Biotecnología

biotecnología

Índice

¿Qué es la biotecnología?

Ingeniería genética - Conceptos básicos

Herramientas moleculares

Técnicas

Aplicaciones

Biotecnología y sociedad

Autoria de imágenes

Funcionamiento de los ecosistemas y ciclos biogeoquímicos

¿Qué es la biotecnología?

Rama de las ciencias biológicas que emplea sistemas biológicos, organismos vivos o sus derivados para desarrollar distimtas aplicaciones

Derivados de organismos vivos Son componentes biológicos inertes que son útiles en procesos industriales, herramientas moleculares,... Vemos:

• Enzimas
• Proteínas
• ARN
• Lípidos

Organismos vivos Se cultivan organismos vivos, en el medio natural o en condiciones controladas, para conseguir unas características deseadas o controlar una determinada acción (biorremediación).

• Organismos naturales, son aislados del medio y seleccionados por sus características naturales. No son modificados

• Organismos modificados genéticamente

Sistemas biológicos Por ejemplo los virus. Son empleados como vectores para modificar genéticamente células hospedadoras.

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Ingeniería genética

Actualmente la ingeniería genética representa el principal conjunto de técnicas en el campo de la biotecnología. La ingeniería genética es la rama de la genética que, mediante un conjunto de técnicas, se dedica a manipular/modificar el material genético y /o transferirlo a otros organismos, con el fin de obtener productos específicos con una determinada utilidad.

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Conceptos básicos

Organismo modificado genéticamente . Organismos que han sido modificados genéticamente. Se emplean técnicas que permiten eliminar, modificar o insertar partes del ADN de un ser vivo (bacteria, virus, planta o animal) para introducirlo en el de otro. Organismo transgénico. Incluye únicamente a aquellos organismos a los que se les ha introducido ADN que no pertenece a su genoma original, es decir, exógeno. Todos los transgénicos con organismos modificados genéticamente pero no todos los organismos modificados genéticamente son transgénicos.

Plantas resistentes

Bacterias productoras de insulina humana

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Tomates de dos variedades de transgénicos frente a variedad estandar. A los 10, 20 y 45 días de recolección.

Conceptos básicos

Célula hospedadora. Células en las que se inserta el gen a manipular. Los organismos más empleados son tanto procariotas (Escherichia coli, Bacillus subtilis) como eucariotas (Saccharomyces cerevisiae) Materias primas moleculares. Fragmentos de ADN que codifica una determinada característica de interés. Formados por oligonucleótidos sintéticos de cadena simple que se generan en una secuencia deseada en laboratorio. Se pueden obtener genes deseados, cebadores o fragmentos para la secuenciación. Secuenciación. Determinación de la secuencia de nucleótidos de un fragmento de ADN. ADN recombinante. Molécula de ADN generada de forma artificial por unión de dos secuencias procedentes de dos organismos distintos. Clonación. Generación de dos organismos idénticos genéticamente. Gen marcador. Es un segmento de ADN usado como indicador o punto de referencia. Son empleados para identificar los organismos modificados genéticamente.

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Herramientas moleculares

Enzimas. Son empleadas las enzimas que poseen las células para replicar su información genética.

• Endonucleasas de restricción. Catalizan el corte del ADN en una secuencia concreta.
• Ligasas. Catalizan la unión de framentos de ADN
• Transcriptasa inversa. Para sintetizar ADN bicatenario a partir de ARNm

Vectores de clonación. Son moléculas en las que se introduce el fragmento de ADN de interés para posteriormente introducirlo en las células hospedadoras. Tipos de vectores

• Plásmidos y bacteriófagos en procariotas
• Virus en eucariotas. Virus modificados cuyo ADN en el interior celular se expresa.

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Técnicas de ingeniería genética

• Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)
• Secuenciación del ADN

• Tecnología CRISPR
• Clonación

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PCR (Reacción en cadena de la polimerasa)

Técnica ampliamente empleada en biotecnología, diseñada en los años ochenta del siglo XX, consiste en amplificar o multiplicar un fragmento de ADN para posteriormente poder analizarlo. La técnica en sí no es un análisis.

