Biotecnología moderna historia y perspectivas V Arahana

BIOTECNOLOGÍA
MODERNA: HISTORIA Y
PERSPECTIVAS
Venancio Arahana, PhD.
BIOTECNOLOGÍA MODERNA
Uso de la tecnología del ADN recombinante y
otras técnicas para aislar, manipular e inser tar
genes y genomas, en células con fines
predeterminados.
EN ESTA PRESENTACIÓN
 ADN y Flujo de información genética
 Organismos genéticamente modificados
 Clonación
 Ómicas
 Genómica
 Transcriptómica
 Proteómica
 Algunas Aplicaciones
 Biología Sintétita
 Consideraciones éticas
Fundamento: ADN
C0MPRENSIÓN DE LA MOLÉCULA
Chagraff
Watson y Crick
Rosalind Franklin
Maurice Wilkins
ADN
DESARROLLO DE LA
BIOLOGÍA MOLECULAR
UN GEN = UNA PROTEÍNA
FLUJO DE INFORMACIÓN
Jacob y Monod 1961
Transcripción
Traducción
CÓDIGO GENÉTICO
1963
Marshall Niremberg
Severo Ochoa
CÓMO FUNCIONA UNA PROTEÍNA
 Ejemplo: Enzima
MANIPULACIÓN DEL
ADN
TRANSFORMACIÓN
GENÉTICA
ENZIMAS DE RESTRICCIÓN 1961
PLÁSMIDOS, 1973
Stanley Cohen Herbert Boyer
DNA LIGASA, 1967

Gellert, Lehman, Richardson, Hurwitz
TECNOLOGÍA DE ADN RECOMBINANTE
1970’S
ORGANISMOS GENÉTICAMENTE
MODIFICADOS




Bacterias
Hongos
Plantas
Animales
MICROORGANISMOS
GENÉTICAMENTE
MODIFICADOS
BACTERIA GENÉTICAMENTE
MODIFICADA: EL CASO DE LA INSULINA
Producción de
insulina en
reactores a gran
escala
Insulina comercial
ALGUNOS EJEMPLOS DE MICROORGANISMOS
GENÉTICAMENTE MODIFICADOS
Producción de vacunas
 Vacuna para hepatitis B
 Producida en levaduras
 Primera vacuna
recombinante
comercializada en 1986
 Vacuna para papiloma
virus humano
 Protege contra cepas
del virus 6, 11, 16, 18
 Salió al mercado en
2009
PRODUCCIÓN DE COMPUESTOS A
GRAN ESCALA
 Hormona de crecimiento
humano
 Se produce en E. coli desde
1997
 Factor VIII de coagulación
 Producción en cultivo de
células de mamífero: ratón
 Propiedades idénticas al
FVIIII humano
ANIMALES
GENÉTICAMENTE
MODIFICADOS
ANIMALES GENÉTICAMENTE
MODIFICADOS
 Tracey
 Primera oveja transgénica
 Creada en 1992 en Reino
Unido
 Propiedad: Producción alfa 1-tripsina
 Salmón, tilapia y
carpa transgénicas
 Tamaño incrementado
mediante hormona de
crecimiento
Enviropig
Glofish
 Modificados para lograr una
Pez zebra modificado
mejor asimilación de fósforo en
el animal.
genéticamente
excremento tiene cantidades
Salió al mercado en el 2003  El
menores de P: manejo de ganado
más amigable con el ambiente
Propiedad: fluorescencia
mediante proteína GFP
MOSQUITOS GENÉTICAMENTE
MODIFICADOS
 Malaria: 225 millones
de casos/ año
 Dengue: 50-100
millones de casos/ año
 Mosquitos genéticamente
modificados con tecnología
RIDL: liberación de insectos
portadores de un letal
dominante
PRODUCCIÓN DE HORMONA DE
CRECIMIENTO HUMANO EN LECHE BOVINA
 2002: Nació en Argentina la
primera ternera clonada y
genéticamente modificada
para producir HCH
 Cada vaca podría generar
5kg/año de HCH
 Empresa BioSidus inició
proyecto Tambo
Farmaceútico para la
producción de leche
portadora de HCH y otras
hormonas y proteínas
humanas en el futuro.
PLANTAS
GENÉTICAMENTE
MODIFICADAS
PRINCIPALES TÉCNICAS
Agrobacterium tumefaciens
BIOBALÍSTICA
EJEMPLOS DE PLANTAS GENÉTICAMENTE
MODIFICADAS
Cultivos Bt
 Maíz, algodón, arroz,
berenjena, etc.
Cultivos RR
 Soya, maíz, arroz, canola, alfalfa,
rábano, remolacha, algodón, etc .
