UNIDAD 3. BIOTECNOLOGÍA. TEMA 3.1 INGENIERÍA GENÉTICA. El término “biotecnología” es relativamente nuevo para el público en general. Pero, la biotecnología está presente en la vida cotidiana más de lo que la gente se imagina. De hecho, la biotecnología es una actividad antigua, que comenzó hace miles de años cuando el hombre descubrió que al fermentar las uvas se obtenía un producto como el vino. También es biotecnología la fabricación de cerveza a partir de la fermentación de cereales que el hombre empezó a elaborar hace 4.000 años, y la fermentación de jugo de manzanas para la fabricación de sidra. En estos procesos intervienen microorganismos que transforman componentes del jugo de frutas o de cereales en alcohol. Asimismo es biotecnología la fabricación de pan mediante el uso de levaduras, la elaboración de quesos mediante el agregado de bacterias. El yogurt también es un producto que se obtiene mediante procesos biotecnológicos desde la antigüedad. Aunque en ese entonces los hombres no entendían cómo ocurrían estos procesos, ni conocían la existencia de microorganismos, podían utilizarlos para su beneficio. Estas aplicaciones constituyen lo que se conoce como biotecnología tradicional y se basa en la obtención y utilización de los productos del metabolismo de ciertos microorganismos. Se puede definir la biotecnología tradicional como “la utilización de organismos vivos para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre”. En el mundo antiguo ya se aplicaban las propiedades de las plantas para aliviar las enfermedades del ser humano. En nuestro país, las culturas prehispánicas desarrollaron un amplio conocimiento sobre los usos de las plantas. Así, se aplicó el conocimiento sobre los seres vivos, en particular las nociones sobre genética en la obtención de productos biológicos. A mediados del siglo pasado la producción de alimentos se vio incrementada por la aplicación de nuevas tecnologías para mejorar el rendimiento de los sistemas agrícolas y ganaderos. A estos cambios radicales se les llamó
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UNIDAD 3. BIOTECNOLOGÍA. - cobachenlinea.com · que el hombre empezó a elaborar hace 4.000 años, y la fermentación de jugo de manzanas para la fabricación de sidra. En estos
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UNIDAD 3. BIOTECNOLOGÍA. TEMA 3.1 INGENIERÍA GENÉTICA.
El término “biotecnología” es relativamente nuevo para el público en general. Pero, la
biotecnología está presente en la vida cotidiana más de lo que la gente se imagina. De
hecho, la biotecnología es una actividad antigua, que comenzó hace miles de años cuando
el hombre descubrió que al fermentar las uvas se obtenía un producto como el vino.
También es biotecnología la fabricación de cerveza a partir de la fermentación de cereales
que el hombre empezó a elaborar hace 4.000 años, y la fermentación de jugo de manzanas
para la fabricación de sidra. En estos procesos intervienen microorganismos que
transforman componentes del jugo de frutas o de cereales en alcohol.
Asimismo es biotecnología la fabricación de pan mediante el
uso de levaduras, la elaboración de quesos mediante el
agregado de bacterias. El yogurt también es un producto que
se obtiene mediante procesos biotecnológicos desde la
antigüedad. Aunque en ese entonces los hombres no
entendían cómo ocurrían estos procesos, ni conocían la
existencia de microorganismos, podían utilizarlos para su
beneficio. Estas aplicaciones constituyen lo que se conoce
como biotecnología tradicional y se basa en la obtención y
utilización de los productos del metabolismo de ciertos microorganismos. Se puede definir
la biotecnología tradicional como “la utilización de organismos vivos para la obtención de
un bien o servicio útil para el hombre”.
En el mundo antiguo ya se aplicaban las propiedades
de las plantas para aliviar las enfermedades del ser
humano. En nuestro país, las culturas prehispánicas
desarrollaron un amplio conocimiento sobre los usos
de las plantas. Así, se aplicó el conocimiento sobre
los seres vivos, en particular las nociones sobre
genética en la obtención de productos biológicos. A
mediados del siglo pasado la producción de
alimentos se vio incrementada por la aplicación de nuevas tecnologías para mejorar el
rendimiento de los sistemas agrícolas y ganaderos. A estos cambios radicales se les llamó
“Revolución verde” por la comunidad internacional. Por un lado, se utilizaron fertilizantes
que mejoraban la fertilidad del suelo, y por otro, se controlaron las plagas por el empleo de
insecticidas, herbicidas y fungicidas. Además, se seleccionaron genéticamente las plantas
más adecuadas y se produjeron variedades de arroz, trigo y maíz. De esta forma, la
producción se incrementó de forma espectacular y se creía que pronto desaparecerían el
hambre y la desnutrición.
