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Biotecnología
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La manipulación (mediante la ingeniería genética) de los organismos vivos o sus componentes para producir productos útiles, generalmente comerciales (como los cultivos resistentes a las plagas, nuevas cepas de bacterias, o nuevos productos farmacéuticos)
Biotecnología definida
La ingeniería genética - el grupo de técnicas aplicadas de la genética utilizadas para cortar y unir ADN a partir de una o más especies de organismos
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En el año 2006 la industria de la biotecnología tenía una ganancia cercana a los 180 millones de dólares en valor total. En el 2011 el valor total había aumentado a 360 mil millones.
La Biotecnología es un negocio
Esto representa un crecimiento del 100% durante un período de 5 años. Los analistas predicen que esta tendencia de crecimiento continuará porque surgen nuevas tecnologías regularmente.
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Actualmente, hay más de 250 productos en biotecnología de la salud y vacunas disponibles para los pacientes, muchas para enfermedades que antes eran intratables.
La Biotecnología es un negocio
Más de 13,3 millones de agricultores de todo el mundo utilizan la biotecnología agrícola para aumentar el rendimiento, evitar daños por insectos y plagas y reducir el impacto de la agricultura sobre el medio ambiente.
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En América del Norte se construyeron 50 biorrefinerías para probar y perfeccionar tecnologías para producir biocombustibles y productos químicos a partir de biomasa renovable, estos combustibles son producidos biológicamente.
Biorefinerías
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1 ¿Cuál de los siguientes se consideraría un producto de la ingeniería genética?
A Un producto químico para reducir el colesterol en los humanos
B Un producto químico utilizado para dispersar un derrame de petróleo
C Una bacteria hecha para romper los componentes tóxicos de un derrame de petróleo
D Un transplante de corazón
E Cosecha de células madre
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Hay muchas tecnologías individuales que se clasifican como herramientas necesarias para la biotecnología..
ClonaciónManipulación de células madre
Tecnología de ADN recombinanteTerapia génica
La ciencia de la biotecnología
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La clonación se refiere a los procesos utilizados para crear copias de fragmentos de ADN, células u organismos. Los científicos han clonado animales durante muchos años. En 1952, el primer animal que fue clonado fue un renacuajo.
Clonación
Todos estos clones fueron creados usando tecnología de transferencia nuclear.
Dolly, el primer mamífero clonado de una célula de un animal adulto, era una oveja.Los investigadores han clonado un gran n{umero de pequeños y grandes animales incluyendo ovejas, cabras vacas, ratones, cerdos conejos y un bisonte
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http://www.youtube.com/watch?v=hepoJgGJtNc
Clonación de transferencia nuclear
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Las células madre son células que se encuentran en todos los organismos multicelulares, que pueden ser divididos a través de la mitosis y diferenciarse en diversos tipos de células especializadas.
Células madre
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En los mamíferos, hay dos tipos de células madre:
Las células madre embrionarias que están aisladas de la masa celular interna del blastocisto. En un embrión en desarrollo, las células madre pueden diferenciarse en todas las células especializadas.
Las células madre adultas actúan como un sistema de reparación para el cuerpo. Mantienen el recambio constante de los órganos regenerativos, como la sangre, la piel o los tejidos intestinales.
Tipos de células madre
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Las células madre embrionarias son totipotentes. Pueden diferenciarse de cualquier tipo de célula que está presente en el organismo.
Las células madre adultas son pluripotentes. Pueden diferenciarse en algunas, pero no en todas las células presentes en el organismo adulto.
Capacidad de las células madre
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Un ejemplo de células madre adultas, serían las células de la médula ósea (conocidas como las células hematopoyéticas) que pueden producir muchos tipos de células sanguíneas.
Células madres adultas
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Actualmente, las células madre embrionarias se han utilizado principalmente para la investigación. El potencial de las tecnologías existen, pero en la actualidad ningún producto ha sido elaborado.
Las células madre adultas han sido utilizadas para el tratamiento del cáncer y para producir nuevos órganos para la medicina regenerativa.
Tecnologías de células madre
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Usos de las células madre adultas
Una tráquea que ha "crecido" a partir de células madre adultas recolectadas.
Han sido utilizadas para reemplazar la tráquea dañada de una mujer. Dado que las células madre eran de ella, no hubo ninguna posibilidad de rechazo por parte de su sistema inmunológico.
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2 ¿Cuál de las siguientes representa mejor los posibles productos de la clonación?
A una oveja
B gen de la insulina, una oveja
C célula de médula ósea, gen de la insulina, una oveja
D aceite, célula de médula ósea, gen de la insulina, una oveja
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3 En la transferencia nuclear, después de que se ha sacado el núcleo del óvulo ¿Qué se introduce en el huevo?
A mitocondria
B un núcleo de célula somática
C el núcleo de otro huevo
D una célula de esperma
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4 ¿Cuál de las siguientes tipos de células madre es totipotente?
