BIOTECNOLOGÍA INGENIERÍA GENÉTICA Y BIOTECNOLOGÍ A BIOTECNOLOGÍA Es la utilización de seres vivos o parte de ellos, con el fin de obtener productos de interés para las personas. HISTORIA 1919: Karl Ereky, ingeniero húngaro utiliza por primera vez la palabra biotecnología. 1965: El biólogo norteamericano R. W. Holley «leyó» por primera vez la información total de un gen de la levadura compuesta por 77 bases, lo que le valió el Premio Nobel. 1970: El científico estadounidense Har Khorana consiguió reconstruir en el laboratorio todo un gen. 1973: Se desarrolla la tecnología de recombinación del ADN por Stanley Cohen, y Herbert Boyer. 1976: Har Khorana sintetiza una molécula de ácido nucleico compuesta por 206 bases. 1976: Robert Swanson y Dr. Herbert Boyer crean Genentech, la primera compañía de biotecnología. 1982: Se produce insulina para humanos, la primera droga derivada de la biotecnología. 1983: Se aprueban los alimentos transgénicos producidos por Calgene. Es la primera vez que se autorizan alimentos transgénicos en Estados Unidos. 2003: Cincuenta años después del descubrimiento de la estructura del ADN, se completa la secuencia del genoma humano. INGENIERÍA GENÉTICA • La ingeniería genética puede definirse como un conjunto de técnicas, nacidas de la Biología molecular, que permiten manipular el genoma de un ser vivo. • La ingeniería genética es la biotecnología de la manipulación y transferencia de ADN de un organismo a otro, esto permite: • Crear nuevas especies. • La corrección de defectos genéticos. • La fabricación de numerosos compuestos. INGENIERÍA GENÉTICA • Se realiza a través de las enzimas de restricción que son capaces de "cortar" el ADN en puntos concretos. • Se denomina ADN recombinante al que se ha formado al intercalar un segmento de ADN extraño en un ADN receptor. Por ejemplo, la integración de un ADN vírico en un ADN celular. HERRAMIENTAS EN INGENIERÍA GENÉTICA ENZIMAS DE RESTRICCIÓN: son endonucleasas (tijeras moleculares) que cortan el ADN • Cada enzima reconoce una secuencia de nucleótidos y corta en ese punto cada cadena de ADN. • Los extremos libres son pegajosos porque pueden unirse a otros fragmentos cortados por las mismas enzimas de restricción. HERRAMIENTAS EN INGENIERÍA GENÉTICA Plásmidos: son moléculas de ADN extra cromosómico de forma circular en bacterias. VECTORES DE CLONACIÓN Bacteriófagos: Son virus que sirven de portadores de Material genético a bacterias. BAC: Cromosomas artificiales bacterianos son vectores sintéticos que combinan características del fago lambda que posee extremos cohesivos o regiones cos. HERRAMIENTAS EN INGENIERÍA GENÉTICA ADN LIGASAS Cultivo celular • Proceso mediante el cual, células procariotas o eucariotas pueden cultivarse en condiciones controladas en el laboratorio (in vitro) • Los "cultivos celulares" hacen referencia a la siembra de células aisladas de eucariotas pluricelulares, especialmente células animales, cultivo de órganos y tejidos. Procesamiento de cultivo de células madre Cultivo de células humanas en medios enriquecidos con aminoácidos, vitaminas y factores de crecimiento PROYECTO DE INGENIERÍA GENÉTICA 1. Localización y aislamiento del gen que se desea transferir. 2. Selección del Vector. 3. Unión del ADN elegido al ADN del Vector. 4. Inserción del vector en el gen transferido en la Célula Hospedadora: •Transformación: Plásmidos. •Transducción: Bacteriófagos y Cósmidos. 5. Multiplicación del Organismo Transgénico. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN HORIZONTAL DE IMPORTANCIA EN INGENIERÍA GÉNETICA TRANSFORMACIÓN • Las bacterias transmiten material genético a través de DNA libre en el medio elementos episomiales. • La bacteria receptora tiene mecanismos para captar el DNA a través de sus envolturas externas e introducirlo en su cromosoma. • Los genes intracrosomales se recombinan dando lugar a genes mosaico. TRANSDUCCIÓN Transferencia de información genética de una célula a otra através de un virus. • Estos virus se denominan bacteriofagos o fagos. • Penetran las membranas y la pared celular de la bacteria para inyectarle su material genético. • Se replicación y luego salen de la bacteria, e infectan a otras, a las cuales les transmite e integran el DNA que llevan. INGENIERÍA GENÉTICA La ingeniería genética incluye un conjunto de técnicas biotecnológicas, entre las que destacan: 1.La tecnología del ADN recombinante: consiste en aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para introducirlo en otro. 2.La secuenciación del ADN: permite saber el orden o secuencia de los nucleótidos que forman parte de un gen. 3.La reacción en cadena de la polimerasa (PCR): consigue aumentar el número de copias de un fragmento determinado de ADN, por lo tanto, con una mínima cantidad de muestra de ADN, se puede conseguir toda la que se necesite para un determinado estudio. TÉCNICAS DE INGENIERIA GENÉTICA 1.- TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE: Permite aislar un fragmento de ADN de un organismo (transgén) e insertarlo en el ADN de otro organismo que puede ser de otra especie. Nos permite obtener fragmentos de ADN en cantidades ilimitadas, además el gen o los genes que se desee. Esta técnica permite la obtención de transgénicos: organismos que portan genes de otra especie (vegetales, animales, bacterias...) en los que se podrá "expresar" la información de dichos genes. Molécula A B que llevará Molécula Digestión de ambas moléculas con la misma enzima de restricción, BamHI Extremos cohesivos Mezclar Tratar con ADNligasa ADN recombinante Un ejemplo es la síntesis de insulina humana en bacterias o levaduras, para ello se incorpora a estos microorganismos el gen humano que codifica la síntesis de esta proteína. 2.- REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR) Permite obtener grandes cantidades de ADN a partir de una muestra muy pequeña Aplicaciones: - Obtención de cantidad suficiente de ADN para su secuenciación (leer el orden de las bases nitrogenadas) y poder determinar si existe alguna mutación o simplemente conocer la disposición normal de las bases (se utiliza en el estudio de los genomas). - Análisis de ADN fósil. - Estudios de parentesco evolutivo: el grado de similitud en el ADN permite establecer relaciones de parentesco entre especies. - Identificación de espcies - Determinación de huellas genéticas, permite obtener suficiente cantidad de ADN a partir de muestras pequeñas (gotas de sangre, semen, bulbo de cabello, restos de piel) para poder realizar estudios comparativos (investigaciones policiales, medicina forense, pruebas de paternidad). Técnica PCR El fragmento de ADN que se desea amplificar se calienta para que las dos hebras se separen. Las hebras separadas se enfrían y se tratan con ADN polimerasa y nucleótidos para formar las cadenas complementarias de cada hebra de ADN. Calentamiento ADN polimerasa Nucleótidos Enfriamiento Calentamiento Se inicia un nuevo ciclo en el que los fragmentos de partida serán los formados en el cicloa anterior. ADN polimerasa Se forman las cadenas complementarias de ADN de las hebras separadas. Nucleótidos Después de 20 ciclos de este proceso, se logra disponer de más de un millón de copias de la molécula. Enfriamiento 3.