altas
concentraciones de Mn2+ incrementan la tasa de error durante la síntesis de ADN.
Actúan como cofactores de la polimerasa.
o Iones monovalentes, como el potasio.
o Una solución tampón que mantiene el pH adecuado para el funcionamiento de la ADN
polimerasa.
o ADN polimerasa o mezcla de distintas polimerasas con temperatura óptima alrededor
de 70ºC (la más común es la Taq polimerasa).
o ADN molde, que contiene la región de ADN que se va a amplificar.
o Termociclador, el aparato que va a mantener la temperatura necesaria en cada una de
las etapas que conforman un ciclo.
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Biología Celular y Molecular
Tubos de PCR que contienen la mezcla en un
volumen total de 100 ul.
CICLO DE AMPLIFICACIÓN
El proceso de PCR por lo general consiste en una serie de 20 a 35 cambios repetidos de
temperatura llamados ciclos; cada ciclo suele consistir en 2-3 pasos de temperaturas. La PCR
común se realiza con ciclos que tienen tres pasos de temperatura. Los pasos de ciclos a
menudo están precedidos por un choque térmico (llamado "hold") a alta temperatura ( 95°C), y
seguido por otro hold al final del proceso para la extensión de producto final o el breve
almacenaje. Las temperaturas usadas y el tiempo aplicado en cada ciclo dependen de gran
variedad de parámetros. Éstos incluyen la enzima usada para la síntesis de ADN, la
concentración de iones divalentes y dNTPs en la reacción, y la temperatura de unión de los
cebadores.
1. INICIALIZACIÓN (DESNATURALIZACION)
Este paso consiste en llevar la reacción hasta una temperatura de 95ºC (ó 98ºC si se está
usando una polimerasa termoestable extrema), que se mantiene durante 1 minuto. Esto sólo es
necesario para ADN polimerasas que requieran activación por calor.
En primer lugar, se desnaturaliza el ADN (se separan las dos hebras de las cuales está
constituido). Este paso puede realizarse de diferentes modos, siendo el calentamiento
(95ºC) de la muestra la forma más habitual. La temperatura a la cual se decide realizar la
desnaturalización depende, por ejemplo, de la proporción de G+C que tenga la hebra, como
también del largo de la misma. Otros métodos, raramente empleados en la técnica de la
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PCR, serían la adición de sales o agentes químicos capaces de realizar la
desnaturalización.
2. ALINEAMIENTO/UNIÓN DEL CEBADOR
A continuación se producirá la hibridación del cebador, es decir, el cebador se unirá a su
secuencia complementaria en el ADN molde. Para ello es necesario bajar la temperatura a
60ºC durante 30 segundos (según el caso), permitiendo así el alineamiento. Los puentes de
hidrógeno estables entre las cadenas de ADN (unión ADN-ADN) sólo se forman cuando la
secuencia del cebador es muy similar a la secuencia del ADN molde. La polimerasa une el
híbrido de la cadena molde y el cebador, y empieza a sintetizar ADN. Los cebadores
actuarán como límites de la región de la molécula que va a ser amplificada.
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3. EXTENSIÓN/ELONGACIÓN DE LA CADENA
Actúa la ADN polimerasa, tomando el ADN molde para sintetizar la cadena complementaria
y partiendo del cebador como soporte inicial necesario para la síntesis de nuevo ADN. La
polimerasa sintetiza una nueva hebra de ADN complementaria a la hebra molde añadiendo
los dNTP's complementarios en dirección 5'→ 3', uniendo el grupo 5'- fosfato de los dNTPs
con el grupo 3'- hidroxilo del final de la hebra de ADN creciente (la cual se extiende). La
temperatura para este paso depende de la ADN polimerasa que usemos. Para la Taq
polimerasa, la temperatura de máxima actividad está en 75-80°C (comúnmente 72°C). El
tiempo de extensión depende tanto de la ADN polimerasa usada como de la longitud del
fragmento de ADN que se va a amplificar. Hay una regla básica: en su temperatura óptima,
la polimerasa de ADN polimerizará mil bases en un minuto. Generalmente el tiempo en esta
etapa es de dos minutos.
Como se puede observar a las tres etapas (iniciación o desnaturalización, acoplamiento de los
primers o cebadores y la extensión o elongación), demora termino promedio tres minutos y
medio y en conjunto recibe en nombre de ciclo.
APLICACIONES
La técnica de la PCR tiene multitud de aplicaciones: ya en ciencia básica, como herramienta de
detección y/o generación de acervos de fragmentos de ADN de interés; ya en ciencia aplicada,
como elemento resolutivo en sí mismo, por ejemplo en diagnóstico clínico.
o Investigación
La PCR convencional se emplea como base para multitud de técnicas en el laboratorio
debido a su robustez y rapidez. De este modo, la PCR de punto final permite controlar y
detectar los fragmentos de ADN de interés.
