Tema 19: La biotecnología Biología 2º Bachillerato




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Tema 19: La biotecnología Biología 2º Bachillerato

TEMA 19: LA BIOTECNOLOGÍA

  1. INTRODUCCIÓN

  2. CULTIVOS CELULARES

  3. ANTICUERPOS MONOCLONALES

  4. INGENIERÍA GENÉTICA

    1. ADN RECOMBINANTE

    2. AMPLIFICACIÓN DEL ADN

    3. SECUENCIACIÓN DEL ADN

    4. CLONACIÓN

  5. APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA

  6. LA BIOÉTICA

1.- INTRODUCCIÓN

La BIOTECNOLOGÍA consiste en la utilización de seres vivos sencillos (bacterias y levaduras), y células eucariotas en cultivo, cuyo metabolismo y capacidad de biosíntesis se utilizan para la fabricación de sustancias específicas aprovechables por el hombre. La biotecnología permite, gracias a la aplicación integrada de los conocimientos y técnicas de la bioquímica, la microbiología, la ingeniería química, y, sobre todo, la ingeniería genética, aprovechar en el plano tecnológico las propiedades de los microorganismos y los cultivos celulares. Permiten producir a partir de recursos renovables y disponibles en abundancia gran número de sustancias y compuestos.

La biotecnología consiste en la utilización de un ser vivo o parte de él para la transformación de una sustancia en un producto de interés.

Posee tres características básicas:

  1. Es interdisciplinar, utiliza principios de la ciencia y de la ingeniería.

  2. Trabaja con seres vivos.

  3. Su objetivo es conseguir un producto o un servicio útiles para el hombre.

Desde siempre se han utilizado procedimientos biotecnológicos para obtener alimentos como el pan, la cerveza o el yogur aunque se desconocía que se originaban gracias a la fermentación provocada por diversos microorganismos. No es hasta mediados del siglo XIX cuando la biotecnología nace como ciencia gracias a los descubrimientos de Pasteur sobre las fermentaciones. Ya en el siglo XX podemos hablar de avances importantes cuando se incorporan los conocimientos de la base molecular de la herencia y las técnicas de ADN recombinante.

Se pueden distinguir dos etapas en la biotecnología:

  • 1ª Etapa: Biotecnología tradicional, donde no se utilizan técnicas de manipulación del ADN.

  • 2ª Etapa: Biotecnología moderna, desarrollada a partir del conocimiento de la estructura del ADN. En esta técnica se manipula el ADN de los organismos utilizados.

Biotecnología tradicional

Basada en el uso de seres vivos naturales para la obtención de productos de interés o el aumento de la producción.

Los individuos que se utilizan han sido escogidos mediante técnicas de selección artificial, esto quiere decir que el hombre ha potenciado el desarrollo de estos organismos por el beneficio que le proporcionan.

  • Agricultura y ganadería: Se obtienen variedades de animales y vegetales más resistentes a enfermedades y plagas, mayor producción de alimentos o colores más agradables, gracias a la selección artificial (cruzando individuos con un carácter especial y seleccionando los descendientes).

  • Industria alimentaria: Se obtienen diversos tipos de alimentos gracias a las fermentaciones (pan, yogur, queso, embutidos, bebidas alcohólicas)

  • Industria farmacéutica: Utilización de microorganismos para la obtención de medicamentos (penicilina a partir de Penicillium notatum)

La biotecnología tradicional se basa fundamentalmente en tres técnicas:

    1. Técnicas genéticas clásicas (mutación, recombinación y selección) para seleccionar las cepas más productivas.

    2. Mejora de las condiciones fisicoquímicas de los cultivos (pH, aireación, temperatura) con el fin de aumentar el rendimiento.

    3. Perfeccionamiento de las técnicas de aislamiento y purificación del producto de interés.

Biotecnología moderna

Consiste en la utilización de técnicas de manipulación del ADN para la obtención de individuos que den lugar a productos de interés o a la mejora de la producción.