SOYA 305423
• Cambiar la composición de ácidos
grasos en los granos de soya, para
producir un aceite con bajo
porcentaje de ácidos grasos
saturados.
• Producto desarrollado por Pioneer
• Producto aprobado para importación
y uso en México, Corea, Canadá y
Japón
PAPA CON ALTO CONTENIDO PROTEICO
 Papa modificada con el gen AmA1
del amaranto
 Las papas obtenidas tienen un
incremento del 60% en el contenido
proteico
 La proteína AmA1 es recomendada
por la WHO por presentar un
contenido proteico balanceado y
contener 7 aminoácidos esenciales
 Investigación financiada por el
Instituto Nacional de Investigación
Molecular de Plantas en India, en el
2010
 La investigación está en una fase
inicial de desarrollo
PLANTAS MODIFICADAS
GENÉTICAMENTE CON
TOLERANCIA A LA SEQUÍA
Tolerancia a la sequía
La agricultura es una de las
principales responsables de la
desertificación.
Concepto
Producir plantas que puedan
crecer en estas zonas.
Beneficios
Ejemplo:
Papa 100294
Aumentar la producción.
Mejorar la utilización del agua:
reducir el comsumo de agua.
Sostenibilidad ambiental.
• Evento desarrollado en 1994
• Proyecto financiado por Max Planck
Institute of Molecular Plant Physiology
• Uso confinado aprobado en Alemania
PRODUCTOS CON GENES APILADOS
 Maíz Bt11xMIR162xMIR604xGA2:
SmartStax
 8 genes apilados
 Características adquiridas:
 Resistencia a lepidópteros
 Resistencia a glufonisato
 Resistencia a glifosato
 Uso de manosa como fuente de carbono
ORGANISMOS GENÉTICAMENTE
MODIFICADOS
Generan nuevos productos:
Ejemplo: en el campo médico
productos como la insulina
En el campo agrícola:
Variedades mejoradas: producción, calidad
PRODUCTOS REGULADOS
Las organismos genéticamente
modificadas podrían presentar riesgos
potenciales para el ambiente y la salud,
por lo cual estos productos tienen que
ser analizados adecuadamente y
aprobados antes de su uso.
PERCEPCIÓN PÚBLICA
 Durante los últimos años ha existido una gran campaña
de desinformación sobre organismos genéticamente
modificados, sin fundamentos y extremista.
 El consumidor requiere de información veraz y
equilibrada para poder tomar una decisión de si
consumir o no transgénicos.
 Una debilidad del consumidor en términos
generales es su nivel de educación.
 Se requiere de programas de difusión adecuados.
 No existe riesgo cero, pero con un análisis
adecuado se pueden desarrollar medidas de
control y manejo: Bioseguridad
CLONACIÓN
Ian Wilmut y Keith Campbell
1996
OVEJA DOLLY: PRIMER MAMÍFERO CLONADO
ESPECIES ANIMALES CLONADAS
Desde 1992 se han clonado 19 mamíferos:
 Ratón
 Oveja
 Macaco
 Cerdo
 Gaur
 Vaca
 Hurón
 Búfalo
 Muflón
 Gato
 Conejo
 Mula
 Venado
 Caballo
 Rata
 Camello
 Toro de lidia
 Perro
 Bucardo
CLONACIÓN
TERAPEÚTICA
…ÓMICAS…
Genómica
Transcrip
-tómica
Ómicas
Proteómica
Metabolómica
GENÓMICA
Conocer la secuencia completa de
ADN de un organismo.
1958 y 1975
PROYECTO GENOMA HUMANO
Historia:
El proyecto inició formalmente en 1990 con una predicción de
15 años de duración
Primer borrador se obtuvo en el 2000
Países participantes: Estados Unidos, Reino Unido,
Francia, Alemania, Japón, China e India.
Objetivo:
Obtener la secuencia y el mapa genético del genoma
humano "universal"
Tecnología utilizada:
Shotgun Sequencing
Datos obtenidos:
- El genoma humano se compone aproximadamente por 25 000 genes
- Entre el 1.1 y 1.4% del genoma codifica para proteínas
 Inicio del proyecto: 2008
 En el 2010 culminó la fase
piloto e inició la fase de
producción que implica la
secuenciación de 2 000
genomas
 En octubre 2012 se anunció la
secuenciación de 1092
genomas
 Objetivo 1: catalogar las
variaciones genéticas humanas
y relacionarlas con la
respuesta frente a
enfermedades
 Objetivo 2: Conseguir una
plataforma amplia de
referencia sobre el genoma
humano
SECUENCIACIÓN DEL GENOMA DEL
ARROZ
 Segundo cultivo de
mayor extensión en el
mundo (después del
maíz)
 Alimento principal del
50% de la población
mundial




Secuenciación culminó
en el 2005
32 000 genes
Tamaño genoma: 390 MB
Primer cultivo
seleccionado para
secuenciar genoma
completo
 Ecuador: producción
aproximada de 800
000TM/año
Mapa genómico del arroz, se observan los 12 cromosomas. Las regiones
cuadradas representan introgresiones de genes de otras especies a lo largo
del tiempo
PROYECTO 1000 GENOMAS VEGETALES
 Objetivo: Secuenciar el genoma de 1000 especies vegetales
 Las especies seleccionadas presentan alguna utilidad
potencial: medicina, agricultura, producción de metabolitos
secundarios, etc.