Clonación de un segmento de ADN mediante amplificación con cebadores que contienen
una secuencia apta para la recombinación dirigida con un plásmido. Una aplicación de la
PCR de extrema importancia es la clonación de secuencias de ADN en vectores, como
pueden ser los plásmidos. Para ello, se emplean cebadores que contienen en su extremo 5'
una corta secuencia que permite la interacción posterior con otra complementaria situada
en el vector de clonación a emplear. Por ejemplo, se puede incluir una diana de restricción
en dichos cebadores, de modo que, y si ésta no existía previamente en el fragmento y es
única en el vector, pueda efectuarse una ligación mediante la ligasa de T4 tras la digestión
con la enzima de restricción apropiada de ambos elementos. Otro método asimilable a esta
vía es el empleo de la recombinación dirigida; esto es, se adapta al 5' de los cebadores una
secuencia que faculta a una recombinasa la recombinación dirigida con un vector dado.
o Medicina
En medicina, la PCR se emplea fundamentalmente como herramienta de diagnosis
(Coleman y Tsongalis, 2006):
Permite el genotipar la especie o especies que provocan un determinado cuadro infeccioso:
para ello, se amplifica una zona del genoma bacteriano cuyo producto de PCR posea unas
características de tamaño o temperatura de fusión que permitan identificarlo de forma
inequívoca. En el caso de infecciones virales que implican la integración del genoma del
patógeno en el ADN del hospedador, como es el de la infección por VIH, la PCR
cuantitativa posibilita la determinación de la carga viral existente y por tanto, del estadio de
la enfermedad.
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Biología Celular y Molecular
La PCR también se puede usar en revisiones médicas rutinarias, como en los servicios de
donantes de sangre, para test de rutina. A través de esta técnica se pueden detectar
infecciones peligrosas en el donante (como VIH o Hepatitis B) mientras aún están en el
periodo de incubación. Dada la sensibilidad de los test de PCR se pueden tomar muestras
colectivas o "pools" (por ejemplo, 96 pruebas individuales). Si una de estas muestras
colectivas da positivo, se toman a partir de ella muestras progresivamente menores hasta
que se encuentra el causante.
El diagnóstico de enfermedades hereditarias presentes en el genoma es un proceso largo y
complicado que puede acortarse significativamente gracias a la PCR. Cada uno de los
genes prueba se pueden amplificar mediante sus correspondientes primers y
posteriormente secuenciar para detectar la existencia de mutaciones.
Guerras de patentes
La técnica de la PCR fue patentada por Cetus Corporation, donde Mullis trabajaba cuando
inventó la técnica en 1983. La enzima Taq polimerasa fue también cubierta de patentes.
Tuvieron lugar varios pleitos relacionados con la técnica, incluyendo un pleito fracasado
generado por DuPont. La compañía farmacéutica Hoffmann-La Roche adquirió los derechos de
las patentes en 1992 y actualmente mantiene las que aún están protegidas.
LA TRANSGENIA
Los cultivos transgénicos son nuevas formas de vida creadas en el laboratorio con una técnica
que permite insertar genes extraños de bacterias, plantas o animales a cultivos como el maíz y
la soya.
Estas técnicas permiten a los científicos saltarse la selección natural y la evolución, al
intercambiar genes entre especies que normalmente no se cruzan. Una vez que estas nuevas
especies hechas por el ser humano son liberadas al medio ambiente y a la cadena alimenticia,
no hay manera de revertir la situación ni se conocen los efectos a largo plazo que estos cultivos
producirán sobre los ecosistemas y la salud humana.
"Todos los organismos vivos están constituidos por conjuntos de genes. Las diferentes
composiciones de estos conjuntos determinan las características de cada organismo. Por la
alteración de esta composición los científicos pueden cambiar las características de una planta
o de un animal. El proceso consiste en la transferencia de un gen responsable de determinada
característica en un organismo, hacia otro organismo al cual se pretende incorporar esta
característica. En este tipo de tecnología es posible transferir genes de plantas o bacterias, o
virus, hacia otras plantas, y además combinar genes de plantas con plantas, de plantas con
animales, o de animales entre sí, superando por completo las barreras naturales que separan
las especies".
ALIMENTOS TRANSGÉNICOS. ESTADO ACTUAL
Algunos enzimas y aditivos utilizados en el procesado de los alimentos se obtienen desde hace
años mediante técnicas de ADN recombinante. La quimosina, por ejemplo, enzima empleada
en la fabricación del queso y obtenida originalmente del estómago de terneros, se produce
ahora utilizando microrganismos en los que se ha introducido el gen correspondiente.
Sin embargo, la era de los denominados “alimentos transgénicos" para el consumo humano
directo se abrió el 18 de mayo de 1994, cuando la Food and Drug Administration de Estados
Unidos autorizó la comercialización del primer alimento con un gen "extraño", el tomate "FlavrUniversidad Católica Los Ángeles de Chimbote
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Savr", obtenido por la empresa Calgene. A partir de este momento, se han obtenido cerca del
centenar de vegetales con genes ajenos insertados, que se encuentran en distintas etapas de
su comercialización, desde los que representan ya un porcentaje importante de la producción
total en algunos países hasta los que están pendientes de autorización.
Existen diferentes posibilidades de mejora
vegetal mediante la utilización de la ingeniería
genética. En el caso de los vegetales con
genes antisentido, el gen insertado produce
un ARNm que es complementario del RNAm
de la enzima cuya síntesis se quiere inhibir. Al
hibridarse ambos, RNAm de la enzima no
produce su síntesis. En el caso de los
tomates "Flavr -Savr" en enzima cuya síntesis
se inhibe es la poligalacturonasa, responsable
del ablandamiento y senescencia del fruto
maduro. Al no ser activo, este proceso es
muy lento, y los tomates pueden recogerse ya
maduros y comercializarse directamente. Los
tomates normales se recogen verdes y se
maduran artificialmente antes de su venta con etileno, por lo que su aroma y sabor son
inferiores a los madurados de forma natural. En este caso, el alimento no contiene ninguna
proteína nueva. La misma técnica se ha utilizado para conseguir una soja con un aceite con
alto contenido en ácido oleico (80 % o más, frente al 24% de la soja normal), inhibiendo la
síntesis de la enzima oleato desaturasa.