  • Agricultura y ganadería: Se crean organismos modificados genéticamente (OMG) con distintos fines (resistencia a plagas y sequía, a bajas temperaturas, a variaciones de salinidad, a herbicidas, de crecimiento rápido, de mayor producción, que contengan vitaminas o sustancias beneficiosas, etc.).

  • Medio ambiente: Utilización de OGM para la biorremediación (Recuperación de suelos contaminados por metales pesados, obtención de energía mediante la depuración de aguas residuales, degradación de residuos tóxicos, obtención de plásticos biodegradables)

  • Medicina: Diagnóstico de enfermedades genéticas, terapia génica, comparación de muestras de ADN (pruebas de paternidad, criminología).

  • Industria farmacéutica: Se crean OMG con el fin de que produzcan sustancias que no le son propias (hormonas, antibióticos, vacunas, proteínas).

La biotecnología moderna se basa fundamentalmente en tres ámbitos de trabajo:

    1. Cultivo de células.

    2. Anticuerpos monoclonales

    3. Ingeniería genética.

2.- CULTIVOS CELULARES

El cultivo celular es el proceso mediante el que células procariotas o eucariotas pueden cultivarse en condiciones controladas. En la práctica el término "cultivo celular" se usa normalmente en referencia al cultivo de células aisladas de eucariotas pluricelulares, especialmente células animales. El desarrollo histórico y metodológico del cultivo celular está íntimamente ligado a los cultivos de tejidos y de órganos. El cultivo de células animales empezó a ser utilizado durante los años 50, pero el concepto de mantener líneas de células vivas separadas del tejido de origen fue descubierto en el siglo XIX.

Como ejemplo de áreas de investigación fuertemente dependientes de las técnicas de cultivo celular son:

- Virología: establecimiento de condiciones de cultivo de virus animales y de plantas, producción de vacunas antivirales,...

- Investigación del cáncer

- Inmunología

- Ingeniería de proteínas. Por la producción de proteínas en líneas celulares: interferón, insulina, hormona de crecimiento.

- Estudios de interacción y señalización celular, en la diferenciación y en el desarrollo.

- Aplicaciones diagnósticas. Por ejemplo en medicina y farmacología destacan el análisis cromosómico de células crecidas a partir de muestras de amniocentesis, detección de infecciones virales, ensayos de toxicidad,...

- Aplicaciones médicas: mantenimiento y producción de tejido para transplantes.

- Aplicaciones industriales y agronómicas: producción por reproducción "in vitro" de clones de plantas de interés comercial.

La línea celular HeLa

Las células HeLa constituyen una línea de células epiteliales humanas procedentes de un carcinoma cervical, y las primeras células humanas de las cuales se estableció una línea celular permanente. En 1951 se practicó una operación quirúrgica a la paciente Henrietta Lacks (de ahí el nombre), una mujer afroamericana de 31 años, en la cual se extrajeron células de un carcinoma en el útero con la intención de evaluar su malignidad. La paciente falleció 8 meses después a causa de su tumor.

Las células extraídas fueron invadidas por el virus del papiloma humano, transformándose en células tumorales.

Aquellas células se dejaban cultivar tan bien, y proliferaban tan fácilmente en cultivos celulares, que desde entonces comenzaron a ser empleadas a gran escala en la investigación. Es tal la magnitud del cultivo de células HeLa por parte de laboratorios de todo el mundo, que la masa total de células HeLa supera ampliamente la masa total que en su día tuvo el cuerpo de Henrietta Lacks.

3.- ANTICUERPOS MONOCLONALES

Un anticuerpo monoclonal (AcMo o Mab, del inglés monoclonal antibody) es un anticuerpo homogéneo producido por una célula híbrida (hibridoma) producto de la fusión de un clon de linfocitos B descendiente de una sola y única célula madre y una célula plasmática tumoral.

