biotecnología aplicada a los alimentos
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BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LOS ALIMENTOS Guía del Curso Programa de Formación en el Área de Salud Experto Universitario 2008 1 OBJETIVOS DEL CURSO Este curso se plantea como una introducción a la Biotecnología y a sus aplicaciones específicas en el campo de la alimentación humana. El objetivo es dar a conocer las bases científicas de la Biotecnología y presentar el abanico de posibilidades que en el campo de la producción de alimentos se han abierto con la aplicación de las técnicas de la Ingeniería Genética. Se analizará el papel de los genes en los seres vivos y las técnicas y las estrategias para modificar los genes de los organismos que se utilizan, bien como alimentos o bien para procesar alimentos, con el fin de hacerlos más adecuados a nuestras necesidades y obtener un mayor beneficio de los mismos. Se describirán las diversas aplicaciones de la Biotecnología en los campos de los alimentos fermentados, de los alimentos de origen vegetal y de la ganadería, así como las nuevas técnicas de análisis de alimentos y detección de fraudes alimentarios. Se discutirán los beneficios y los posibles riesgos para la salud humana y el medio ambiente de la nueva Biotecnología y de los alimentos genéticamente modificados obtenidos por medio de las técnicas de la Ingeniería Genética. Los contenidos del curso se han estructurado en 12 temas: Tema 1. Biotecnología Tema 2. Alimentos y Biotecnología. Tema 3. DNA, genes y genomas. Tema 4. Genes y proteínas. Tema 5. Ingeniería genética. Tema 6. Microorganismos y alimentos fermentados. Tema 7. Microorganismos Genéticamente Modificados. Su aplicación en los alimentos y sus potenciales efectos sobre la salud y nutrición del hombre. Tema 8. Plantas transgénicas. Tema 9. Animales transgénicos. Tema10. Técnicas moleculares aplicadas al análisis de alimentos y detección de fraudes alimentarios Tema 11. Alimentos transgénicos y la seguridad para la salud. Tema 12. Alimentos transgénicos y la seguridad ambiental. MATERIALES DIDÁCTICOS LIBRO DE TEXTO G. Morcillo, E. Cortés, J. L. García. BIOTECNOLOGÍA Y ALIMENTACIÓN. Cuadernos de la UNED. UNED-ediciones. 2005. Ref: 35265CU01A01 Se puede adquirir en las Librerías de la UNED. Librería Central: Teléfono: 91 398 74 58/ 913987560 ; e-mail: librerí[email protected] 2 Venta on-line: https://serviweb.uned.es/publicaciones/compras/publico.asp ANEXOS Diversos documentos relacionados con el temario del curso serán enviados a los alumnos progresivamente a lo largo del curso y constituyen materiales de ampliación de los contenidos del programa. DURACIÓN El curso tendrá una duración de 6 meses, de Enero a Junio. EQUIPO DOCENTE Dra Gloria Morcillo. Profesora Titular de Universidad. Área de Biología Celular. Departamento de Física Matemática y de Fluidos. Grupo de Biología y Toxicología Ambiental. Facultad de Ciencias. UNED. Doctora Vinculada al Centro de Investigaciones Biológicas del CSIC. Dra Estrella Cortés. Profesora Titular de Universidad. Área de Bioquímica y Biología Molecular. Departamento de Física Matemática y de Fluidos. Grupo de Biología y Toxicología Ambiental. Facultad de Ciencias. UNED. TUTORÍAS Las consultas al profesorado se podrán realizar personalmente, por teléfono y por correo electrónico. Horario de guardias: Lunes de 10:00 a 13:30 / Jueves de 16:00 a 19:30 (excepto festivos y periodos de exámenes de la UNED) Dra Estrella Cortés Rubio Despacho 231. Facultad de Ciencias, UNED. Teléfono: 91 3988123 Correo electrónico: [email protected] Dra Gloria Morcillo Ortega Despacho 228. Facultad de Ciencias, UNED. Teléfono: 91 3987328 Correo electrónico: [email protected] Dirección Postal: Estrella Cortés ó Gloria Morcillo Universidad Nacional de Educación a Distancia Facultad de Ciencias Paseo Senda del Rey 9. 28040 Madrid. España 3 Para consultas administrativas relacionadas con tasas, matrícula y diplomas, dirigirse a: Fundación General de la UNED c/ Francisco de Rojas 2, 2º dcha. 28010 Madrid. Tels: 91 3867275 / 91 3861592 http://www.fundacion.uned.es CRITERIOS DE EVALUACIÓN La evaluación del curso se realizará mediante dos pruebas que será necesario superar para recibir el diploma acreditativo. La primera consistirá en responder a dos cuestionarios de preguntas de tipo test, sobre los contenidos del programa y sobre los contenidos de los materiales adicionales que se le enviarán a lo largo del curso, que nos permitirá evaluar el nivel de comprensión de los conocimientos adquiridos tras el estudio de los temas del texto básico y los materiales de ampliación que se envían como anexos. Cada cuestionario se enviará a su domicilio, deberá ser contestado y devuelto para su corrección por las profesoras. Está previsto el envío de dos cuestionarios de evaluación a lo largo del curso. La segunda prueba consiste en la elaboración de un trabajo personal sobre algún tema relacionado con el programa del curso. El contenido del trabajo es de libre elección; puede tratarse de un tema general, equivalente a alguno de los capítulos del programa pero con una elaboración personal diferente a la que se presenta el libro de texto, o bien puede sobre algún aspecto más concreto relacionado