La inclusión de genes vegetales, animales o
bacterianos da lugar a la síntesis de proteínas
específicas. La soja resistente al herbicida
glifosato, conocida con el nombre de
"Roundup Ready" y producida por la empresa
Monsanto contiene un gen bacteriano que
codifica el enzima 5-enolpiruvil-shikimato-3fosfato sintetasa. Este enzima participa en la
síntesis de los aminoácidos aromáticos, y el
propio del vegetal es inhibido por el glifosato;
de ahí su acción herbicida. El bacteriano no
es inhibido.
El maíz resistente al ataque de insectos
contienen un gen que codifica una proteína
del Bacillus thuringiensis, que tiene acción insecticida al ser capaz de unirse a receptores
específicos en el tubo digestivo de determinados insectos, interfiriendo con su proceso de
alimentación y causando su muerte. La toxina no tiene ningún efecto sobre las personas ni
sobre otros animales. La utilización de plantas con genes de resistencia a insectos y herbicidas
permite reducir la utilización de plaguicidas y conseguir un mayor rendimiento. También se ha
obtenido una colza con un aceite de elevado contenido en ácido laúrico, mediante la inserción
del gen que codifica una tioesterasa de cierta especie de laurel. Los vegetales resistentes a
virus se consiguen haciendo que síntetizen una proteína vírica que interfiere con la propagación
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normal del agente infecioso. Estos vegetales contienen proteína vírica, pero menos de la que
contienen los normales cuando están severamente infectados.
Los vegetales transgénicos más importantes para la industria alimentaria son, por el momento,
la soja resistente al herbicida glifosato y el maíz resistente al taladro, un insecto. Aunque se
utilice en algunos casos la harina], la utilización fundamental del maíz en relación con la
alimentación humana es la obtención del almidón, y a partir de este de glucosa y de fructosa.
La soja está destinada a la producción de aceite, lecitina y proteína.
Puesto que la harina de maíz, la proteína de soja y los productos elaborados con ellas
contienen DNA y proteínas diferentes a la de las otras variedades de maíz, en la Unión
Europea (no en los Estados Unidos) existe la obligación de mencionar su presencia en el
etiquetado de los alimentos. Aunque no se ha detectado ningún caso, sería concebible la
existencia de personas alérgicas a las nuevas proteínas. No obstante, en el caso de la proteína
de B. thuringiensis, su amplio uso como plaguicida en agricultura ecológica permite asegurar su
falta de alergenicidad.
El aceite de soja transgénica y la glucosa y la fructosa obtenidas del almidón de maíz
transgénico no contienen ningún material distintinto a los que contienen cuando se obtienen a
partir de los vegetales convencionales. En la mayoría de los casos, ni siquiera las técnicas de
PCR, que como se sabe tienen una sensibilidad extrema, son capaces de detectar material
genético extraño, por lo que no existe ninguna obligación de etiquetado diferencial.
En el caso de los alimentos completos, o de partes que incluyan la proteína extraña, como
podría ser la proteína de soja o la harina de maíz, hay que considerar el riesgo de la aparición
de alergias a la nueva proteína. Este es el caso de la soja a la que se le había introducido el
gen de una proteína de la nuez del brasil para aumentar el contenido de aminoácidos azufrados
de sus proteínas y por ende su valor nutricional. La nueva proteína resulto ser alergénica, y
esta soja no ha llegado a salir al mercado. Sin embargo, esto es absotutamente excepcional, y
no existe ninguna evidencia de que las proteínas introducidas por medio de la ingeniería
genética sean más alergénicas que las naturales.
En el caso de la utilización de materiales procesados exentos de proteínas, como el aceite de
soja o la glucosa obtenida a partir del almidón del maíz, no existe ningún material que no se
encuentre en el producto convencional, y consecuentemente no existe ningún riesgo, ni
siquiera hipotético, atribuible a la manipulación genética. Incluso en los casos en que existe
alergia a una proteína de la semilla oleaginosa (convencional o transgénica), un aceite
procesado no produce respuesta.
¿Para que se obtienen vegetales transgénicos?
Actualmente existen, comercializados o en proceso avanzado de desarrollo, vegetales
modificados para:
o
o
o
o
o
o
Que tengan una vida comercial más larga.
Resistan condiciones ambientales agresivas, como heladas, sequías y suelos salinos.
Resistan herbicidas.
Resistan plagas de insectos.
Resistan enfermedades.
Tengan mejores cualidades nutritivas.
La modificación más interesante en animales sería conseguir vacas que incluyeran en la leche
proteínas de la leche humana con efecto protector, como la lactoferrina
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MICROORGANISMOS TRANSGÉNICOS
Los microorganismos se caracterizan por ser demasiado pequeños para poder ser observados
a simple vista, siendo necesario emplear el microscopio para visualizarlos. Son
microorganismos las bacterias, levaduras, protozoos, algas multicelulares, etc.
La introducción de ADN foráneo en un microorganismo da lugar a los microorganismos
transgénicos. La mayoría de microorganimos transgénicos son bacterias unicelulares o
levaduras.
Las bacterias y levaduras transgénicas se usan principalmente en la industria alimentaria, en la
producción de aditivos alimentarios, aminoácidos, péptidos, ácidos orgánicos, polisacáridos y
vitaminas. También se han aplicado en procesos de bioremediación y, en medicina, se
emplean ampliamente para producir proteínas de interés como por ejemplo, la insulina.
o Desarrollo de un microorganismo transgénico
Fabricar un transgénico unicelular es más fácil que producir una planta o animal
transgénico, ya que en éstos hay que asegurar la presencia del nuevo ADN en todas las
células del organismo.
