genoma humano y biotecnología
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Genoma Humano y Biotecnología
Liceo San Pedro Poveda
Prof.: Ma. José Espinoza A
4to medio
Genoma:
Conjunto de todos los genes de un organismo y de todo el patrimoniopatrimonio genético almacenado en el conjunto de su ADN o de sus cromosomas.
Proyecto Genoma Humano Este proyecto se puso en marcha el 1 de Octubre de
1990. Es considerado el proyecto científico más importante de todos los tiempos y se reconoce internacionalmente a ese día como el de su nacimiento.
Participan en el mismo 18 países, entre ellos: ALEMANIA, ESTADOS UNIDOS, FRANCIA, GRAN BRETAÑA E ITALIA. La inversión ha alcanzado los 3.000 millones de dólares.
El PROYECTO GENOMA HUMANO intenta determinar en qué cromosoma, y dentro de éstos en qué lugar se encuentra ubicado cada gen (unidad principal en la transformación de las características hereditarias).
obtener informaciones para el futuro desarrollo de la medicina y de la biología posibilitando la invención de una nueva generación de medicamentos y el advenimiento de una planificación estratégica de prevención.
Finalidad
La secuenciación del genoma humano abre posibilidades, pero también nos enfrenta a
interrogantes éticos:
El diagnóstico prenatal será más certero y alcanzará un número muy amplio de enfermedades. Esto agudizará la discusión ética sobre el aborto y el derecho a la vida del no nacido.
Se podrá modificar la base genética de las células somáticas (generales) responsables de determinadas enfermedades.
Sería posible la modificación del óvulo, del huevo (cigoto) o del embrión de pocas células, éticamente inaceptable.
Debemos considerar el genoma humano como un bien público y el capital genético individual como una información de orden privado, garantizando la justicia y la imparcialidad en las decisiones que incluyen personas así como la confidencialidad en la información obtenida, y la libertad a no saber si se es o no portador de una enfermedad genética.
Tomar éstas medidas así como la creación de estructuras jurídicas, administrativas, sanitarias y sociales adecuadas evitará los abusos discriminatorios a portadores de enfermedades genéticas por parte de empresas laborales o de salud.
Finalmente, ¿EL GENOMA HUMANO ES PATENTABLE?
El 11 de Noviembre de 1997, la UNESCO aprobó la DECLARACIÓN UNIVERSAL SOBRE GENOMA HUMANO Y LOS DERECHOS DEL HOMBRE, fijando tres principios:
La dignidad del individuo cualesquiera sean sus características genéticas.
Rechazo al determinismo genético. El Genoma Humano es PATRIMONIO DE LA HUMANIDAD. Como se puede ver el descubrimiento del mapa genético
moviliza hasta los cimientos mismos de la cultura, nuestras creencias y valores, afectándonos directa o indirectamente a todos.
Genoma Humano:
Describe el total de la información (Contenido de ADN) en las células humanas.
Genoma Nuclear:
33000Mb: 80 mil genes (25% implica genes y secuencias que están relacionados, con lo que se distribuye en un 10% ADN Codificante y 90% ADN No Codificante.
ADN no codificante: (Pseudogenes (Deriva de un
gen por mutación, es inactivo), Intrones, genes fragmentados)
Genoma Mitocondrial: 16,6 Kb. Aprox. 37 genes codificantes para 2
ARNr, 22 genes ARNt y 13 genes que codifican para 13 polipéptidos
Biotecnología
Disciplina que engloba conocimientos de microbiología, bioquímica, genética molecular, ingeniería industrial, inmunología, farmacología, ciencias medioambientales e informática.
Estos conocimientos se aplican para transformar una sustancia en un producto de interés.
Esta transformación se realiza por la acción de un ser vivo.
Uso en la obtención de cerveza a partir de cereales utilizando levaduras desde antes del año 6.000 a.C.
Con la aplicación de la Biotecnología no sólo se persigue la obtención de alimentos elaborados. También se consiguen medicamentos, mejora de especies vegetales y animales, regeneración de medio ambiente dañado e, incluso, proteínas humanas que ayudan a paliar enfermedades como anemia, enanismo o diabetes.
La consecución de estos logros se está llevando a cabo gracias a la aparición de las técnicas de ingeniería genética.
Ingeniería genética:
Manipular el ADN, obtener fragmentos del mismo, secuenciarlos e identificar los genes del genoma de un individuo, modificar su secuencia e, incluso, introducir nuevos genes en el genoma de un ser vivo, obteniendo con ello una nueva variedad biológica con nuevas características.
Técnicas Básicas en Biología Molecular
El ADN tiene la particularidad de NO Hidrolizarse ,pero si se abre la hebra. Con un aumento de la temperatura o en presencia de NaOH (Hidróxido de Sodio) se separan las 2 cadenas, este proceso se llama Desnaturalización o Melting.
Si saco los agentes denaturantes (Bajando la temperatura lentamente evitando aberraciones, bajando la concentración de iones y removiendo el alca) vuelvo a Renaturar.
Proceso de crear una hebra híbrida de ADN/ARN Las dos hebras de la molécula de ADN son denaturadas por la
aplicación de calor, aproximadamente, a 100°C (Figs. a-b). A esta temperatura los pares de bases complementarios que mantienen el duplex se disocian en dos hebras simples.
