tema 19: la biotecnología

TEMA 20: LA BIOTECNOLOGÍA
1. INTRODUCCIÓN
2. CULTIVOS CELULARES
3. ANTICUERPOS MONOCLONALES
4. INGENIERÍA GENÉTICA
a. ADN RECOMBINANTE
b. AMPLIFICACIÓN DEL ADN
c. SECUENCIACIÓN DEL ADN
d. CLONACIÓN
5. APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA
6. LA BIOÉTICA
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TEMA 20: LA BIOTECNOLOGÍA
1.- INTRODUCCIÓN
La BIOTECNOLOGÍA consiste en la utilización de seres vivos sencillos (bacterias y levaduras),
y células eucariotas en cultivo, cuyo metabolismo y capacidad de biosíntesis se utilizan para la
fabricación de sustancias específicas aprovechables por el hombre. La biotecnología permite,
gracias a la aplicación integrada de los conocimientos y técnicas de la bioquímica, la
microbiología, la ingeniería química, y, sobre todo, la ingeniería genética, aprovechar en el
plano tecnológico las propiedades de los microorganismos y los cultivos celulares. Permiten
producir a partir de recursos renovables y disponibles en abundancia gran número de
sustancias y compuestos.
La biotecnología consiste en la utilización de un ser vivo o parte de él para la transformación de
una sustancia en un producto de interés.
Posee tres características básicas:

Es interdisciplinar, utiliza principios de la ciencia y de la ingeniería.

Trabaja con seres vivos.

Su objetivo es conseguir un producto o un servicio útiles para el hombre.
Desde siempre se han utilizado procedimientos biotecnológicos para obtener alimentos como el
pan, la cerveza o el yogur aunque se desconocía que se originaban gracias a la fermentación
provocada por diversos microorganismos. No es hasta mediados del siglo XIX cuando la
biotecnología nace como ciencia gracias a los descubrimientos de Pasteur sobre las
fermentaciones. Ya en el siglo XX podemos hablar de avances importantes cuando se
incorporan los conocimientos de la base molecular de la herencia y las técnicas de ADN
recombinante.
Se pueden distinguir dos etapas en la biotecnología:

1ª Etapa: Biotecnología tradicional, donde no se utilizan técnicas de manipulación del
ADN.

2ª Etapa: Biotecnología moderna, desarrollada a partir del conocimiento de la
estructura del ADN. En esta técnica se manipula el ADN de los organismos utilizados.
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TEMA 20: LA BIOTECNOLOGÍA
Biotecnología tradicional
Basada en el uso de seres vivos naturales para la obtención de productos de interés o el
aumento de la producción.
Los individuos que se utilizan han sido escogidos mediante técnicas de selección artificial,
esto quiere decir que el hombre ha potenciado el desarrollo de estos organismos por el
beneficio que le proporcionan.

Agricultura y ganadería: Se obtienen variedades de animales y vegetales más
resistentes a enfermedades y plagas, mayor producción de alimentos o colores más
agradables, gracias a la selección artificial (cruzando individuos con un carácter
especial y seleccionando los descendientes).

Industria alimentaria: Se obtienen diversos tipos de alimentos gracias a las
fermentaciones (pan, yogur, queso, embutidos, bebidas alcohólicas)

Industria farmacéutica: Utilización de microorganismos para la obtención de
medicamentos (penicilina a partir de Penicillium notatum)
La biotecnología tradicional se basa fundamentalmente en tres técnicas:
1. Técnicas genéticas clásicas (mutación, recombinación y selección) para
seleccionar las cepas más productivas.
2. Mejora de las condiciones fisicoquímicas de los cultivos (pH, aireación,
temperatura) con el fin de aumentar el rendimiento.
3. Perfeccionamiento de las técnicas de aislamiento y purificación del producto
de interés.
Biotecnología moderna
Consiste en la utilización de técnicas de manipulación del ADN para la obtención de
individuos que den lugar a productos de interés o a la mejora de la producción.