A pesar de los buenos resultados en la producción de alimentos, surgieron complicaciones
inesperadas, como: la contaminación de los alimentos por el uso de agroquímicos; la
aparición de plagas resistentes a los plaguicidas; los costos más elevados que tuvieron que
absorber los pequeños agricultores; la transformación de los ambientes naturales en
sistemas de cultivo de un solo tipo o monocultivos; la pérdida de la biodiversidad; la
erosión y la desertificación del suelo; los altos costos de la irrigación y el cambio en los
patrones de consumo de la población. En la actualidad se llevan a cabo mejoramientos
genéticos en plantas y animales de importancia alimenticia. La modificación del genoma de
los seres vivos se ha hecho desde 1978, cuando la ingeniería genética ya había modificado
el genoma de bacterias, al introducir el gen humano de la insulina. Desde entonces se han
realizado modificaciones en el material genético
La biotecnología moderna.
Actualmente, los científicos comprenden
mucho más cómo ocurren los procesos
biológicos que permiten la fabricación de
productos biotecnológicos. Esto les ha
permitido desarrollar nuevas técnicas a fin de
modificar o imitar algunos de esos procesos y
lograr una variedad mucho más amplia de
productos. Los científicos hoy saben, además,
que los microorganismos sintetizan compuestos químicos y enzimas que pueden emplearse
eficientemente en procesos industriales. Estos conocimientos dieron lugar al desarrollo de
la biotecnología moderna.
La biotecnología es todo uso o alteración industrial o comercial de organismos, células o
moléculas biológicas encaminado a alcanzar metas prácticas específicas. La biotecnología
moderna genera material genético alterado mediante la ingeniería genética. En muchos
casos la ingeniería genética comprende la producción da ADN recombinante por
combinación del ADN de organismos diferentes. El ADN se transfiere entre organismos por
medio de vectores como plásmidos bacterianos, por ejemplo. Los organismos resultantes se
describen como transgénicos. Algunas de las metas principales de la ingeniería genética son
mejorar el conocimiento de la función de los genes, tratar enfermedades y mejorar la
agricultura.
La recombinación natural del ADN se lleva a cabo mediante procesos como la reproducción
sexual (durante el entrecruzamiento), la trasformación bacteriana, donde las bacterias
adquieren ADN de plásmidos y otros bacterias, y la infección viral, en la que los virus
incorporan fragmentos de ADN de sus huéspedes y transfieren los fragmentos a miembros
de la misma o de otra especie. ¿Cómo se recombina el ADN en los laboratorios de
ingeniería genética? En el laboratorio el ADN se corta en fragmentos mediante enzimas de
restricción. Estos fragmentos se insertan en un
vector, que hace posible la replicación del ADN
dentro de una célula huésped. La unión de un
fragmento de ADN y un vector produce
moléculas de ADN recombinante.
La biotecnología moderna se puede definir
como una actividad multidisciplinaria, cuyo
sustento es el conocimiento de frontera
generado en diversas disciplinas (entre otras:
biología molecular, ingeniería bioquímica,
microbiología, inmunología, bioquímica, genómica, bioinformática e ingeniería de
proteínas), que permite el estudio integral y la manipulación de los sistemas biológicos
(microbios, plantas y animales). A partir de dicho estudio integral y del uso de los sistemas
biológicos, sus productos y sus partes, la biotecnología moderna busca hacer una
utilización inteligente, respetuosa y sustentable de la biodiversidad, mediante el desarrollo
de tecnología eficaz, limpia y competitiva para facilitar la solución de problemas
importantes en sectores tales como el de la salud, el agropecuario, el industrial y del medio
ambiente. De lo anterior, se desprende que hay un conjunto de disciplinas y campos
• La Ingeniería Genética es la ciencia biológica que
trata de la manipulación de los genes. La
aplicación de los conocimientos de la Ingeniería
Genética constituye la Biotecnología.
• El ADN puede cortarse en fragmentos por medio de las enzimas de restricción. Estos
fragmentos quedan con unos extremos o bordes cohesivos, también llamados
bordes pegajosos, que hacen que se puedan unir fragmentos de distinto origen,
formando un ADN llamado recombinante.
• En Ingeniería Genética es necesario la obtención de muchas copias de fragmentos
de ADN para su estudio y manipulación. Se consigue mediante la clonación, que
puede ser "en vivo" utilizando células que actúan como agentes replicativos, o "in
vitro", mediante la PCR, (Reacción en Cadena de la Polimerasa).
• Para introducir ADN recombinante en células hospedadoras, se recurre a elementos
génicos llamados vectores génicos. Estos son los plásmidos, los bacteriófagos y los
cósmidos.