La denaturación del ADN es reversible cuando se mantienen las dos hebras simples de ADN durante cierto tiempo a 65°C (Figs. b-a). Este proceso se llama renaturación del ADN o hibridización.
Hibridizaciones similares pueden ocurrir entre cadenas únicas de cualquier ácido nucleico: ADN/ADN, ARN/ARN, ADN/ARN. Si un transcripto de ARN se adiciona durante el proceso de renaturación, la molécula de ARN competirá con la hebra de ADN codificante y formará una molécula híbrida doble hebra de ADN/ARN (Figs. c-d).
Estas reacciones pueden ser usadas para detectar y caracterizar secuencias nucleotídicas usando una secuencia nucleotídica particular como una sonda o prueba radioactiva.
Tecnologías de ADN recombinante
Las tecnologías de ADN recombinante constituye una mezcla de técnicas, que permiten, la fragmentación, la separación, secuenciación, hibridación de ácidos nucleicos, clonaje de ADN y la ingeniería genética .
Fragmentación de moléculas de ADN
Es la parte esencial del proceso, ya que el ADN debe separarse y concentrarse.
Partimos de células con núcleo, que deben ser lisadas (rotas). El ADN se puede fragmentar mecánicamente, si se hace pasar varias
veces la suspensión de ADN a través de la aguja de una jeringa, pero por este medio la ruptura se produce al azar. La obtención de fragmentos específicos será posible tras el descubrimiento de las enzimas de restricción (endonucleasas).
Estas enzimas pueden aislarse de bacterias, cortan la molécula de ADN de doble cadena en lugares definidos por la secuencia de nucleótidos, produciendo fragmentos de ADN de doble hebra de tamaños bien definidos.
Distintas especies de bacterias fabrican diferentes endonucleasas, su función dentro de la célula bacteriana es degradar moléculas de ADN extrañas.
Algunas enzimas de restricción producen cortes de la molécula de ADN que dejan extremos rectos o romos (Fig. a ).
Otras cortan de manera escalonada, dejando extremos pegajosos o cohesivos (Fig. b) que luego pueden unirse, por apareamiento de bases complementarias, con otros fragmentos producidos por la misma enzima (o con otra que genere los mismos extremos ), estas moléculas de ADN producidas se denominan moléculas de ADN recombinante. Esto hace posible combinar segmentos de ADN de fuentes diferentes
El primer paso consiste en identificar y aislar el DNA responsable de un determinado fenotipo (es decir, que codifique para la producción de una cierta proteína).
Una vez obtenido, el gen (o genes) responsable del fenotipo se fusiona con otros fragmentos de DNA para formar moléculas de DNA recombinante.
El DNA recombinante se multiplica (clonación de genes) para lo cual se inserta en una célula, generalmente bacterias. Este proceso permite sintetizar grandes cantidades, tanto de genes aislados como de los productos de ellos (proteínas).
La producción de moléculas de DNA recombinante se basa en la propiedad de las enzimas microbianas llamadas enzimas de restricción (o endonucleasas) de escindir (separar, cortar) las dos cadenas del DNA en sitios específicos.
En condiciones normales, protegen la célula huésped destruyendo el DNA extraño tras su penetración en la célula.
Actualmente los científicos disponen de múltiples variedades de enzimas de restricción que reconocen muchas secuencias específicas diferentes, que se utilizan para preparar fragmentos de DNA que contienen genes o porciones de genes específicos.
Los retrovirus, son virus cuya información genética esta contenida en ARN, ellos no poseen DNA, pero para utilizar la maquinaria celular, deben generar algo así como un lenguaje tipo DNA.
En 1970 se descubrió que los retrovirus poseen un tipo especial de enzima, llamada transcriptasa reversa, que permite al virus producir una copia tipo DNA de su información genética. Este especial DNA se denomina DNA complementario (cDNA). Este descubrimiento permitió sintetizar genes o porciones principales de genes también a partir del RNA mensajero (mRNA).
Separación o aislamiento de fragmentos de ADN La electroforesis en gel es
una técnica que se utiliza para determinar con exactitud la longitud y la pureza de las moléculas de ADN.
Para el caso de fragmentos de ADN menores de 500 nucleótidos de largo, se usan geles de poliacrilamida.
En el caso de moléculas de mayor tamaño, se utilizan geles mucho más porosos formados por agarosa.
En la electroforesis, se colocan partículas cargadas en un campo eléctrico y se les permite que migren hacia los polos positivo o negativo.
Las moléculas se separan porque se mueven a diferentes velocidades en función de su carga y su tamaño.
Las bandas de ADN serán invisibles a menos que el ADN esté marcado o teñido de alguna manera.
Un método sensible de tinción del ADN consiste en sumergir el gel después de la electroforesis en el colorante bromuro de etidio que cuando se encuentra unido al DNA, es fluorescente con luz ultravioleta.Para marcar moléculas de ADN aisladas se utiliza la enzima polinucleótido quinasa para transferir un P 32 hasta el extremo 5’ de cada hebra de ADN.
Secuenciación de una molécula de ADN
A finales de los años 70 se desarrollaron métodos que permitieron determinar de manera simple y rápida la secuencia nucleotídica de cualquier fragmento de ADN purificado. Uno de los métodos más utilizados es el de Maxam y Gilbert o también conocido como el método químico.