- SECUENCIACIÓN Consiste en poder determinar la secuencia de nucleótidos (bases nitrogenadas) de un fragmento de ADN •Permite identificar posibles mutaciones diagnosticar enfermedades asociadas a estas mutaciones: DIAGNÓSTICO MOLECULAR •El diagnóstico molecular permite diagnosticar la enfermedad antes de que se manifieste clínicamente lo cual puede permitir un mejor control de la misma. •Se utiliza en el diagnóstico prenatal y en la selección de embriones para evitar enfermedades hereditarias •En investigación forense, por ejemplo, identificación de individuos o en pruebas de paternidad. •En medio ambiente, por ejemplo, para la identificación de especies animales y vegetales, la conservación de recursos genéticos animales, la identificación de organismos genéticamente modificados, la identificación de especies bacterianas. Secuenciación de ADN: método Sanger Se necesita un gran cantidad de muestra, por lo clona el fragmento de ADN seleccionado. A continuación, se desnaturaliza el ADN y se obtienen cadenas simples que se incuban en un tubo de ensayo junto con el resto del material. Este método incorpora desoxirribonucleótidos, cuya incorporación a la secuencia de ADN provoca la terminación de la cadena, ya que no se puede añadir ningún ribonucleótido más al extremo en el que se incorporan. Se inicia la síntesis de nuevas cadenas de ADN que utilizan como molde el ADN que se quiere secuenciar. Las cadenas incorporan un desoxirribonucleótido por azar e interrumpen su síntesis. Al realizar miles de copias se obtienen múltiples cadenas de longitud variable, que se diferencian en un nucleótido. Al identificar los desoxirribonucleótidos terminales de las cadenas se puede “leer” la secuencia de nucleótidos del fragmento de ADN analizado. Aplicaciones de la ingeniería genética Obtención de fármacos Mejora en la producción agrícola y animal. Carpas y salmones portadores del gen de la hormona del crecimiento •Insulina •Proteínas de coagulación del suero sanguíneo. •Vacunas Terapia génica Tratamiento de enfermedades humanas: •Diabetes •Hemofilia •Parkinson Maíz resistente al frío Producción de energía Producción de sustancias terapéuticas Insulina Eliminación de metales pesados Biorremediación Producción de alimentos APLICACIONES EN MEDICINA DIAGNÓSTICO La investigación biotecnológica permitió antes de 2010, conocer la predisposión que tiene cada individuo a padecer un tipo de cáncer y detectar tumores antes de que existan, por la posibilidad de examinar los mas de 30.000 genes que tiene cada ser humano. El desarrollo de la Genómica y la Proteómica, así como la aplicación de la Biotecnología a la Medicina, ha permitido identificar genes alterados productores de enfermedades y elaborar fármacos para reducir la incidencia de patologías genéticas. La terapia génica es el proceso por el cual se TERAPIA inserta material genético en una célula, con el fin de que tenga implicaciones fenotípicas, por ej. hacer que esta produzca una proteína normal. Las utilidades van desde curar enfermedades unigénicas hasta modificar el equilibrio del sistema inmune, permitiendo la modulación de la respuesta contra cualquier antígeno. GÉNICA La terapia génica pretende curar enfermedades hereditarias, mediante la introducción de genes sanos. Es aplicable también al tratamiento de enfermedades actualmente incurables, como cánceres, hepatitis, sida, fibrosis, hemofilia, distrofia muscular, talasemia, diabetes, enfermedades neurodegenerativas, cegueras, induficiencia cardiáca, disfunción eréctil, infertilidad, terapia del dolor. La genética de los animales tiene múltiples objetivos: Aumentar el rendimiento del ganado. Producir animales con enfermedades humanas para la investigación. Elaborar fármacos, etc. •Los primeros pasos se han dado obteniendo animales clónicos. Estas nuevas razas pueden ser más resistentes y rentables. •En la actualidad, se emplean ratones transgénicos en los laboratorios de investigación. Por ej. algunos de ellos llevan genes humanos que provocan cáncer. •Se está investigando la creación de nuevas razas de animales mediante técnicas de manipulación genética. CLONACIÓN REPRODUCTIVA: OVEJA DOLLY • El equipo de Ian Wilmut, del Instituto Roslin de Edimburgo comunicó en 1997 que habían logrado una oveja por clonación a partir de una célula diferenciada de un adulto. • Esencialmente el método (que aún presenta una alta tasa de fracasos) consiste en: -obtener un óvulo de oveja, -eliminarle su núcleo, -sustituirlo por un