con el temario. El trabajo deberá estar estructurado en distintos apartados, puede estar ilustrado con esquemas o figuras que ayuden a su comprensión y deberá incluir la bibliografía consultada para su elaboración. El trabajo se debe presentar mecanografiado (ordenador o máquina de escribir) y la extensión mínima debe ser de 10 páginas, sin límite para la máxima. Fecha de entrega: el trabajo deberá ser enviado a las profesoras del curso por correo postal o por e-mail (como archivo adjunto en formato word o pdf) antes del 15 de junio. Para tener una información actualizada de la marcha del curso puede consultar la página web: http://www.uned.es/experto-biotecnologia-alimentos/ Aquí encontrará, además de información general, los documentos, enlaces de interés relacionados con Biotecnología de los Alimentos, bibliografía, noticias, videoclases, presentaciones en PowerPoint, etc. 4 CONTENIDOS TEMA 1. BIOTECNOLOGÍA Lo primero que debemos plantearnos, antes de adentrarnos en las aplicaciones de la Biotecnología en el campo de la alimentación, es definir qué entendemos por Biotecnología. Es necesario conocer en qué consiste y qué la distingue de otras tecnologías. Para ello, en este tema se hará un breve recorrido por su historia y se analizará, con algo más de detalle, su desarrollo reciente con la aplicación de las nuevas técnicas de Genética Molecular. También se esbozarán sus diferentes campos de aplicación, además del campo de la alimentación. Estos son los objetivos de este tema. Es asimismo importante definir con precisión los distintos términos que se utilizan en el difícil y a menudo confuso lenguaje de la Biotecnología, ya que es frecuente la confusión entre términos relacionados que a veces se tratan como sinónimos de forma incorrecta, como son biotecnología, ingeniería genética, organismos modificados genéticamente, transgénicos, clónicos, etc. Se trata de una primera introducción, muchos de estos conceptos se explicarán con más detalle en los siguientes capítulos. Los objetivos específicos de este tema que debe conocer una vez finalizada su lectura y estudio son los siguientes: - Definir la Biotecnología - Conocer los orígenes y la historia de la Biotecnología - Distinguir entre Biotecnología tradicional y la nueva Biotecnología - Conocer los fundamentos de la Ingeniería Genética - Distinguir entre mejora genética, basada en selección artificial y mutagénesis, y modificación genética provocada por ingeniería genética - Distinguir entre organismos modificados genéticamente (GM) y organismos transgénicos - Conocer los diferentes campos de aplicación de la Biotecnología, y sus implicaciones económicas y sociales - Identificar a los protagonistas biológicos de esta tecnología - Conocer las características de las bacterias y la estructura peculiar de sus células procariotas - Conocer las características específicas de los hongos - Conocer algún ejemplo concreto de procesos biotecnológicos en los que intervienen bacterias y hongos - Discutir las perspectivas de futuro de la Biotecnología Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 5 1.1 ¿Qué es la Biotecnología? 1.2 Una larga historia para una tecnología de moda 1.3 La revolución Biotecnológica del siglo XX 1.4 La Ingeniería Genética: nuevas herramientas para la Biotecnología 1.5 Biotecnología tradicional y Biotecnología actual 1.6 Organismos modificados genéticamente OGMs 1.7 Campos de aplicación de la nueva Biotecnología 1.8 Repercusiones económicas de la Biotecnología 1.9 Los protagonistas de la Biotecnología Las bacterias Los hongos 1.10 El futuro de la Biotecnología TEMA 2. ALIMENTOS Y BIOTECNOLOGÍA La tecnología ha sido aplicada por los seres humanos para satisfacer un sinfín de necesidades y deseos diversos, desde la construcción de viviendas, la obtención de alimentos, la producción de vestidos, el transporte, la transmisión de mensajes, a la obtención de diversiones triviales. La alimentación es la más fundamental de todas las necesidades humanas y, lógicamente, ha estado fuertemente influida por el desarrollo de la tecnología. Las técnicas más simples y primitivas, como las prácticas agrícolas tradicionales, se basaban en un conocimiento meramente empírico de la naturaleza, las actuales más complejas y sofisticadas se basan en un profundo conocimiento científico de los seres vivos. La actual Biotecnología molecular de los alimentos utiliza las nuevas oportunidades ofrecidas por el desarrollo de la ingeniería genética para investigar en nuevos procesos de elaboración de productos alimentarios más eficientes y seguros y en nuevos alimentos con mejores cualidades tanto para el consumidor como para el productor. Los objetivos específicos de este tema son: - Distinguir las etapas fundamentales en la historia de la alimentación humana y los hitos fundamentales que han marcado su evolución - Conocer la estrecha relación entre biotecnología y alimentación, y la enorme importancia que ha tenido la biotecnología, desde los procesos más simples y primitivos a los más sofisticados que se emplean en la actualidad, para la obtención de alimentos - Diferenciar entre los conceptos de alimentación y nutrición - Conocer los nutrientes y diferenciar las distintas clases de nutrientes - Entender el significado