Este proceso se inicia con la obtención de un conjunto de moléculas de ADN de doble hebra marcadas en un extremo con P 32. en la primera etapa las hebras de ADN se disocian y se someten a un tratamiento suave con un agente químico que destruye una de las cuatro bases. Solo se destruye una de las bases, al azar. Esto genera distintos fragmentos de ADN de distintas longitudes, que reflejan los lugares en que se produjo la destrucción de la base.
Los fragmentos se separan en un gel y se detectan por autorradiografía.
Para determinar la secuencia completa, se realizan procedimientos similares a cuatro muestras separadas de la misma molécula de ADN, utilizando compuestos químicos que rompan el ADN de forma preferente por T en la primera muestra, por C en la segunda, por G en la tercera y por A en la cuarta.
___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___
T C G A
3’
5’
Los fragmentos resultantes son separados en carriles paralelos del mismo gel, obteniéndose un patrón de bandas de ADN radiactivas a partir de las cuales se
lee la secuencia de ADN. Actividad: a partir del siguiente esquema determine, la secuencia de la
molécula de ADN, recuerde que se lee en dirección 5’ 3’.
.
Marcadores
Ingeniería Genética
Tecnología del ADN
Fármacos Anti-cáncer
DiagnósticosCultivo de Células Vegetales
Transferencia de genes en animales
Síntesis de Sondas de
ADN
Localización de desórdenes
genéticos
Clonación
Solución de crimenes
Producción de Proteínas humanas
TerapiaGénica
Bancos de ADN, ARN Proteínas
Mapas de Genomas completos
BiologíaMolecular
BiologíaMolecular
Cultivos
CelularesCultivos
Celulares
Anticuerpos Monoclonales
Anticuerpos Monoclonales
Síntesis de Nuevas Proteínas
NuevosAntibióticos
NuevasPlantas yAnimales
NuevosAlimentos
Recursos humanos químicos raros
Células Madres Muchos tejidos, especialmente los que tienen un desgaste y una
proliferación rápida, tales como el revestimiento intestinal, la capa epidérmica de la piel y los tejidos hematopoyéticos, se renuevan mediante células madres.Las propiedades que las define son las siguientes:
No está totalmente diferenciada Se puede dividir sin límites, por lo menos durante el ciclo vital del
animal. Cuando se divide, cada célula hija puede permanecer como célula
madre, o puede iniciar una vía que conduce irreversiblemente hacia la diferenciación.
Las células madres son necesarias en aquellos tejidos que se requiere un reemplazo de células diferenciadas, las cuales no pueden dividirse por si mismas.
La misión de la célula madre no consiste en llegar a diferenciarse sino que producir células que se diferencien.
Las células madres se clasifican de acuerdo al número de células que dará origen en:
Unipotenciales: dará origen a un solo tipo de célula diferenciada. Pluripotenciales: dan lugar a muchos tipos celulares.
Célula pluripotente del sistema hematopoyético
Auto-renovación
Línea mieloideLínea linfoide
Biotecnología:Hoy el término engloba todo tipo de producción industrial de “bienes y servicios” por medio de procesos que utilizan organismos, sistemas o procesos biológicos. Contribuyen a la medicina, la industria y la agricultura, además al campo de la investigación básica.
Aplicaciones de la biotecnología: Aplicaciones en la medicina.
Terapia génica: Se refiere al uso de la manipulación genética
para la corrección /curación de enfermedades genéticas y no genéticas.
Existen dos tipos de terapia génica: en células germinales y en células somáticas.
La terapia génica germinal: implica la transfección de un embrión, es decir, la inyección de genes en cigotos. La inserción de estos genes en el genoma del cigoto provocará un cambio genético en el embrión, el cual será transmitido a las generaciones futuras. Este tipo de terapia génica no ha sido aplicada en seres humanos.
La terapia génica en células somáticas: se trata a un individuo, un órgano o tejido específico de esa persona, sin afectar a las células germinales. Por lo tanto, no se tienen consecuencias en las siguientes generaciones.
La introducción de genes supresores, para controlar la acción de genes que se sobre expresan, como aquellos relacionados con el cáncer.
Para el tratamiento de infecciones virales, la introducción de genes que codifiquen para una proteína viral mutante podría ser de gran utilidad, pues la proteína defectuosa, sintetizada por el huésped, “competería” con la proteína viral normal, impidiendo por ejemplo la producción del virus.
El reemplazo de genes defectuosos por genes funcionales, en el caso de enfermedades genéticas dominantes, al ser dominante, la única alternativa de cura implica la remoción del gen defectuoso.
Dependiendo del tratamiento requerido existen varias formas de terapia génica, estas incluyen:
Trangénesis Se puede definir como la introducción de ADN extraño en un
genoma, de modo que se mantenga estable en forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos multicelulares.
La introducción de genes se ha practicado tanto en plantas como animales.
Generalmente en animales, el ADN extraño, llamado transgén, se introduce en cigotos, y los embriones que hayan integrado el ADN extraño en su genoma, previamente a la primera división, producirán un organismo transgenico, de modo que el transgén pasará a las siguientes generaciones a través de la línea germinal (gametos).
Hoy se tienen una gran cantidad de vegetales y animales trangénicos entre los que se pueden nombrar vegetales como, el tomate , el tabaco, algodón, arroz, cítricos, maíz, papas, etc.
Entre los animales transgénicos se encuentran las siguientes especies: ratón , rata, conejo, cerdo, vaca, cabra y oveja.
2. Transgénesis por manipulación de células embrionarias.
Esta implica la introducción de ADN extraño en células embrionarias madres.
