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BIOTECNOLOGÍA

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1.- BIOTECNOLOGÍA• BIOTECNOLOGÍA: Técnicas para obtención de productos útiles para las personas a partir de seres vivos,

sus partes o productos.

Biotecnología tradicional. Utilizadas desde antigüedad. Fermentaciones microbianas → elaborar pan, vino,..

Biotecnología moderna. Técnicas de ingeniería genética y manipulación del ADN

Biotecnología contemporánea. Avances recientes. Reprogramación nuclear, nanotecnología clonación, …

Las técnicas biotecnológicas inciden sobre diversos sectores (“Colores de la biotecnología”)

2. LA INGENIERÍA GENÉTICAINGENIERÍA GENÉTICA: Conjunto de técnicas que permiten la manipulación y la transferencia de genes de

un organismo a otro. Se obtienen organismos genéticamente modificados.Para ello se introduce material genético foráneo en las células (cortar, aislar, pegar, reproducir y secuenciar fragmentos de

ADN) → Se alteran las características de las células.

Pasos:

- Obtención fragmento de ADN que interesa. Ej.- gen de la insulina.

- Insertarlo en otro fragmento de ADN → Formar ADN recombinante

- Introducir este ADN recombinante en el organismo receptor → Formar organismo transgénico.

Herramientas:

- Endonucleasas de restricción. Enzimas bacterianas (destruye ADN vírico) que cortan fragmentos de ADN de cualquier organismo. Corta ambas cadenas de ADN en puntos específicos. Originan fragmentos con extremos de una sola cadena (extremos cohesivos)

- ADN ligasas. Enzimas que unen fragmentos de ADN y forman una cadena continua

- Vectores de clonación. Vehículos capaces de introducir un ADN extraño en una célula huésped y de replicarse en ella

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2.2. La clonación del ADNObtener copias de un gen para modificar y/o transferir ese gen de un donante a un receptor diferente.

• Clonación: Procedimiento que permite la obtención de gran cantidad de copias de un fragmento específico de ADN.

Se puede realizar utilizando células o sin ellas (PCR).

• Con utilización de células: Inserción del fragmento de ADN en un vector de clonación (medios biológicos utilizados para introducir material genético en una célula) y transformación de la célula huésped con dicho ADN.

• Además se obtienen genotecas de ADN (guardar todo el ADN de un organismo)

TIPOS DE VECTORES:

- Plásmidos. Fragmentos de ADN circular bacteriano extracromosómico. (genes resistencia)

- Cósmidos. Plásmidos con extremos complementarios del genoma del fago λ

- Fagos. Virus que infectan bacterias.

PROCESO DE CLONACIÓN

1. Obtención del plásmido recombinante

2. Transformación de las bacterias

3. Selección de las bacterias transformadas

4. Crecimiento de las bacterias transformadas

5. Aislamiento de los plásmidos recombinantes

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2.3. REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR)

• Sin células (PCR): Técnica que permite la amplificación in vitro de cualquier fragmento de ADN con gran rapidez y precisión.

Requerimientos:

- ADN diana (que se va a clonar)

- Desoxirribonucleótidos de A, G, C, T.

- Cebadores (dos segmentos específicos de ADN monocatenario)

- ADN polimerasa termorresistente. (bacterias termófilas)

Etapas:

- Desnaturalización del ADN. (calentar a 80 º C para separar la doble hélice)

- Hibridación de los cebadores. (enfriar y añadir cebadores)

- Síntesis de ADN: Elongación de la cadena. (adición de ADN polimerasa)

Aplicaciones de la PCR:

- Detección microorganismos patógenos en etapas tempranas de infección Se amplifica el ADN del microorganismo para posibilitar su detección

- Ampliar ADN de muestras minúsculas. Obtención de huella genética de ADN. Ej.- medicina forense.

- Relaciones evolutivas entre especies.

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2.4. Expresión de genes clonadosObtención de grandes cantidades de proteínas

• Utilización de:

ADN recombinante → con el gen de la proteína

Vectores de expresión → Permiten que el ADN introducido en la célula huésped se transcriba y el ARN se traduzca

Contiene secuencias de ADN necesarias para la transcripción y traducción del gen insertado en célula huésped. (origen de replicación, promotor, secuencias reguladoras, gen de interés, …)

• Vectores de expresión utilizados:

a) Cuando se utilizan bacterias para producir proteínas eucariotas → Plásmidos

Plásmidos con secuencia promotora muy activa (propia de la bacteria) junto al gen insertado.

Introducir genes eucariotas (gen de la insulina) en procariotas → ADN complementario ADN sintetizado utilizando como molde una molécula de ARNm y la acción de una retrotranscriptasa o transcriptasa inversa. (ADN sin intrones)

b) Cuando se utilizan levaduras para producir proteínas eucariotas → Virus

Virus que induzcan un elevado nivel de expresión del gen

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3. ORGANISMOS GENÉTICAMENTE MODIFICADOS (OGM)Ser vivo cuyo genoma ha sido modificado (se ha insertado un gen –transgén- de otro organismo; organismo transgénico)

• 3.1 BACTERIAS Y LEVADURAS TRANSGÉNICAS:

Organismos más utilizados en biotecnología por su facil manipulación y rápido ciclo biológico

Bacterias: Empleo de plásmidos (vectores de expresión) → Transformación

Levaduras: Empleo de cromosoma artificial (YAC) durante mitosis para ser transmitido a la descendencia. Se añade a un plásmido la secuencia de un centrómero.