y la importancia del proceso de digestión de los alimentos 6 - Conocer los distintos tipos de alimentos y las diferentes formas de clasificarlos - Entender el significado de dieta y los requerimientos nutricionales y energéticos en función de la tasa metabólica - Diferenciar los distintos métodos, físicos, químicos y biológicos, que se emplean para la conservación de los alimentos, y reconocer la importancia de cada uno de ellos - Establecer la estrecha relación entre alimentación y salud, y conocer las enfermedades relacionadas directamente con la alimentación - Analizar los problemas relacionados con la alimentación de la población mundial - Relacionar los avances actuales en los procesos biotecnológicos con la obtención de nuevos alimentos y alimentos modificados genéticamente Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 2.1 La disponibilidad de alimentos 2.2 Historia de la alimentación Primeros alimentos Inicio de la agricultura La revolución verde La nueva revolución: cultivos modificados genéticamente 2.3 Alimentos y Biotecnología 2.4 Alimentación y nutrición 2.5 Nutrientes Hidratos de carbono. Grasas. Proteínas Vitaminas Minerales 2.6 Digestión de los alimentos 2.7 Comemos genes cuando ingerimos alimentos 2.8 Tipos de alimentos 2.9 Dieta y requerimientos nutricionales 2.10 Conservación de los alimentos Métodos físicos Métodos químicos Aditivos Métodos biológicos 2.11 Alimentación y salud Enfermedades relacionadas con la alimentación Sobrealimentación Malnutrición Deficiencia calórica 7 Desequilibrio nutricional Enfermedades de origen alimentario Infecciones alimentarias Intoxicaciones alimentarias 2.12 Problemas de la alimentación mundial 2.13 Nuevos alimentos y alimentos modificados genéticamente La tecnología enzimática y biocatálisis Alimentos modificados genéticamente Técnicas para la detección de contaminantes y fraude alimentario TEMA 3. DNA, GENES Y GENOMAS Para poder comprender los avances de la nueva Biotecnología molecular es fundamental tener una idea muy clara de lo que es un gen. Las prácticas y aplicaciones de esta nueva época de la Biotecnología han sufrido una profunda revolución con la utilización de las técnicas de la Ingeniería Genética, ya que éstas permiten la manipulación in vitro controlada y dirigida del material genético de los organismos que van a ser los protagonistas de los procesos biotecnológicos. Comenzaremos analizando en este tema qué entendemos por información genética, y qué es lo que sabemos hoy día acerca del significado, la estructura molecular y la organización de los genes y los genomas. Los objetivos específicos de este tema son: - Comprender el significado del material genético de los seres vivos - Conocer qué es un gen, su significado funcional, y la evolución del concepto de gen a lo largo del siglo XX - Entender la estructura química de la molécula de DNA - Analizar y comprender el lenguaje de la información genética - Conocer el mecanismo de la replicación del DNA y su importancia biológica - Entender el concepto de mutación y su significado biológico - Conocer la organización del material genético en el interior de las células - Entender el concepto de genoma y reconocer la importancia del análisis molecular de los genomas Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 8 3.1 ¿Qué es el material genético? 3.2 ¿Qué es un gen? 3.3 Estructura del DNA. La doble hélice 3.4 El lenguaje de los genes 3.5 El DNA se autorreplica 3.6 Los errores en el DNA: las mutaciones 3.7 DNA y genes 3.8 Genes y cromosomas 3.9 Genes y genomas TEMA 4. GENES Y PROTEÍNAS En este tema vamos a profundizar algo más en el estudio del gen para conocer los procesos mediante los cuales se expresa la información genética. El objetivo es entender cómo funcionan los genes. El DNA tiene la información para hacer todas las proteínas de la célula. Las proteínas son la materia prima de la vida. Las partes de las células que no están hechas de proteínas están hechas por proteínas. Muchas de éstas proteínas funcionan como enzimas controlando las reacciones químicas que tienen lugar en la célula, por tanto, todos los procesos celulares dependen, en última instancia, de la información codificada en los genes. Los objetivos específicos de este tema son: - Entender cómo la información contenida en los genes se materializa en las proteínas y éstas son responsables de las características y las funciones de las células, y, por tanto, de los organismos - Conocer la estructura química de las proteínas, su importancia en la vida de las células y la diversidad de funciones que desempeñan estas moléculas - Conocer la existencia del RNA, una molécula intermediaria - Conocer la estructura del RNA, los distintos tipos de RNAs y sus diferentes funciones en las células - Entender el concepto de código genético, su funcionamiento y su significado biológico - Conocer las etapas fundamentales del proceso de síntesis de proteínas - Entender el significado biológico de las mutaciones y sus consecuencias en la síntesis de proteínas - Entender la importancia de la regulación de la expresión de los genes y los mecanismos implicados 9 - Conocer la arquitectura molecular de los genes y las diferencias entre la organización de los genes en las células