Para desarrollar una bacteria transgénica, el gen de interés se incorpora en un plásmido
(ADN circular extracromosómico capaz de autoreplicarse) y se incuba junto con la bacteria
bajo condiciones específicas que favorecen la entrada del plásmido en el interior de la
bacteria. Si la bacteria retiene el plasmido y la proteína que expresa el gen de interés no
resulta tóxica para su desarrollo, se obtiene una bacteria transgénica, con nuevas
características determinadas por el gen introducido. La bacteria más utilizada es la
Escherichia coli (o E. Coli).
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No obstante y a pesar que su fácil manipulación, las bacterias no son siempre la mejor
elección para producir proteínas humanas. Algunas de éstas no son funcionales si no están
glicosiladas, es decir, si no se añaden azúcares a la cadena de aminoácidos, y este
proceso no lo pueden llevar a cabo las bacterias. En estos casos se utilizan levaduras
transgénicas, que sí son capaces de glicosilar. La producción de levaduras transgénicas
implica también el empleo de plásmidos, siendo la levadura Saccharomyces cerevisiae
(responsable, entre otros procesos, de la fermentación del pan) la especie más empleada.
o Aplicaciones
de
microorganismos transgénicos
los
1. Investigación
Los microorganismos transgénicos
son una herramienta de fundamental
importancia en investigación. La
introducción en bacterias de
plásmidos que contienen un gen
concreto a estudiar se realiza de
forma rutinaria en los laboratorios,
ya sea con el objeto de tener un
stock de dicho gen (mediante el
crecimiento de colonias que
permiten tener gran cantidad de
células que lo contienen) o para
expresar una proteína de interés.
Estas bacterias transgénicas ayudan
a los científicos a entender mejor algunos procesos bioquímicos, la regulación de genes
y su función.
2. Producción de proteínas en medicina
Como ya se ha comentado, se han desarrollado bacterias E.coli capaces de producir
insulina humana, imprescindible para pacientes diábeticos. Antes del empleo de
bacterias transgénicas, la insulina se obtenía de vacas y cerdos, pero, como su
estructura difería ligeramente de la variedad humana, en algunos casos provocaba una
reacción alérgica. Las bacterias transgénicas han eliminado este problema. Asimismo,
la levadura Saccharomyces cerevisiae se ha modificado genéticamente para obtener
insulina humana.
También se han desarrollado bacterias transgénicas para producir la hormona del
crecimiento, que se emplea para tratar a niños con enanismo. Otros usos en medicina
de los microorganismos transgénicos son la producción de vacunas, anticuerpos, etc
3. Bioremediación
Existen microorganismos capaces de utilizar como nutrientes compuestos tóxicos o
peligrosos, como hidrocarburos, detergentes, bifenilos policlorados, etc, de forma que
su metabolismo los convierte en productos inocuos para el medio ambiente. El empleo
de organismos vivos para degradar residuos se conoce como bioremediación. La
mayoría de aplicaciones biotecnológicas aplicadas al medio ambiente utilizan
microorganismos naturales, pero se están desarrollando microorganimos transgénicos
para eliminar materiales difíciles de degradar. Por ejemplo, bacterias Pseudomonas
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transgénicas son capaces de degradar compuestos polihalogenados. La investigación
en este campo busca los enzimas presentes en microorganismos naturales que son
eficientes en el tratamiento de compuestos tóxicos y determinar como pueden
mejorarse mediante ingeniería genética.
4. Industria alimentaria
Los microorganismos modificados genéticamente se emplean en la industria alimentaria
para producir aditivos alimentarios como edulcorantes artificales y aminoácidos con el
proposito de incrementar la eficiencia y reducir su coste. Otros productos de estos
microorganismos son enzimas recombinantes que se emplean en panadería,
producción de cerveza, producción de queso
(por ejemplo, quimosina). También se aplican
en procesos de fermentación, como por
ejemplo el empleo de levaduras transgénicas
para desarrollar el sabor y aroma en la
industria de la cerveza.
ANIMALES TRANSGENICOS
Los animales transgénicos son aquellos que
poseen un gen que no les pertenece La forma
más sencilla para generar un animal
transgénico es la que involucra el aislamiento
del gen que se quiere introducir (al que
llamaremos transgén), su clonación y
manipulación para que pueda ser expresado
por el organismo blanco, y su inserción en el
organismo. Para lograr que todas las células
del organismo expresen este nuevo gen,
incorporamos dicho gen en un embrión en
estadio de cigoto. Una vez seguros que el
embrión incorporó el transgén, implantamos el
embrión en un animal receptivo, que actúa
como madre (en un procedimiento similar al
de fertilización in vitro).
Cabras transgénicas portadoras de un gen humano. La técnica para producir un animal
transgénico consta de varios pasos: a) se produce un transgén, b) se realiza una fertilización
in vitro, c) se inyecta el gen transgénico en el cigoto, d) se implanta el embrión en una madre
sustituta. De esta manera se han producido conejos, cabras, ovejas y chanchos transgénicos.
Si, en cambio, no nos interesa que todo el animal contenga el transgén, sino sólo
determinadas células, realizamos un procedimiento similar al descripto, pero en vez de
inyectar el transgén en un cigoto, lo inyectamos en un embrión ya formado. Esto da como
resultado un organismo con células normales y otras con el transgén.