núcleo de célula de oveja adulta (en este caso de glándula mamaria), -implantarlo en una tercera oveja que sirve como “madre de alquiler” para llevar el embarazo. • Así pues, Dolly carece de padre y es el producto de tres "madres": -la donadora del óvulo contribuye con el citoplasma (que Contiene además mitocondrias que llevan un poco de material genético), -la donadora del núcleo (aporta la mayoría del ADN), -y la que parió, que genéticamente no aporta nada. EDIMBURGO. El científico Ian Wilmut con la oveja Dolly, en una foto de 1997. E. Fernando Salcedo, M.Sc Los investigadores Stanley Cohen y Herbert Boyer : Insertaron 277 núcleos de la células adultas en otros tantos óvulos. Sólo 29 sobrevivieron. Los 29 óvulos se implantaron en el útero de 13 ovejas nodrizas. Sólo una quedo preñada y parió a Dolly. Dolly (1997-2003), la primera oveja obtenida por clonación a partir de células adultas UN LABORATORIO DE TEXAS CLONA AL PRIMER ANIMAL DOMÉSTICO. “Copycat ” es el primer gatito nacido mediante clonación. El experimento abre las puertas de la clonación masiva de animales domésticos, un fin sin explorar cuya sola posibilidad había desencadenado ya el almacenamiento de células de mascotas por parte de sus ricos propietarios. EN ESPAÑA SE CLONA AL PRIMER TORO DE LIDIA. OBTENCIÓN DE MEDICAMENTOS POR INGENIERÍA GENÉTICA Plásmido con gen insertado El gen del factor VIII, procedente de células humanas, se inserta en un plásmido. Plásmido Vaca receptora Tras el desarrollo del embrión, nacerá una vaca transgénica que portará el gen del factor VIII en sus células. Los embriones se implantan en una vaca receptora. Vaca transgénica Células embrionarias El plásmido se inserta en células embrionarias de una vaca. Vaca transgénica Cuando la cría crezca, de su leche se podrá obtener el factor VIII. Mansa (nació en 2002) Primera ternera clonada y transgénica. Produce la hormona de crecimiento humana en la leche Según Bio Sidus, el ternero modificado por vía genética posee en sus células germinales el gen de Hormona de Crecimiento Humana (hGH). Las descendientes del animal podrán producir leche que contenga esa hormona, que se utiliza para tratar a niños y adolescentes con déficit de estatura. Pampero nació hace dos semanas (Foto cortesía de Bio Sidus). La madre de Pampero es una vaca clonada por Bio Sidus, Pampa Mansa, que posee en su ADN la hormona CLONAN TERNEROS EN EE UU PARA PRODUCIR ANTICUERPOS HUMANOS (Empresa biofarmacéutica Hematech) Los anticuerpos son proteínas que se aferran a un elemento extraño que ingresa al cuerpo -como los virus y las bacterias-, para impedir su funcionamiento o para que éste sea atacado por el sistema inmunológico. Tratamiento de enfermedades del sistema inmunólógico (cáncer), y tan variables como el la otitis o la viruela hasta el antrax. CLONAN CERDOS DESTINADOS A TRASPLANTAR SUS ÓRGANOS A HUMANOS (Empresa escocesa PPL Therapeutics) La logra retirar de los cerditos el gen que provoca el rechazo en transplantes a humanos "alfa 1,3 galactosil transferasa” (ej. válvulas cardiacas, piel, hígado). SALMÓN TRANSGÉNICO Crece entre 6 y 8 veces más que un salmón normal. Se le han incorporado dos genes. Un gen de un pez plano del Ártico que no interrumpe su crecimiento en invierno Otro gen del propio salmón modificado que no interrumpe la producción del hormona del crecimiento cuando el pez llega a la madurez Por primera vez un animal genéticamente modificado fue aprobado para su consumo humano por la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA, por sus siglas en inglés). Lo que permitirá a la empresa AquaBounty Technologies empezar la comercialización de su salmón de rápido crecimiento, una creación que algunos críticos han apodado Frankenfish (año 2015) • La primera planta transgénica se desarrolló a partir de la planta del tabaco: -Evitar la floración para que no muera y siga creciendo -Disminución de la producción