Estas células se toman del interior de la blástula en desarrollo y se pasan a un medio dónde se tratan con distintos productos con lo que conseguirá que las células no se diferencien, y se mantienen en estado embrionario.
El ADN extraño se introduce en las células madre de diversas técnicas, posteriormente las células transfectadas son reintroducidas en una blástula y ésta reimplantada en una hembra.
3. Transgénesis por genes clonados en vegetales.
Primero se requiere clonar en un vector (plásmido) el gen de interés. Ese vector debe asegurar la integración estable de los genes deseados en los cromosomas de las células vegetales, y luego mediante técnicas de cultivo de tejidos finalmente se obtienen las plantas transgénicas.
Las plantas transgénicas obtenidas hasta la fecha se desarrollan a partir de diversos métodos de transformación genética. Un método muy empleado es el basado en cepas bacterianas agrobacterium tumefaciens , este microorganismo puede transferir ADN proveniente de uno de sus plasmidos, llamado plasmido Ti (ADN circular) al genoma de las células vegetales.
El segundo procedimiento utilizado para la transformación de plantas es la biobalística. Esta es una técnica basada en principios físicos que permite literalmente disparar genes a las plantas. Para ello, el ácido nucleico que codifica los genes de interés se deposita en minúsculas partículas de oro , las que posteriormente son impulsadas por una fuerte columna de un gas (generalmente helio), hasta impactar los tejidos blanco de la especie a transformar. De esta manera, al penetrar las micropartículas en la célula blanco, éstas alcanzan el núcleo y depositan el DNA que portan transformando la célula con un nuevo gen.
4.Transgénesis por microinyección de cigotos Se realiza de la siguiente forma: En la primera fase, se aíslan un número grande de óvulos fertilizados.
Se consigue sometiendo a las hembras a un tratamiento hormonal para provocar una superovulación. La fertilización puede hacerse in vitro o in vivo.
En la segunda fase, los cigotos obtenidos se manipulan uno a uno y con una micropipeta a modo de aguja, se introduce una solución que contiene ADN.
En la tercera fase, estos óvulos son reimplantados en hembras que actuarán como nodrizas permitiendo la gestación hasta término.
Ejemplos. El primer alimento completo desarrollado mediante ingeniería
genética el tomate Flavr Savr. En este tipo de tomate el gen que codifica la poligalacturonasa no se expresa. Esta enzima degrada la pectina, lo que ablanda el tomate. Este tomate resiste aproximadamente 10 días más de lo normal antes de pudrirse y por lo tanto puede dejarse más tiempo en la planta para madurar y desarrollar más sabor.
Se ha invertido un esfuerzo considerable en la transferencia a otras plantas de cultivo de las capacidades fijadoras de nitrógeno de las bacterias asociadas a las legumbres. Los principales genes responsables de este proceso se han clonado y se han transferido al genoma de las células de plantas; sin embargo, las células receptoras no han sido capaces de fijar el nitrógeno. Si se tuviera éxito en este proyecto, los beneficios potenciales para plantas de cultivo tales como el maíz serían importantes.
No obstante, existe cierta preocupación en torno al hecho de que las nuevas variedades fijadoras de nitrógeno pudieran propagarse de forma indiscriminada como malas hierbas o alterar el ciclo de nitrógeno del suelo.
Los intentos de conferir a las plantas resistencia a las condiciones ambientales adversas han tenido más éxito. Por ejemplo, se aislaron de mutantes de Salmonella typhimurium los genes responsables de la detoxificación de los herbicidas a base de glifosato, y se introdujeron en células de la planta del tabaco utilizando el plásmido Ti. Las plantas regeneradas a partir de las células recombinantes eran resistentes al herbicida. También se han desarrollado variedades de algodón y de maíz fértil transgénico resistentes a los herbicidas. Este hecho tiene una importancia considerable, ya que numerosas plantas sufren efectos adversos al ser tratadas con herbicidas. Las plantas de cultivo resistentes no sufrirían ningún efecto derivado de los agentes químicos empleados para el control de las malas hierbas, y las cosechas probablemente serían mucho mayores.
Se están explorando muchas otras aplicaciones en agricultura. Un buen ejemplo lo constituye una cepa alterada de Pseudomonas syringae, que protege a las plantas de los daños por congelación porque no puede producir la proteína que induce la formación de cristales de hielo. Se está invirtiendo un gran esfuerzo en la protección de las plantas frente a plagas sin el uso de pesticidas químicos y se está estudiando una cepa de Pseudomonas fluorescens que contiene el gen que codifica la toxina de Bacillus thuringiensis . Esta toxina destruye muchas plagas de insectos. Finalmente, se están desarrollando cepas de soja, papa, arroz y otras plantas resistentes frente a virus.
Se ha utilizado en la producción de proteínas como la hemoglobina, la somatostatina, la insulina, la somatotrofina ( hormona del crecimiento). Las cuales pueden potencialmente ser usadas en el tratamientos de enfermedades. Llegando a producir grandes cantidades de cualquier proteína.
En principio es posible producir grandes cantidades de una proteína pura si se sintetiza una gran cantidad de RNAm que codifica dicha proteína.
Para la producción de RNAm, se utilizan vectores de expresión, el cual esta diseñado para producir grandes cantidades de RNAm que será traducido eficientemente en una proteína en el interior de una bacteria, levadura, célula de mamífero, a fin de evitar la elevada síntesis de la proteína extraña interfiera con el crecimiento de la célula transfectada.