Agricultura y ganadería: Se crean organismos modificados genéticamente (OMG) con
distintos fines (resistencia a plagas y sequía, a bajas temperaturas, a variaciones de
salinidad, a herbicidas, de crecimiento rápido, de mayor producción, que contengan
vitaminas o sustancias beneficiosas, etc.).

Medio ambiente: Utilización de OGM para la biorremediación (Recuperación de suelos
contaminados por metales pesados, obtención de energía mediante la depuración de
aguas
residuales,
degradación
de
residuos
tóxicos,
obtención
de
plásticos
biodegradables)

Medicina: Diagnóstico de enfermedades genéticas, terapia génica, comparación de
muestras de ADN (pruebas de paternidad, criminología).
3
TEMA 20: LA BIOTECNOLOGÍA

Industria farmacéutica: Se crean OMG con el fin de que produzcan sustancias que no
le son propias (hormonas, antibióticos, vacunas, proteínas).
La biotecnología moderna se basa fundamentalmente en tres ámbitos de trabajo:
1. Cultivo de células.
2. Anticuerpos monoclonales
3. Ingeniería genética.
2.- CULTIVOS CELULARES
El cultivo celular es el proceso mediante el que células procariotas o eucariotas pueden
cultivarse en condiciones controladas. En la práctica el término "cultivo celular" se usa
normalmente en referencia al cultivo de células aisladas de eucariotas pluricelulares,
especialmente células animales. El desarrollo histórico y metodológico del cultivo celular está
íntimamente ligado a los cultivos de tejidos y de órganos. El cultivo de células animales
empezó a ser utilizado durante los años 50, pero el concepto de mantener líneas de células
vivas separadas del tejido de origen fue descubierto en el siglo XIX.
Como ejemplo de áreas de investigación fuertemente dependientes de las técnicas de cultivo
celular son:
- Virología: establecimiento de condiciones de cultivo de virus animales y de plantas,
producción de vacunas antivirales,...
- Investigación del cáncer
- Inmunología
- Ingeniería de proteínas. Por la producción de proteínas en líneas celulares: interferón,
insulina, hormona de crecimiento.
- Estudios de interacción y señalización celular, en la diferenciación y en el desarrollo.
- Aplicaciones diagnósticas. Por ejemplo en medicina y farmacología destacan el análisis
cromosómico de células crecidas a partir de muestras de amniocentesis, detección de
infecciones virales, ensayos de toxicidad,...
- Aplicaciones médicas: mantenimiento y producción de tejido para transplantes.
- Aplicaciones industriales y agronómicas: producción por reproducción "in vitro" de clones de
plantas de interés comercial.
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La línea celular HeLa
Las células HeLa constituyen una línea de células epiteliales humanas procedentes de un
carcinoma cervical, y las primeras células humanas de las cuales se estableció una línea
celular permanente. En 1951 se practicó una operación quirúrgica a la paciente Henrietta Lacks
(de ahí el nombre), una mujer afroamericana de 31 años, en la cual se extrajeron células de un
carcinoma en el útero con la intención de evaluar su malignidad. La paciente falleció 8 meses
después a causa de su tumor.
Las células extraídas fueron invadidas por el virus del papiloma humano, transformándose en
células tumorales.
Aquellas células se dejaban cultivar tan bien, y proliferaban tan fácilmente en cultivos celulares,
que desde entonces comenzaron a ser empleadas a gran escala en la investigación. Es tal la
magnitud del cultivo de células HeLa por parte de laboratorios de todo el mundo, que la masa
total de células HeLa supera ampliamente la masa total que en su día tuvo el cuerpo de
Henrietta Lacks.
3.- ANTICUERPOS MONOCLONALES
Un anticuerpo monoclonal (AcMo o Mab, del inglés monoclonal antibody) es un anticuerpo
homogéneo producido por una célula híbrida (hibridoma) producto de la fusión de un clon de
linfocitos B descendiente de una sola y única célula madre y una célula plasmática tumoral.
En 1975, N. Jerne, G. Köhler y C. Miltein desarrollaron la técnica de los hibridomas para
obtener anticuerpos monoclonales (Nobel de Medicina en 1984). Para producir anticuerpos
monoclonales, primero se extraen células B del bazo de un animal que ha sido expuesto al
antígeno. Estas células B son fusionadas con células tumorales de mieloma múltiple (tumor
linfocitario) que pueden crecer indefinidamente en cultivo celular. Estas células fusionadas
híbridas, llamadas hibridomas pueden multiplicarse rápida e indefinidamente, puesto que son
células tumorales después de todo y pueden producir gran cantidad de anticuerpos
Los anticuerpos monoclonales son anticuerpos idénticos porque son producidos por un solo
tipo de linfocito B. Es posible producir anticuerpos monoclonales que se unan específicamente
con cualquier molécula con carácter antigénico. Este fenómeno es de gran utilidad en
bioquímica, biología molecular y medicina.
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Aplicaciones de los AcMo