procariotas y eucariotas Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 4.1 La información genética se materializa en las proteínas 4.2 Las proteínas 4.3 Del gen a la proteína 4.4 Un intermediario: el RNA 4.5 Un diccionario molecular: el código genético 4.6 Síntesis de proteínas: traducción 4.7 Cambios en los genes: mutaciones 4.8 Consecuencias de las mutaciones 4.9 Regulación de los genes: activación y represión 4.10 Arquitectura de un gen TEMA 5. INGENIERÍA GENÉTICA La biología en estos últimos cincuenta años ha dado un paso de gigante en el conocimiento de los genes y de su funcionamiento. Esta explosión de nuevos conocimientos y el ritmo vertiginoso al cual avanzan sus aplicaciones ha sido posible gracias a la tecnología del DNA recombinante, llamada también Ingeniería Genética. Como venimos diciendo, la Ingeniería Genética también ha tenido importantes aplicaciones prácticas en el campo de la Biotecnología. Trataremos de esbozar sus principios para poder entender las importantes y revolucionarias consecuencias de esta nueva tecnología. Las herramientas de la ingeniería genética que consisten, fundamentalmente, en una serie de enzimas para cortar el DNA, unos vectores para transportar genes y unas cuantas técnicas para caracterizar el DNA, permiten la manipulación del material genético y la creación de nuevas combinaciones de genes procedentes incluso de especies diferentes. Los objetivos específicos de este tema son: - Definir la Ingeniería Genética o la tecnología del DNA recombinante y conocer sus fundamentos - Entender el significado de la clonación de genes y su utilidad - Conocer las diversas aplicaciones de la ingeniería genética - Explicar las diversas herramientas de la ingeniería genética 10 - Describir la utilidad de las enzimas de restricción, su descubrimiento, los tipos, y su importancia para aislar genes - Identificar otros tipos de enzimas de enorme importancia para trabajar con genes - Conocer el papel de los vectores para transportar genes al interior de las células - Describir distintos tipos de vectores y sus características - Entender las estrategias que se utilizan para introducir genes en las células - Conocer los diferentes tipos de células hospedadoras de genes foráneos - Reconocer las características y las peculiaridades de los distintos tipos de células hospedadoras de genes - Conocer las distintas técnicas que se utilizan en el laboratorio para aislar, identificar y manipular los genes: - Los fundamentos de la electroforesis - Los fundamentos de la hibridación con sondas para identificar y aislar genes - Los fundamentos de las técnicas de secuenciación de genes - Los fundamentos, la importancia y las aplicaciones de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) - La tecnología de los Biochips y sus aplicaciones, también conocidos como microarrays Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 5.1. La ingeniería genética 5.2 Algunas aplicaciones de la ingeniería genética 5.3 Las herramientas y las técnicas para manipular los genes 5.4 Enzimas de restricción 5.5 Otras enzimas 5.6 Vectores Plásmidos Virus bacteriófagos Cósmidos Otros vectores 5.7 Introducción de genes en células hospedadoras 5.8 Células hospedadoras Las bacterias Las levaduras Levaduras más utilizadas en ingeniería genética Procesos de transformación Vectores específicos de levaduras Células vegetales y animales 5.9 Técnicas para trabajar con genes 11 5.10 Electroforesis 5.11 Hibridación con sondas 5.12 Secuenciación del DNA 5.13 Reacción en cadena de la polimerasa (PCR) 5.14 Biochips TEMA 6. MICROORGANISMOS Y ALIMENTOS FERMENTADOS Uno de los campos más importantes de la Biotecnología de alimentos es la producción de alimentos fermentados. La fermentación de los alimentos producida por microorganismos, fundamentalmente bacterias y levaduras, ha sido utilizada por la humanidad desde hace miles de años como una importante forma de conservación y de obtener nuevos olores y sabores más agradables para los alimentos. En este tema se analizarán los distintos tipos de fermentaciones y algunos ejemplos de los alimentos y bebidas obtenidas por fermentación. Las aplicaciones de la ingeniería genética en la mejora de los procesos de fermentación de alimentos, inciden tanto en la en la obtención de las enzimas utilizadas en estos procesos a partir de microorganismos modificados genéticamente como en la modificación genética de los propios microorganismos que participan directamente y son responsables de las fermentaciones. Los objetivos específicos de este tema son: - Reconocer la importancia y la diversidad de alimentos fermentados - Reconocer el papel de los microorganismos en la producción de alimentos fermentados - Identificar la producción de alimentos fermentados como un proceso biotecnológico, y reconocer su utilización por la humanidad mucho antes de que fuera bautizado con este nombre y de que se conocieran sus fundamentos biológicos - Conocer los distintos tipos de alimentos y bebidas fermentadas - Identificar los microorganismos y los procesos metabólicos implicados en cada uno de ellos - Conocer las investigaciones actuales y la mejora de los microorganismos y de los procedimientos de fabricación como consecuencia de la aplicación de la ingeniería