El ganado parece estar destinado a desempeñar un papel importante en la biotecnología de orientación médica mediante el uso de un enfoque que en ocasiones ha recibido el nombre de ganadería molecular. Los embriones de cerdo a los que se inyectan genes que codifican la hemoglobina humana se convierten en cerdos que sintetizan hemoglobina humana. Los planes actuales consisten en purificar la hemoglobina y utilizarla como sustituto de la sangre. Un solo cerdo podría aportar 20 unidades de sangre humana al año. Técnicas relativamente similares a ésta han producido cabras cuya leche contiene hasta 3 gramos de activador tisular del plasminógeno humano por litro. El activador tisular del plasminógeno (TPA) disuelve los coágulos sanguíneos y se utiliza en el tratamiento de los pacientes con cardiopatías.
La somatostatina, una hormona polipeptídica de 14 residuos sintetizada en el hipotalamo, hoy se produce artificialmente fusionándola con el gen para la beta-galactosidasa de un plásmido bacteriano. Introducido en E. coli, este plásmido dirige la síntesis de una proteína híbrida, que comienza como betagalactosidasa, pero termina como somatostatina. El bromuro de cianógeno escinde la proteína, liberando así la hormona intacta.
Esta hormona es utilizada en el tratamiento de la acromegalia.
La enzima renina, que se extrae del estómago de terneros y se usa en la industria láctea para elaborar queso, ha sido producida por tecnología de DNA recombinante. Más recientemente se ha logrado inducir la síntesis bacteriana de la enzima celulasa, producida en la naturaleza por ciertos hongos. Esta enzima convierte a la celulosa, que no es digerible por la mayoría de los organismos, en glucosa, la molécula alimenticia de gran importancia.
Un avance especialmente interesante es el uso de maíz para producir anticuerpos monoclonales para uso médico. También puede ser posible utilizar plantas desarrolladas mediante ingeniería genética para producir vacunas orales. Los ratones manipulados mediante ingeniería genética pueden en la actualidad producir anticuerpos monoclonales completamente humanos. También se están desarrollando vacunas sintéticas (por ejemplo, vacunas contra el paludismo y la rabia) mediante técnicas recombinantes. Ya se encuentra disponible en el mercado una vacuna contra la hepatitis B.
La somatotrofina, la llamada hormona del crecimiento se requiere para el tratamiento del enanismo hipofisiario, esta se obtenía de la hipofisis de cadáveres, estando disponible solo en cantidades limitadas hoy Por ejemplo, se combinó el gen de la hormona de crecimiento somatotrofina humana con la porción reguladora de un gen de ratón y se inyectó en óvulos fecundados de ratón. Los ratones transgénicos resultantes crecieron hasta el doble del tamaño normal, indicando que el gen humano se había incorporado al genoma del ratón y estaba produciendo hormona de crecimiento. Dado que el DNA se había inyectado en los óvulos, apareció en todas las células, incluyendo las células germinales, y así pudo ser transmitido a la generación siguiente.
Después de la integración, el nuevo gen en el genoma de la hembra de ratón se transmitió a su progenie. En promedio, los ratones que expresan el nuevo gen crecen de 2 a 3 veces más rápido que los ratones que carecen de él y, como adultos, tienen el doble del tamaño normal
Aplicaciones industriales Entre las aplicaciones industriales se encuentra: la fabricación
de productos proteicos utilizando bacterias, hongos y células de mamíferos cultivadas como verdaderas fábricas; Se han desarrollado bacterias que metabolizan petróleo y otros materiales tóxicos. Estas bacterias pueden construirse ensamblando los genes catabólicos necesarios en un único plásmido y a continuación transformando el microorganismo adecuado.
Aplicaciones en agricultura Recientemente se ha utilizado hormona del crecimiento bovina
para aumentar la producción de leche al menos un 10 %. Es posible que también puedan mejorarse la resistencia a la enfermedad y la tolerancia a condiciones ambientales extremas de los animales de granja.
Incrementado el sabor dulce Resistentes a las
heladas
.Prolongado el carácter crujiente en el momento
de corte.Resistentes a las plagas
Mejorado la resistencia a los insectos. Mejorado
su rendimiento. Mejorado el aroma.
Disminuido el contenido en cafeína.
Conseguidas nuevas variedades, sin pepitas.
Ampliada la vida media del fruto (más
duradero).
Mejorada la resistencia a virus. Aumentar resistencia a insectos.
Disminuir su capacidad de absorber aceite durante la fritura. Obtener variedades más dulces.
Gen bueno
El gen es transportado por un vector
El virus infecta a la célula
Miles de células con el gen incorporado (corrección génica)
Terapia génica
¿En qué consiste la Terapia Génica?
