Concepto bsicos sobre Ingeniera gentica La ingeniera gentica

Concepto básicos sobre Ingeniería genética La ingeniería genética puede definirse como una nueva área de investigación, nacidas de la Biología molecular, que permiten manipular artificial y deliberadamente el genoma de un ser vivo, mediante un conjunto de TÉCNICAS que reciben el nombre de tecnología del ADN recombinante. Los cambios pueden consistir en: introducir nuevos genes, eliminar alguno o modificarlos.

Aplicaciones de la ingeniería genética Medicina • Diagnóstico de enfermedades • Medicina forense • Producción de medicamentos Agricultura • Plantas resistentes • “Fábricas” de medicamentos Ganadería • Mejora del rendimiento • Obtención de órganos • Obtención de medicamentos Medio ambiente • Biorremediación • Biolixiviación

TÉCNICAS UTILIZADAS EN INGENIERIA GENÉTICA. Combinadas de forma adecuada permiten seleccionar fragmentos de ADN, modificarlos e introducirlos en otros organismos. Obtención de ADN recombinante Clonación de ADN PCR Secuenciación de ADN

Tecnología del ADN recombinante 1. Fragmentar (mediante ENZIMAS DE RESTRICCIÓN) y aislar el ADN 2. Unión a vectores. 3. Introducción en las células. 4. Clonación 5. Búsqueda del clon idóneo. 6. Análisis del ADN clonado 7. Secuenciación. 8. Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

1. - FRAGMENTAR. Enzimas de restricción 1. Endonucleasas que cortan el ADN por una secuencia (siempre la misma) corta y conocida. 2. El corte puede ser: o Liso o Escalonado (extremos cohesivos o pegajosos) Posteriormente, los fragmentos de distintos ADN cortados con la misma enzima se podrán unir mediante otro enzima, una ADN ligasa

ADN recombinante

3. - Clonación de ADN En ingeniería genética se entiende por clonación a la obtención de múltiples copias de un gen específico o de un fragmento de ADN en el interior de un organismo hospedador (VECTOR). Vectores de clonación Estos organismos VECTORES deben cumplir las siguientes características: 1. 2. 3. 4. 5. • • • Crecimiento rápido No debe ser patógeno Debe favorecer la entrada del transgén Debe ser muy bien conocido Debe ser fácilmente manipulable Son moléculas transportadoras que transfieren y replican fragmentos de ADN que llevan insertados. Debe ser capaz de replicarse junto con el fragmento de ADN que transporta. Tiene que tener secuencias de reconocimiento que permitan la inserción del fragmento de ADN a clonar. Escherichia coli

Tipos de vectores de clonación • Plásmidos • Virus bacteriófagos (Incorporan material genético mediante el proceso de transducción) • Otros

Reacción en cadena de la polimerasa (PCR) Es una técnica que permite duplicar un número ilimitado de veces un fragmento de ADN en un tubo de ensayo. Mediante esta técnica pueden generarse millones de moléculas idénticas, a partir de una molécula de ADN y además en muy poco tiempo. La reacción es un proceso cíclico: 1. La molécula de ADN que va a copiarse se calienta para que se desnaturalice y se separe las dos hebras. 2. Cada una de las hebras es copiada por la ADNpolimerasa. (Se utiliza la ADN-polimerasa de una bacteria que vive en aguas termales, Thermus aquaticus, así la enzima puede trabajar a altas temperaturas). 3. Las cadenas recién formadas son separadas de nuevo por el calor y comienza otro nuevo ciclo de copias.

Aplicaciones de la PCR Amplificación de: • ADN antiguos (mamuts, momias, fósiles… • ADN obtenidos de la escena de un crimen (medicina forense). • ADN de células embrionarias (diagnostico prenatal de trastornos genéticos) • ADN de genes virales (en células infectadas por virus difíciles de detectar, como el VIH) Animación de la PCR: http: //www. maxanim. com/genetics/PCR/pcr. swf

Formación de ADN complementario por hibridación • Tenemos dos tipos distintos de ADN • Se separan las cadenas de ADN (desnaturalización). • Se devuelven las condiciones adecuadas y se produce la renaturalización. • Se pueden obtener moléculas híbridas de los dos tipos de ADN • El porcentaje de hibridación está relacionado con el parentesco evolutivo • Estas técnicas permiten localizar enfermedades genéticas

Síntesis de ADNc usando ARNm como molde Se utiliza el enzima transcriptasa inversa para sintetizar un ADNc partiendo de un ARNm maduro (sin intrones) para que pueda ser utilizado luego en bacterias (los procariotas no realizan un proceso postranscripcional de eliminación de intrones 1. Una célula eucariota transcribe el ADN a ARNm. 2. La misma célula procesa la nueva cadena de ARNm eliminando los intrones, y añadiendo una cola poli-A y un terminal GTP. 3. Esta cadena de ARNm maduro se extrae de la célula. 4. Se hibrida un oligoncleótido poli-T sobre la cola poli-A del molde de ARNm maduro, ya que la retrotranscriptasa necesita un cebador de doble cadena para comenzar a trabajar. 5. Se añade la retrotranscriptasa, junto con las bases A, T, C y G. 6. La retrotranscriptasa va recorriendo la cadena de ARNm y sintetizando la cadena de ADN complementaria del molde de ARNm (ADNc). 7. Se sintetiza la doble cadena