Un ejemplo del empleo de esta técnica es la producción de ovejas o cabras transgénicas. Estas
se crean inyectando el gen que codifica la proteína deseada en un óvulo fecundado, que se
implanta a una oveja o cabra madre. Luego, se analiza la presencia del gen deseado en la
descendencia y aquellas cabras que lo tengan son inducidas a producir leche.
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En la Argentina se han creado vacas transgénicas, llamadas vacas Pampa, que producen en
su leche hormona de crecimiento humano. Este emprendimiento fue llevado a cabo mediante
una colaboración entre docentes de la Universidad de Buenos Aires y la empresa BioSIDUS.
Este es un desarrollo de avanzada para la región ya que, en primer lugar, se logró obtener un
clon viable (la vaca Pampita), y luego se logró insertar el transgén en animales de diferente
sexo (la vaca Pampa Mansa, y el toro Pampero). Estos fueron los primeros animales
transgénicos en el mundo capaces de tener una progenie que mantuviera el transgén por
apareamiento tradicional.
La creación de animales transgénicos presenta nuevas oportunidades, pero también crea
nuevos desafíos. Entre las primeras está la posibilidad de estudiar la función de ciertas
proteínas, incluidas algunas causantes de enfermedades humanas. Uno de los mayores
problemas es la inserción al azar de los genes deseados.
TERAPIA GENICA
La TERAPIA GÉNICA es un tratamiento médico que consiste en manipular la información
genética de células enfermas para corregir un defecto genético o para dotar a las células de
una nueva función que les permita superar una alteración.
Con la ayuda de vectores adecuados, que son generalmente virus, se introduce el gen correcto
y se integra en el ADN de la célula enferma mediante técnicas de recombinación genética.
En principio existen tres formas de
tratar enfermedades con estas
terapias:
o Sustituir genes alterados.
Se pueden corregir mutaciones
mediante
cirugía
génica,
sustituyendo el gen defectuoso o
reparando la secuencia mutada.
o Inhibir o contrarrestar efectos
dañinos.
Se lleva a cabo mediante la
inhibición dirigida de la expresión
génica. Este proceso se desarrolla
bloqueando promotores, interfiriendo con los mecanismos de expresión génica mediante
RNAs anti-sentido que son complementarios de RNA-m y se unen a ellos bloqueándolos, o,
más recientemente, mediante siRNA ("small interferents RNA", "RNAs pequeños
interferentes"), que bloquean secuencias específicas de RNA, por lo que pueden inhibir
cualquier gen bloqueando sus RNA-m.
o Insertar genes nuevos.
Se realiza por supresión dirigida de células específicas. Se insertan genes suicidas que
destruyen a la propia célula que los aloja o genes estimuladores de la respuesta inmune.
También se puede introducir una copia de un gen normal para sustituir la función de un gen
mutante que no fabrica una proteína correcta.
Por ejemplo, en el tratamiento de los cánceres que se realiza hoy día, una de las principales
vías de investigación es la de marcar genéticamente a las células tumorales de un cáncer para
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que el organismo las reconozca como extrañas y pueda luchar contra ellas, estimulando la
respuesta inmune. Otras estrategias que se siguen en la actualidad contra el cáncer son:
- Inactivar oncogenes.
- Introducir genes supresores de tumores.
- Introducir genes suicidas.
- Introducir genes que aumenten sensibilidad a fármacos.
EL PROCESO DE LA CLONACION
El proceso de clonación a partir de células adultas ya diferenciadas ha sido el resultado de
mínimo 40 años de investigación en diferentes áreas del conocimiento, como la genética y la
biología reproductiva. El sincronizar tanto la célula donante como la receptora permitió el éxito
final de un procedimiento que se creía imposible. Este avance científico abrirá nuevos
horizontes especialmente en el campo de la biotecnología, pero es precisamente su aplicación
lo que tiene hoy al mundo, tanto científico como político, en reflexión y legislando al respecto.
La clonación (derivado del griego:
κλων, que significa "retoño") es el
proceso de crear una copia genética
idéntica de otro organismo original. La
clonación en el sentido biológico
resulta en una molécula, una célula e
incluso un organismo multicelular
idéntico al original. A veces este
término puede utilizarse a los clones
"naturales", por ejemplo los gemelos
monocigóticos,
o
cuando
un
organismo
se
reproduce
asexualmente como en el caso de especies monosexuales y organismos hermafroditas,
aunque la mayoría de las veces se refiere a un clon creado intencionalmente.
Si nos referimos al ámbito de la Ingeniería Genética, clonar es aislar y multiplicar en tubo de
ensayo un determinado gen o, en general, un trozo de ADN. Sin embargo, Dolly no es producto
de Ingeniería Genética. En el contexto a que nos referimos, clonar significa obtener un
individuo a partir de una célula o de un núcleo de otro individuo.
En los animales superiores, la única forma de reproducción es la sexual, por la que dos células
germinales (óvulo y espermatozoide) se unen, formando un cigoto (o huevo), que se
desarrollará hasta dar el individuo adulto. La reproducción sexual fue un invento evolutivo (del
que quedaron excluidas las bacterias y muchos organismos unicelulares), que garantiza que en
cada generación de una especie van a aparecer nuevas combinaciones de genes en la
descendencia, que posteriormente será sometida a la dura prueba de la selección y otros
mecanismos evolutivos. Las células de un animal proceden en última instancia de la división
repetida y diferenciación del cigoto. Las células somáticas, que constituyen los tejidos del
animal adulto, han recorrido un largo camino "sin retorno", de modo que, a diferencia de las
células de las primeras fases del embrión, han perdido la capacidad de generar nuevos
individuos y cada tipo se ha especializado en una función distinta (a pesar de que, salvo
excepciones, contienen el mismo material genético).