En 1975, N. Jerne, G. Köhler y C. Miltein desarrollaron la técnica de los hibridomas para obtener anticuerpos monoclonales (Nobel de Medicina en 1984). Para producir anticuerpos monoclonales, primero se extraen células B del bazo de un animal que ha sido expuesto al antígeno. Estas células B son fusionadas con células tumorales de mieloma múltiple (tumor linfocitario) que pueden crecer indefinidamente en cultivo celular. Estas células fusionadas híbridas, llamadas hibridomas pueden multiplicarse rápida e indefinidamente, puesto que son células tumorales después de todo y pueden producir gran cantidad de anticuerpos

Los anticuerpos monoclonales son anticuerpos idénticos porque son producidos por un solo tipo de linfocito B. Es posible producir anticuerpos monoclonales que se unan específicamente con cualquier molécula con carácter antigénico. Este fenómeno es de gran utilidad en bioquímica, biología molecular y medicina.

Aplicaciones de los AcMo

  • Determinar la presencia de drogas, hormonas, vitaminas, citocinas, proteínas asociadas a determinados tipos de cánceres, alérgenos, indicadores víricos, en sangre u orina.

  • Determinar los grupos sanguíneos.

  • Uso terapéutico para enfermedades infecciosas, autoinmunes, cáncer, alergias o en trasplantes para evitar el rechazo.


4.- INGENIERÍA GENÉTICA

La INGENIERÍA GENÉTICA es una parte de la biotecnología que se basa en la manipulación de genes para obtener esas sustancias específicas aprovechables por el hombre: se trata de aislar el gen que produce la sustancia, e introducirlo en otro ser vivo que sea más sencillo -y barato- de manipular; lo que se consigue es modificar las características hereditarias de un organismo de una forma dirigida por el hombre, alterando su material genético.

La ingeniería genética permite:

  • Quitar uno o más genes.

  • Añadir uno o más genes.

  • Aumentar el número de moléculas de ADN.

  • Clonar células.

  • Clonar individuos.

  • Crear organismos genéticamente modificados (OGM).

Las enzimas de restricción (tijeras biológicas)

Se descubrieron en 1970. Son enzimas capaces de cortar el ADN en secuencias específicas originando, en muchos casos, extremos escalonados denominados cohesivos o pegajosos. Estos extremos son capaces de unirse espontáneamente a otros generados por la misma enzima. En el caso de que quisiéramos insertar un gen en un plásmido. usando esta propiedad, requeriríamos para completar la tarea la actuación de una ligasa que formaría lo enlaces fosfato.



El Premio Nobel de Medicina de 1978 fue concedido a los microbiólogos Werner Arber, Daniel Nathans y Hamilton Smith por el descubrimiento de las endonucleasas de restricción lo que condujo al desarrollo de la tecnología de ADN recombinante. El primer uso práctico de su trabajo fue la manipulación de la bacteria E. coli para producir insulina humana para los diabéticos.

CONSTRUCCIÓN DE ADN RECOMBINANTE

El ADN recombinante es un fragmento de ADN construido artificialmente a partir de segmentos no homólogos de organismos diferentes. Suele contener un vector y el gen o los genes de interés.

  • Vectores: Fragmentos de ADN que permiten transferir genes de un organismo a otro. Los más utilizados son los plásmidos y los virus.

  • Gen o genes de interés: Se obtienen a partir de genotecas creadas a partir de ARNm aislados de las células que se copian a ADN complementario (ADNc) gracias a la retrotranscriptasa.

Para introducir el gen en el vector se utilizan las enzimas de restricción y las ligasas. Una vez que el vector presente el gen de interés se transfiere a la célula huésped (anfitriona) que debe caracterizarse por:

    1. Poder crecer rápidamente.

    2. Hacerlo de manera barata.

    3. Que sea fácilmente manipulable.

Hay tres tipos de células huésped: Bacterias (E. coli), levaduras y células eucariotas de líneas celulares de mamíferos. Cada uno de estos tipos celulares tiene sus ventajas e inconvenientes. Las bacterias se caracterizan porque su material genético es muy simple, suelen crecer muy rápido y las condiciones de crecimiento son bastante sencillas. Su principal inconveniente es que no llevan a cabo algunas de las modificaciones que sí realizan las células eucariotas en las proteínas, como la glucosilación. Las levaduras y las líneas celulares son más complicadas, especialmente estas últimas, no crecen tan rápido y suelen ser más difíciles de tratar. No obstante, la ventaja es que ambos sistemas pueden llevar a cabo modificaciones como las descritas anteriormente.

