Aporte Individual BIOTECNOLOGIA

Adriana Marcela Peña Quina

Grupo : 201529_6

Tutor :

Gustavo Forero Acosta

Abril de 2015

Contenido: - Conceptualización de Biotecnología - Historia de la Biotecnología - Técnicas del ADN recombinante - PCR - Tipos de PCR - Vectores de Transformación - Recombinación - Plásmidos - Enzimas - Electorforesis - Mapas de Restricción - Clonación

- Hibridación de ácidos nucleicos

- Marcadores moleculares

- Bioinformática

- Diseño de primers

- Descubrimiento de genes

- Uso de bases de datos

A continuación se presentan descripciones y ejemplos de los temas mencionados

Biotecnología: La RAE [1] la define como el empleo de células vivas para la obtención y mejora de productos útiles, como los alimentos y los medicamentos. Básicamente es el empleo de organismos vivos para la obtención de un bien o servicio útil para el hombre.

Conceptualización

Biotecnología Mecanismos e interacciones biológicas de los seres vivos

usa

Adelantos tecnológicos Generación de Herramientas

Se basa

Biología Microbiología

agricultura, farmacología, producción de alimentos,

medio ambiente y medicina

Historia de la Biotecnología – Línea de tiempo

8000 a.C – 600 d.C

Biotecnología Tradicional • Uso de levaduras para

fermentación, producción de vinos, panadería.

• Uso de bacterias acido lácticas para producción de derivados lácteos.

1980 hasta Hoy

Biotecnología Moderna • Utiliza técnicas,

denominadas en su conjunto “ingeniería genética”, para modificar y transferir genes de un organismo a otro. De esta manera es posible producir insulina humana en bacterias y, consecuentemente, mejorar el tratamiento de la diabetes.

1600 - 1900

Avances Tecnológicos en diversas áreas del conocimiento. En el desarrollo de las ciencias básicas se gestaron los principios y herramientas que le dieron origen a la biotecnología moderna

Técnicas del ADN recombinante

Consiste en la producción de una molécula de ADN artificial creada bajo técnicas de laboratorio en el modelo in vitro por la unión de secuencias de ADN provenientes de dos organismos distintos. Básicamente es identificar una proteína de interés extraerla del donante e insertarla en un individuo para que se pueda expresar: Al introducirse este ADN recombinante en un organismo, se produce una modificación genética que permite la adición de una nueva secuencia de ADN al organismo, conllevando a la modificación de rasgos existentes o la expresión de nuevos rasgos.

Imagen 1.

Ejemplo hipotético: Las truchas viven en temperaturas entre 2 y 10 °C por lo cual sistema ha desarrollado la estrategia de no afectarse por las bajas temperaturas. Esta característica se encuentra en un gen que se aísla y se reproduce en células bacterianas para luego integrarse a una tipo de papa para que sea resistente a las bajas temperaturas o «heladas»

Datos inventados por el autor

PCR - Polymerase Chain Reaction - reacción en cadena de la polimerasa

Técnica de biología molecular desarrollada en 1986 por Kary Mullis, cuyo objetivo es obtener un gran número de copias de un fragmento de ADN particular, partiendo de un mínimo; en teoría basta partir de una única copia de ese fragmento original, o molde. [2] Esta técnica sirve para amplificar un fragmento de ADN; su utilidad es que tras la amplificación resulta mucho más fácil identificar con una muy alta probabilidad, virus o bacterias causantes de una enfermedad, identificar personas (cadáveres) o hacer investigación científica sobre el ADN amplificado

Imagen 2.

Por lo general, la PCR es una técnica común y normalmente indispensable en laboratorios de investigación médica y biológica para una gran variedad de aplicaciones. Entre ellas se incluyen la clonación de ADN para la secuenciación, la filogenia basada en ADN, el análisis funcional de genes, el diagnóstico de trastornos hereditarios, la identificación de huellas genéticas (usada en técnicas forenses y test de paternidad) y la detección y diagnóstico de enfermedades infecciosas. [3]

Tipos de PCR

PCR específica de alelo PCR "assembly": PCR asimétrica: PCR de colonia PCR hot-start: PCR específica de intersecuencia (ISSR): PCR inversa PCR específica de metilación (MSP) Amplificación Múltiple Dependiente de Sonda (Multiplex Ligation-dependent Probe Amplification o MLPA) PCR cuantitativa: PCR-TAIL: PCR touchdown PAN-AC: Ciclo térmico rápido para PCR