A Las células madre embrionarias
B Las células madre adultas
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5 ¿Cuál de los siguientes se encuentra en un blastocito?
A Las células madre embrionarias
B Las células madre adultas
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6 ¿Cuál de las siguientes se utilizaron para producir una tráquea fabricada en un laboratorio?
A Las células madre adultas
B Las células madre embrionarias
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La ciencia de la BiotecnologíaUn estudio de caso: Diabetes
La diabetes es una enfermedad que afecta a 200 millones de personas en todo el mundo. Se prevee que este número aumente a una tasa exponencial continuada.
El control de la glucosa en sangre es una necesidad diaria para los diabéticos.
Una persona con diabetes carece de la capacidad de controlar de manera efectiva el nivel de glucosa en su flujo sanguíneo. Esto provoca muchos problemas, incluyendo enfermedades del corazón, insuficiencia renal y ceguera.
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Diabetes
En el año 1921 se descubrió que muchas personas con diabetes no tenían la cantidad adecuada de una hormona proteica denominada insulina.
Al principio, los médicos trataban esta dolencia mediante la inyección de insulina proveniente de las vacas, pero la proteína de la vaca no es exactamente la misma que la insulina humana. El sistema inmunológico humano comenzó a rechazar los sustitutos de la vaca y a causar complicaciones hormonales para el paciente.
Insulina humana Insulina bovina
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Tecnología de ADN recombinante
A fines del 1970, los científicos comenzaron a buscar una manera de fabricar insulina humana en un laboratorio. Esto dio lugar al primer producto producido por tecnología de ADN recombinante.
Esta técnica permite a los científicos encontrar un gen de interés, extraerlo a partir del genoma de una especie y colocan el gen en el genoma de otra especie.
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HumulinaEn este caso, el gen de la insulina humana fue hallado y aislado. Luego, se puso en el cromosoma bacteriano de la E. Coli.
Las bacterias luego de que producen la insulina humana conocida ahora como Humulina, pueden volver a ser recolectadas.
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Tecnología de ADN recombinante
El hombre puede hacer que las piezas de ADN puedan recombinarse para hacer únicas las secuencias realizadas.Hay 7 pasos principales.
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Tecnología de ADN recombinantePaso 1: Encontrar la pieza del ADN en el genoma, el gen de interés.
En la actualidad, este paso se realiza mediante ordenadores conectados a secuenciadores robóticos de ADN que fragmentan, analizan y encuentran un gen basado en la entrada del usuario.
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Paso 2: "Cortar" el gen de interés a partir del genoma.
La ingeniería genética se hizo posible por el descubrimiento de una clase de enzimas denominadas enzimas de restricción. En la naturaleza, estas enzimas son utilizadas por las bacterias como armas contra los virus invasores.
Buscan secuencias específicas en piezas de ADN y las cortan.
Por ejemplo: EcoRI es una enzima de restricción que realiza un corte escalonado cuando lee la secuencia GAATTC
Tecnología de ADN recombinante
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Si se conoce la secuencia del gen de interés, por ejemplo el gen de la insulina, y se conocen también las secuencias en el ADN circundante, la enzima de restricción corta sitios que están sobre los lados opuestos del gen y puede ser utilizada para cortar el gen.
EcoRI lugar de corte EcoRI lugar de corte
Gen de insulina(gen de interés)
Fragmento de ADN
Tecnología de ADN recombinante
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Paso 3: Separar el gen de interés
Se llama digestión a la mezcla de las enzimas de restrición con el ADN, porque las enzimas rompen los fragmentos de ADN en muchas partes pequeñas.
El gen de interés está aquí en algún lado
Este tubo contienemuchas partes diferentes de ADN
Es importante recordar que estamos trabajando con moléculas. No podemos simplemente "tomar" el trozo de ADN que queremos. Debemos separar las piezas únicas de ADN en la digestión y seleccionar el fragmento que queremos.
Tecnología de ADN recombinante
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Si nuevamente nos fijamos en el gen de la insulina, podemos ver que la secuencia entre los dos sitios de corte de EcoRI tiene una longitud única.
Sitio de corte de EcoRI
Gen de la insulina(gen de interés)
Fragmento de ADN
5,000 nucleótidos (bp)
15,000 nucleótidos (bp)hasta el final del fragmento
Sitio de corte de EcoRI
15,000 nucleótidos (bp)hasta el final del fragmento
Así que en esta digestión no son fragmentos de ADN que son 5k, 10k, 15k nucleótidos de largo. El gen de interés aquí es la pieza 5k.
Tecnología de ADN recombinante
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La electroforesis en gel es una forma de separar fragmentos de ADN en función del tamaño.
El digesto (sustancia obtenida por digestión) se carga en una pipeta en un gel, similar a la gelatina. El gel está formado una red de fibras llamado colágeno.
Los pequeños trozos de ADN pueden moverse más rápido a través del gel que las piezas más grandes que se enredan en las fibras de colágeno.