• La localización de determinados segmentos de ADN se lleva a cabo mediante
diversas técnicas, entre las que destacan las sondas de hibridación.
• La determinación de la secuencia de nucleótidos de un ADN se puede realizar por
diversos métodos, como el de Sanger o de los didesoxinucleótidos.
• La Biotecnología es importante en medicina, agricultura y ganadería y reporta una
serie de provechos, entre ellos está la síntesis de productos necesarios para la vida,
diagnosis y remedio de muchas enfermedades, la prevención de enfermedades
hereditarias y la consecución de plantas y animales transgénicos.
• El estudio del genoma humano, gracias a la tecnología de la ingeniería genética,
completado en junio de 2000 abre un campo imposible de predecir y cuya finalidad
es producir mejoras en la humanidad.
• Todas estas investigaciones y aplicaciones, deben ser realizadas teniendo en cuenta
las normas universales de la ética, la dignidad humana y la conservación de la
naturaleza, constituyendo un patrimonio común a todos los pueblos.
La ingeniería genética es una técnica que consiste en la introducción de genes en el
genoma de un individuo que carece de ellos. 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 un un ADN
receptor. Por ejemplo, la integración de un ADN vírico en un ADN celular.
Técnicas biotecnológicas de la Ingeniería genética.
La ingeniería genética incluye un conjunto de técnicas biotecnológicas, entre las que
destacan:
• la tecnología del ADN recombinante: con la que es posible aislar y manipular un
fragmento de ADN de un organismo para introducirlo en otro.
• La secuenciación del ADN: Técnica que permite saber el orden o secuencia de los
nucleótidos que forman parte de un gen.
• la reacción en cadena de la polimerasa (PCR): con la que se 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.
• las aplicaciones de la ingeniería genética: Son numerosas las aplicaciones prácticas
y comerciales de la ingeniería genética.
Se abre un campo que nos ofrece además la posibilidad de utilizar plantas y animales
transgénicos así como microorganismos modificados genéticamente para producir
fármacos u otros productos de utilidad para el hombre, entre los que se pueden citar: la
insulina humana, la hormona del crecimiento, interferones, la obtención de nuevas vacunas o la clonación de animales. Una puerta abierta que no nos debe hacer olvidar el impacto
perjudicial que un uso inadecuado podría provocar en el ser humano y en el propio planeta.
La ingeniería genética puede definirse como un conjunto de técnicas, nacidas de la Biología molecular, que permiten
manipular el genoma de un ser vivo.
Esta tecnología nos permite obtener fragmentos de ADN en cantidades ilimitadas, que
llevará además el gen o los genes que se desee. Este ADN puede incorporarse a las células
de otros organismos (vegetales, animales, bacterias...) en los que se podrá "expresar" la
información de dichos genes. (De una manera muy simple podemos decir que "cortamos"
un gen humano y se lo "pegamos" al ADN de una bacteria; si por ejemplo es el gen que
regula la fabricación de insulina, lo que haríamos al ponérselo a una bacteria es "obligar" a
ésta a que fabrique la insulina. Por lo tanto en la tecnología del ADN recombinante
podemos diferenciar cuatro etapas básicas:
1. Corte específico del ADN en fragmentos pequeños y manejables mediante la
utilización de un tipo de enzimas conocidas como enzimas de restricción que
pueden considerarse como las "tijeras moleculares". Estas enzimas se aislaron en
bacterias y se identifican con distintos nombres, siendo lo característico de ellas
estos dos principios:
o Cada enzima de restricción reconoce una secuencia específica de
nucleótidos y corta en ese punto cada una de las cadenas de ADN.
o Los extremos libres que quedan se llaman extremos pegajosos, porque
pueden unirse a otros fragmentos de ADN que hayan sido cortados por la
misma enzima de restricción.
En los siguientes dibujos puede verse como actuarían estas enzimas.
En este esquema se indica el lugar en el que corta la enzima de restricción. Se aprecia la actuación en ambas hebras.
En este esquema se ve el resultado de la actuación de la enzima de restricción.
Ha quedado rota la molécula de ADN, quedando unos bordes pegajosos
por donde puede unirse este ADN, con otro aunque sea de una especie
diferente.
Los fragmentos obtenidos después de la actuación de las distintas enzimas de restricción,
se pueden separar por tamaños, es decir, según el número de pares de nucleótidos que
llevan, mediante la técnica de electroforesis y así estudiar los distintos trozos. Según donde
se hallen las secuencias de reconocimiento, un gen determinado puede estar fragmentado
en varios trozos, o bien un trozo puede contener varios genes, posibilidades que hay que
confirmar.