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No es extraño pues el revuelo científico cuando el equipo de Ian Wilmut, del Instituto Roslin de
Edimburgo comunicó 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 las mamas), e 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 (que es
la que aporta la inmensa mayoría del ADN), y la que parió, que genéticamente no aporta nada.
Científicamente se trata de un logro muy interesante, ya que demuestra que, al menos bajo
determinadas circunstancias es posible "reprogramar" el material genético nuclear de una
célula diferenciada (algo así como volver a poner a cero su reloj, de modo que se comporta
como el de un zigoto). De este modo, este núcleo comienza a "dialogar" adecuadamente con el
citoplasma del óvulo y desencadena todo el complejo proceso del desarrollo intrauterino.
Dolly no es una copia idéntica de la "madre" que donó el núcleo (no se olvide que el óvulo
contiene ese pequeño ADN de la mitocondria). Aunque ambas comparten el mismo ADN
nuclear, las instrucciones genéticas de Dolly no experimentaron exactamente el mismo tipo y
combinación de estímulos que los de su "madre nuclear". Esto se debe a los fenómenos de
epigénesis, complejas series de interacciones entre los genes y el entorno, y aquí entendemos
por entorno desde los factores presentes en el citoplasma del óvulo, pasando por los procesos
de formación del embrión/feto, a su vez sometidos al peculiar ambiente uterino, y alcanzando a
la vida extrauterina (estímulos al nacer, periodo de lactancia, relaciones con la madre,
interacciones "sociales" con otros individuos de la especie, etc). En resumidas cuentas, el ADN
no contiene un programa unívoco de instrucciones, sino que es flexible, y la expresión genética
en cada individuo queda matizada por multitud de factores, quedando "abierta" con una
finalidad adaptativa clara.
¿Para qué serviría la clonación en animales?
Como suele ocurrir con muchos avances científicos de vanguardia, aquí puede que también se
hayan exagerado las posibles derivaciones prácticas inmediatas, aunque no cabe duda que a
medio y largo plazo, cuando la técnica se vaya perfeccionando, podría encontrar numerosos
campos de aplicación. (Dejamos aparte el ámbito de la biología fundamental, que tendrá que
"hincar el diente" en los fascinantes interrogantes básicos abiertos, sobre todo relativos al ciclo
celular y al control de la diferenciación).
Como suele ocurrir con muchos avances científicos de vanguardia, aquí puede que también se
hayan exagerado las posibles derivaciones prácticas inmediatas, aunque no cabe duda que a
medio y largo plazo, cuando la técnica se vaya perfeccionando, podría encontrar numerosos
campos de aplicación. (Dejamos aparte el ámbito de la biología fundamental, que tendrá que
"hincar el diente" en los fascinantes interrogantes básicos abiertos, sobre todo relativos al ciclo
celular y al control de la diferenciación).
Uno de los objetivos buscados por el grupo de Wilmut (en alianza con una empresa) es unir la
técnica de la clonación con la de Ingeniería genética de mamíferos con objeto de producir
medicamentos o sustancias útiles comercialmente. La idea es que una vez que se haya
obtenido un animal transgénico interesante (por ejemplo, ovejas o vacas que en su leche
secretan sustancias terapéuticas determinadas por un gen introducido previamente), ese
individuo serviría de "molde" para generar varios ejemplares clónicos.
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Otra aplicación (más en la línea de la ganadería tradicional) sería asegurar copias de un
ejemplar que haya mostrado buenos rendimientos (en carne, en leche, etc.). La clonación
evitaría que su buena combinación de genes (su genotipo) se "diluyera" al cruzarlo
sexualmente con otro. Sin embargo, mientras el coste de la técnica sea elevado, no estará al
alcance de las explotaciones ganaderas convencionales. Pero además habría que tener mucha
precaución con la amenaza de pérdida de diversidad genética de la cabaña ganadera, ya que
si se impusiera este método, se tendería a la uniformidad (una tendencia ya presente en la
agricultura y ganadería actuales). Recordemos que la biodiversidad es un recurso valioso
también en los "ecosistemas agropecuarios", ya que supone una reserva de recursos genéticos
adaptados a diversas condiciones ambientales y a diversos contextos socioeconómicos.
Se ha hablado igualmente de que la clonación podría representar la salvación "in extremis" de
ciertas especies silvestres amenazadas de extinción y difíciles de criar en cautividad. Pero si se
llega a este caso, sería el triste reconocimiento de nuestro fracaso de conservarlas por medios
más simples y naturales. Además, lo más probable es que, debido a que la clonación no aporta
diversidad genética, la especie estuviera abocada de todas formas a la "muerte genética",
condenada quizás a vivir en zoológicos o en condiciones altamente artificiales, casi como
piezas de un museo viviente.
LA CLONACION HUMANA
La publicación de la existencia de Dolly levantó inmediatamente un debate sobre la posibilidad
de clonar personas. La proximidad biológica hace pensar que la clonación humana sería
posible desde un punto de vista técnico, aunque haya factores limitantes (principalmente el
número de óvulos necesarios: hicieron falta más de 400 para conseguir a Dolly). El debate, por
tanto, se sitúa en un contexto ético, no en si es posible llevarla a cabo, sino en si es
conveniente, si debe aprobarse.