Material necesario:

• ADN polimerasas (resistentes a altas temperaturas)
• Cebadores (primers)
• Desoxirribonucleótidos
• Termociclador

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AlineamientoLos cebadores se hibridan con las secuencias 3'

ElongaciónSíntesis de las cadenas de ADN complementarias a la cadena molde

DesnaturalizaciónLa temperatura se eleva a 95-98º para separar las hebras.

Esta multiplicación se sucede de modo exponencial

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Secuenciación

Mediante esta técnica se busca conocer la secuencia de nucleótidos que forman un fragmento de ADN (qué nucleótidos y el orden en que se disponen). El método más empleado es el método de Sanger.

Materiales:

• ADN polimerasa
• Cebador
• Los 4 tipos de desoxirribonucleótidos
• Además, se incorporan los 4 tipos de desoxirribonucleótidos pero a los que se les ha eliminado el grupo hidroxilo del C3 marcados cada uno de ellos por fluorescencia con un color diferente (tras ellos no podrá añadirse ningún otro nucleótido, generarán el paro de la cadena)

Fase reacción de polimerización.La polimerasa copia la cadena de ADN a estudio (usa de molde la cadena 3'-5'). De forma aleatoria irá colocando los nucleótidos terminadores / fluorescentes. De modo que obtendremos cadenas de diferente longitud que nos chivarán el nucleótido terminador. Por azar, se recogerán todas las combinaciones posibles de modo que tendremos cadenas de todas las longitudes en las que nos chivarán el último nucleótido.

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Fase de separación de fragmentos por electroforesisSe realizará una electroforesis de todos los fragmentos con el fin de separarlos. En el gel los fragmentos van a migrar según el tamaño.

• El fragmento de menor tamaño es el que mayor migración presenta. Nos indicará el primer nucleótido.
• Así sucesivamente

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ADN RECOMBINANTE

El ADN recombinante se origina cuando introducimos una secuencia de ADN de un organismo en otro organismo que carecía de ella.

Fases:

• Obtención y preparación del gen a clonar. Para ello se lisa la célula y se extrae el fragmento mediante enzimas de restricción.
• Obtención y preparación del vector. Construcción de la quimera. Los plásmidos son los más comunes. Se inserta el ADN de interés en el vector. En paralelo se marcan para su rápida identificación a posteriori (fluorescencia, resistencias,...)
• Cultivo celular y propagación
• Detección y selección de clones recombinantes

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CLONACIÓN

La clonación es la generación de organismos genéticamente iguales. Casos de clonación natural:

• Reproducción asexual
• Partenogénesis

Gracias a la ingeniería genética se puede lograr la clonación en organismos con reproducción sexual.

Clonación terapeútica

Clonación reproductiva

En la clonación terapeútica se persigue generar células madre embrionarias, genéticamente idénticas a un individuo, para disponer de tejidos o de órganos. El embrión no se implanta, las células se recolectan y cultivan.

En la clonación reproductiva se busca generar un organismo completo idéntico a otro ya existente

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CRISPR ("Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats" repeticiones palidrómicas cortas interespaciadas agrupadas regularmente)

Técnica de edición genética basada en un mecanismo natural de defensa de algunas bacterias. Estas bacterias tienen la capacidad de reconocer secuencias específicas de los virus para atacarlos y destruirlos. Es así porque contienen el material genético de los virus que han atacado a las bacterias en el pasado, por eso permiten reconocer si se repite la infección y defenderse ante ella cortando el ADN de los invasores.