Posteriormente se clona la célula modificada y se obtiene un número elevado de células idénticas capaces de fabricar la proteína específica del gen introducido.

La técnica para obtener una proteína por ingeniería genética se realiza en varios pasos:

  • Selección y obtención del gen.

  • Selección de un vector.

  • Formación de un ADN recombinante.

  • Selección de una célula anfitriona.

  • Síntesis y obtención de proteínas correspondientes al gen manipulado.

De esta forma se obtienen muchas proteínas humanas como insulina, hormona del crecimiento, factores de coagulación, etc.



AMPLIFICACIÓN DEL ADN

Para aumentar el número de copias de un fragmento de ADN se utilizan dos técnicas de amplificación: la clonación bacteriana y la reacción en cadena de la polimerasa (PCR).

La clonación bacteriana sigue el procedimiento descrito anteriormente.

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) permite sintetizar en pocas horas millones de copias de un segmento de ADN a partir de una muestra muy pequeña.

Para ello se necesita:

  • El ADN que se quiere amplificar (deben conocerse los extremos)

  • Nucleótidos trifosfato

  • ADN cebador

  • ADN polimerasa que actúa a temperaturas elevadas (72ºC)

1.- Se calienta la muestra por encima de los 90º para provocar la desnaturalización del ADN (se separan las hebras).

2.- Se baja la temperatura hasta 50ºC en presencia de los cebadores que hibridan con los extremos complementarios de cada cadena.

3.- Se eleva la temperatura a 72ºC y la ADN polimerasa sintetiza ADN.

Repitiendo este ciclo unas veinte veces se pueden obtener hasta un millón de copias del fragmento de ADN.





Esta técnica se utiliza en las pruebas de paternidad y en criminología.

SECUENCIACIÓN DE ADN

Para conocer la secuencia de nucleótidos de un fragmento de ADN se utilizan técnicas de secuenciación. Las primeras fueron desarrolladas entre 1977 y 1980 por los equipos de Sanger y Gilbert, pero eran procedimientos muy laboriosos. Posteriormente se han introducido mejoras a dichas técnicas y además se han automatizado e informatizado de forma que el trabajo lo realizan actualmente unos aparatos llamados secuenciadores.

Consultar la técnica de secuenciación de SANGER (método didesoxi)

http://www.arrakis.es/~ibrabida/vigdidesoxi.html

La secuenciación de genes ha permitido la reconstrucción de genomas completos abriendo paso a dos nuevas disciplinas: la Genómica y la Proteómica.

Genómica

Estudia el genoma de los seres vivos. Su mayor hito es el Proyecto Genoma Humano.

Proteómica

Estudia el conjunto de proteínas expresadas por un genoma (proteoma).

Proyecto GENOMA

El Proyecto Genoma Humano (PGH) nació en 1990 con el fin de localizar, identificar, conocer la secuencia de nucleótidos y la función de los genes que componen el genoma humano.

En el año 2003 se completó la secuencia de todo el genoma humano. Aunque no se conoce la función de todo él su estudio ha proporcionado cinco conclusiones básicas.

  1. No existe relación entre la complejidad de un organismo y su número de genes (el ser humano y la rata poseen 30.000 genes)

  2. Compartimos genes con otros organismos incluidas las bacterias.

  3. El 99,99% de la información genética es igual en todos los humanos.

  4. Un gen puede originar varias proteínas.

  5. La mayor parte del ADN está constituida por secuencias repetitivas o interrumpidas cuya función se desconoce.




Repercusiones del PGH

Posibilidad de estudiar las enfermedades genéticas.