de productos tóxicos perjudiciales para la salud humana - Aumento de la producción de bioetanol a partir de tabaco La biotecnología ha logrado a través de las llamadas plantas transgénicas, un campo de investigación y desarrollo tan fascinante como polémico. Los alimentos transgénicos Transgen Organismo transgénico Mediante ingeniería genética se han conseguido: • • • • • • plantas resistentes a enfermedades producidas por virus, bacterias o insectos. cultivos que producen su propio insecticida o resistentes a insecticidas, tomates que conservan su frescura y sabor durante varias semanas, plantas que dan frutos de maduración muy lenta capullos donde crece algodón de colores mejora en la calidad de las semillas En el año 2014, los cultivos de transgénicos se extienden en 181,5 millones de hectáreas de 28 países, de los cuales 20 son países en vías de desarrollo. En el año 2015, en Estados Unidos, el 94 % de plantaciones de soja lo eran de variedades transgénicas, así como el 89 % del algodón y el 89 % del maíz. Áreas con cultivos de OGM en 2005. Los cinco países que producen más del 95% de OGM. Otros países con OGM's comercializados Puntos naranja: solo cultivos experimentales. Las aplicaciones farmacéuticas son otro gran punto de interés. Estas plantas son capaces de producir antibióticos, toxinas y otras sustancias que atacan a los microorganismos. LOS ALIMENTOS TRANSGÉNICOS Ventajas Soja resistente a herbicidas Café más aromático y con menos cafeína Maíz resistente a insectos Resistencia a herbicidas e insectos Arroz que produce provitamina A Mejora de la calidad Patatas que inmunizan contra enfermedades Tomate Flavr Svr Retraso en la maduración Producción de sustancias Tomates morados, con el gen de los arándanos, que les aporta propiedades anticancerígenas Tomates azules con vacunas Golden rice con vitamina A EL ABANICO DE ESTOS CULTIVOS ES MUY AMPLIO LOS ALIMENTOS TRANSGÉNICOS Desventajas Pérdida de diversidad genética Pérdida de diversidad cultivada, invasión de ecosistemas naturales Se han descrito problemas alérgicos. Hay gran desconocimiento Maleza resistente a herbicidas o bacterias resistentes a antibióticos Paso de genes transferidos a especies silvestres o tradicionales Efectos perjudiciales sobre la salud Aumento de la dependencia de países en desarrollo Las bacterias son los seres vivos más utilizados en Ingeniería Genética. La más utilizada es la Escherichia coli. Se usa prácticamente en todos los procesos. Las bacterias son microorganismos con una capacidad extraordinaria de adaptación a diferentes condiciones ambientales. La capacidad infecciosa de las bacterias radica en que poseen la información necesaria para colonizar los tejidos del huésped, invadirlos y producir la enfermedad. Por otro lado, ha permitido usarlas para la prevención y t r atamientodealgunas enfermedades. Estas posibilidades se han visto incrementadas con el desarrollo de la ingeniería genética y la disponibilidad de técnicas de biología molecular. Biorremediación La naturaleza tiene una cierta capacidad de limpieza de los elementos contaminantes. Microorganismos como levaduras, hongos o bacterias degradan una gran cantidad de sustancias tóxicas, reduciendo su carácter nocivo o incluso volviéndolas inocuas para el medio ambiente y la salud humana. La biorremediación consiste en acelerar este proceso natural para mitigar la contaminación ambiental. Los expertos en ingeniería genética creen que la utilización de organismos modificados genéticamente traerá un mayor desarrollo de la biorremediación. Los ejemplos son muy variados: •La introducción de un gen en el organismo específico para el vertido a tratar. •El desarrollo de cepas biosensoras luminiscentes, que permitirían monitorizar el proceso de degradación. •La creación de plantas transgénicas para limpiar suelos contaminados. Biorremediación Deinococcus radiodurans: De los microorganismos