En el proceso de la electroforesis se prepara una mezcla de fragmentos de ADN y se ponen
en distintas soluciones. Los fragmentos se desplazan en relación inversa con su tamaño, los
fragmentos más pequeños se mueven rápidamente, mientras que los grandes lo hacen muy
lentamente.
Inserción de los fragmentos de ADN. Esta inserción se realiza en vectores de clonado,
que son los agentes transportadores capaces de introducirlos en las células hospedadoras.
Los vectores de clonación son pequeñas moléculas de ADN, que tienen capacidad para
autorreplicarse dentro de las células hospedadoras. Se utilizan con frecuencia dos tipos de
vectores de clonación: plásmidos y virus. de introducirlos en las células hospedadoras.
• Plásmidos. Son moléculas de ADN circular, con un tamaño menor que el del
cromosoma. Se replican con independencia del cromosoma bacteriano ya que
tienen su propio origen de replicación.
En esta secuencia de dibujos se puede ver
como se realiza la inserción de un gen en
un plásmido.
En la figura tenemos un gen(color rojo)
que interesa insertar en un plásmido
(color turquesa)
En la figura, vemos como una enzima de
restricción ha cortado el gen y el plásmido,
quedando unos bordes cohesivos o
pegajosos.
La unión del ADN que contiene el
gen que se desea clonar con el
vector de clonación, se realiza por
medio de otras enzimas,
denominadas ADN-ligasas, que
unen ambos trozos de ADN. El
resultado es una molécula de ADN
recombinante, ya que contiene
fragmentos de ADN de distinta
procedencia.
• Bacteriófagos. El proceso es similar, se trata de insertar el gen deseado en un
fragmento de ADN vírico (figura d) Posteriormente se ensamblarán las distintas
partes del virus (figura e). Así quedará el virus completo(figura f). En el siguiente
paso se insertará este ADN por el proceso de la TRANSDUCCIÓN.
figura d
figura e
figura f
Aquí tienes otro pequeño juego para que construyas tu virus. Tienes dos moléculas de ADN
Son plasmidos que contienen el fragmento de ADN deseado que posee un borde cohesivo
procedente del genoma del fago lambda (extremo cos)y se empaqueta en el interior de un
fago. Se construye el cssmido uniendo los tres elementos ginicos, y el resultado final es
poder introducir en la cilula receptora fragmentos largos de ADN.
Además del origen de replicación, los vectores de clonación deben llevar otros genes
denominados marcadores
• Genes de resistencia a antibióticos. Sirven para identificar bacterias que contienen
el vector de clonación, porque estas bacterias serán resistentes al antibiótico del gen
marcador.
, que sirven para identificar las células que contienen el vector de
clonación. Se suelen utilizar como marcadores, genes de resistencia a antibióticos y genes
de bioluminiscencia.
• Genes de luminiscencia.. En este caso, la célula que contenga el gen que se quiere
clonar, tendrá la propiedad de emitir luz, ya que el marcador que se le incorpora
determina que se exprese esa característica. Este sistema se emplea cuando la célula
hospedadora es una célula eucariota.
Métodos de introducción del vector. El siguiente paso será introducir el vector de
clonación que contiene el gen que se quiere clonar en la célula hospedadora, para que ésta,
al multiplicarse, origine un clon celular
que lleve el gen concreto. Existen varios métodos
que dependerán del tipo de célula fundamentalmente.
En bacterias (células procariotas), mediante estos procesos:
• Transformación. Ocurre espontáneamente en ciertos tipos de bacterias y se
consigue artificialmente sometiendo a la célula bacteriana a tratamientos físicos y
químicos. La célula capta moléculas de ADN que se encuentran en el medio externo,
las introduce en su interior y las incorpora a su genoma. En las siguiente animación
puede verse el proceso.
• Transducción. Este método consiste en introducir el ADN en la célula hospedadora
mediante un virus, utilizando como vector de clonación el genoma del virus. En la
siguiente figura puede verse el proceso en tres etapas. El número 1 corresponde al
virus aproximándose a una bacteria. Se puede observar como lleva un genoma ya
con el gen que interesa clonar. El siguiente
momento 2, corresponde al contacto entre el virus
y la pared bacteriana, en cuya zona de contacto se
produce un poro por donde como vemos en la
etapa 3, el virus inyecta su ADN al interior de la
célula bacteriana.
CLONADO DEL ADN
Clonado del ADN. Una vez que se ha conseguido la población de bacterias transformadas,
(recuerda que llevan además del gen de interés un gen por ejemplo de resistencia a un
antibiótico por ejemplo un gen de resistencia a la ampicilina), por lo que las bacterias que
se consideran transformadas, serán aquellas que sobrevivan.
