INGENIERÍA GENÉTICA Y BIOTECNOLOGÍA.

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1 INGENIERÍA GENÉTICA Y BIOTECNOLOGÍA

2 Historia 1919: Karl Ereky, ingeniero húngaro, utiliza por primera vez la palabra biotecnología. 1965: El biólogo norteamericano R. W. Holley «leyó» por primera vez la información total de un gen de la levadura compuesta por 77 bases, lo que le valió el Premio Nobel. 1970: el científico estadounidense Har Khorana consiguió reconstruir en el laboratorio todo un gen. 1973: Se desarrolla la tecnología de recombinación del ADN por Stanley Cohen, y Herbert Boyer. 1976: Har Khorana sintetiza una molécula de ácido nucleico compuesta por 206 bases. 1976: Robert Swanson y Herbert Boyer crean Genentech, la primera compañía de biotecnología. 1978: Nace Baby Louise, el primer bebé concebido mediante fecundación in vitro. 1981: Primer diagnóstico prenatal de una enfermedad humana por medio del análisis del ADN. 1982: Se crea el primer ratón transgénico (el "superratón"), insertando el gen de la hormona del crecimiento de la rata en óvulos de ratona fecundados.

3 1982: Se produce insulina para humanos, la primera droga derivada de la biotecnología.
1983: Se aprueban los alimentos transgénicos producidos por Calgene. Es la primera vez que se autorizan alimentos transgénicos en Estados Unidos. 1983: Se inventa la técnica PCR, que permite replicar (copiar) genes específicos con gran rapidez. 1985: se utiliza por primera vez la "huella genética" en una investigación judicial. 1986: Se autorizan las pruebas clínicas de la vacuna contra la hepatitis B obtenida mediante ingeniería genética. 1990: primer tratamiento con éxito mediante terapia génica en niños con trastornos inmunológicos ("niños burbuja"). 1990: fundación del Proyecto Genoma Humano. 1996: se completa la secuencia del genoma de un organismo eucariótico, la levadura cervecera "Saccharomyces cerevisiae". 1997: Clonación del primer mamífero, una oveja llamada "Dolly". 2003: Cincuenta años después del descubrimiento de la estructura del ADN, se completa la secuencia del genoma humano.

4 La ingeniería genética puede definirse como un conjunto de técnicas, nacidas de la Biología molecular, que permiten manipular el genoma de un ser vivo. La ingeniería genética es una técnica que consiste en la manipulación, modificación e introducción de genes en el genoma de un individuo que carece de ellos.

5 La ingeniería genética incluye un conjunto de biotécnicas, entre las que destacan:
la tecnología del ADN recombinante: con la que es posible aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para introducirlo en otro. la reacción en cadena de la polimerasa (PCR): con la que se consigue aumentar el número de copias de un fragmento determinado de ADN, por lo tanto, con una mínima cantidad de muestra de ADN, se puede conseguir toda la que se necesite para un determinado estudio. 3. La secuenciación del ADN: Técnica que permite saber el orden o secuencia de los nucleótidos que forman parte de un gen.

6 TÉCNICAS DE INGENIERÍA GENÉTICA
A) TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE: permite aislar un fragmento de ADN de un organismo (transgén) e insertarlo en el ADN de otro organismo que puede ser de otra especie. Esta técnica permite la obtención de transgénicos: organismos que portan genes de otra especie Molécula A Molécula B Digestión de ambas moléculas con la misma enzima de restricción, BamHI Mezclar Tratar con ADN-ligasa ADN recombinante Extremos cohesivos

7 Las enzimas de restricción son capaces de "cortar" el ADN en puntos concretos.
Las enzimas de restricción son ENDONUCLEASAS (tijeras moleculares). Cortan el ADN: Cada enzima reconoce una secuencia de nucleótidos y corta en ese punto cada cadena de ADN. Los extremos libres son pegajosos porque pueden unirse a otros fragmentos cortados por las mismas enzimas de restricción La unión del ADN procedente de dos orígenes distintos produce una molécula de ADN recombinante

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9 La síntesis de insulina humana a partir de bacterias o levaduras, para ello se incorpora a estos microorganismos el gen humano que codifica la síntesis de esta proteína