En el campo de la En el campo de la Ingeniería genéticaIngeniería genética consiste en aislar y multiplicar un gen, consiste en aislar y multiplicar un gen, o en general, un trozo de o en general, un trozo de ADNADN
En En Animales superiores Animales superiores consiste en consiste en obtener un individuo a partir de una obtener un individuo a partir de una célula o de un nucleo de otro individuo célula o de un nucleo de otro individuo
Obtención de organismos genéticamente idénticosObtención de organismos genéticamente idénticos
Conjunto de técnicas nacidas de la Conjunto de técnicas nacidas de la Biología molecular Biología molecular que permiten manipular el que permiten manipular el genomagenoma de un ser vivo de un ser vivo
Homo sapiens
Escherichia coliMediante la ingeniería genética se pueden Mediante la ingeniería genética se pueden introducir genes introducir genes en el genomaen el genoma de un individuo que carece de ellos de un individuo que carece de ellos
cromosomagen
Aislamiento y manipulación de fragmentos de ADN de un organismo para introducirlo en otro (ADN recombinante)
Nathans D., Arber W., y Smith H. (premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1978 por el descubrimiento de las enzimas de restricción y su aplicación en Genética Molecular)
Molécula A Molécula B
Digestión de ambas moléculas con la misma enzima de restricción, BamHI
Mezclar
Tratar con ADN-ligasa
ADN recombinante
Extremos cohesivos
Es un proceso cíclico Es un proceso cíclico (cada ciclo consta de 3 pasos)(cada ciclo consta de 3 pasos)
94ºC desnaturalización (separación 94ºC desnaturalización (separación de las dos hebras de de las dos hebras de ADNADN))
50ºC Anillamiento de "cebadores"50ºC Anillamiento de "cebadores"
72ºC copia de cada una de las 72ºC copia de cada una de las hebras de hebras de ADNADN por la por la ADNADN polimerasapolimerasa
En 1983 Kary Mullis da a conocer esta técnica y en 1993 recibió el Premio Nobel de Química por este descubrimiento
35 ciclos 236= 68 billones de copias
Plásmidos
1
Plásmidos
2
Extremos cohesivos
Plásmido
3
Molécula de ADN recombinante
gen de resistencia a la ampicilina
Plásmido
Virus
2
1
3
(f) (h)(g)Ciclo líticoCiclo lítico
Ciclo lisogénicoCiclo lisogénico
Genoma de hongos: 44 millones de pares de basesHuesped: Escherichia coliVector: Bacteriófagos capacidad: 20 mil pares de bases
Genoma humano: 3000 millones de pares de basesHuesped: Saccharomyces cerevisiaeVector: YAC (cromosoma artificial de levadura) MegaYAC (capacidad: 1 millón de pares de bases)
ACTTTGTCCACGGCCTAAGCGTTTTTTGCCCAGTGACTTTGTCCAAC GTCCAACAGTTACCAAGTGACTTTGTCCAC TTTTGCCCAGTGACTTTGTCCA ACGGCCTAAGCGTTTTTTTT
ALINEAMIENTO DE TODAS LAS SECUENCIAS Y RECONSTRUCCIÓN DEL CROMOSOMA
Secuenciación de genomas
•Detección de mutacionesMétodo de diagnóstico rutinario (relación entre enfermedad y mutación puntual)
•Secuenciación de ADNs fósiles Posibilidad de aislar secuencias de ADN a partir de unas pocas copias (la mayoría están dañadas o degradadas)
•Diagnóstico de enfermedades genéticasDiagnóstico prenatal / Diagnóstico preimplantación de enfermedades hereditarias o determinación del sexo del feto previamente a su implantación en procesos defecundación in vitro
•Identificación de especies y control de cruces entre animales Para descubrir fraudes comerciales, tales como vender carne de una especie más barata a los precios de otra más cara, o el comercio ilegal de especies en peligro
•Secuenciación de genomas Conocimiento básico y aplicado de diferentes organismos (incluido el genoma humano)
Beneficios médicos tras el conocimiento de la estructura de cada gen humano
1. Diagnóstico en individuos con riesgo de ser portadores del gen de alguna enfermedad
2. Marco de trabajo para el desarrollo de nuevas terapias, además de nuevas estrategias para la terapia génica
16 de Febrero de 200116 de Febrero de 2001Celera GenomicsCelera Genomics
15 de Febrero de 200115 de Febrero de 2001Consorcio público internacionalConsorcio público internacional
Proyecto genoma humanoProyecto genoma humanoLa secuencia del genoma es un atajo valioso: ayuda a los científicos a encontrar los genes más fácil y rápidamentey sienta las bases para averiguar la función de los genes identificados
Obtención de proteínas de interés médico, comercial, etc...(insulina, hormona del crecimiento, factores de coagulación antes se obtenían a partir de los tejidos que las producen o fluidos corporales)
Obtención de vacunas recombinantes(aternativa al uso de organismos patógenos inactivos)
La levadura fabrica las proteínas víricas
con poder inmunológico
Inyección de proteínas víricas en un chimpancé
plásmido bacteriano
Integración del plásmido híbrido
en el núcleo de una célula de levaduraADN
Extracción del ADN del virus
Conocimiento previo de la secuencia de
ADN enfermo
Mediante ingeniería genética se construye
una sonda de ADN, marcada (marcaje
fluorescente), con la secuencia
complementaria del ADN enfermo
ADN enfermo
ADN sano
ADN complementario del
ADN enfermo
Diagnóstico de enfermedades de origen genético
ADN de la persona que se
quiere diagnosticar
¿Hibridación?¿No
hibridación?
Renaturalización del ADN con la sonda fluorescente
Desnaturalizació
n del ADN
Si aparecen bandas fluorescentes
demuestra que la persona presenta
la anomalíaBiochipMicroarrayDNAchip
DIAGNÓSTICO
Plantas transgénicas
tumores
célula vegetal
Proliferación de hormonas crecimiento. Se forman tumores en las zonas de la lesión
Plásmido Ti
núcleo
cromosoma
cromosoma
Agrobacterium
inductor de tumorescontiene oncogenes
(genes onc)
Ingeniero genético natural tras sutitución de genes onc por genes de interés
Transgénesis= introducción de ADN extraño en un genoma, de modo que se mantenga estable de forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos multicelulares.
