Aplicaciones de la biología biotecnología e ingeniería genética 2014 (

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20 Aplicaciones de la biología: biotecnología e ingeniería genética

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Tecnología del ADN recombinante Estas técnicas comprenden varios procesos: La identificación y obtención del fragmento de DNA que interesa A continuación este DNA se inserta en otro fragmento de DNA, generalmente un plásmido bacteriano. Más tarde este DNA se introduce en el organismo receptor. Los organismos que contienen DNA de un ser vivo diferente se denominan transgénicos (OMG) . La ingeniería genética también se conoce como la tecnología del DNA recombinante (DNA obtenido en el laboratorio que incluye fragmentos de distintas procedencias).

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Tecnología del ADN recombinante Fragmentación del ADN con enzimas de restricción Aislamiento y corte del plásmido con la misma enzima de restricción Plásmido Formación con ADN ligasa de una molécula de ADN recombinante Replicación Selección del clon deseado y producción de células Introducción en la célula huésped Fragmento de ADN

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Tecnología del ADN recombinante

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Tecnología del ADN recombinante Cadena de poliA Cebador de oligodT ARNm Transcriptasa inversa viral NaOH que deforma el ARNm ADN-polimerasa I Lazo en horquilla ADN Nucleasa S1 ADN de doble cadena Mecanismo de síntesis del ADN complementario

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Enzimas de restricción Ingeniería genética Sus técnicas se basan en la utilización de enzimas Cortar el ADN Son biocatalizadores, moléculas que aceleran las transformaciones químicas Se realiza usando enzimas de restricción Cortan en secuencias (palindrómicas) determinadas que varían en cada enzima de restricción En algunos casos generan extremos “adhesivos” o “pegajosos”

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Enzimas de restricción Cortar el ADN Enzimas de restricción Dada la secuencia de ADN siguiente: ...ATGCGAATTCCCGCCAGGTTATGCAATTCATG... ...TACGCTTAAGGGCGGTCCAATACGTTAAGTAC... ¿Cuántos y cuáles serían los fragmentos que originaría si se corta con la enzima de restricción EcoRI? ¿Cuántos y cuáles serían los fragmentos que originaría si se corta con la enzima de restricción EcoRII?

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Enzimas de restricción Cortar el ADN Enzimas de restricción ...ATGCGAATTCCCGCCAGGTTATGCAATTCATG... ...TACGCTTAAGGGCGGTCCAATACGTTAAGTAC... ...ATGCGAATTCCCGCCAGGTTATGCAATTCATG... ...TACGCTTAAGGGCGGTCCAATACGTTAAGTAC... EcoRI ...ATGCG AATTCCCGCCAGGTTATGCAATTCATG... ...TACGCTTAA GGGCGGTCCAATACGTTAAGTAC... EcoRII ...ATGCGAATTCCCG CCAGGTTATGCAATTCATG... ...TACGCTTAAGGGC GCTCCAATACGTTAAGTAC...

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Enzimas de restricción Cortar el ADN Enzimas de restricción Las enzimas de restricción EcoRI y HhaI producidas por dos especies bacterianas, E.coli y Haemophilus haemolyticus respectivamente, reconocen las siguientes secuencias y cortan por los puntos indicados con las flechas. ¿Cuántas bases tendrán en cada caso los extremos cohesivos (“pegajosos”) generados? AATTC G G CTTAA 4 bases CGC G G CGC 2 bases

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PCR (reacción en cadena de la polimerasa) Hacer copias de fragmentos de ADN Se realiza usando ADN polimerasas Forman moléculas de ADN a partir de nucleótidos Toman como molde una de las cadenas y van añadiendo las bases complementarias

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PCR (reacción en cadena de la polimerasa) Hacer copias de fragmentos de ADN Mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) Permite obtener muchas copias de un gen o fragmento de ADN a partir de cantidades “ muy, muy ” pequeñas (momias, muestras forenses,..) Se basa en que la molécula de ADN se puede desnaturalizar y renaturalizar Renaturalización Hibridación 1 El ADN que se quiere clonar se desnaturaliza calentando a 90 - 95ºC 1 2 2 Se baja la temperatura a 50 - 60ºC para que se hibriden pequeñas secuencias complementarias de ADN llamadas cebadores 3 3 Se sube la temperatura a 60 - 70ºC y actúa una ADN polimerasa resistente al calor que produce una extensión de la cadena a partir del cebador 4 A partir de cada cadena se forma una molécula de ADN y tras unos 30 ciclos (3 h) la cantidad de ADN aumenta un millón de veces 4

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PCR (reacción en cadena de la polimerasa) Hacer copias de fragmentos de ADN Mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) http://aulavirtual2.educa.madrid.org/mod/resource/view.php?inpopup=true&id=840609

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Vectores de clonación Vectores de clonación Son moléculas transportadoras que transfieren y replican fragmentos de ADN que llevan insertados. Debe ser capaz de replicarse junto con el fragmento de ADN que transporta. Tiene que tener secuencias de reconocimiento que permitan la inserción del fragmento de ADN a clonar. Para insertar un fragmento de ADN al vector, se utiliza una enzima de restricción, y se mezcla con fragmentos de ADN producidos con la misma enzima.