10 Identificación de especies
B) REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA, TÉCNICA PCR Permite obtener grandes cantidades de ADN a partir de una muestra muy pequeña Aplicaciones: Obtención de cantidad suficiente de ADN para su secuenciación (leer el orden de las bases nitrogenadas) y poder determinar si existe alguna mutación o simplemente conocer la disposición normal de las bases (se utiliza en el estudio de los genomas) Análisis de ADN fósil Estudios de parentesco evolutivo: el grado de similitud en el ADN permite establecer relaciones de parentesco entre especies Identificación de especies Determinación de huellas genéticas, permite obtener suficiente cantidad de ADN a partir de muestras pequeñas (gotas de sangre, semen, bulbo de cabello, restos de piel) para poder realizar estudios comparativos (investigaciones policiales, medicina forense, pruebas de paternidad)

11 En 1983 Kary Mullis da a conocer esta técnica y en 1993 recibió el Premio Nobel de Química por este descubrimiento Es un proceso cíclico (cada ciclo consta de 3 pasos) 94ºC desnaturalización (separación de las dos hebras de ADN) 50ºC Anillamiento de "cebadores" 72ºC copia de cada una de las hebras de ADN por la ADN polimerasa

12 Así se realiza la técnica PCR
UNIDAD 7 UNIDAD 7 UNIDAD 7 UNIDAD 7 Así se realiza la técnica PCR El fragmento de ADN que se desea amplificar se calienta para que las dos hebras se separen. Calentamiento Las hebras separadas se enfrían y se tratan con ADN polimerasa y nucleótidos para formar las cadenas complementarias de cada hebra de ADN. ADN polimerasa Nucleótidos Enfriamiento Se inicia un nuevo ciclo en el que los fragmentos de partida son los dos fragmentos de ADN formados en el ciclo. Calentamiento ADN polimerasa Nucleótidos Enfriamiento Se forman las cadenas complementarias de ADN de las hebras separadas. Después de 20 ciclos de este proceso, se logra disponer de más de un millón de copias de la molécula.

13 C) SECUENCIACIÓN Consiste en poder determinar la secuencia de nucleótidos (de bases nitrogenadas) de un fragmento de ADN Permite identificar posibles mutaciones diagnosticar enfermedades asociadas a estas mutaciones: DIAGNÓSTICO MOLECULAR El diagnóstico molecular permite diagnosticar la enfermedad antes de que se manifieste clínicamente lo cual puede permitir un mejor control de la misma. Se utiliza en el diagnóstico prenatal, en el consejo genético y en la selección de embriones para evitar enfermedades hereditarias En investigación forense, por ejemplo, identificación de individuos o en pruebas de paternidad. En medio ambiente, por ejemplo, para la identificación de especies animales y vegetales, la conservación de recursos genéticos animales, la identificación de organismos genéticamente modificados, la identificación de especies bacterianas

14 Secuenciación de ADN: método Sanger
1. Este método utiliza didesoxirribonucleótidos, cuya incorporación a la secuencia de ADN provoca la terminación de la cadena, ya que no se puede añadir ningún ribonucleótido más al extremo en el que se incorporan. 2. Como primer requisito se necesita un gran cantidad de la muestra, por lo que es necesario clonar el fragmento de ADN seleccionado. A continuación, se desnaturaliza el ADN y se obtienen cadenas simples que se incuban en un tubo de ensayo junto con el resto del material. 3. Se inicia la síntesis de nuevas cadenas de ADN que utilizan como molde el ADN que se quiere secuenciar. Las cadenas incorporan un desoxirribonucleótido por azar e interrumpen su síntesis. Al realizar miles de copias se obtienen múltiples cadenas de longitud variable, que se diferencian en un nucleótido. Al identificar los desoxirribonucleótidos terminales de las cadenas se puede “leer” la secuencia de nucleótidos del fragmento de ADN analizado.

15 Cuatro tubos diferentes con: Polimerasa dATP, dCTP, dTTP y dGTP
Un solo didesoxi marcado (ddATP) Se forman fragmentos de distinto tamaño terminados en A Los fragmentos de ADN obtenidos se separan por tamaños con electroforesis Cada una de las cuatro muestras se insertan en un carril diferente del gel El cebador suele ser complementario del vector del fragmento desconocido, que suele ser una región cerna a la inserción del fragmento y de secuencia conocida

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17 Clonar es hacer una copia idéntica de un organismo.
Clonación. Clonar es hacer una copia idéntica de un organismo. Se hace con fines Reproductivos Terapéuticos Tiene como objetivo curar enfermedades y regenerar tejidos Tiene como finalidad obtener organismos idénticos

18 Clonación reproductiva: Dolly
El equipo de Ian Wilmut, del Instituto Roslin de Edimburgo comunicó en 1997 que habían logrado una oveja por clonación a partir de una célula diferenciada de un adulto. Esencialmente el método (que aún presenta una alta tasa de fracasos) consiste en obtener un óvulo de oveja, eliminarle su núcleo, sustituirlo por un núcleo de célula de oveja adulta (en este caso, de las mamas), e implantarlo en una tercera oveja que sirve como “madre de alquiler” para llevar el embarazo. Así pues, Dolly carece de padre y es el producto de tres "madres": la donadora del óvulo contribuye con el citoplasma (que contiene, además mitocondrias que llevan un poco de material genético), la donadora del núcleo (que es la que aporta la inmensa mayoría del ADN), y la que parió, que genéticamente no aporta nada.