 El proyecto inición el 2008
 Continúa en ejecución, se puede acceder a los resultados en
la página web del proyecto: http://www.onekp.com
PROYECTO 1001 GENOMAS ARABIDOPSIS
 Objetivo: secuenciad 1001 líneas de
Arabidopsis thaliana
 Proyecto inició en el 2008
 Hasta noviembre 2011 se han
secuenciado 503 genomas
 La información del proyecto está
disponible en:
http://1001genomes.org/
SECUENCIACIÓN DEL GENOMA DE LA
VACA
 Ganado bovino es el más
importante a nivel
mundial
 Existen alrededor de 1.3
billones de vacas en el
mundo
 La secuenciación del
genoma tendrá un gran
impacto en cría selectiva
 Secuenciación culminó
en el 2009
 Tamaño del genoma:
3GB
 22 000 genes
 80% de genes
compartidos con el ser
humano
PROYECTO GENOME 10K
 Objetivo: Establecer un zoológico genético (genoma
de 10 000 especies de animales vertebrados)
 El proyecto inició en el 2009, desde entonces ya se
han secuenciado 120 genomas
 Página oficial del proyecto:
https://genome10k.soe.ucsc.edu/collaborators
ES LA SECUENCIA SUFICIENTE?
 Una vez dilucidada la secuencia, lo importante es
conocer el mensaje que transmite y la forma en que
es regulada
TRANSCRIPTÓMICA
 Análisis de el perfil total de
expresión de genes bajo una
condición específica
 Ejemplo: respuesta a un tipo de
estrés o tratamiento
PROTEÓMICA
 Conjunto total de proteínas que se encuentran en una célula
en un momento determinado
Interacción entre
genes+ Mecanismos
de regulación del flujo
de información
Determina el
funcionamiento
celular y de los
organismos
Clave para
comprender
procesos
biológicos
Farmacogenómica
Metagenómica
Algunas
aplicaciones
BIOLOGÍA SINTÉTICA
Vida=ADN
…
LA IDEA
Unidad de información= GEN
Vida= código de 4 letras= ADN
PROYECTO INSTITUTO CRAIG VENTER
2005: Inicia el proyecto Creación Vida
Sintética
2 grupos
trabajo
Síntesis ADN
Trasplante ADN
en organismos
huésped
IDEA GENERAL DE TRASPLANTE DEL ADN
Bacteria huésped:
Mycoplasma
capricolum
Inserción de ADN
sintético foráneo
Bacteria huésped:
Mycoplasma
capricolum
Inicio de la síntesis de
proteínas a partir del
genoma sintético
Sustitución del
cromosoma natural por
el cromosoma sintético
Multiplicación de células
sintéticas
Primera Revolución:
Segunda Revolución:
Tercera Revolución??
Agricultura
R. Industrial
Creación vida sintética
10 000 años atrás
Principios del siglo XIX
2010
FUTURAS APLICACIONES
Microorganismos
sintéticos para
elaboración de vacunas
Microorganismos
sintéticos para
biorremediación
Microorganismos sintéticos
para producción de
biocombustibles
Y PRINCIPALMENTE…
Producida en
microorganismos
sintéticos
CONSIDERACIONES
ÉTICAS
CONSIDERACIONES
ÉTICAS
 Toda tecnología en desarrollo requiere tener parámetros de
bioseguridad que aseguren que la persona a cargo del
proyecto, el ambiente inmediato y la comunidad en general no
se vean en peligro por el trabajo que se está realizando.
 ADN es información y el uso de esa información requiere el
seguimiento de parámetros éticos.
 A nivel de seres humanos el uso de la información requiere
del consentimiento informado de cada persona y a nivel de
información de recursos genéticos se requiere seguir con la
legislación pertinente en cada país .
 Al momento actual el desarrollo tecnológico en este campo
debe tener dos grades objetivos: el bienestar humano y el
bienestar de los otros seres vivos y del ambiente .
GRACIAS