Contienen:

• Un grupo de secuencias de DNA repetidas varias veces y agrupadas (CRISPR) separadas regularmente.
• Unas proteínas con actividad endonucleasa (Cas, del inglés “CRISPR-associated sequence”, secuencias asociadas a CRISPR) capaces de cortar el ADN

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¿Cómo funciona? CRISPR/Cas es un sistema de defensa. Cuando la bacteria es infectada por un fago no bloquea su entrada, ni aborta la infección. Lo que hace es incorporar parte del DNA del virus (o de un plásmido), éste se incorpora como secuencia espaciador en el genoma de la bacteria entre las secuencias CRISPR. Posteriormente, se transcribe y se produce un RNA de interferencia que contiene esa secuencia CRISPR espaciadora incorporada. Este RNA es capaz de guiar a las enzimas Cas hacia una secuencia de DNA complementaria. De modo que si en un futuro entra un nuevo virus similar al anterior que infecte la bacteria, las enzimas CAS son guiadas por el ARN y acuden a degradarlo. Las enzimas Cas, por tanto, son guiadas por el RNA y cortan y empalman el DNA donde le “dice” el RNA, defendiendo a la bacterias de futuras infecciones.

Francisco Juan Martínez Mojica descubre las secuencias CRISPR

Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna aplicaron esta herramienta a la edición de genes

Con este mismo razonamiento se desarrolla una ténica de edición genética.

Pasos:

1. Se diseña el ARN guía. Es un ARN complementario a la secuencia de ADN de interés donde queremos que actúe la enzima. El ARN guiará a la enzima CAS para localizar el fragmento de ADN y realizar el corte
2. A continuación podemos o eliminar el fragmento y cerar el ADN, o introducir en ese corte un gen de interés o modificar la secuencia.

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APLICACIONES

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Biotecnología amarilla. Aplicada a la industria de los alimentos

Cuando un agricultor o agricultora seleccionaba una determinada variedad de planta por ser resistente o crecer más rápido, o cuando un ganadero o ganadera criaba una raza de un animal para obtener mayor producción, estaban realizando selección genética aplicada a la mejora de la alimentación. Estaban seleccionando características que de forma natural encontraban en las poblaciones con el fin de mejorar el rendimiento.

En la actualidad, el desarrollo de la genética ha permitido la modificación del ADN lo que permite, no solo disponer de las características naturales que ya estan presenten en los organismos sino, modificar o añadir características nuevas.

Maíz transgénico BT con gen bacteriano productor de toxina insecticida para la polilla que ataca al maíz

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Biotecnología blanca. Mejora en los procesos industriales

Industria farmaceútica. Es muy común el empleo de organismos modificados genéticamente para que elaboren algún producto químico de interés farmacológico.

• Antibióticos, hormonas, enzimas, vitaminas,...
• Vacunas. Mediante microorganismos atenuados o parte de ellos
• Sueros con anticuerpos específicos

Industria de la alimentación. Tanto para alimentos completos como el pan o el vino, como para aditivos, complementos,...Destacamos:

• Saccharomyces cerevisiea (pan, vino, cerveza,..)
• Lactobacillus (L. bulgaricus, L. casei, L. bifidus para productos lácteos)
• Streptococcus (S. termofilus) productos lácteos
• Penicillium camemberti, Penicillium roqueforti para aromas y texturas en quesos

Industria química

• Enzimas en detergentes
• Disolventes
• Plásticos
• Resinas
• ....

Industria energética. Desarrollo de combustibles alternativos.

• Bioaceites (diesel)
• Bioetanol por fermentación
• Biogás obtención de CO2 y metano por fermentación

Industria minera. Para el bioprocesado por hongos y bacterias. Destacar que en ocasiones los avances generan que un yacimiento que no podía ser explotado pueda serlo.

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Biotecnología roja. Comprende todas las aplicaciones relacionadas con la salud humana

Transplantes de tejidos y órganos

• Clonación terapeútica para generar células madre
• Xenotrasplantes obtenidos gracias a organismos transgénicos o a clonación reproductiva

Legal y forense. Desarrollo de técnicas innovadoras para identificar muestras. Uso de marcadores genéticos, PCR, ...

Investigación biomédica. Para estudios muy diversos de enfermedades, tratamientos, terapias,...

Terapia génica.

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Terapia génica.

Para que se pueda aplicar la terapia génica se deben cumplir unas condiciones concretas como que el daño genético esté muy focalizado (en un tejido o tipo celular, y afecte a un gen concreto) y el gen no esté modulado por señales celulares.