Ha mejorado la comprensión del desarrollo embrionario (activación e inactivación secuencial de genes).

Avances en el conocimiento de la evolución.

Determinación de genes esenciales para la vida.





CLONACIÓN

La palabra CLON significa copia exacta. Con la ingeniería genética podemos obtener clones de ADN, de células o de organismos completos. Así, se pueden distinguir tres tipos de clonación:

  • Clonación celular: se utiliza para obtener copias de ADN mediante unas células llamadas células anfitrionas.

  • Clonación de células: con esta técnica podemos obtener células iguales. De esta forma se crean tejidos reparadores de otros que estén enfermos o deteriorados, sin que se produzca rechazo por parte del enfermo.

  • Clonación de organismos completos: se obtienen individuos que son genéticamente idénticos.

Mediante la técnica de transferencia nuclear se consiguió clonar la oveja Dolly en 1996.



5.- APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA
Las aplicaciones de la biotecnología, tradicional o moderna, son múltiples. Sectores como la industria alimentaria, la química, la energética, la minería, la agricultura, la ganadería, la medicina o el medio ambiente, han obtenido resultados beneficiosos gracias a esta disciplina. A modo de ejemplo podemos citar los siguientes:

  1. Obtención de proteínas de interés médico y económico: antibióticos, enzimas, hormonas (insulina, hormona del crecimiento), vacunas (hepatitis B), factores de coagulación ,interferón.

  2. Mejora genética de animales y vegetales para obtener una mayor producción y mejor calidad nutricional.

  3. Obtención de plantas clónicas para cultivos.

  4. Obtención de "bioinsecticidas", animales y plantas capaces de destruir a otros seres vivos que se alimentan de los cultivos.

  5. Obtención de animales y vegetales transgénicos

Se llaman organismos transgénicos a los organismos genéticamente modificados mediante la introducción de un gen de otra especie totalmente diferente.

Animales

Vegetales

obtención de órganos animales (cerdos) con genes humanos para no ser rechazados en transplantes

resistentes a insectos: maíz y algodón con un gen que produce una toxina para orugas y escarabajos

animales con carnes y huevos con menos colesterol y grasas

a herbicidas: soja, algodón, maíz, resisten a altas concentraciones de herbicidas que se echan en los campos para erradicar malas hierbas

pollos sin plumas

a condiciones ambientales: frío, sequía, alta salinidad, etc




Incremento del rendimiento fotosintético




Maduración retardada



  1. Biorremediación y bioadsorción.

Consiste en producir microorganismos modificados genéticamente con el fin de que degraden o eliminen sustancias tóxicas o contaminantes. De esta forma se combaten las mareas negras, se eliminan plaguicidas o metales pesados o se tratan las aguas residuales; consiguiendo regenerar suelos y aguas contaminadas.

  1. Terapias génicas

Consisten en manipular genéticamente células enfermas para que ellas mismas puedan producir las proteínas cuya falta o mal funcionamiento provoca la enfermedad.

Con la ayuda de un vector adecuado se introduce el gen correcto y se integra en el ADN de la célula enferma. Puede hacerse de tres formas distintas: Ex vivo, in vivo o in situ.

    1. Ex vivo: Se extraen células del enfermo y se cultivan. Se les introduce el gen normal y se reintroducen en el organismo del paciente.

    2. In vivo: Los genes se introducen por vía sanguínea unidos a vectores. Los vectores poseen en su superficie moléculas que son reconocidas por las células diana, de forma que sólo allí transfieren la información genética que portan.

    3. In situ: Se introducen directamente los genes en los tejidos.

La terapia génica plantea algunos problemas: los genes pueden integrarse al azar dentro del genoma provocando la fragmentación de genes importantes, los genes implantados no producen la cantidad suficiente de proteína y las células modificadas terminan muriéndose y con ellas su efecto.