Creación de cromosoma artificial en levadura

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3.2. Plantas y animales transgénicos

Introducción de genes en células eucariotas pluricelulares

VECTORES DE EXPRESIÓN EN EUCARIOTAS: Virus y plásmidos

Para que el gen insertado se exprese debe acompañarse de las secuencias reguladoras.

Posibilidad de elegir el tipo/s celular/es en los que se exprese el gen.

• Obtención de:

Quimeras transgénicas: El transgén se inserta sólo en algunas células del embrión

(organismos con unas células modificadas y otras no).

Organismos transgénicos: El transgén se inserta en un óvulo fecundado

(Organismos con todas sus células modificadas se transmite a la descendencia):

- Animales: Inserción del gen en óvulo fecundado o en células madre embrionarias (previo a implantación en madre de acogida

- Plantas: Inserción del gen mediante el plásmido Ti de la Agrobacterium tumefaciensis (induce formación tumores en plantas) en células aisladas y mantenidas en cultivos

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3.3. APLICACIONES ORGANISMOS TRANSGÉNICOS

• BIOFARMACÉUTICA: Hormonas, enzimas, vacunasBacterias y levaduras: Producen péptidos de gran pureza (hormona del crecimiento, insulina)Animales: Proteínas aisladas y purificadas de la leche animal.Plantas: Enzimas y vacunas• PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS Y MEJORA VEGETALPlantas (resistentes a herbicidas, insecticidas, cambios de Tª, …) Aumentan la producción de alimentos y su mejora.

Ej.- Arroz dorado (produce vitamina A)• DEFENSA DEL MEDIO AMBIENTE Y BIORREMEDIACIÓN.Bacterias: Degradan hidrocarburos (biorremediación)Plantas: Convierten contaminantes tóxicos en sustancias inocuas (fitorremediación)• INVESTIGACIÓN BIOLÓGICA Y MÉDICAEstudio de genes implicados en desarrollo embrionario o enfermedades (cáncer)Virus: Terapia génica. Diagnóstico de enfermedades de origen genético. (fibrosis quística)• OBTENCIÓN DE ÓRGANOS PARA XENOTRASPLANTESAnimales transgénicos con órganos compatibles (reducir rechazo)

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4.- GENÓMICABiotecnología → Permite analizar y completar secuencias de los genomas

Genómica: Ciencia del estudio del genoma de los seres vivos

4.1 El genoma humano: Identificar todos los genes y la secuencia completa del genoma humano.

• Genómica comparada: Comparar genoma de diferentes especies y estudiar su evolución.

Conclusiones:

- 20.000 – 30.000 genes.

- 1.5% corresponde a exones (codifica proteínas)

- 40% intrones, promotores, secuencias reguladoras, …

- 59% ADN basura (secuencias repetidas, centrómeros, …)

- 99.9% idéntico entre personas (1.250 nucleótidos diferencian una persona de otra)

- 98% idéntico a chimpancés.

• Proyecto HapMap (Mapa de haplotipos): Identifican regiones cromosómicas de polimorfismos (variaciones genéticas

comunes) asociados donde se localizan genes relacionados con enfermedades. (Estudia el 0.1% del ADN que nos diferencia → riesgo de enfermedades)

Polimorfismos de un solo nucleótido o SNP secuencias de nucleótidos de diferentes individuos que varían en una sola base → Alelos)

Haplotipos humanos cuando estos alelos se encuentran muy cercanos → Tienden a heredarse juntos

• Farmacogenómica: Estudia la relación entre las variaciones genéticas individuales y la eficacia de los medicamentos. (diseñar fármacos personalizados →Reducir efectos secundarios)

• Medicina personalizada: Prevención, diagnóstico y tratamiento de las enfermedades.

• Biochips de ADN: Micromatices formadas por múltiples sondas de oligonucleótidos de ADN que reconocen secuencias y emiten señal (fluorescencia)→ Localizar genes patológicos

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5. PROTEÓMICAProteómica: Estudia conjunto de proteínas de un organismo.

(En humanos hay más proteínas que genes splicing alternativo)

Técnicas: Espectrometría de masas (distribución de proteínas respecto a su masa) y chips de proteínas (separación y secuenciación)

Aplicaciones: Conocer si se es portador de una enfermedad genética. Prevenirla.