Terapia in vivo

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Terapia ex vivo

Los genes son introducidos mediante vectores, generalmente virus

Terapia in vivo

Los genes son introducidos directamente en los tejidos afectados

Terapia in situ

Se extrae previamente las células afectadas y sobre ellas se realizan las intervenciones genéticas. Posteriormente son introducidas.

Terapia ex vivo

Biotecnología gris. Para mejorar el ambiente

• Depuración de aguas residuales. En las depuradores existen tratamientos químicos, físicos y biológicos que tratan de devolver al agua las mejores condiciones posibles después de su uso. Los microorganismos son empleados por su capacudad de oxidar o descomponer los contaminantes.

• Biorremediación. Se emplean organismos vivos para recuperar zonas dañadas medioambientalmente.

• Compost. Se emplean organismos descomponedores

• Bioplásticos. Organismos modificados genéticamente para la elaboración de polímeros biodegradables

• Recuperación de especies en peligro de extinción. Mediante las técnicas de clonación reproducitiva. Especies e peligro o incluso expecies ya extintas.

El funcionamiento de los ecosistemas

MICROORGANIMES PLANCTÒNICS: Viuen en suspensió en l’aigua. Exemples: cianobacteris o algues microscòpiques com les diatomees. MICROORGANISMES SAPRÒFITS: Creixen sobre restes de matèria orgànica que van descomponent. Així viuen els fongs i en concret Sacharomyces cerevisiae que viu sobre la pell del raïm. Un altre exemple són bacteris del nitrogen, com Nitrosomonas o Nitrobacter que transformen restes de materia orgánica en inorgánica. MICROORGANISMES SIMBIÒTICS1 MUTUALISTES: Viuen associats intimament a altres organismes, obtenint així benefici mutu. Exemples: Els bacteris del gènere Rhizobium amb moltes plantes. Escherichia coli és un bacteri molt important de la nostra microbiota intestinal, que ens permet obtindre vitamines. No obstant això, algunes variants són patògenes i per tant actuarien com a paràsits. MICROORGANISMES (SIMBIÒTICS) PARÀSITS: Es desenvolupen en el cos d’un altre organisme, originant malalties. Ací també hem incloure els virus, que són paràsits intracel·lulars obligats MICROORGANISMES SIMBIÒTICS COMENSALS: En aquesta relació, l’hoste ni es veu perjudicat ni beneficiat, mentre que el microbi sí. Alguns microbis de la nostra microbiota es consideren comensals, com per exemple el fong Candida albicans, que en determinades situacions pot esdevindre un patògen (per això és diu que és un patògen oportunista).

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Biotecnología violeta o púrpura. Abarca las áreas de Propiedad intelectual y bioseguridad. Incluye todas las cuestiones bioéticas y de propiedad intelectual, desde la implementación de normas de bioseguridad hasta la generación de patentes

Biotecnología verde. Comprende las aplicaciones en agricultura, mejoramiento de cultivos. Busca soluciones más sostenibles medioambientalmente. Sector agrícola y ambiental.

Biotecnología marrón. Se utiliza en aplicaciones veterinarias. desarrollo de fármacos, vacunas y pruebas de diagnóstico para animales

Biotecnología azul. Se aplica en ambientes marinos o acuáticos. Mejora en la acuicultura

Biotecnología dorada. Es la que usa bioinformática y nanotecnología. trabaja en el desarrollo de la bioinformática y la nanotecnología, mediante, por ejemplo, la creación de bancos de datos, como lo es el Banco Nacional de Datos Genéticos, y el desarrollo de nanopartículas capaces de transportar fármacos dirigidos a tejidos específicos para determinados tratamientos.

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BIOTECNOLOGÍA Y SOCIEDAD

Bioética Es la rama de la ética dedicada a promover los principios para la conducta más apropiada del ser humano con respecto a la vida, tanto de la vida humana como del resto de seres vivos, así como al ambiente en el que pueden darse condiciones aceptables para la misma.

Comité de bioética. Formado por un grupo interdisciplinar cuya función es debatir, deliberar y argumentar sobre distintos dilemas morales con el fin de poder aplicar debidamente estos principios. En España en 2007 se crea el comité de Investigación bioquímica.

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Principios

¿Deberían indicarnos si un alimento tiene algún ingrediente transgénico? ¿Debemos conocer de qué se alimenta el ganado o los animales que consumimos? ¿Permitirías la clonación de un humano? ¿Y si ese humano es un familiar que se ha muerto? ¿Si es un niño? ¿Y un perro? ¿Las patentes son necesarias?

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funcionamiento de los ecosistemas

Tipo de vida microorganismos

Como los organismos Planctónicos. Viven en suspensión en el agua. Ej.: cianobacterias o algas microsco opicas como las diatomeas. El plancton está formado por organismos fotoautótrofos que captan CO2 y producen O2

Son denominados saprófitos. Crecen sobre restos de materia orgánica. Encontramos a los hongos como las levaduras del genero Sacharomyces o bacteruas del nitrógeno como Nitrosomonas o Nitrobacter

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Tipos de simbiosis

• Mutualismo. Ambas organismos asociados se benefician. Ej.: bacteris del gènere Rhizobium con algunas plantas, las plantas son capaces de tolerar mejor la sequía.
• Parasitismo. Una de las partes se beneficia (parásito) a costa de la otra especie (huésped) que sufre algún tipo de perjuicio o daño. Ej.: organismos que forman nuestra flora intestinal
• Comensalismo. Una especie es beneficiada pero la otra especie no sufre ningún tipo de perjuicio o daño. Ej.: algunos microorganismos de nuestra microbiota

Comensalismo. Remoras aprovechan el desplazamiento

Comensalismo

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Mutualismo. Protección.

Tipo de metabolismo

Según su fuente de carbono:

• Autótrofo: carbono inorgánio (CO2).
• Heterótrofo: carbono orgánico

Según la fuente de energía utilizada:

• Fotótrofos: energía lumínica
• Quimiótrofos: energía química

Según las necesidades de oxígeno:

• Aerobios: necesitan oxígeno obligatoriamente (respiración aerobia).
• Anaerobios facultativos: emplean oxígeno en caso de tener, pero si no tienen realitzan fermentación.
• Anaerobios aerotolerantes: no pueden utilitzar el oxígeno pero poden vivir en un medio donde esté presente. Como las bacterias del yogurt.
• Anaerobios estrictos: no pueden vivir en presencia de oxígeno (habitan en el tubo digestivo)

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Organismos acuáticos según la zona dónde habitan

En los fondos marinos o lacustres, donde no llega la luz del sol, destacamos los organismos quimioautótrofos. Estos organsimos son productores, sintetizan materia orgánica a partir de materia inorgánica.

ciclos biogeoquímicos

Conjunto de movimientos y transformaciones que hacen los elementos químicos entre la geosfera, hidrosfera, atmósfera y biosfera. Los principales ciclos biogeoquímicos son el del Carbono, Nitrógeno, Oxígeno, Azufre y Fósforo. Los microorganismos son muy importantes en los ciclos porque actuan como:

• Fijadores de Carbono y de Nitrógeno atmosférico.
• Descomponedores, transformando materia orgánica en inorgánica.
• Liberan O2 (fotoautótrofos) y N2 a la atmósfera (desnitrificantes).

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Ciclo del Nitrógeno El N2 puede ser fijado por algunos microorganismos y pasar a los productores. De los productores a los consumidores. Los restos con nitrógeno son transformados por microorganismos en nitratos que vuelven a absorber las plantas. Algunas bacterias pueden liberar nitrógeno a la atmósfera (desnitrificación). En las fábricas además se puede producir óxidos de nitrógeno que acaba en la atmósfera. Puede volver a la Tierra en forma de lluvia ácida. El abono añade compuestos nitrogenados.

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Ciclo del Carbono El CO2 es captado por los organismos autótrofos (algunos son microorganismos como por ejemplo las cianobacterias o las algas unicelulares) y lo transforman en materia orgánica (fijación). La materia orgánica pasa a los consumidores. Los restos de todos los seres vivos pasan a los descomponedores (muchos son microorganismos). Los diferentes organismos liberan CO2 mediante la respiración.

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