Variaciones de la PCR básica

PCR anidada Técnica muy sensible de PCR en la que el producto de una amplificación es utilizado como molde para realizar una segunda amplificación con cebadores que se ubican dentro de la primera secuencia amplificada, es decir, cuando tenemos el primer amplicón se pueden unir los cebadores y se hace de nuevo una amplificación dentro del amplicón inicial. PCR de extensión solapada (Mutagénesis) Se introducen cambios de secuencia dentro de fragmentos (clonados) de ADN. Se requieren 2 cebadores (primmers) mutagénicos y otros 2. Se amplifica un fragmento 5' y un fragmento 3' que se solapan portando ambos la mutación. Se usan los productos en otra reacción para producir el ADN mutado de longitud completa. PCR in situ Consiste en una reacción de PCR en secciones histológicas o células, donde los productos generados pueden visualizarse en el sitio de amplificación. PCR múltiple Se amplifica simultáneamente más de una secuencia. Para ello, se combinan dos o más pares de cebadores en un mismo tubo, junto con el resto de los reactivos de la reacción en cantidades suficientes, para amplificar simultáneamente varios segmentos de ADN.

Vectores de Transformación

Ejemplo de virus Vector La transformación de bacterias con ADN extraño se produce en muy pocas células (baja eficacia) en condiciones de laboratorio. Por ello, se emplean vectores genéticos que funcionan como taxistas que transportan a un cliente el ADN recombinante. Los vectores más usados son: a) un plásmido (fragmento extra de ADN bicatenario circular de unos 4,3 kb, que existe en algunas especies de bacterias). b) un cósmido (similar al plásmido pero de mayor longitud, unos 40 kb). c) un virus vector ( en este caso el ADN extraño que se quiere transferir se incorpora al ADN vírico y funciona como ADN recombinante). Si la introducción de ADN extraño se realiza en células eucariotas no reproductoras se denomina al proceso transfección; y si la introducción se realiza en células reproductoras de plantas y animales, la alteración génica va a estar presente en todas células del cuerpo, en este caso se habla de transgénesis. [4] Imagen 3

Recombinación del ADN [5] La interacción e intercambio de información entre secuencias de DNA en la recombinación genética y reparación es un proceso universal en todos los organismos y juega un papel fundamental en el mantenimiento del genoma. Este proceso genera diversidad genética además de que evita la divergencia de secuencias repetidas y proporciona una vía importante para la reparación del DNA. Además la recombinación homologa en a meiosis eucariótica asegura la segregación correcta de los cromosomas. La recombinación se puede definir como cualquier proceso en que tenga lugar la formación de un nuevo DNA a partir de moléculas distintas, de manera que la información genética procedente de cada molécula de DNA original estará presente en las nuevas. Ejemplos en que ocurre la recombinación: » Meiosis en células eucarióticas. » Infección de plásmidos o virus. » Integración de elementos extracromosomales dentro del genoma hospedero. La recombinación constituye fuente de variabilidad genética e intercambio físico de segmentos. Tiene valor regulatorio, ya que puede tener como resultado activación o inactivación de genes y es además, una vía de reparación. Clases generales de eventos de recombinación: 1. Recombinación general u homóloga: ocurre entre sustratos con extensa homología. 2. Recombinación específica del sitio: intercambio de dos secuencias de DNA específicas. 3. Transposición: involucra un segmento corto de DNA que se mueve de un lugar a otro del mismo o diferente cromosoma

Plásmidos [6]

Son fragmentos extracromosómicos de ácidos nucléicos (ADN o ARN) que aparecen en el citoplasma de algunos procariotas. Son de tamaño variable aunque menor que el cromosoma principal. Cada bacteria puede tener uno o varios a la vez. Los plásmidos tienen una conformación variable que puede ser lineal, circular o con estructura superenrrollada. El control de la replicación del plásmido depende del tipo de plásmido, existiendo plásmidos cuya replicación está acoplada con la replicación del cromosoma bacteriano y plásmidos cuya replicación no está relacionada con la del cromosoma. El tipo de genes que portan los plásmidos es variado, tratándose generalmente de genes que aportan ventajas adaptativas a la bacteria que los porta: genes de resistencia a antibióticos, genes de producción de sustancias tóxicas para otras bacterias o genes que codifican enzimas útiles para degradar sustancias químicas.