Agrobacterium tumefaciens es patógena de plantas.Produce tumores
•Resistencia a herbicidas, insectos y enfermedades microbianas El maíz transgénico de Novartis es resistente al herbicida Basta y también es resistente al gusano barrenador europeo (contiene el Gen de resistencia a la toxina Bt de Bacillus thuringiensis) produce su propio insecticida
Problemas:La toxina Bt en las plantas transgénicas tiene propiedades sustancialmente diferentes a la toxina Bt en su forma natural.
La toxina puede ser transmitida a través de la cadena alimenticia, un efecto que nunca ha sido observado en la toxina Bt en su forma natural.Larvas de especies de insectos predadores benéficos (larvas verdes de crisopa) murieron cuando fueron alimentadas con el gusano barrenador europeo
Gold rice de Monsanto con color amarillo por los altos niveles de vitamina A
Mejora de la calidad de los productos agrícolas Producción de aceites modificados
•Síntesis de productos de interés comercialAnticuerpos animales, interferón, e incluso elementos de un poliéster destinado a la fabricación de plásticos biodegradables
Transgénesis en animales (por microinyección de zigotos)
Gen humano
Secuencia promotora para la síntesis de una
proteína de la leche
Gen híbrido
ratahumano
Desarrollo de una cerda transgénica
Ovulos de cerda fecundados
Clonación de animales (TRANSFERENCIA NUCLEAR DE CÉLULAS EMBRIONARIAS)
Clonación de animales (TRANSFERENCIA DEL NÚCLEO DE UNA CELULA SOMATICA: CÉLULA DIFERENCIADA)
Terneros clonados y manipulados genéticamente (fábrica de anticuerpos humanos)
genes para anticuerpos células dérmicas clonaciónhumanos recombinantes
Objetivo: Tratamiento de enfermedades inmunológicas
Futuro: Tratamiento de una amplia gama de enfermedades ocasionadas por bacterias y virus, como hepatitis, ántrax (utilizada como arma biológica)
Clonan terneros en EE UU para producir anticuerpos humanos
efe- Washington - agosto 2002
Clonan cerdos destinados a trasplantar sus órganos a humanos
La empresa escocesa PPL Therapeutics logra retirar de los cerditos el gen que provoca el rechazo en transplantes a humanos "alfa 1,3 galactosil transferasa"
Enero 2002. AP Photo/Roanoke Times, Gene Dalton (IDEAL-EFE)
Paso importante en favor del xenotrasplante (transferencia de células u órganos de una especie a otra)
Ayudará a superar la escasez de órganos humanos para hacer trasplantes de todo tipo
Un laboratorio de Texas clona al primer animal doméstico
"Copycat" es el primer gatito nacido mediante clonación"
febrero 2002 Universidad College Station (Texas)
El experimento abre las puertas de la clonación masiva de animales domésticos, un fin sin explorar cuya sola posibilidad había desencadenado ya el almacenamiento de células de mascotas por parte de sus ricos propietarios
El sexto día
El ataque de los clones
Para obtener a Dolly: 277 fusiones de ovocitos con células mamarias, solo 29 embriones fueron aptos. De estos solo uno resultó un éxito
La clonación humana ya se esté intentando de forma clandestina por varios laboratorios en el mundo
La clonación reproductiva no arroja los resultados suficientes, no existen garantías como para decir 'Vamos a clonar un ser humano'
Por cada intento de clonación hay detrás miles de fallos, abortos y malformaciones genéticas
En caso de existir deficiencias a nivel genético se puede hacer terápia génica a nivel de células madre
1 Cultivo de blastocisto
Fecundación
Embrión temprano
4 Transferencia de los agregados celulares a un nuevo pozo
5 Formación de células diferenciadas a tejidos dañados
3 Adición de sustancias que disgregan la masa celular interna
2 Eliminación de la capa externa
6 Adición de factores de diferenciación seleccionados
7 Administración de células diferenciadas a tejidos dañados
CREACIÓN DE UN EMBRIÓN ARTIFICIAL(con células adultas)
-embrión somático-
OBJETIVO ÚLTIMO: AUTOTRASPLANTES(no hay rechazo)
Fusión de célula somática y ovulo enucleado
OBJETIVO ÚLTIMO: TRATAMIENTO de ENFERMEDADES
Las células madre abren la posibilidad a un nuevo mundo en las terapias de los trasplantes Calificada como una técnica "ineficaz e imperfecta" por científicos como Iam Wilmut, "padre" de la oveja Dolly, la clonación ha encontrado en las células "madre" su primera razón de ser.
Retos técnicos
1. Las células embrionarias de ratón originan teratomas y teratocarcinomas en animales adultos
2. Conocimiento de las señales implicadas en el desarrollo y diferenciación
3. Asegurar la salud a largo plazo de las células a transplantar (edad biológica de las células)
Declaración Universal de Derecho Humanos y Genoma Humano de la UNESCO (1997), adoptada en 1998 por la Asamblea General de ONU (busca un balance entre una continuación en las investigaciones y la salvaguarda de los derechos humanos)
Frente a los múltiples beneficios de la ingeniería genética pueden surgir algunos problemas
Problemas sanitarios nuevos microorganismos patógenos, efectos secundarios de nuevos fármacos de diseño, etc...