genética - La producción de pan - La producción de vinos y cavas - La producción de cerveza - La producción de bebidas alcohólicas destiladas - Los productos lácteos - Las fermentaciones de productos cárnicos 12 - Las fermentaciones de productos vegetales - Reconocer la importancia de los microorganismos como fuentes para la obtención de enzimas - Conocer la utilización de los microorganismos como alimentos Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 6.1 Microbiología de los alimentos fermentados 6.2 Producción de pan 6.3 Mejora de la levadura panadera por ingeniería genética 6.4 Producción de vinos y cavas 6.5 Levaduras vínicas transgénicas 6.6 La producción de cerveza 6.7 Levaduras cerveceras modificadas genéticamente 6.8 Producción de bebidas alcohólicas destiladas 6.9 Productos lácteos El yogur y las leches fermentadas Los quesos 6.10 Biotecnología de las bacterias lácticas 6.11 Fermentaciones cárnicas 6.12 Fermentación de vegetales 6.13 Los microorganismos como productores de enzimas 6.14 Los microorganismos como alimento TEMA 7 MICROORGANISMOS GENÉTICAMENTE MODIFICADOS. Su aplicación en los alimentos y sus potenciales efectos sobre la salud y nutrición del hombre En los alimentos fermentados los microorganismos pueden permanecer en el propio alimento pero pueden estar muertos, inactivados o viables. Cuando se usan microorganismos genéticamente modificados (MGM) estas alternativas pueden tener distintas implicaciones desde el punto de vista de la seguridad. Debido a la plasticidad de los genomas microbianos y los mecanismos de intercambio genético que pueden ocurrir, la contaminación genética es un tema que debe ser debidamente controlado y estudiado. En este capítulo nos referiremos al empleo e impacto de los MGM sobre la nutrición humana teniendo en cuenta sus numerosos usos actuales y potenciales en un futuro. Los objetivos específicos de este tema son: 13 - Explicar las posibles interacciones de los MGM de los alimentos con la microflora humana endógena. - Conocer las dificultades en el estudio de las interacciones de los microorganismos entre sí dada la multitud de genes implicados. - Recordar los mecanismos de trasferencia génica entre microorganismos: conjugación transducción, transformación. - Describir los distintos criterios que hay que tener en cuenta a la hora de evaluar la seguridad de los MGM en los alimentos en función del uso de los mismos y de la viabilidad del microorganismo empleado. - Conocer las ventajas y posibles riesgos que podría tener para la salud humana el uso de los MGM. Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 7.1 Aplicación de la tecnología transgénica a los microorganismos empleados en la alimentación. Cultivos iniciadores bacterianos Levaduras y hongos filamentosos 7.2 Microorganismos genéticamente modificados viables en los alimentos 7.3 Enzimas alimentarias de origen microbiano producidas por MGM 7.4 Otros componentes de los alimentos producidos por MGM Aromas Aditivos alimentarios Ácidos orgánicos 7.5 Consecuencias e impacto del uso de los MGMs en alimentos Interacciones con la microflora humana Transferencia génica entre microorganismos asociados al intestino y asociados a los alimentos El caso concreto del triptófano 7.6 Aspectos reguladores Métodos de evaluación de la seguridad de los MGMs de alimentos MGMs viables en los alimentos Contención genética Enzimas de alimentos Sabores, aditivos y otros ingredientes de los alimentos 7.7 Lagunas en el conocimiento de los microorganismos Alimentos fermentados Las interacciones con la microflora del anfitrión 7.8 Conclusiones 14 TEMA 8. LA BIOTECNOLOGÍA EN LA AGRICULTURA. PLANTAS TRANGÉNICAS Como ya se ha comentado en los temas anteriores, los vegetales constituyen el componente nutricional más importante para la humanidad y son la fuente de multitud de materias primas de gran utilidad. Por este motivo la investigación en el campo de la ingeniería genética de plantas ha adquirido una gran relevancia. Esto, unido a la menor dificultad que presenta la modificación genética de las plantas con respecto a los animales, ha hecho que en tan solo dos décadas se haya avanzado de una forma espectacular en este campo. Hoy día, se cultivan una gran variedad de especies vegetales de interés agrícola y comercial modificadas genéticamente (plantas GM llamadas también plantas transgénicas) y la extensión de estos cultivos en el mundo crece de forma exponencial. Actualmente se encuentran en el mercado una gran variedad de productos alimentarios procedentes de estos cultivos. En este tema se analiza en primer lugar la importancia de las plantas agrícolas para la alimentación, se hace una breve introducción a las plantas vasculares y su clasificación, y se trata de resaltar la profunda modificación genética que han supuesto las prácticas agrícolas para las especies vegetales cultivadas por la humanidad durante milenios. Se realiza un breve repaso histórico de los cambios revolucionarios para la agricultura que han tenido lugar a lo largo del siglo XX. Se plantean las estrategias generales que se siguen para la modificación genética de las plantas con las nuevas técnicas de la ingeniería genética. Se analizan con algo más de detalle las técnicas específicas que se