Imagen 4.

Enzimas [7]

Es una proteína que cataliza las reacciones bioquímicas del metabolismo. Las enzimas actúan sobre las moléculas conocidas como sustratos y permiten el desarrollo de los diversos procesos celulares. Se caracterizan por contar con una serie de señas de identidad propias que las determinan en todos y cada uno de sus aspectos. En este sentido podemos exponer, por ejemplo, que poseen la capacidad para contar con unos tamaños muy diferentes de tal modo que hay desde las que tienen 2.500 aminoácidos hasta las que, sin embargo, rondan los 50. Además poseen elementos fundamentales para su funcionamiento tales como el centro activo o la cadena de aminoácidos, entre otros muchos más.

Imagen 5.

Electroforesis [8]

Método de laboratorio en el que se utiliza una corriente eléctrica controlada con la finalidad de separar biomoleculas según su tamaño y carga eléctrica a través de una matriz gelatinosa. Fue empleado por primera vez por en el año 1937, pero su importancia vino a incrementarse cuando en los años 50 E. L.Durrum y Arne W.K. Tiselius , impulsaron la electroforesis de zona, nombre que se asigno a la separación de materiales en un campo eléctrico en presencia de algún tipo de soporte; aunque este termino se limito originalmente al análisis de coloides y partículas submicroscopicas , se ha convertido en estos últimos años en una metodología aplicada a sustancias de bajo peso molecular.

Imagen 6.

Imagen 7.

Mapas de Restricción [9] Es un mapa de sitios de restricción conocidos dentro de una secuencia de ADN. El mapeo de restricción requiere el uso de enzimas de restricción. En la biología molecular, mapas de restricción se utilizan como una referencia a los plásmidos ingeniero u otras piezas relativamente cortas de ADN, y a veces más largo para el ADN genómico. Hay otras maneras de funciones de mapeo de ADN de moléculas de ADN de mayor longitud, tales como la cartografía por transducción. Un enfoque en la construcción de un mapa de restricción de una molécula de ADN es de secuencia de toda la molécula y para ejecutar la secuencia a través de un programa de ordenador que encontrar los sitios de reconocimiento que están presentes para cada enzima de restricción conocido.

Ejemplo La aplicación más común de mapeo de restricción se presenta: La determinación de la orientación de un inserto clonado. Este método requiere que los mapas de restricción del vector de clonación y el inserto ya están disponibles. Si usted sabe de un sitio de restricción colocado hacia un extremo de la pieza se puede determinar la orientación observando el tamaño de los fragmentos en el gel. A menudo, la orientación de los insertos es importante y esta técnica se utiliza para detectar la orientación correcta. En este ejemplo se puede encontrar la orientación de un inserto clonado con EcoRI. Digests 1: EcoRI 2: HindIII 3: EcoRI HindIII Los fragmentos resultantes tamaños aproximados: 1: 3 kb, 5 kb 2: 2 kb, 6 kb 3: 2 kb, 1 kb, 5 kb, Hipotético sitio de clonación múltiple del vector 5 'HindIII-EcoRI -3' Discusión La digestión EcoRI corta el inserto de fragmentos de rendimiento de 3 kb y 5 kb. Estos son los tamaños de la pieza de inserción y la cadena principal del vector, respectivamente. Esto se espera ya que el tamaño de tanto el inserto y el vector se conocen de antemano. Se confirma la presencia de la inserción. Hay un conocido sitio HindIII fuera del centro en la pieza de inserción 3 kb. Se trata de 2 kb de distancia de un extremo, y 1 kb de distancia desde el otro extremo. El HindIII resumen de sus clones rendimientos fragmentos de 2 kb y 6 kb. El fragmento de 2 kb es exclusivamente la secuencia de inserción y el fragmento de 6 kb es 1 kb de la secuencia de inserción unidos a 5 kb de la secuencia del vector. Esto significa que el inserto se clonó en una orientación a A B en lugar de B a A, lo cual produciría fragmentos de 7 kb y 1 kb.

Clonación [10]

Imagen 8.

Hibridación de ácidos nucleicos [11]

Es la construcción artificial de ácidos nucleicos bicatenarios a partir de dos monocatenarios usando la complementariedad de bases. Se trata, por tanto, de un proceso de unión de dos cadenas complementarias de ADN, ARN o de ADN y ARN para formar una molécula de ácido nucleico de doble cadena. Es un método muy versátil que permite estudiar el grado de relación genética entre dos ácidos nucleicos. También permite la detección de fragmentos de DNA que son complementarios a fragmentos monocatenarios de secuencia conocida (sondas)

Imagen 9.