El siguiente paso es poner a las bacterias en un medio de cultivo apropiado para que se
multipliquen. A la vez que se reproducen las bacterias lo hace también el plásmido con el
gen que interesa, el resultado es que se obtiene un clon de células que llevan todas ese gen
de interés. Se pueden formar por tanto diferentes clones con genes de interés para el
hombre. Este conjunto de clones se denomina biblioteca genómica.
Otra técnica propia de la Ingeniería Genética es la determinación de la secuencia de
nucleótidos de un ADN, conocida como secuenciación de dicho ácido nucléico.
Se ha conseguido gracias a las enzimas de restricción y a la posibilidad de obtener
numerosas copias de un ácido nucléico por clonación
Se pueden conseguir muchos fragmentos , de diversos tamaños y lo que se trata es de
recomponer la molécula original como si se tratase de un puzzle.
.
Así se han secuenciado genes, desde virus hasta el genoma humano.
El método más usado para la secuenciación es el conocido como técnica de terminación
de cadena de Sanger, la cual se ha perfeccionado conociéndose actualmente como la
técnica del didesoxi.
Se denomina así por ser necesario los didesoxirribonucleótidos
(figura 1), que han perdido
su grupo alcohol OH del carbono 3'. En la figura 2 vemos un nucleótido normal con el
grupo alcohol en el carbono 3'.
Figura 1
Figura 2
Como los nucleótidos se unen por este grupo OH del carbono 3', hay que pensar que si nos
encontramos con un didesoxinucleótido será imposible que se una otro nucleótido y la
cadena terminará aquí. Figura 3 (Es necesario tener esto presente para comprender la
técnica del didesoxi)
Figura 3
Abreviadamente, éste sería el método a seguir:Como la técnica se basa en la síntesis de
ADN, para hacer la reacción de secuenciación se necesita:
• Como "molde" se utiliza una de las cadenas del fragmento de ADN que se va a
secuenciar.
• Como "cebador" para iniciar la síntesis, se necesita un corto oligonucleótido
complementario del extremo de la cadena.
• desoxinucleótidos de las cuatro bases: dAMP, dTMP, dGMP, dCMP.
• didesoxinucleótidos de una base en cada una de las cuatro reacciones de
secuenciación.
Al añadir la ADN-polimerasa, comienza la polimerización en el cebador, pero cesa el
incorporarse un didesoxinucleótido (Figura 4).
Figura 4
Se produce un conjunto de cadenas dobles cuyas longitudes dependen de la situación del
didesoxinucleótido incorporado. En el caso expuesto en el dibujo, esta reacción de
secuenciación se hace con un didesoxi de ADENINA, lo que significa que cuando se
incorpore esta Adenina no podrá continuarse la polimerización de nuevos nucleótidos, nos
queda por tanto un pequeño fragmento de ADN que termina en la ADENINA, lo que nos
dice que en el ADN original, en ese lugar estará el nucleótido complementario que lleva
TIMINA.
En el caso expuesto deducimos tres fragmentos con 5, 10 y 14 nucleótidos (sin contar el
cebador) en cuyos extremos tenemos ADENINA, nos permite interpretar que en el ADN
original, en esas situtaciones tendremos TIMINA.
Deben prepararse cuatro reacciones de secuenciación, cada una con un didesoxi distinto .
Los fragmentos resultantes se separan por tamaño mediante electroforesis, se
autorradiografían, y la sucesión de bandas de cada una de las cuatro reacciones,
comparándolas entre sí,dan la secuencia del ADN. (Figura 5)
Es una técnica que permite duplicar un número ilimitado de veces un fragmento de ADN en un tubo de ensayo. Mediante esta técnica pueden generarse millones de moléculas idénticas, a partir de una molécula de ADN. Esto se puede conseguir en unas horas. La reacción es muy sencilla, necesita cantidades de ADN muy pequeñas y sólo se precisa un tubo de ensayo, algunos reactivos, una fuente de calor y unas pequeñas cadena de nucleótidos que actúan como cebadores. La reacción es un proceso cíclico:
1. La molécula de ADN que va a copiarse se calienta para que se desnaturalice y se separe las dos hebras.
2. Cada una de las hebras es copiada por la ADN-polimerasa. (Se utiliza la ADN-polimerasa de una bacteria que vive en aguas termales, Thermus aquaticus
3. Las cadenas recién formadas son separadas de nuevo por el calor y comienza otro nuevo ciclo de copias. Estos ciclos se repiten hasta que se
, así la enzima puede trabajar a altas temperaturas).