Nuevas disciplinas surgidas de la ingeniería genética Genómica • Estudio genoma • Estructural • Funcional Proteómica • Estudio de las proteínas de un organismo Farmacogenética • Fabricación de medicamentos personalizados

Genómica objetivo El estudio de la genómica es el conocimiento del genoma completo PROYECTO GENOMA y de las interacciones entre los genes que lo forman. Identificación de genes codificadores de proteínas Genes que interactúan entre sí Comparación de genomas de distintas especies

http: //www. bio. davidson. edu/courses/genomi cs/chip. html http: //learn. genetics. utah. edu/content/labs/m icroarray/ Animación secuenciación genoma humano http: //www. pbs. org/wgbh/nova/genome/sequencer. html#

Proteoma Conjunto de proteínas de una célula, tejido o genoma completo PROTEÓMICA Proteómica Estudios sistemáticos de las proteínas codificadas por el genoma de un organismo. El conjunto de proteínas supera con mucho al de los genes. Su importancia radica en que son ellas que desempeñan las actividades celulares

Ingeniería genética y medicina Obtención de productos farmacéuticos Medicina forense Diagnostico de enfermedades Terapia génica Insulina Huella genética Clonación de genes Ex vivo Hormona de crecimiento Marcadores genéticos Identificación en el enfermo In vivo Identificación en portadores In situ Factor VIII de coagulación

Obtención de productos farmacéuticos Insulina Hormona de crecimiento Factor VIII de coagulación 1. Secuencia de la proteína (insulina) 2. Síntesis de los ADN 3. Obtención de plásmidos recombinantes con los genes para formar las dos cadenas de la insulina. 4. Expresión en E. coli 5. Purificación y procesado químico 6. Obtención de insulina activa

Medicina forense Huella genética Marcadores genéticos 1. Los seres humanos difieren en un 0. 1% del genoma. 2. Estas diferencias están localizadas en regiones cromosómicas concretas. 3. Estas zonas se usan como marcadores genéticos 4. Con la identificación de los marcadores se hace la huella genética (método de Southern blot) 5. La comparación de huellas genéticas permite resolver casos policiales.

Ingeniería genética y medicina La terapia génica consiste en la inserción de genes funcionales ausentes en el genoma de un individuo. Se realiza en las células y tejidos con el objetivo de tratar una enfermedad o realizar un marcaje. La técnica todavía está en desarrollo, motivo por el cual su aplicación se lleva principalmente a cabo dentro de ensayos clínicos controlados, y para el tratamiento de enfermedades severas o bien de tipo hereditario o adquirido. Terapia génica Ex vivo In vivo

Ingeniería genética y agricultura Obtención de plantas transgénicas Resistencia a herbicidas Mejora del producto Se introduce un gen de E. coli que permite usar mayores concentraciones de herbicidas sin dañar a la planta de interés, y eliminando malas hierbas. Se mejora el valor nutricional del producto, por ejemplo añadiendo betacaroteno al arroz Plantas farmacéuticas Las plantas producen sustancias medicinales, vacunas o anticuerpos (planticuerpos).

Ingeniería genética y medio ambiente Biorremediación Bioadsorción Biolixiviación Uso de bacterias modificadas para degradar materia orgánica (petróleo) Fijación de metales pesados a la superficie de la célula para limpieza de suelos Obtención de metales a partir de minerales de baja ley

Ingeniería genética y ganadería MEJORA DE RAZAS PRODUCCIÓN DE MEDICAMENTOS Obtener razas mas resistentes, mas productivas, con mayor desarrollo, resistentes a condiciones más difíciles Se usan animales transgénicos. Se pueden obtener sustancias de interés como proteínas humanas para combatir enfermedades: Enfisema hereditario Factores de coagulación ESTUDIO DE ENFERMEDADES HUMANAS Se estudia la expresión de genes humanos en organismos transgénicos

BIOTECNOLOGÍA Concepto: La biotecnología es el conjunto de procesos industriales que se sirve de microorganismos o de células procedentes de animales o vegetales para obtener determinados productos comerciales o para realizar importantes transformaciones químicas. * La biotecnología se ocupa, entre otros, de procesos tan diferentes como la clonación, la terapia génica, la inseminación in vitro, la obtención de bebidas alcohólicas, etc. * Aunque el término es moderno, reúne técnicas y métodos conocidos desde la antigüedad. Por ejemplo, la fabricación del pan, que ya realizaban los antiguos egipcios, la mejora de las razas de animales y la obtención de plantas con mayor producción de frutos. * El término biotecnología se comenzó a usar a finales de los años setenta, tras la aparición de la ingeniería genética, que se basa en la manipulación del material genético de las células. • En la actualidad, con la expansión de la biotecnología y los métodos de manipulación genética, los microorganismos han sido modificados para fabricar productos útiles que los microorganismos no producen de manera natural. 27

BIOTECNOLOGÍAS APLICADAS A LA MEJORA DEL MEDIO AMBIENTE: Diversas técnicas biotecnológicas permiten resolver, de diferentes y novedosas maneras, el problema de la contaminación ambiental. Se pueden utilizar diversos microorganismos para afrontar problemas de tratamiento y control de la contaminación química de distintos ecosistemas. La ingeniería genética permite combinar las características de estos microorganismos para aumentar su eficacia o generar microbios recombinantes con nuevas características. Aunque muchos microorganismos diferentes juegan un papel esencial en los equilibrios ambientales, la mayoría de las aplicaciones biotecnológicas actuales se realizan con ciertos tipos de bacterias. Algunas de las aplicaciones de la biotecnología a la mejora del medio ambiente son las siguientes: - Eliminación de metales pesados. - Eliminación de mareas negras. - Obtención de energía no contaminante. - Tratamiento de residuos urbanos e industriales. - Tratamiento de diferentes tipos de contaminación asociados a la industria del petróleo. - Tratamiento de la contaminación producida por herbicidas, pesticidas e insecticidas. - Depuración de aguas residuales. 28

Tratamiento de residuos En la obtención de compost los microorganismos tienen un papel de gran importancia al metabolizar la materia orgánica, liberando así nutrientes que será utilizados por las plantas. Fig. 1 Vertedero urbano. 29

Depuración de aguas Los microorganismos contribuyen también a la regeneración de las aguas de uso urbano en las depuradoras. Agencia Catalana del 30

Tratamiento de metales pesados El 25 de Abril de 1998 se produce la rotura de la presa de contención de la balsa de decantación de la mina de pirita (Fe. S 2) en Aznalcóllar (Sevilla). Como resultado aparece un importante vertido de agua ácida y de lodos muy tóxicos, conteniendo altas concentraciones de metales pesados, de gravísimas consecuencias para la región. Algunos tipos de microorganismo pueden eliminar los metales pesados de las aguas y suelos contaminados concentrándolos en su interior. Fuente: http: //edafologia. ugr. es/donana/aznal. htm 31

Tratamiento de aguas contaminadas por mareas negras Ciertos microorganismos son capaces de metabolizar los hidrocarburos del petróleo y con ello contribuyen a mitigar los efectos de las mareas negras. Fig. 1 El hundimiento del petrolero Prestige (2002) produjo una gran marea negra en las costas del norte de España. Fig. 2 Marea negra en Alaska 32

Grandes mareas negras ocurridas en el mundo 33

BIOTECNOLOGÍAS APLICADAS A LA MEJORA DE LA SALUD: La biotecnología tiene en la salud humana, entre otros, los siguientes campos de aplicación: - Prevención de enfermedades hereditarias. -Terapia génica. La terapia génica consiste en la inserción de genes funcionales ausentes en el genoma de un individuo. Se realiza en las células y tejidos con el objetivo de tratar una enfermedad o realizar un marcaje. La técnica todavía está en desarrollo, motivo por el cual su aplicación se lleva principalmente a cabo dentro de ensayos clínicos controlados, y para el tratamiento de enfermedades severas o bien de tipo hereditario o adquirido. - Producción de vacunas. - Obtención de anticuerpos monoclonales e interferones. - Producción de hormonas (por ejemplo insulina y hormona del crecimiento). - Producción de antibióticos y otros productos farmacéuticos. 34

Técnica de clonación (recordatorio) A Tomar una célula somática del animal a clonar Extraer el núcleo B Tomar un óvulo no fecundad o Implantar el óvulo activado en el útero de otra oveja Eliminar el núcleo http: //www. xtec. es/~lvallmaj/palau/bioeti 22. htm C Introducir el núcleo en el óvulo y activarlo D Dolly, clon de A 35

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http: //www. xtec. es/~lvallmaj/palau/bioeti 22. htm 38

La Biotecnología 39

BIOTECNOLOGÍAS DE LOS ALIMENTOS El hombre desde la antigüedad ha obtenido productos alimenticios con la intervención de los microorganismos, a pesar de desconocer su existencia. Hoy día gracias al conocimiento de sus características y metabolismo, son explotados industrialmente en la fabricación de numerosos alimentos y bebidas. Por ejemplo: a) Pan b) Yogur. c) Queso. d) Mantequilla. e) Vinagre. f) Vino. g) Cerveza. h) Embutidos. i) Encurtidos. j) Producción de proteínas para piensos de animales domésticos. k) Síntesis de vitaminas que se añaden a los alimentos o en compuestos farmacéuticos. (Por ejemplo la vitamina B 12 es producida industrialmente a partir de bacterias y la riboflavina es producida por diversos microorganismos como bacterias y hongos). l) Síntesis de aminoácidos que se utilizan como aditivos alimentarios. (Ejemplos de aminoácidos producidos por fermentación microbiana son el ácido glutámico, la lisina, la glicina, la metionina y la alanina). 40