Marcadores moleculares [12]

Son una herramienta necesaria en muchos campos de la biología como evolución, ecología, bio-medicina, ciencias forenses y estudios de diversidad. Además se utilizan para localizar y aislar genes de interés. En la actualidad existen varias técnicas moleculares que nos permiten conocer cómo se encuentran las proporciones de genes en las poblaciones naturales de manera indirecta, como con los análisis de proteínas, o de manera directa con estudios de ADN. Los diferentes tipos de marcadores se distinguen por su capacidad de detectar polimorfismos en loci únicos o múltiples y son de tipo dominante o co-dominante (Simpson, 1997).

Imagen 10.

Bioinformática [13]

Disciplina científica que combina biología, computación y tecnologías de la información. El objetivo de esta disciplina es facilitar nuevas percepciones biológicas y crear una perspectiva global que permita identificar los principios unificadores de la biología. Inicialmente, la bioinformática se ocupaba sobre todo de la creación de bases de datos de información biológica, especialmente secuencias, y del desarrollo de herramientas para la utilización y análisis de los datos contenidos en esas bases de datos. Al final, será necesario unificar toda esta información si queremos alcanzar un cuadro completo de la biología de la célula, de forma que los investigadores puedan comprender cómo se alteran estos procesos en las distintas enfermedades. Por eso, la Bioinformática ha ido evolucionando para ocuparse cada vez con mayor profundidad del análisis e interpetación de los distintos tipos de datos (secuencias de genomas, proteomas, orfeomas, dominios y estructuras de proteínas, etc). Estas formas de análisis e interpretación de datos suelen denominarse Biología Computacional. Las principales áreas de la Bioinformática y de la Biología Computacional son, por tanto, 1) el desarrollo de herramientas que permitan el acceso, uso y actualización de distintos tipos de información biológica; 2) eldesarrollo de nuevos algoritmos y soluciones estadísticas para analizar grandes conjuntos de datos y resolver problemas biológicos complejos, tales como predecir la estructura de un gen en una secuencia genómica, predecir la estructura de proteínas, identificar familias de proteínas por su similitud de secuencia, etc.

Diseño de primers [14]

La reacción en cadena de la polimerasa tiene muchas aplicaciones en biología, medicina y biotecnología. Todas estas aplicaciones dependen del empleo de parejas de cebadores o primers, oligonucleótidos que sirven de puntos de arranque de la actividad polimerasa. En concreto, la extensión de los cebadores se da en su extremo 3'. Por estas razones es deseable que los cebadores usados en una PCR cumplan ciertas condiciones, todas ellas calculables desde su secuencia: • Deben tener longitudes de entre 19 y 25 nucleótidos • Deben ser ricos en contenido en GC • El contenido en GC de los cebadores de la misma reacción debe ser similar • Deben ser complementarios a las regiones deseadas, aunque admiten

degeneraciones • Las temperaturas de fusión de los primers usados en la misma reacción deben ser

similares, normalmente Tm > 58 • Es requisito que las secuencias de los cebadores no formen horquillas (hairpins)

internas ni sean complementarias entre si.

Descubrimiento de genes [15]

El genoma humano está constituido por unos 3.000 millones de pares de bases, aunque no todos codifican proteínas. Estas secuencias codificantes representan sólo el 5% de todo el genoma, que es lo que utilizan las células para sintetizar proteínas. Las instrucciones de los genes se transmiten indirectamente a través de ácido ribonucleico mensajero (ARNm), que es un intermediario temporal similar a una cadena simple de ADN. El ARNm pasa del núcleo al citoplasma de la célula, donde es leído por la maquinaria de síntesis de proteínas. Esta maquinaria traduce este mensaje en una cadena de aminoácidos que constituye la proteína que el gen codifica. La molécula de ARNm puede aislarse en el laboratorio para sintetizar una cadena de ADNc (8). Este ADNc, es por lo tanto, una copia del gen original. Es decir, la estrategia de secuenciación de ADNc utiliza la capacidad de nuestras células para seleccionar ese 5% del genoma que representa su parte más importante, la constituida por nuestros genes. Utilizando esta estrategia hemos llegado a descubrir más de dos tercios de los genes que constituyen nuestro genoma