utilizan, así como los problemas concretos que se plantean a la hora de lograr la modificación genética de plantas. Se presentan, someramente, las diversas aplicaciones que las plantas GM pueden proporcionar, y se analizan con algo más de detalle algunos ejemplos de plantas modificadas genéticamente relacionadas con el campo de la alimentación. Objetivos específicos Después de estudiar este tema deberá ser capaz de: - Reconocer el papel que las plantas desempeñan para el resto de los seres vivos del planeta, y su importancia para la humanidad como base de la alimentación y fuente de multitud de materias primas. - Diferenciar los principales grupos de plantas y sus características - Explicar los cambios genéticos provocados por la domesticación de determinadas plantas como consecuencia de las prácticas agrícolas realizadas durante milenios, y las principales diferencias que existen entre los métodos clásicos de mejora y las técnicas de ingeniería genética 15 - Mencionar los cambios fundamentales que han tenido lugar a lo largo del siglo XX y su incidencia en la agricultura y en la alimentación. - Explicar las diferentes estrategias que se pueden plantear para la modificación genética de las plantas cultivadas utilizando las técnicas de la ingeniería genética y los requisitos y etapas fundamentales de estos procesos. - Explicar las características de los cultivos de células vegetales, la regeneración de plantas a partir de células y los tipos de células que se utilizan para la transformación. - Describir los elementos fundamentales para el diseño de las construcciones génicas. - Enumerar los tipos de vectores específicos de plantas que se utilizan para transportar genes foráneos, describir brevemente sus características y las ventajas e inconvenientes de los mismos. - Enumerar y explicar brevemente los distintos métodos que permiten la transferencia directa de genes foráneos a las células. - Explicar los problemas que se plantean a la hora de la expresión de los genes exógenos, la importancia de las regiones reguladoras y el papel de los genes marcadores. - Resumir los objetivos y los distintos campos de aplicacion de la ingeniería genética de plantas. - Mencionar algunos de los problemas que se plantean actualmente y las soluciones que pueden aportar las plantas modificadas genéticamente. - Explicar algunos ejemplos concretos que se están llevando a cabo para la mejora de las propiedades y el rendimiento de los cultivos, en relación a: Aumento de la eficiencia del metabolismo Aumento del valos nutritivo Maduración controlada Tolerancia a condiciones extremas Resistencia a plagas de insectos Resistencia a infecciones víricas Resistencia al ataque de hongos y bacterias Resistencia a herbicidas Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 8.1 Importancia de las plantas para la alimentación 8.2 Unas bases de Botánica 8.3 La modificación genética de las plantas 8.4 Un poco de Historia 8.5 Estrategias para la modificación genética de plantas 8.5.1 Cultivos de células vegetales 8.5.2 Transformación de las células vegetales 16 8.5.3 Diseño de la construcciones génicas 8.6 Transferencia de genes con vectores específicos de plantas 8.6.1 El plásmido Ti 8.6.2 El plásmido Ri 8.6.3 Vectores víricos 8.7 Trasferencia directa de genes 8.8 Expresión de genes exógenos en células vegetales 8.8.1 Regiones reguladoras 8.8.2 Genes marcadores 8.9 Algunas aplicaciones de la ingeniería genética en plantas 8.10 Mejora de las propiedades de los cultivos 8.10.1 Aumento de la eficiencia del metabolismo 8.10.2 Aumento del valor nutritivo 8.10.3 Maduración controlada de frutos y flores 8.10.4 Resistencia a condiciones ambientales extremas 8.11 Mejora del rendimiento.Cultivos resistentes a plagas, enfermedades y herbicidas 8.11.1 Resistencia a plagas de insectos 8.11.2 Resistencia a enfermedades víricas 8.11.3 Resistencia a hongos y bacterias 8.11.4 Resistencia a herbicidas 8.12 Las plantas como factorías 8.12.1 Producción de fármacos 8.12.2 Producción de plásticos biodegradables 8.13 Descontaminación ambiental TEMA 9. ANIMALES TRANSGÉNICOS Desde que el hombre comenzó a domesticar los animales ha perseguido mejorar la productividad de las distintas razas mediante cruces selectivos para aumentar la producción de leche, la cantidad de carne o la puesta de huevos. La reproducción sexual de los animales le ha permitido mezclar al azar patrimonios genéticos y ensayar la potencialidad industrial de distintas combinaciones, así ha obtenido razas con mayores rendimientos, todo esto se llevó a cabo durante miles de años, primero sin tener ningún conocimiento científico de lo que se estaba haciendo, hasta que fueron descubiertas las leyes de la herencia. Sin embargo, como ya se ha estudiado, la ingeniería genética ofrece alternativas insospechadas. Al no precisarse cruces sexuales pueden saltarse las barreras de especie y obtener razas con caracteres nuevos. 