Problemas: Éticos (privacidad)

• Biochips de proteínas: Micromatrices formadas por múltiples sondas de proteínas. Estudia interacciones entre proteínas y sustratos donde actúa (enzima, fármaco, …)

Chips de anticuerpos →identifica qué proteínas se expresan

Chips de células vivas →detecta receptores de membrana (desencadenamiento de respuestas celulares secreción)

• Nanotecnología: Tecnología que utiliza materiales y dispositivos de escala nanométrica

• Nanomedicina: Aplicación de la nanotecnología a la medicina.

• Bioinformática: Aplicación de la informática al estudio del genoma y proteoma

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6. CÉLULAS MADRE O TRONCALESCélulas NO especializadas de etapas iniciales del embrión → Mediante diferenciación generan todos los tipos celulares de

un organismo

• Características:

Células indiferenciadas No realizan ninguna función (sin especialización)

Capaces de autorrenovarse Se dividen continuamente generando células idénticas a ellas

Capaces de diferenciarse a uno o más tipos celulares específicos Diferenciación

Tipos: Embrionarias y Adultas.

6.1. Células madre embrionarias.(pluripotentes → Originan todos los tipos celulares del embrión, excepto placenta)

Obtenidas a partir de un embrión en las primeras fases del desarrollo (masa celular interna del blastocisto).

En trasplantes pueden provocar rechazos al no proceder del mismo paciente

Se destruyen embriones (4, 5 días ) →problema ético

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6.2. Células madre adultas

• Células indiferenciadas localizadas entre células diferenciadas del tejido

Función: Reparar y mantener el tejido donde están

Ej.- Células de la médula ósea, tejido adiposo, cerebro, …

• Son multipotentes → Solo generan los tipos celulares del tejido donde se encuentran (Ej.- hematopoyéticas)

También pueden diferenciarse hacia otros tipos celulares

• Fáciles de conseguir (simple punción), aunque difícil de aislar (escasas)

• Se extraen del mismo paciente → No problemas de rechazo ni éticos.

6.3. Aplicaciones de las células madre

Las células madre se pueden mantener en cultivo y diferenciarse en otros tipos celulares.

Aplicaciones:

Terapias celulares y medicina regenerativa → sustitución tejidos dañados

Estudios mecanismos diferenciación (envejecimiento, cáncer, …)

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6.4. Reprogramación celularModo de obtención de células embrionarias del paciente → Obtención de TEJIDOS y ÓRGANOS aptos para ser trasplantados

sin que sufran rechazo.

En adultos no existen células embrionarias Reprogramación nuclear de células somáticas

(Una célula somática diferenciada vuelva al estado indiferenciado)

• Transferencia nuclear (clonación terapéutica): El citoplasma del óvulo reprograma el núcleo transferido (Silencia genes somáticos y activan genes embrionarios)

• Transfección génica: Insertar (retrovirus) genes embrionarios activos (mantienen estado indiferenciado) a una célula somática Reprogramación a una fase similar a la embrionaria (células pluripotentes inducidas)

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7. TERAPIA GÉNICA Y CELULARUtilización de genes y células en la medicina. Comprende:

• Terapia génica: Uso de genes como medicamentos. Tratamientos que implican la modificación del genoma del paciente (transferencia de genes a células somáticas → sustituyen al defectuoso)

Transferencia con virus atenuados: En laboratorio (ex vivo) o directamente a las células del cuerpo (in vivo)

• Terapia celular (Medicina regenerativa): Capacidad natural de regeneración del organismo para reparar células, tejidos u órganos dañados. a) Pacientes con cáncer b) Pacientes con quemaduras

Finalidad: Construcción de cualquier órgano

CRISPR/cas

• Sistema de defensa bacteriano → Detecta ADN infeccioso (viurs) y lo destruye con la proteína Cas9

- Reconoce el ADN vírico y lo cortaInactiva y destruye

- Incorpora parte del ADN viral a la secuenca CRISPR de la bacteria genera protección más eficaz (queda “enterada”)

• El sistema CRISPR/cas9 corta e inserta ADN de cualquier organismo en un lugar muy preciso

• Aplicaciones:

- Inactivar cualquier gen (Ej.- oncogen)

- Editar gen defectuoso Elimina secuencia mutada y la sustituye por la correcta (de cualquier célula)

• Utilidades: introducir cualquier tipo de DNA en el DNA de cualquier tipo de ser vivo (cambiar genoma)

Curar enfermedades (genéticas, VIH) mejorar alimentos transgénicos, modificar bacterias para uso alimentario o industrial

Identificado en 1993 por Francisco J. M. Mojica (Universidad de Alicante)

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8.- BIOÉTICA.

• Estudio de las implicaciones éticas de la biotecnología y la medicina.

• Falta de normativa inicial y riesgos de trabajar con ADN recombinante

• UNESCO: Comité Internacional de Bioética: Evitar atentar contra dignidad humana.

• Límites:

- Éticos y morales. Clonación embriones humanos

- Sociales. Derecho a la intimidad de las personas.

- Políticos. Favorecer a TODOS los seres humanos.

- Ecológicos y Sanitarios. Controles estrictos.

España: Ley de investigación biomédica (2007). Regula la investigación en medicina y sus aplicaciones

¿Patentar seres vivos?

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