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20 Los investigadores cogieron células de la glándula mamaria de una oveja adulta.
Cogieron óvulos no fertilizados de otra oveja y les extrajeron en núcleo. Insertaron 277 núcleos de la células adultas en otros tantos óvulos. Sólo 29 sobrevivieron. Los 29 óvulos se implantaron en el útero de 13 ovejas nodrizas. Sólo una quedo preñada y parió a Dolly

21 Dolly (1997-2003), la primera oveja obtenida por clonación a partir de células adultas

22 Un laboratorio de Texas clona al primer animal doméstico
"Copycat" es el primer gatito nacido mediante clonación" 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 En España se clona al primer toro de lidia

23 Aplicaciones de la ingeniería genética
a) Aplicaciones médicas Producción de sustancias con efecto terapéutico. Técnicas de diagnóstico clínico. Terapia génica. Trasplantes de órganos. b) Aplicaciones agropecuarias. Plantas transgénicas. Alimentos transgénicos. Animales transgénicos. c) Otras Aplicaciones de la PCR y otras técnicas para clonar genes, hacer estudios evolutivos, arqueológicos, forenses... Industria alimentaria:aditivos alimentarios, En el medio ambientedetección de fraudes, elaboración de productos lácteos y vinos...

24 ORGANISMOS TRANSGÉNICOS Microorganismos transgénicos
Producción de alimentos Eliminación de basuras Obtención de materias primas para la industria Descontaminar lo que las industrias han contaminado Animales de granja (cerdos, ovejas, borregos) "biorreactores“ de proteínas terapéuticas humanas en su leche (antitripsina, factor VIII de coagulación…) El maíz porta un gen de la bacteria Bacillus thunngiensis para sintetizar una toxina que causa la muerte de insectos dañinos, con esta estrategia se pretende disminuir el uso de insecticidas y obtener mejores rendimientos en las cosechas, sin embargo, se ha descrito que el polen de este maíz transgénico es tóxico para las larvas de la mariposa monarca. Antitripsina : proteína que se usa en el tratamiento de un tipo de enfisema por carencia hereditaria de dicha proteína Plantas transgénicas "nueva revolución verde“ Resistentes a sequías, a herbicidas o a plagas de insectos, Maduración tardía o con características para mantener el color y sabor después de congelación Ejemplos : algodón, la soja, la papa, el tomate y al maíz

25 Plásmido con gen insertado
UNIDAD 4 UNIDAD 7 UNIDAD 7 UNIDAD 7 UNIDAD 7 UNIDAD 7 Obtención de medicamentos por ingeniería genética El gen del factor VIII, procedente de células humanas, se inserta en un plásmido. Plásmido con gen insertado Células embrionarias Vaca receptora Tras el desarrollo del embrión, nacerá una vaca transgénica que portará el gen del factor VIII en sus células. Vaca transgénica Vaca transgénica El plásmido se inserta en células embrionarias de una vaca. Los embriones se implantan en una vaca receptora. Cuando la cría crezca, de su leche se podrá obtener el factor VIII.

26 Mansa (nació en 2002) Primera ternera clonada y transgénica. Produce la hormona de crecimiento humana en la leche

27 Clonan terneros en EE UU para producir anticuerpos humanos
Terneros clonados y manipulados genéticamente (fábrica de anticuerpos humanos) 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"

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29 Un Ingeniero Genético natural , un vector natural es:
Agrobacterium tumefaciens Esta bacteria, presente en el suelo, es patógena de muchas plantas a las que produce un tumor conocido como "agalla de cuello". Penetra en los tejidos vegetales causando una proliferación celular.