Determinar la presencia de drogas, hormonas, vitaminas, citocinas, proteínas
asociadas a determinados tipos de cánceres, alérgenos, indicadores víricos, en sangre
u orina.

Determinar los grupos sanguíneos.

Uso terapéutico para enfermedades infecciosas, autoinmunes, cáncer, alergias o en
trasplantes para evitar el rechazo.
4.- INGENIERÍA GENÉTICA
La INGENIERÍA GENÉTICA es una parte de la biotecnología que se basa en la manipulación
de genes para obtener esas sustancias específicas aprovechables por el hombre: se trata de
aislar el gen que produce la sustancia, e introducirlo en otro ser vivo que sea más sencillo -y
barato- de manipular; lo que se consigue es modificar las características hereditarias de un
organismo de una forma dirigida por el hombre, alterando su material genético.
La ingeniería genética permite:

Quitar uno o más genes.

Añadir uno o más genes.

Aumentar el número de moléculas de ADN.

Clonar células.

Clonar individuos.

Crear organismos genéticamente modificados (OGM).
Las enzimas de restricción (tijeras biológicas)
Se descubrieron en 1970. Son enzimas capaces de cortar el ADN en secuencias específicas
originando, en muchos casos, extremos escalonados denominados cohesivos o pegajosos.
Estos extremos son capaces de unirse espontáneamente a otros generados por la misma
enzima. En el caso de que quisiéramos insertar un gen en un plásmido. usando esta propiedad,
requeriríamos para completar la tarea la actuación de una ligasa que formaría lo enlaces
fosfato.
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El Premio Nobel de Medicina de 1978 fue concedido a los microbiólogos Werner Arber, Daniel
Nathans y Hamilton Smith por el descubrimiento de las endonucleasas de restricción lo que
condujo al desarrollo de la tecnología de ADN recombinante. El primer uso práctico de su
trabajo fue la manipulación de la bacteria E. coli para producir insulina humana para los
diabéticos.
CONSTRUCCIÓN DE ADN RECOMBINANTE
El ADN recombinante es un fragmento de ADN construido artificialmente a partir de segmentos
no homólogos de organismos diferentes. Suele contener un vector y el gen o los genes de
interés.

Vectores: Fragmentos de ADN que permiten transferir genes de un organismo a otro.
Los más utilizados son los plásmidos y los virus.

Gen o genes de interés: Se obtienen a partir de genotecas creadas a partir de ARNm
aislados de las células que se copian a ADN complementario (ADNc) gracias a la
retrotranscriptasa.
7
TEMA 20: LA BIOTECNOLOGÍA
Para introducir el gen en el vector se utilizan las enzimas de restricción y las ligasas. Una
vez que el vector presente el gen de interés se transfiere a la célula huésped (anfitriona) que
debe caracterizarse por:
1. Poder crecer rápidamente.
2. Hacerlo de manera barata.
3. Que sea fácilmente manipulable.
Hay tres tipos de células huésped: Bacterias (E. coli), levaduras y células eucariotas de
líneas celulares de mamíferos. Cada uno de estos tipos celulares tiene sus ventajas e
inconvenientes. Las bacterias se caracterizan porque su material genético es muy simple,
suelen crecer muy rápido y las condiciones de crecimiento son bastante sencillas. Su principal
inconveniente es que no llevan a cabo algunas de las modificaciones que sí realizan las células
eucariotas en las proteínas, como la glucosilación. Las levaduras y las líneas celulares son más
complicadas, especialmente estas últimas, no crecen tan rápido y suelen ser más difíciles de
tratar. No obstante, la ventaja es que ambos sistemas pueden llevar a cabo modificaciones
como las descritas anteriormente.
Posteriormente se clona la célula modificada y se obtiene un número elevado de células
idénticas capaces de fabricar la proteína específica del gen introducido.
La técnica para obtener una proteína por ingeniería genética se realiza en varios pasos:

Selección y obtención del gen.

Selección de un vector.

Formación de un ADN recombinante.

Selección de una célula anfitriona.

Síntesis y obtención de proteínas correspondientes al gen manipulado.
De esta forma se obtienen muchas proteínas humanas como insulina, hormona del
crecimiento, factores de coagulación, etc.
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AMPLIFICACIÓN DEL ADN
Para aumentar el número de copias de un fragmento de ADN se utilizan dos técnicas de
amplificación: la clonación bacteriana y la reacción en cadena de la polimerasa (PCR).
La clonación bacteriana sigue el procedimiento descrito anteriormente.
La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) permite sintetizar en pocas horas millones de
copias de un segmento de ADN a partir de una muestra muy pequeña.
Para ello se necesita:

El ADN que se quiere amplificar (deben conocerse los extremos)

Nucleótidos trifosfato

ADN cebador

ADN polimerasa que actúa a temperaturas elevadas (72ºC)
1.- Se calienta la muestra por encima de los 90º para provocar la desnaturalización del ADN
(se separan las hebras).
2.- Se baja la temperatura hasta 50ºC en presencia de los cebadores que hibridan con los
extremos complementarios de cada cadena.
3.- Se eleva la temperatura a 72ºC y la ADN polimerasa sintetiza ADN.
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TEMA 20: LA BIOTECNOLOGÍA
Repitiendo este ciclo unas veinte veces se pueden obtener hasta un millón de copias del
fragmento de ADN.
10
TEMA 20: LA BIOTECNOLOGÍA
Esta técnica se utiliza en las pruebas de paternidad y en criminología.
SECUENCIACIÓN DE ADN
Para conocer la secuencia de nucleótidos de un fragmento de ADN se utilizan técnicas de
secuenciación. Las primeras fueron desarrolladas entre 1977 y 1980 por los equipos de
Sanger y Gilbert, pero eran procedimientos muy laboriosos. Posteriormente se han introducido
mejoras a dichas técnicas y además se han automatizado e informatizado de forma que el
trabajo lo realizan actualmente unos aparatos llamados secuenciadores.
Consultar la técnica de secuenciación de SANGER (método didesoxi)
http://www.arrakis.es/~ibrabida/vigdidesoxi.html
La secuenciación de genes ha permitido la reconstrucción de genomas completos abriendo
paso a dos nuevas disciplinas: la Genómica y la Proteómica.
Genómica
Estudia el genoma de los seres vivos. Su mayor hito es el Proyecto Genoma Humano.
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Proteómica
Estudia el conjunto de proteínas expresadas por un genoma (proteoma).
Proyecto GENOMA
El Proyecto Genoma Humano (PGH) nació en 1990 con el fin de localizar, identificar, conocer
la secuencia de nucleótidos y la función de los genes que componen el genoma humano.
En el año 2003 se completó la secuencia de todo el genoma humano. Aunque no se conoce la
función de todo él su estudio ha proporcionado cinco conclusiones básicas.

No existe relación entre la complejidad de un organismo y su número de genes
(el ser humano y la rata poseen 30.000 genes)

Compartimos genes con otros organismos incluidas las bacterias.

El 99,99% de la información genética es igual en todos los humanos.

Un gen puede originar varias proteínas.

La mayor parte del ADN está constituida por secuencias repetitivas o
interrumpidas cuya función se desconoce.
Repercusiones del PGH
Posibilidad de estudiar las enfermedades
genéticas.
Ha
mejorado
desarrollo
la
comprensión
embrionario
(activación
del
e
inactivación secuencial de genes).
Avances
en
el
conocimiento
de
la
evolución.
Determinación de genes esenciales para
la vida.
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CLONACIÓN
La palabra CLON significa copia exacta. Con la ingeniería genética podemos obtener clones de
ADN, de células o de organismos completos. Así, se pueden distinguir tres tipos de clonación:

Clonación celular: se utiliza para obtener copias de ADN mediante unas células
llamadas células anfitrionas.

Clonación de células: con esta técnica podemos obtener células iguales. De esta
forma se crean tejidos reparadores de otros que estén enfermos o deteriorados, sin
que se produzca rechazo por parte del enfermo.

Clonación de organismos completos: se obtienen individuos que son genéticamente
idénticos.
Mediante la técnica de transferencia nuclear se consiguió clonar la oveja Dolly en 1996.
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5.- APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA
Las aplicaciones de la biotecnología, tradicional o moderna, son múltiples. Sectores como la
industria alimentaria, la química, la energética, la minería, la agricultura, la ganadería, la
medicina o el medio ambiente, han obtenido resultados beneficiosos gracias a esta disciplina. A
modo de ejemplo podemos citar los siguientes:

Obtención de proteínas de interés médico y económico: antibióticos,
enzimas, hormonas (insulina, hormona del crecimiento), vacunas (hepatitis B), factores
de coagulación ,interferón.

Mejora genética de animales y vegetales para obtener una mayor producción
y mejor calidad nutricional.

Obtención de plantas clónicas para cultivos.

Obtención de "bioinsecticidas", animales y plantas capaces de destruir a
otros seres vivos que se alimentan de los cultivos.

Obtención de animales y vegetales transgénicos
Se llaman organismos transgénicos a los organismos genéticamente modificados mediante
la introducción de un gen de otra especie totalmente diferente.
Animales
Vegetales
obtención de órganos animales (cerdos)
resistentes a insectos: maíz y algodón
con
con un gen que produce una toxina para
genes
humanos
para
no
ser
rechazados en transplantes
orugas y escarabajos
animales con carnes y huevos con menos
a herbicidas: soja, algodón, maíz, resisten
colesterol y grasas
a altas concentraciones de herbicidas que
se echan en los campos para erradicar
malas hierbas
pollos sin plumas
a condiciones ambientales: frío, sequía,
alta salinidad, etc
Incremento del rendimiento fotosintético
Maduración retardada
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
Biorremediación y bioadsorción.
Consiste en producir microorganismos modificados genéticamente con el fin de que
degraden o eliminen sustancias tóxicas o contaminantes. De esta forma se combaten las
mareas negras, se eliminan plaguicidas o metales pesados o se tratan las aguas
residuales; consiguiendo regenerar suelos y aguas contaminadas.

Terapias génicas
Consisten en manipular genéticamente células enfermas para que ellas mismas puedan
producir las proteínas cuya falta o mal funcionamiento provoca la enfermedad.
Con la ayuda de un vector adecuado se introduce el gen correcto y se integra en el ADN de
la célula enferma. Puede hacerse de tres formas distintas: Ex vivo, in vivo o in situ.
a. Ex vivo: Se extraen células del enfermo y se cultivan. Se les introduce el gen
normal y se reintroducen en el organismo del paciente.
b. In vivo: Los genes se introducen por vía sanguínea unidos a vectores. Los
vectores poseen en su superficie moléculas que son reconocidas por las
células diana, de forma que sólo allí transfieren la información genética que
portan.
c. In situ: Se introducen directamente los genes en los tejidos.
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La terapia génica plantea algunos problemas: los genes pueden integrarse al azar dentro
del genoma provocando la fragmentación de genes importantes, los genes implantados no
producen la cantidad suficiente de proteína y las células modificadas terminan muriéndose
y con ellas su efecto.

Producción de productos biodegradables (bioplásticos, espumas de
poliuretano).