17 Un animal transgénico es aquel que ha modificado su patrimonio genético mediante métodos diferentes de los utilizados en la mejora genética tradicional, incorporando genes que proceden de otro animal, planta o microorganismo. Los objetivos de este tema son: - Describir cómo se obtiene un animal transgénico. - Conocer cómo se obtiene un animal clónico y cuál es el objetivo del desarrollo de esta tecnología. - Diferenciar entre animal clónico y transgénico - Entender los problemas y dificultades para la obtención de los animales transgénicos. - Describir las distintas aplicaciones de los animales transgénicos. - Conocer la utilidad potencial de esta tecnología en la mejora de los animales de granja y otras especies animales útiles para la alimentación. - Conocer los avances de la ingeniería genética en peces. - Citar algunos ejemplos de animales transgénicos como biorreactores para la síntesis de proteínas de alto valor (proteínas terapéuticas). Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 9.1 Métodos de transferencia de genes para la obtención de animales transgénicos Microinyección de DNA en ovocitos o Microinyección pronuclear Otros métodos Obtención de quimeras transgénicas por manipulación de embriones 9.2 Expresión de genes exógenos en animales transgénicos 9.3 Clonación del patrimonio genético de un organismo Individuos clónicos Métodos de clonación Historia de la clonación 9.4 Aplicaciones de los animales transgénicos Animales transgénicos en la industria cárnica: incremento de la producción Mejora de razas con una mayor resistencia a las enfermedades Modificación de la calidad de la leche Producción de lana de oveja Granjas farmacéuticas Animales transgénicos como modelo para estudiar algunas enfermedades humanas. Xenotransplantes 9.5 Producción de peces transgénicos Aumento del crecimiento: Mediante la sobreexpresión de la hormona del crecimiento 18 Mejora de la tolerancia al frío y resistencia a las heladas Resistencia a las enfermedades Alteración del metabolismo Esterilidad Peces productores de fármacos 9.6 Beneficios y Riesgos Factores económicos y aceptación pública 9.7 Conclusiones TEMA 10. TÉCNICAS MOLECULARES APLICADAS AL ANÁLISIS DE ALIMENTOS Y DETECCIÓN DE FRAUDES ALIMENTARIOS El conocimiento actual del material genético de los organismos, es decir del DNA, nos permite no sólo modificarlo, sino también detectarlo, aunque se encuentre en muy pequeña cantidad, y esto ha permitido utilizando las técnicas utilizadas en la ingeniería genética desarrollar métodos para detectar microorganismos patógenos en los alimentos, para la identificación de especies en alimentos procesados y, en la identificación de alimentos elaborados con organismos genéticamente modificados. La metodología aplicada a este tipo de análisis consiste básicamente en la identificación del DNA que se encuentra en el alimento y generalmente para analizar o identificar un DNA determinado se utilizan en biología molecular dos tipos de técnicas: unas basadas en la hibridación con sondas específicas o en la amplificación de secuencias específicas del DNA. Los objetivos de este tema son: - Conocer algunos de los microorganismos patógenos responsables que más frecuentemente contaminan un alimento. - Conocer las dificultades para la identificación de patógenos utilizando los métodos microbiológicos y bioquímicos. - Conocer los fundamentos y los principales tipos de métodos para la identificación de patógenos basándose en el análisis del DNA. - Describir las distintas modalidades de aplicar la técnica de PCR para la identificación genética de especies en productos frescos y procesados que carecen de características morfológicas reconocibles. - Conocer los métodos moleculares basados en el análisis del DNA para la identificación de alimentos que contienen organismos modificados genéticamente. Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 19 10.1 Enfermedades transmitidas por alimentos contaminados con microorganismos patógenos 10.2 Métodos de detección de microorganismos patógenos 10.3 Aplicación de las técnicas de biología molecular para la identificación de patógenos en alimentos 10.4 Técnicas basadas en la hibridación con sondas de DNA Hibridación en colonia Southern-Blot 10.5 Reacción en Cadena de la Polimerasa Amplificación de secuencias de RNA por retrotranscripción y PCR (RT-PCR) PCR anidada 10.6 Identificación de especies en los alimentos procesados PCR-RFLP PCR-SSCP 10.7. Identificación de alimentos preparados con plantas transgénicas Detección de las secuencias reguladoras del transgén Detección de los genes marcadores Detección del gen foráneo 10.8. DNA-chips TEMA 11. LOS ALIMENTOS TRANSGÉNICOS Y LA SEGURIDAD PARA LA SALUD Para profundizar en el estudio de la bioseguridad de los alimentos transgénicos es muy importante distinguir los distintos niveles de seguridad que pueden plantearse dentro del sector alimentario. Para simplificar el análisis se pueden establecer tres grandes áreas dentro del campo de la bioseguridad: 1.- Seguridad para el consumidor. 2.- Seguridad para el trabajador. 3.