más resistentes a la radiación que se conocen, ha sido modificado genéticamente para que pueda consumir el tolueno y los iones de Mercurio de desperdicio nuclear altamente radiactivos OTRAS APLICACIONES EN LA BIOTECNOLOGÍA Producción de energía VACAS PRODUCTORAS DE METANO Domingo, 14 de abril de 2002 - 22:58 GMT Mapa del genoma humano en 2003 El Libro de la vida Proyecto Genoma Humano Con este mapa los científicos podrían trabajar en el descubrimiento de qué genes son responsables de enfermedades como el cáncer, la diabetes y la hipertensión Un notable logro de la Ciencia Descubrimiento del ADN cumple 50 años El País. Madrid, 26 de Marzo de 2001. Las multinacionales retiran los alimentos transgénicos del Estado español. Joaquina Prades, Madrid. La Dignidad del Hombre en Juego Manipulación genética y controversia ética. Proyecto genoma humano • El proyecto genoma humano fue un proyecto que tenía como objetivo la secuenciación de todo el ADN de un ser humano. • Secuenciar un genoma significa determinar el orden en que se disponen los cuatro nucleótidos que forman el ADN a lo largo de todas las moléculas que contiene cada célula. • El ADN humano contiene 3.000 millones de nucleótidos lo cual significaba una dura tarea. • 1988. El doctor Watson es nombrado director de la Oficina de Investigación del Genoma Humano, organismo dependiente de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH) de EEUU. Afirma que el genoma podrá estar descodificado para el año 2005 y que le costará al Gobierno alrededor de 3.000 millones de dólares. • 1990. El doctor Craig Venter, un investigador de los NIH, desarrolla un método más corto para encontrar fragmentos del genoma humano. Demuestra que, a partir de estos fragmentos, se puede identificar a los genes completos. • Mayo 1998. Venter se 'pasa' a una nueva compañía que pretende secuenciar el genoma humano en tres años, es decir, dos años antes de la fecha prevista por el proyecto estatal. La compañía se llamará Celera. • Junio 2000. En un día que el presidente Clinton califica de histórico, Venter y Collins aparcan sus diferencias y anuncian que se ha logrado el primer borrador del genoma humano secuenciado • 12 de Febrero de 2001. La empresa Celera publica la secuenciación del genoma en la revista 'Science'. El consorcio público hace lo mismo en 'Nature' El proyecto genoma humano ha permitido conocer muchas cosas: • Cuantos genes tenemos (30.000) • Como son de grandes, unos 3.000 nucleótidos de media. • Qué proporción de nuestro ADN da lugar a proteínas (2 %) • Como se organizan los genes en nuestro ADN • En que se diferencia nuestro ADN del de otras especies. • Que diferencias hay entre los distintos humanos, el 0’1 %. • Gracias al conocimiento del genoma • humano será posible en el futuro • conocer mejor algunas enfermedades y: • 1.- Diagnosticar mejor • 2.- Aplicar un tratamiento adecuado • 3.Prevenir la aparición de estas enfermedades. El genoma humano es 10 veces mas pequeño que el genoma de la salamandra Bolitoglossa subpalmata y 200 veces menor que el de la Ameba Entre una persona y otra el ADN solo difiere en 0.2% 60% idéntico De 289 genes humanos implicados en enfermedades, hay 177 cercanamente similares a los genes de Drosophila. 20% idéntico 70% idéntico 98% idéntico Humanos 30,000 genes Chimpancé 30,000 genes Ratón 30,000 genes A. thaliana 25,000 genes C. elegans 19,000 genes D. melanogaster 13,000 genes • El 7 de marzo de 2010 fue publicad en la revista Nature, una de las revistas científicas más prestigiosas del mundo, una investigación del Cinvestav Irapuato en colaboración con científicos de Estados Unidos y Francia en la cual hallaron una proteína llamada argonauta 9 con la que se podría llegar a inducir la clonación natural de las plantas, esto tendría un fuerte impacto en la industria de semillas, y algunos dicen que podría revolucionar la producción agrícola internacional.