  1. Producción de productos biodegradables (bioplásticos, espumas de poliuretano).

  2. Obtención de biocombustibles

    Bioalcoholes

    A partir de biomasa y hongos del Gº Sacharomyces se obtiene etanol

    Bioaceites

    A partir de plantas ricas en aceites vegetales como la colza, la soja, el girasol o la palma. Se utilizan en motores diésel.

    Biogás o gas natural

    Biotransformación de residuos urbanos, agrícolas o industriales.

  3. Extracción de minerales por bioprocesado.

  4. Recuperación de especies en peligro de extinción (mediante clonación).

  5. Diagnóstico de enfermedades genéticas.

  6. Obtención de anticuerpos monoclonales.

  7. Extracción de células madre de embriones humanos obtenidos por clonación de células del propio enfermo (mediante transferencia nuclear). De esta forma se evita el problema del rechazo de trasplantes (autotrasplante). Dado que este método genera graves problemas bioéticos, la obtención de células madre suele estar restringida a las procedentes de embriones desechados de la FIV, del cordón umbilical o de la médula ósea.





6.- BIOÉTICA

La Biotecnología y la Ingeniería Genética han proporcionado grandes beneficios a la humanidad, pero también pueden producir consecuencias negativas. Por ello, se han elaborado una serie de normas éticas y legales, algunas de aplicación a nivel mundial.

  • Declaración Universal sobre el Genoma Humano y los Derechos Humanos (UNESCO 1977): art 1º: “El Genoma Humano es Patrimonio de la Humanidad”.

  • Prohibición de clonación con fines reproductivos o experimentales en seres humanos (Consejo de Europa 1977).

En nuestro país la Ley de Investigación Biomédica regula la utilización de la Biotecnología y la Ingeniería Genética, prohibiendo de forma expresa la clonación reproductiva y la creación de embriones destinados a la investigación.

INGENIERÍA GENÉTICA




BENEFICIOS

INCONVENIENTES

SOCIALES

Alimentos de mayor calidad nutricional.

Retraso en la maduración de frutas y verduras.

Animales y plantas más resistentes a enfermedades y plagas.

Animales y plantas con mayor rendimiento económico.

Posibilidad de obtener humanos genéticamente modificados

Capacidad para producir clones de humanos

Vulneración del derecho a la intimidad de las personas por uso de su información genética

Control del mercado de alimentos por las multinacionales de biotecnología

SANITARIOS

Prevención de enfermedades genéticas

Introducción de genes “sanos” en células enfermas.

Obtención de fármacos nuevos

Aplicación para estudios científicos

Pruebas de paternidad y medicina forense

Posible aparición de efectos secundarios por el consumo de alimentos transgénicos

Aparición de nuevos organismos y nuevas enfermedades

Creación de embriones humanos con el fin de la investigación

ECOLÓGICOS

Bacterias degradadoras de vertidos

Bacterias recuperadoras de suelos contaminados

Bacterias productoras de plásticos biodegradables

Posible contaminación genética desde organismos transgénicos por transferencia espontánea de genes

Invasión de zonas naturales por organismos transgénicos más resistentes

Desaparición de especies naturales por el uso de especies modificadas

ENLACES

  1. http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esobiologia/4quincena8/4quincena5_contenidos_1a.htm: En estas páginas puedes encontrar la receta de cómo fabricar yogur casero gracias a las fermentaciones (biotecnología tradicional).

  2. http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/4ESO/Genetica2/contenido4.htm

  3. http://www.biotecnologica.com/

  4. http://es.wikipedia.org/wiki/Cultivo_celular

  5. http://es.wikipedia.org/wiki/Anticuerpos_monoclonales

  6. http://es.wikipedia.org/wiki/Enzima_de_restricci%C3%B3n

  7. http://portales.educared.net/wikiEducared/index.php?title=Enzimas_de_restricci%C3%B3n

  8. http://biotec.amgen.es/html/adn_reco.html

  9. http://www.arrakis.es/~ibrabida/vigcorte.html




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