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Vectores de clonación Tipos de vectores de clonación Plásmidos Virus bacteriófagos Cósmidos YAC’s (cromosomas artificiales de levadura) Cromosomas artificiales de bacterias (BAC’s) Cromosomas artificiales humanos

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Vectores de clonación Son moléculas de ADN bicatenario circular. Se localizan en las bacterias. Tienen replicación independiente. G enes propios (resistencias a antibióticos) que permiten seleccionarlos posteriormente Facilidad para la manipulación. Puntos de corte específicos para enzimas de restricción Plásmidos

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Vectores de clonación Plásmido ADN donante Endonucleasas de restricción Fragmento de ADN que se quiere insertar Reasociación Plásmido quimera

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Vectores de clonación Virus que infectan bacterias Incorporan material genético mediante el proceso de transducción. Al infectar otra célula (bacteria) introduce el material del antiguo huésped. Bacteriófagos

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Vectores de clonación Consiste en un plásmido al cual se le han adicionado unos segmentos del genoma de un bacteriófago. Son fragmentos de ADN que llevan un ADN no propio y la porción COS (fragmento de fagos necesario para empaquetar el material genético) Lleva varios genes de plásmidos Incorpora marcadores (resistencia a antibióticos) Tiene varios sitios de restricción Permite transportar grandes cantidades de ADN. Cósmidos

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Aportaciones de la manipulación genética Se extrae el plásmido que tiene la bacteria además de su material genético. La insulina puede ser empleada para tratar la diabetes. Se introduce el gen en el plásmido. Se aisla el gen que codifica la insulina humana. Se introduce de nuevo en una bacteria. Bacterias que sintetizan insulina humana.

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Aportaciones de la manipulación genética Plásmido híbrido ADN vírico Plásmido bacteriano Virus de la hepatitis B Proteínas víricas Plásmido híbrido introducido en la célula Las proteínas inducen la producción de anticuerpos La vacuna produce inmunidad contra la hepatitis B

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Aportaciones de la manipulación genética Terapia génica para la deficiencia de ADA (adenosina-desaminasa) Inserción del gen correcto en el retrovirus Gen correcto El retrovirus infecta las células de la médula ósea obtenidas del paciente ARN vírico Inyección de las células modificadas genéticamente en el paciente

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Aportaciones de la manipulación genética Los seres humanos difieren en un 0.1% del genoma. Estas diferencias están localizadas en regiones cromosómicas concretas. Estas zonas se usan como marcadores genéticos Con la identificación de los marcadores se hace la huella genética (método de Southern blot) La comparación de huellas genéticas permite resolver casos policiales.

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Aportaciones de la manipulación genética Obtención de plantas transgénicas Resistencia a herbicidas Mejora del producto Plantas farmacéuticas Se introduce un gen de E. coli que permite usar mayores concentraciones de herbicidas sin dañar a la planta de interés, y eliminando malas hierbas. Las plantas producen sustancias medicinales, vacunas o anticuerpos ( planticuerpos ). Se mejora el valor nutricional del producto, por ejemplo añadiendo beta-caroteno al arroz

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Aportaciones de la manipulación genética Obtención de plantas transgénicas Maíz Bt : Tiene incorporado un gen de una bacteria Bacillus thuringiensis que fabrica una sustancia venenosa para los taladros (larvas de mariposa) Planta de maíz no resistente a insectos. Se cultivan las células en el laboratorio. Plantas de maíz resistentes a insectos. Se introduce el ADN bacteriano en la célula. El material genético de la bacteria se ha insertado en el ADN de la planta. Se corta el ADN y se selecciona el fragmento que tiene el gen para sintetizar el tóxico. ADN bacteriano Gen responsable de la toxicidad ADN planta Bacillus thuringiensis Célula vegetal

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Aportaciones de la manipulación genética Aplicaciones en animales MEJORA DE RAZAS PRODUCCIÓN DE MEDICAMENTOS ESTUDIO DE ENFERMEDADES HUMANAS Obtener razas mas resistentes, mas productivas, con mayor desarrollo, resistentes a condiciones más difíciles Se estudia la expresión de genes humanos en organismos transgénicos Se usan animales transgénicos. Se pueden obtener sustancias de interés como proteínas humanas para combatir enfermedades: Enfisema hereditario Factores de coagulación

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Aportaciones de la manipulación genética Aplicaciones en animales Embriones no viables Embriones viables A las pocas horas de ser fecundados reciben una inyección de ADN Peces no transgénicos Peces transgénicos. El ADN se ha insertado en el ADN original El cinc de la dieta hace reaccionar al promotor ADN del pez Promotor Gen nuevo ARN Proteína deseada Hormona del crecimiento Proteína anticongelante Crecimiento más rápido Posibilidad de sobrevivir en ambientes más fríos

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Aportaciones de la manipulación genética Aplicaciones en animales PRODUCCIÓN DE LECHE Rebaño de descendientes transgénicos que producen la proteína Oveja nodriza Transferencia génica Óvulo de oveja fecundado Purificación de la proteína Medicamento como la -1-antitripsina o el activador del plasminógeno.

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Aportaciones de la manipulación genética Ingeniería genética y medio ambiente Biorremediación Bioadsorción Biolixiviación Uso de bacterias modificadas para degradar materia orgánica (petróleo) Obtención de metales a partir de minerales de baja ley Fijación de metales pesados a la superficie de la célula para limpieza de suelos

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Organismos transgénicos Organismo transgénico u OMG (org anismo modificado genéticamente) Aquel cuyo genoma ha sido modificado con genes procedentes de otros organismos · Incremento en la productividad. · Incremento en la calidad. · Resistencia a plagas. · Resistencia a enfermedades y estrés ambiental. · Mejora del sabor y propiedades nutricionales.

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Organismos transgénicos Riesgos de los transgénicos Pérdida de diversidad genética Pérdida de diversidad cultivada, invasión de ecosistemas naturales Paso de genes transferidos a especies silvestres o tradicionales Maleza resistente a herbicidas o bacterias resistentes a antibióticos Efectos perjudiciales sobre la salud Se han descrito problemas alérgicos. Hay gran desconocimiento Aumento de la dependencia de países en desarrollo

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Proyecto Genoma Humano Se planteo con el objetivo de identificar los genes y la secuenciación completa del genoma humano. Se inicio en 1990 con un tiempo estimado de finalización de 15 años. Se finalizó cinco años antes de la fecha prevista. La investigación la realizaron en paralelo 2 proyectos, uno público HUGO y otro privado (Celera Genomics)

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Proyecto Genoma Humano BENEFICIOS DEL PROYECTO GENOMA HUMANO Conocimiento de un patrón normal de referencia del genoma humano. Por comparación se pueden determinar portadores de enfermedades genéticas. Prevención y cura de enfermedades hereditarias. Cuantificación de las posibilidades de manifestar una determinada enfermedad. Conseguir mayor longevidad a partir del estudio de los genes implicados en el envejecimiento. Desarrollo de terapias génicas.

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Proyecto Genoma Humano IMPLICACIONES ÉTICAS DEL PGH El uso de los análisis de DNA plantea numerosos problemas éticos. Especialmente los relacionados con la privacidad y voluntariedad de un análisis genético tan exhaustivo: Que aseguradoras, empresarios, u otros utilicen de forma deshonesta esta información. Comercialización de la información genética. Mejoras genéticas para características específicas de los individuos, no relacionadas con enfermedades. Otras implicaciones éticas están relacionadas con técnicas derivadas del conocimiento del genoma humano: terapia génica, manipulación genética en células germinales…

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Repercusiones de la manipulación genética Ventajas BENEFICIOS MÉDICOS : Derivados de la obtención de nuevos fármacos, más eficaces y económicos, y, sobretodo, de la posibilidad de prevenir y curar enfermedades que hoy no tienen curación, como los cánceres, transplantar órganos humanos creados en otros animales, etc.     BENEFICIOS ALIMENTARIOS : La posibilidad de ampliar enormemente la productividad de las explotaciones agrarias y ganaderas podría permitir erradicar el hambre en el mundo y asegurar alimentos para una mayor población humana.  

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Repercusiones de la manipulación genética Inconvenientes PROBLEMAS SANITARIOS: Debidos a la aparición de nuevos microorganismos patógenos que provoquen enfermedades desconocidas o que puedan pasar de una especie a otra diferente produciendo la enfermedad. Debemos añadir que el uso de fármacos de diseño podría provocar efectos secundarios no deseados. PROBLEMAS ECOLÓGICOS: La liberación de nuevos organismos en el ambiente puede provocar la desaparición de especies contra las cuales se lucha, con consecuencias aún desconocidas, ya que cumplen una función en la cadena trófica de la naturaleza. Se puede pensar en posibles nuevas contaminaciones  debidas a un metabolismo incontrolado.

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Repercusiones de la manipulación genética Inconvenientes PROBLEMAS SOCIALES Y POLÍTICOS: Las aplicaciones de la Biotecnología en el campo de la producción industrial, agrícola y ganadera, pueden crear diferencias aún más grandes entre países ricos y pobres. El conocimiento previo de las enfermedades que puede desarrollar una persona llevaría a consecuencias nefastas en la contratación laboral, además de atentar contra la intimidad a que tiene derecho toda persona. PROBLEMAS ÉTICOS Y MORALES: Poder conocer y modificar el patrimonio genético humano es una puerta abierta a la EUGENESIA, aunque también a la curación de enfermedades hoy por hoy incurables, como el cáncer o el Alzheimer. En el campo de la Terapia Génica es donde hoy día se producen los mayores choques entre ciencia y ética, por la manipulación de genes en personas, los trabajos con embriones humanos con fines puramente experimentales, etc.

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Repercusiones de la manipulación genética Inconvenientes La PRIVATIZACIÓN DE LOS GENES: También plantea grandes dudas la posibilidad de que existan empresas privadas que puedan PATENTAR genes y seres vivos para su uso exclusivo. ¿Los seres vivos pueden tener dueño?.

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