30 Durante el contacto con las células vegetales la bacteria transfiere a las células vegetales un plásmido llamado Ti (inductor de tumores). Este plásmido se integra en el ADN del cromosoma de la célula vegetal. Si en el plásmido Ti se eliminan artificialmente los genes onc de la Región vir y se sustituyen por otros genes que interés para clonar, se habrá obtenido un sistema muy eficaz para introducir ADN interesante a la planta, al mismo tiempo que se habrá evitado la aparición de la enfermedad.

31 mejora vegetal Obtención de alimentos medicamento
Resistencia al glifosfato herbicida no selectivo, con gen de E. coli resistente, clonado e incorporado Resistencia a plagas, con toxina de Bacillus turingiensis Resistencia a virus, con proteínas de la cápsida de dicho virus Obtención de alimentos medicamento

32 Arroz transgénico –arroz dorado- con βcaroteno (vit A)
Mejora del producto (alimentos) Arroz transgénico –arroz dorado- con βcaroteno (vit A)

33 Enfermedades genéticas hereditarias
LA BIOTECNOLOGÍA Y LAS ENFERMEDADES GENÉTICAS Cromosómicas: Se producen por un cambio que afecta a cromosomas completos o a fragmentos Enfermedades genéticas hereditarias Monogénicas: Los cambios están en un único gen que se hereda como cualquier característica Síndrome de Down (trisomía 21) Fibrosis quística: Alelo mutante recesivo en el cromosoma 7 Pueden ser heredadas o causadas por problemas en la formación de gametos

34 APLICACIONES Medicina forense Terapia génica
Obtención de productos farmacéuticos Medicina forense Marcadores genéticos Huella genética Insulina Interferón H. De crecimiento Factor VIII Terapia génica Diagnóstico de enfermedades Inserción de genes funcionales para corregir un defecto genético Detección en personas o fetos enfermedades hereditarias por técnicas de ADN recombinante En células germinales En células somáticas

35 Terapia génica Las enfermedades genéticas debidas a un solo gen defectuoso ascienden a más de 4000, de las cuales 345 afectan al cromosoma X, por lo que serán transmitidas a los niños varones, si su madre posee uno de esos defectos genéticos. La terapia génica está siendo considerada la cuarta revolución de la medicina (después de las medidas de salud pública, la anestesia, y las vacunas y antibióticos). Para su aplicación se siguen dos estrategias: a) Insertar una copia sana de un gen en las células del paciente con una enfermedad genética, para compensar el efecto del gen defectuoso ( esto se consiguió con una niña que tenía una inmunodeficiencia grave). b) Introducir un gen especialmente diseñado para que proporcione una nueva característica a las células (por ejemplo, introducir en linfocitos un gen que produzca un inhibidor del virus del sida en pacientes afectados por el VIH).

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37 Células del paciente con el gen deseado
UNIDAD 7 UNIDAD 7 UNIDAD 7 UNIDAD 7 Las terapias génicas Transferencia del gen normal in vivo Transferencia del gen normal ex vivo Vector (virus) Se extraen células del paciente. Se prepara un vector que portará el gen deseado. Se cultiva un vector, que portará el gen deseado. El gen se introduce directamente a través de un vector. Células del paciente El gen se introduce en las células del paciente a través del vector. Las células con el gen se introducen de nuevo en el paciente. Células del paciente con el gen deseado Vector (virus)

38 Clonación terapéutica
se podría utilizar para curar a una persona que necesite el trasplante de células, tejidos y órganos. El embrión se utiliza como fuente de células madre embrionarias (pluripotentes) Clonación terapéutica Fusión de célula somática y ovulo enucleado 1 Cultivo de blastocisto 2 Eliminación de la capa externa Embrión temprano 3 Adición de sustancias que disgregan la masa celular interna 6 Adición de factores de diferenciación seleccionados 4 Transferencia de los agregados celulares a un nuevo pozo 7 Administración de células diferenciadas a tejidos dañados 5 Formación de células diferenciadas

39 La huella genética

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42 Bebe B Bebe C Bebe A

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44 Animales transgénicos
Salmón: Crece entre 6 y 8 veces más que un salmón normal. Se le han incorporado dos genes. Otro gen del propio salmón modificado que no interrumpe la producción del hormona del crecimiento cuando el pez llega a la madurez Un gen de un pez plano del Ártico que no interrumpe su crecimiento en invierno frankenfish

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46 Biorremediación La naturaleza tiene una cierta capacidad de limpieza de los elementos contaminantes. Microorganismos como levaduras, hongos o bacterias degradan una gran cantidad de sustancias tóxicas, reduciendo su carácter nocivo o incluso volviéndolas inocuas para el medio ambiente y la salud humana. La biorremediación consiste en acelerar este proceso natural para mitigar la contaminación ambiental. Los expertos en ingeniería genética creen que la utilización de organismos modificados genéticamente traerá un mayor desarrollo de la biorremediación. Los ejemplos son muy variados: La introducción de un gen en el organismo específico para el vertido. El desarrollo de cepas biosensoras luminiscentes, que permitirían monitorizar el proceso de degradación. La creación de plantas transgénicas para limpiar suelos contaminados.