Uso de bases de datos [16]

Cobija básicamente estudios relativos a enfoques sistémicos sobre datos biológicos, no se restringe únicamente a aquellos generados como parte del proyecto genoma, cobija igualmente estudios en ecología con la subsecuente generación de SIGs, pretende brindar una herramienta al biólogo a traves de la cual él pueda afrontar la integración coherente de grandes cantidades de datos, el permitir la organización del conocimiento en si mismo. Hasta el momento su área de mayor desarrollo ha estado ligada a la información proveniente de los distintos proyectos genoma, es así como dentro de las áreas que más apoyo y demanda tienen podemos citar: 1. Bases de datos 2. Software para visualización de estructuras moleculares 3. Sistemas de manejo integrado de laboratorios de R&D a nivel de industria

Farmacéutica 4. Software para estudios de redes genéticas (Genetic Networks) 5. Desarrollo de nuevos algoritmos para estudios de estructura proteica

Referencias [1] RAE Real academia de la lengua española

[2] Saiki RK, Gelfand DH, Stoffel S, Scharf SJ, Higuchi R, Horn GT, Mullis KB, et al.(1988) Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase. Science 239: 487–491

[3] Tomado de: Griffiths, J.F. A. et al. (2002). Genética. McGraw-Hill Interamericana. ISBN 84-486-0368-0.

[4] Tomado de: http://recursos.cnice.mec.es/biologia/bachillerato/segundo/biologia/ud06/02_06_04_02_012.html

[5] Tomado de: http://fbio.uh.cu/sites/genmol/confs/conf5/

[6] Tomado de: http://medmol.es/glosario/87/

[7] Tomado de: Definición de enzima - Qué es, Significado y Concepto http://definicion.de/enzima/#ixzz3XRZiqK59

[8] Tomado de: http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/celular/electroforesis.html

[9] Tomado de: http://docsetools.com/articulos-noticias-consejos/article_136647.html

[10] Tomado de: http://www.ucc.edu.ar/documentos/bioetica_pdf/c2.pdf

[11] Tomado de: Ambesi-Impiombato, S. (2000). Clonación. Cuadernos de bioética, 11(41), 48-55.

[12] Tomado de: Alcántara, M. R. (2007). Breve revisión de los marcadores moleculares. Ecología molecular, 541-566.

[13] Tomado de: http://www.unav.es/genetica/bioinfo/concepto.html

[14] Tomado de:

[15] Tomado de: Palanques, R. F. M. (1996). Descubrimiento de genes en el proyecto del genoma humano y terapia génica. In La genética molecular en el diagnóstico de las patologías humanas: estrategias y tecnologías: Curso de verano, A Coruña, 10 al 14 de Julio de 1995 (pp. 23-33). Servicio de Publicaciones.

[16] Tomado de: La bioinformática como herramienta en el descubrimiento de nuevo medicamentos.

Imágenes Imagen 1: Tomada de http://michellelocmas.blogspot.com/2015/01/ejemplo-de-adn-recombinante-artificial.html Imagen 2: Tomada de: http://www.mun.ca/biology/scarr/PCR_sketch_3.gif Imagen 3: Tomada de: http://3.bp.blogspot.com/-_QRlMMk_-cs/U1r1rUo4EPI/AAAAAAAAfKQ/OS1aLJOZoZg/s1600/Pasos+de+la+clonacion+con+el+fago+lambda.jpg Imagen 4: Tomada de: http://www.classe.es/salud/img/d_plasmido.jpg Imagen 5: Tomada de: http://biologia.laguia2000.com/wp-content/uploads/2012/01/enzima.gif Imagen6: Tomada de : http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/celular/electroforesis.html Imagen 8 Tomada de: http://www.wikisaber.es/uploadedImages/ComunidadWiki/Blogs/4ESO_Trinitarios_Blog_de_Aula/127clonacion.jpg?n=1500 Imagen 9 tomada de: http://www.biogeo.iespedrojimenezmontoya.es/BIOLOGIAJM/BIOQUIMICA/trasnsacidosnucleicos/adndesnatuehibridacion.JPG Imagen 10 tomada de: http://www.cientificasenna.com/files/image/catalogo/articulos/dnamarkgl_17097272734eee6f30c1bd6.jpg Imagen 11 tomada de: