INGENIERÍA GENÉTICA Y BIOTECNOLOGÍA

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.

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.

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.

Plásmidos de Escherrichia coli Características de la ingeniería genética Herramientas necesarias para la manipulación de genes Síntesis de ADN de forma artificial Enzimas de restricción Vector de transferencia Plásmidos de Escherrichia coli ADN ligasas ADN recombinante

Etapas de un proyecto de ingeniería genética 1. Localización y aislamiento del gen que se desea transferir 3. Unión del ADN elegido al ADN del vector. 4. Inserción del vector con el gen transferido en la célula hospedadora. 5. Multiplicación del organismo transgénico. 2. Selección del vector

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

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

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.

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

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

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

Clonación terapéutica con células madre 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)

Identificación de especies 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)

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.

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

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...

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…) 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

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

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).

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

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.

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

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

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 3.000 millones de nucleótidos lo cual significaba una dura tarea.

El proyecto genoma humano ha permitido conocer muchas cosas: Cuantos genes tenemos (30.000) Como son de grandes, unos 3.000 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 %.

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.