47 Los alimentos transgénicos

48 Los alimentos transgénicos
Soja resistente a herbicidas Café más aromático y con menos cafeína Maíz resistente a insectos Mejora de la calidad Resistencia a herbicidas e insectos Patatas que inmunizan contra enfermedades Arroz que produce provitamina A Tomate Flavr Svr Producción de sustancias Retraso en la maduración

49 Algunos tipos de plantas transgénicas
El abanico de estos cultivos es muy amplio Tomates morados, con el gen de los arándanos, que les aporta propiedades anticancerígenas Plantas transgénicas contra minas antipersona Tomates azules, con vacunas Golden rice con vitamina A

50 Riesgos de la biotecnología
LOS ALIMENTOS TRANSGÉNICOS Riesgos de la biotecnología 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

51 Proyecto Genoma Humano (PGH)
Con este mapa los científicos podrían trabajar en el descubrimiento de qué genes son responsables de enfermedades como el cáncer, la diabetes y la hipertensión Domingo, 14 de abril de :58 GMT Mapa del genoma humano en 2003                                                   Un notable logro de la Ciencia Descubrimiento del ADN cumple 50 años El Libro de la vida Proyecto Genoma Humano El País. Madrid, 26 de Marzo de 2001. Las multinacionales retiran los alimentos transgénicos del Estado español. Joaquina Prades, Madrid. La Dignidad del Hombre en Juego Manipulación genética y controversia ética.

52 Proyecto genoma humano
El proyecto genoma humano fue un proyecto que tenía como objetivo la secuenciación de todo el ADN de un ser humano. Secuenciar un genoma significa determinar el orden en que se disponen los cuatro nucleótidos que forman el ADN a lo largo de todas las moléculas que contiene cada célula. El ADN humano contiene millones de nucleótidos lo cual significaba una dura tarea.

53 1988. El doctor Watson es nombrado director de la Oficina de Investigación del Genoma Humano, organismo dependiente de los Institutos Nacionales de la Salud (NIH) de EEUU. Afirma que el genoma podrá estar descodificado para el año y que le costará al Gobierno alrededor de millones de dólares. 1990. El doctor Craig Venter, un investigador de los NIH, desarrolla un método más corto para encontrar fragmentos del genoma humano. Demuestra que, a partir de estos fragmentos, se puede identificar a los genes completos. Mayo Venter se 'pasa' a una nueva compañía que pretende secuenciar el genoma humano en tres años, es decir, dos años antes de la fecha prevista por el proyecto estatal. La compañía se llamará Celera. Junio En un día que el presidente Clinton califica de histórico, Venter y Collins aparcan sus diferencias y anuncian que se ha logrado el primer borrador del genoma humano secuenciado 12 de Febrero de La empresa Celera publica la secuenciación del genoma en la revista 'Science'. El consorcio público hace lo mismo en 'Nature'

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56 El proyecto genoma humano ha permitido conocer muchas cosas:
Cuantos genes tenemos (30.000) Como son de grandes, unos nucleótidos de media. Qué proporción de nuestro ADN da lugar a proteínas (2 %) Como se organizan los genes en nuestro ADN En que se diferencia nuestro ADN del de otras especies. Que diferencias hay entre los distintos humanos, el 0’1 %.

57 Gracias al conocimiento del genoma humano será posible en el futuro conocer mejor algunas enfermedades y: 1.- Diagnosticar mejor 2.- Aplicar un tratamiento adecuado 3.- Prevenir la aparición de estas enfermedades.

58 El genoma humano es 10 veces mas pequeño que el genoma de la salamandra Bolitoglossa subpalmata y 200 veces menor que el de la Ameba Entre una persona y otra el ADN solo difiere en 0.1% 60% idéntico De 289 genes humanos implicados en enfermedades, hay 177 cercanamente similares a los genes de Drosophila. 20% idéntico 70% idéntico 98% idéntico Humanos 30,000 genes Chimpancé 30,000 genes Ratón 30,000 genes A. thaliana 25,000 genes C. elegans 19,000 genes D. melanogaster 13,000 genes

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