- Seguridad para el medio ambiente. En el apartado de la seguridad del consumidor se enmarcan los aspectos que tienen que ver con las posibles consecuencias para la salud que puedan derivarse de la ingestión del alimento transgénico. La segunda hace referencia a la protección de las personas que manipulan los alimentos transgénicos durante la fase de investigación y desarrollo, durante su producción a escala industrial o durante su transporte y comercialización. Por último, cuando se trata de la protección del medio ambiente frente a los alimentos transgénicos se analiza el conjunto de medidas que hay que considerar para evitar que la producción de estos alimentos pueda alterar el medio ambiente. En este capítulo se tratara específicamente la seguridad desde el punto de vista del consumidor. Sin embargo, es obligado precisar que ninguno de estos niveles de seguridad 20 puede considerarse como un compartimento estanco, ya que existe una gran interdependencia entre todos ellos. En muchos aspectos la seguridad del medio ambiente tiene que ver con la salud de las personas, y por tanto con la seguridad de los trabajadores. Los objetivos de este tema son: - Profundizar en el estudio de la bioseguridad para el consumidor de los alimentos trangénicos. - Distinguir los distintos niveles de seguridad que pueden plantearse dentro del sector alimentario. - Conocer el principio básico de que debe existir una certeza razonable de que el consumo de un alimento no provoque ningún daño. - Conocer los principios en función de los cuales se aplica la equivalencia sustancial en la evaluación de los nuevos alimentos. - Conocer el marco legislativo relativo a la seguridad de los alimentos desde el punto de vista de la protección del consumidor en la unión Europea y en España. - Resumir el complejo proceso de evaluación de un nuevo alimento para su aprobación en la U.E. - Citar alguna diferencia en materia de etiquetado entre la FDA americana y las normas europeas. - Conocer algunos avances sobre la regulación y control de la seguridad de los alimentos en la Comunidad Europea y en España. Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 11.1 Los alimentos transgénicos 11.2 El concepto de seguridad en la biotecnología alimentaria 11.3 El principio de equivalencia sustancial 11.4 La legislación en materia de protección al consumidor 11.4.1 La legislación en España y en la Unión Europea 11.4.2 La legislación internacional 11.5 El control de la seguridad 11.6 La percepción pública en materia de seguridad de los alimentos transgénicos TEMA 12. LOS ALIMENTOS AMBIENTAL TRANSGÉNICOS Y LA SEGURIDAD En este capítulo se van a exponer los aspectos relativos a la seguridad de los alimentos transgénicos derivados de organismos modificados genéticamente (OMG) desde el punto de vista de su producción y no de su consumo. En este sentido se han de tener en 21 cuenta las normativas que se establecen para asegurar tanto a salud de los productores, es decir la salud de los trabajadores que investigan, fabrican, o manipulan estos alimentos, como las que se dictan para proteger el medio ambiente donde se investigan, producen o comercializan los organismos transgénicos a partir de los cuales se obtienen los alimentos transgénicos. Es importante entender desde el principio que estas normativas de protección del trabajador y del medio ambiente se aplican a todos los OMGs independientemente de que se destinen o no al uso alimentario. Por ello, no todos los apartados de estas normativas tienen una aplicación directa a los alimentos transgénicos. Por consiguiente, en este capítulo se tratarán aspectos relativos a como han de protegerse las personas no tanto frente a la ingestión del alimento transgénico con fines nutricionales sino ante su contacto o ingestión fortuita durante los procesos de manipulación. Los objetivos de este tema son: - Analizar los distintos aspectos que han de ser considerados a la hora de evaluar el riesgo potencial de un alimento antes de su comercialización. - Conocer la legislación para la protección específica del trabajador manipulador de alimentos. - Conocer algunas de las normativas desarrolladas en el ámbito europeo y en España para la protección del medio ambiente que regulan la utilización y liberación de organismos modificados genéticamente. - Conocer algunos foros de discusión y las recomendaciones de algunas organizaciones internacionales en temas relacionados con bioseguridad. - Citar algunas de las preocupaciones de los ciudadanos sobre los riesgos medioambientales de los alimentos transgénicos. Los contenidos de este tema se resumen en los siguientes epígrafes: 12.1 El concepto de seguridad ambiental y su relación con los alimentos transgénicos 12.2 La legislación para la protección del trabajador 12.3 La legislación europea y nacional sobre la protección del medio ambiente 12.3.1 Directivas 90/219 y 98/81 12.3.2 Directivas 90/220 y 01/18 12.3.3 La Ley de Bioseguridad española Disposiciones generales Utilización confinada Liberación voluntaria de OMG Comercialización de OMG Información y control Infracciones y sanciones 22 Competencias administrativas 12.3.4 Comisión Nacional de Bioseguridad 12.4 La legislación internacional 12.5 Percepción pública sobre los riesgos medioambientales de los alimentos transgénicos 23 BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LOS ALIMENTOS Programación temporal del curso 2008 Libro de Texto 1ª circular Guía del Curso Adendas I-V Enero 2008 Adendas VI y VII Febrero 2008 1er cuestionario de evaluación Temas 1 al 6 Finales de febrero 2008 Adendas VIII y IX Abril 2008 2º cuestionario de Evaluación Temas 7 al 12 Finales de abril 2008 Elaboración y redacción trabajo Mayo 2008 Fecha límite de envío del trabajo 15 de junio de 2008 24