Problemas ecológicos desaparición de especies con consecuencias desconocidas, nuevas contaminaciones debidas a un metabolismo incontrolado, etc...
Problemas sociales y políticos en el campo de la producción industrial, agrícola y ganadera, pueden crear diferencias aún más grandes entre países ricos y pobres. El sondeo génico en personas puede llevar a consecuencias nefastas en la contratación laboral, por ejemplo, y atenta contra la intimidad a que tiene derecho toda persona (empleo, agencias de seguros, discriminación..).
Problemas éticos y morales Poder conocer y modificar el patrimonio genético humano puede ser una puerta abierta al eugenismo "Eugenesia: la ciencia del incremento de la felicidad humana a través del perfeccionamiento de las características hereditarias".
GLOSARIO ADN recombinante: Molécula de ADN formada por combinación de
fragmentos de ADN de orígenes diferentes. La proteína que codifica éste es una proteína recombinante.
Bioética: Disciplina científica que estudia los aspectos éticos de la medicina y la biología en general, así como las relaciones del hombre con los restantes seres vivos. Se basa en cuatro principios fundamentales: beneficencia, autonomía, no maleficencia y justicia.
Biomedicina: Área de investigación que sigue un camino ascendente desde el fenotipo hasta el genotipo, desde la expresión de un gen en una proteína hasta el papel que ésta desempeña en una vía metabólica. la Biomedicina fundamenta su existencia en el soporte que proporciona el conocimiento de los procesos biológicos a nivel molecular para entender las manifestaciones clínicas de una patología.
Biotecnología Moderna: Toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos en usos específicos. (Convenio sobre Diversidad Biológica de las Naciones Unidas, 1992).
Biotecnología Tradicional: Uso de organismos vivos o de compuestos obtenidos de organismos vivos para obtener productos de valor para el hombre. Son las tecnologías y procedimientos fruto del conocimiento y experimentación realizada de forma colectiva y acumulativa de generación en generación por agricultores y productores que involucran el uso y procesamiento de plantas, animales y microorganismos, partes de ellos o sus derivados, para la obtención de diferentes productos utilizados en la alimentación, medicina y otros usos culturales
Células Madre: Célula precursora que sufre división y da lugar a diferentes linajes de células diferenciadas.
Células Somáticas: Cualquier célula del cuerpo, excepto los gametos. Clonación: El proceso de producción asexual de un grupo de células
(clones), genéticamente idénticas, a partir de un mismo ancestro. Clonación Terapéutica o transferencia de núcleo de célula
somática: Procedimiento en que el paciente suministra células somáticas, se transfiere el núcleo a un ovocito desnucleado, se crea un “embrión artificial” (embrión somático) hasta la fase de blastocisto, luego se toman las células de su masa interna, se cultivan como células madre, y finalmente se diferencian al tipo de célula o tejido para la terapia celular o el injerto, sin los problemas del rechazo (autotrasplante).
Genoma: Conjunto de todos los genes de un organismo y de todo el patrimonio genético almacenado en el conjunto de su ADN o de sus cromosomas.
Genómica: Área de investigación que estudia los genomas completos de los organismos vivos y que busca comprender la estructura, función y evolución de los genes para responder a cuestiones biológicas fundamentales.
Ingeniería Genética: Conjunto de técnicas utilizadas para modificar el material genético de un organismo vivo, a través de la introducción de uno o más genes provenientes de otra especie o de origen artificial o mediante la manipulación o recombinación genética de sus propios genes.
Manipulación Genética: Formación de nuevas combinaciones de material hereditario por inserción de moléculas de ácido nucleico obtenidas fuera de la célula, en el interior de cualquier virus, plásmido bacteriano u otro sistema vector.
Marcador Genético Molecular: Secuencia de ADN que es utilizada para identificar una localización particular en un cromosoma de un gen o característica genotípica o detectar la presencia de un agente infeccioso (bacteria, hongo o virus).
Organismos Genéticamente Modificados, OGM: Cualquier organismo cuyo material genético ha sido modificado de una manera que no se produce de forma natural en el apareamiento (multiplicación) o en la recombinación natural, también se pueden producir manipulando las cruzas
Organismos Transgénicos: Animal o planta en el que se ha introducido un gen perteneciente a otra especie. La alteración del contenido genético tiene como objetivo que la especie modificada adquiera unas propiedades que por ella misma no posee.
Proteómica: Área de investigación que busca identificar y caracterizar un conjunto completo de proteínas y la interacción entre ellas en una especie dada.
Terapia Génica: Conjunto de los procesos destinados a la introducción in vitro o in vivo de un gen normal en células en las que el mismo gen, anormal, provoca una deficiencia funcional o es el origen de una enfermedad.
Transgénesis o Transgenia: Conjunto de procesos que permiten la transferencia de un gen (que se convierte en transgen) a un organismo receptor (llamado transgénico), que generalmente puede transmitirlo a su descendencia. Esta técnica permite la asociación de genes que no existe en la naturaleza, saltándose las barreras entre especies y entre reinos.
Silenciamiento y Activación de Genes: Proceso que permite "conectar" o "desconectar" genes, haciendo que ciertos genes se activen o se silencien para producir o dejar de producir ciertas proteínas.