Obtención de biocombustibles
Bioalcoholes
A partir de biomasa y hongos del Gº Sacharomyces se obtiene
etanol
Bioaceites
A partir de plantas ricas en aceites vegetales como la colza, la
soja, el girasol o la palma. Se utilizan en motores diésel.
Biogás
o
gas
Biotransformación de residuos urbanos, agrícolas o industriales.
natural

Extracción de minerales por bioprocesado.

Recuperación de especies en peligro de extinción (mediante clonación).

Diagnóstico de enfermedades genéticas.

Obtención de anticuerpos monoclonales.

Extracción de células madre de embriones humanos obtenidos por clonación
de células del propio enfermo (mediante transferencia nuclear). De esta forma se evita
el problema del rechazo de trasplantes (autotrasplante). Dado que este método genera
graves problemas bioéticos, la obtención de células madre suele estar restringida a las
procedentes de embriones desechados de la FIV, del cordón umbilical o de la médula
ósea.
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TEMA 20: LA BIOTECNOLOGÍA
6.- BIOÉTICA
La Biotecnología y la Ingeniería Genética han proporcionado grandes beneficios a la
humanidad, pero también pueden producir consecuencias negativas. Por ello, se han
elaborado una serie de normas éticas y legales, algunas de aplicación a nivel mundial.

Declaración Universal sobre el Genoma Humano y los Derechos Humanos (UNESCO
1977): art 1º: “El Genoma Humano es Patrimonio de la Humanidad”.

Prohibición de clonación con fines reproductivos o experimentales en seres
humanos (Consejo de Europa 1977).
En nuestro país la Ley de Investigación Biomédica regula la utilización de la Biotecnología y la
Ingeniería Genética, prohibiendo de forma expresa la clonación reproductiva y la creación de
embriones destinados a la investigación.
SOCIALES
SANITARIOS
INGENIERÍA GENÉTICA
BENEFICIOS
INCONVENIENTES
Alimentos de mayor calidad Posibilidad de obtener humanos
nutricional.
genéticamente modificados
Retraso en la maduración de
frutas y verduras.
Capacidad para producir clones de
humanos
Animales
y
plantas
más
resistentes a enfermedades y
plagas.
Vulneración del derecho a la
intimidad de las personas por uso de
su información genética
Animales y plantas con mayor
rendimiento económico.
Prevención de enfermedades
genéticas
Control del mercado de alimentos por
las multinacionales de biotecnología
Posible
aparición
de
efectos
secundarios por el consumo de
alimentos transgénicos
Introducción de genes “sanos” en
células enfermas.
Aparición de nuevos organismos y
nuevas enfermedades
Obtención de fármacos nuevos
Aplicación
científicos
ECOLÓGICOS
para
estudios
Pruebas de paternidad y medicina
forense
Bacterias
degradadoras
de
vertidos
Bacterias
recuperadoras
suelos contaminados
de
Bacterias
productoras
plásticos biodegradables
de
Creación de embriones humanos con
el fin de la investigación
Posible
contaminación
genética
desde organismos transgénicos por
transferencia espontánea de genes
Invasión de zonas naturales por
organismos
transgénicos
más
resistentes
Desaparición de especies naturales
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TEMA 20: LA BIOTECNOLOGÍA
por el uso de especies modificadas
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TEMA 20: LA BIOTECNOLOGÍA
ENLACES
1. http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esobiologia/4quincena8/4quincena5_
contenidos_1a.htm: En estas páginas puedes encontrar la receta de cómo fabricar
yogur casero gracias a las fermentaciones (biotecnología tradicional).
2. http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/4ESO/Genetica2/contenido4.htm
3. http://www.biotecnologica.com/
4. http://es.wikipedia.org/wiki/Cultivo_celular
5. http://es.wikipedia.org/wiki/Anticuerpos_monoclonales
6. http://es.wikipedia.org/wiki/Enzima_de_restricci%C3%B3n
7. http://portales.educared.net/wikiEducared/index.php?title=Enzimas_de_restricci%C3%
B3n
8. http://biotec.amgen.es/html/adn_reco.html
9. http://www.arrakis.es/~ibrabida/vigcorte.html
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