Son muchas las consideraciones
éticas que pueden hacerse en torno
a la clonación humana. Una
aproximación sería considerar el fin
de la clonación:
o Obtener un nuevo ser
desarrollado (clonación con
fines reproductivos).
o Obtener un embrión que
será
destruido
para
proporcionar células o
tejidos (clonación humana
con fines terapéuticos).
Existe entre la comunidad científica
una actitud bastante generalizada de rechazo hacia la clonación humana con fines
reproductivos, aunque sólo sea por consideraciones prácticas: bajo porcentaje de éxitos, alto
número de óvulos requerido, posibilidad de alteraciones o enfermedades en los clones... Estas
objeciones, que se centran en las consecuencias negativas, no parecen tener suficiente
fundamento, y con frecuencia se oye a investigadores afirmar que si hubiese un motivo
realmente importante para clonar seres humanos no verían inconvenientes en que se hiciera.
Los argumentos con un fundamento de tipo antropológico, y por tanto más sólido, podrían
resumirse del siguiente modo:
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o La clonación, incluso si no conllevara la muerte de embriones y tuviese un 100% de
éxito dando lugar a un ser humano sin fallos, supone un atentado a la persona así
generada, que sufriría una manipulación difícil de superar:
o El clonado sería seleccionado positivamente por otros, que han decidido cuál va a ser
su dotación genética y sus características biológicas.
o El clonado sería generado con un fin: emular a alguien cuyas características interesan
por algún motivo: un hijo fallecido al que se pretende sustituir, un genio cuyas
habilidades interesa mantener, etc. Las consecuencias psicológicas de esa presión
serían imprevisibles.
o El clonado carecería de las relaciones elementales de familia: no tendría en absoluto
padre, ni propiamente hablando madre: tendría un hermano gemelo mayor, una madre
ovular (¿citoplásmica?) y una madre de alquiler.
Se puede formular positivamente lo
expuesto diciendo que, cualquier ser
humano tiene derecho a que:
o Ningún tercero decida su
componente genético.
o Ser querido por sí mismo y no
para conseguir un fin, como
emular o reemplazar a alguien
(planteamiento
que
supone,
además, un desconocimiento total
de cómo son los seres humanos).
biológicamente y que son responsables de él.
o Tener un padre y una madre de
los que procede, también
Dicho de otro modo: la clonación reproductiva atenta a la libertad del clon, fija sus condiciones
biológicas según el criterio de otros, y en ese sentido es un ejemplo difícilmente superable de
manipulación del hombre por la técnica (manejada por terceros).
La clonación humana con “fines terapéuticos”: el descubrimiento de las células madre
embrionarias.
En el campo de la aplicación terapéutica de los embriones se encuentra el verdadero debate
que zarandea actualmente la opinión pública y a la comunidad científica. Para describir con
detalle en qué consistirían esas posibles aplicaciones hay que hacer referencia a algunos
descubrimientos o avances recientes, que no están directamente relacionados con la clonación.
Concretamente:
o La posibilidad de curar enfermedades llevando a cabo transplantes no con órganos
completos, sino con células, mediante la llamada terapia celular. Esto parece una
buena alternativa para determinadas enfermedades que son el resultado del mal
funcionamiento de una población bien definida de células. Consistiría en reemplazar las
células enfermas por otras sanas, sin necesidad de transplantar el órgano entero.
o La posibilidad de obtener células madre embrionarias. En el año 1998 dos grupos de
Estados Unidos publicaron la obtención de células madre embrionarias a partir de
embriones humanos que procedían de la fecundación in vitro. Esos embriones estaban
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en la fase llamada de blastocisto. Los blatocistos son embriones de 5-6 días y que
tienen un aspecto esférico con una cavidad interna. Se diferencian en ellos lo que es
propiamente el embrión (un grupo de células llamado masa celular interna), de las
células que darán lugar a la placenta (llamadas trofoblasto). Los “logros” de estos
grupos fueron de tipo técnico: tomaron masas celulares internas de varios blastocistos
(destruyéndolos en el proceso) y las pusieron en cultivo. Consiguieron por un lado que
esas células, llamadas células madre embrionarias, viviesen y se dividieran activamente
en cultivo; y por otro lograron una especialización dirigida de esas células: tratándolas
con diferentes factores consiguieron que dieran lugar a células tipo piel (ectodermo),
tipo tubo digestivo (endodermo) o tipo músculo (mesodermo).
¿En qué consiste entonces la propuesta de clonación humana con fines terapéuticos?
Consistiría en combinar la
técnica de clonación con la
de obtención de células
madre embrionarias, para
curar a adultos que tuviesen
una
enfermedad
que
pudiera resolverse mediante
transplante celular. Esto se
haría de la siguiente
manera:
1. Mediante la técnica
empleada en Dolly se
generaría un embrión a
partir
de
células
diferenciadas de la persona que se quiere curar.
2. El embrión obtenido por clonación se destruiría a los 6 días para obtener a partir de él
células madre embrionarias.
3. Esas células se especializarían hacia el tipo celular necesario para curar a la persona en
cuestión.
4. Se implantarían esas células para curar a la persona.
Al proceder de un embrión idéntico a la persona de partida, las células no provocarían rechazo
al ser implantadas y además la posibilidad de mantener congelados los cultivos celulares
proporcionaría una fuente casi ilimitada de tejidos. Hay que indicar que desde el punto de vista
técnico este proceso es aún una mera posibilidad y haría falta mucha investigación para
ponerlo en marcha: no se han conseguido todavía tipos celulares bien definidos a partir de
células madre embrionarias y hay pocas evidencias de que de hecho puedan curar
enfermedades.
Algunas alternativas a la clonación humana con fines terapéuticos
Existen alternativas a la clonación humana con fines terapéuticos que no presentan objeciones
éticas tan serias. La más interesante es la posibilidad de conseguir células madre de origen no
embrionario.
o En el cuerpo humano existen células madre de adulto que son precursoras de otros tipos
celulares: células menos especializadas que podrían dar lugar a varios tipos de células. En
los últimos años se ha descubierto que estas células son mucho más versátiles de lo que
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se pensaba. Si se ponen en cultivo y se tratan con diversos factores puede hacerse que se
diferencien hacia tipos celulares muy diferentes de aquellos a los que habitualmente dan
lugar en el cuerpo. Por ejemplo, a partir de células de médula ósea se han conseguido
células de músculo, hueso, células nerviosas, hepatocitos, etc...Las células madre se
encuentran en el adulto en la médula ósea, el sistema nervioso y órganos diversos.
o También pueden obtenerse células madre del cordón umbilical y de la placenta del recién
nacido. Como ya hemos indicado, placenta y cordón umbilical proceden del embrión y sus
células tampoco provocarían rechazo.
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FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA Y FARMACIA
SECCIÓN DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
ASIGNATURA
BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR
Contenido:
• CAPITULO CUATRO : “GENÉTICA, BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA”
o Genética: Conceptos básicos y genética mendeliana
o Genética póstmendeliana. Citogenética general y humana
o Biotecnología e ingeniería genética
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CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN
CAPÍTULO CUATRO
1. PROBLEMA 01.- En las plantas de guisante, el alelo “L”, que indica semillas lisas, es dominante
sobre el alelo “l”, que indica semillas rugosas, y el alelo “A” que indica color amarillo, es dominante
sobre el alelo “a”, que indica color verde. Si se cruza una variedad pura lisa de color amarillo con
una variedad pura rugosa de color verde. ¿Cuál es el genotipo y el fenotipo de la primera
generación filial (F1)?. ¿Indicar los fenotipos de la segunda generación (F2) y la proporción de cada
uno de ellos que resulta de la autofecundación de las plantas F1?
2. PROBLEMA 02.- En el guisante, los caracteres tallo largo y flor roja dominan sobre tallo enano y flor
blanca. ¿Cuál será la proporción de plantas doble homocigóticas que cabe esperar en la F2
obtenida a partir de un cruzamiento entre dos líneas puras, una de tallo largo y flor blanca con otra
de tallo enano y flor roja?. Indicar el genotipo de todas las plantas homocigóticas que pueden
aparecer en la F2. Razonar la respuesta.
3. Si a partir de una secuencia de DNA se producen 16,384 copias por la técnica del PCR. ¿Cuántos
ciclos se han producidos y cuanto tiempo ha transcurrido?
4. Con respecto al genotipo AaBBCcDDEe (02 puntos):
A. ¿Cuántos gametos se pueden establecer?
B. ¿Cuántos genes debe de tener cada gameto?
C. ¿Cuántos heterocigotos existen en el genotipo?
D. ¿Cuál es la fórmula que se debe aplicar para hallar el número de gamentos?
5. Si se cruzan plantas altas que tienen semillas amarillas (doble homocigoto dominante), con plantas
bajas con semillas verdes (doble homocigoto recesivo), en la segunda generación o F:2.
A. ¿Fenotípicamente que porcentaje de las plantas son altas con semillas amarillas?
B. ¿Qué porcentaje de las plantas tienen el siguiente genotipo: AaBB?
C. ¿Si se producen 128 plantas, cuántas de ellas serán doble homocigóticas?
D. ¿Si se producen 128 plantas, que porcentaje de ellas serán doble heterocigotos?
6. Si un hombre de grupo sanguíneo A (genotípicamente homocigótico), se casa con una mujer de
grupo sanguíneo B (genotípicamente heterocigótica).
A. ¿Uno de sus hijos puede tener grupo sanguíneo “O”?
B. ¿Cuál es la probabilidad de que sus hijos sean de grupo sanguíneo “A” (genotípicamente
homocigótico)?
C. ¿Cuál es la probabilidad de que uno de sus hijos sea de grupo sanguíneo “AB”?
D. ¿Si uno de sus hijos se casa con una persona de grupo sanguíneo “O”, es posible que uno de
sus nietos tenga grupo sanguíneo “AB”?
7. En la técnica del PCR, para que se produzca el alargamiento de las cadenas a 72ºC por 2 minutos
en un termociclador. ¿Qué elementos específicos se necesitan para que se lleve a cabo dicho
proceso? (03 puntos):
8. Con respecto a los plásmidos (02 puntos):
A. ¿Cuál es la función natural de ellos en una bacteria?
B. ¿Para que los utiliza el hombre en la técnica del PCR?
9. Con respecto a las ENZIMAS DE RESTRICCIÓN:
A. Escriba las iniciales de dos enzimas de restricción (investigadas por Ud.) y nombre científico de
las bacterias de donde provienen.
B. Cuál es la función natural que cumplen las enzimas de restricción en una bacteria.
NOTA.- En este capítulo no se mostrarán las respuestas de cada una de las interrogantes, por lo cual
usted deberá desarrollar cada una de ella apoyándose de sus conocimeintos teóricos.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y WEBGRAFÍAS
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http://www.um.es/molecula/indice.htm
o Facultad
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o Proyecto biósfera. Ministerio de Educación y Ciencia (Biología y Geología). España.
http://www.recursos.cnice.mec.es/.../recursos_galeria2.htm
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