Tecnología de ADN recombinante
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El ADN tiene una carga levemente negativa.
Una corriente eléctrica pasa a través del gel y los fragmentos de ADN se mueven a la carga positiva. Los fragmentos pequeños se mueven más rápido, los fragmentos más grandes son frenados por la matriz fibrosa de colágeno.
El resultado es que las piezas pequeñas pueden desplazarse más lejos de las más grandes. El ADN se separa por tamaño en lo que se conoce como un patrón de bandas.
15k
10k
5k
Comienzo
Gen de insulina
Tecnología de ADN recombinante
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Electroforesis en gel del laboratorio virtual de la Universidad de Utah
El Laboratorio de gelhttp://learn.genetics.utah.edu/content/labs/gel/
Tecnología de ADN recombinante
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Paso 4: Ampliar el gen de interés (amplificación)
Una vez que se aisla el gen de interés dentro del gen, se separa la banda que contiene el gen del resto del gel, pero esto es una muestra muy pequeña. Debe producirse más ADN para poder trabajar con él en el laboratorio.
Tecnología de ADN recombinante
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RCP (Reacción en Cadena de la Polimerasa) se utiliza para amplificar el ADN. Esta reacción se efectúa con una máquina especial que utiliza ciclos de repetición de calor, la polimerasa y los nucleótidos libres del ADN para construir copias del fragmento de ADN.
Tecnología de ADN recombinante
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Sitio de corte del EcoRI
Paso 5: "Pegar" el gen de interés en el ADN del huésped
Usando el ejemplo la insulina, la técnica utilizada para obtener el gen de la insulina en la bacteria implicada de E. Coli participa un plásmido, son las pequeñas piezas circulares de ADN que las bacterias utilizan como piezas de intercambio de información genética.
Un plásmido con un sitio de corte EcoRI se "digiere" utilizando la misma enzima de restricción que se utilizó para cortar el gen de la insulina.
Tecnología de ADN recombinante
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Mezcla el plásmido cortado con el gen de interés para crear un plásmido de ADN recombinante que contiene un gen de la insulina humana
Gen de insulina con extremos adhesivos
Plásmido con extremos adhesivos
Plásmido del ADN recombinante
Tecnología de ADN recombinante
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Paso 6: Colocar la parte de ADN recombinado en un organismo huésped
Ahora que el gen de interés está en un plásmido, puede ser mezclado con las células bacterianas y ser llevadas hacia el interior del cromosoma bacteriano.
Recuerda, todos los seres vivos utilizan el código genético universal. Las células bacterianas leerán el gen recién adquirido, transcribirán en el ARNm y sus ribosomas traducirán el ARNm en una proteína.
Las células bacterianas se reproducen y expresan el gen. Cada vez que una célula bacteriana recombinante se divide por fisión binaria, hará una nueva copia del gen.
Tecnología de ADN recombinante
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Paso 7: Recoger el producto proteínico
Se puede extraer la proteína a partir de cultivos bacterianos utilizando diversas técnicas. Entonce se puede suministral al paciente.
Actualmente no existe una cura para la diabetes, pero con los avances de terapia de insulina, se puede evitar muchas complicaciones en los pacientes que amenazan sus vidas.
Tecnología de ADN recombinante
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Tecnología del ADN: Problema grupal
Tu y un pequeño grupo de compañeros de clase han identificado un gen de los gorilas que codifica una proteína que ha sido encontrada para disminuir la progresión del cáncer en humanos. Sería demasiado caro recolectar esta proteína en los gorilas, por lo que una compañía de biotecnología te ha solicitado diseñar un procedimiento para producir la proteína en una forma más económica y accesible .
Si tu equipo hace el mejor procedimiento se les dará un subsidio de $ 10 millones para fabricar el producto. Trabaja con tu grupo de mesa en los próximos 10 a 15 minutos para llegar a un plan por etapas para hacer este producto al menor precio posible.
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Muchos productos se han realizado utilizando este procedimiento innovador
A este salmón se le transfirió un gen para sintetizar la hormona de crecimiento de la anguila que es más potente que la propia y hace que crezca 3 veces más grande en la mitad del tiempo.
A estos tomates se les transfirió un gen que se encuentra en el pescado para que puedan sobrevivir a las heladas, lo que significa una temporada de crecimiento más larga y más rendimiento.
El arroz dorado es una variedad de arroz Oryza sativa producido a través de la ingeniería genética para que el beta-caroteno proporcione una mejor nutrición.
Tecnología de ADN recombinante
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Terapia génica
La terapia génica es una técnica para corregir genes defectuosos responsables de enfermedades.
Es un procedimiento único, ya que puede curar enfermedades a nivel genético, en lugar de tratar los síntomas de la dolencia.
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Terapia génica
Image Copyright Microsoft Encarta Online Concise Encyclopedia <http://encarta .msn.com>
Volviendo al ejemplo de la diabetes...
En lugar de obtener bacterias para hacer la insulina, sería mejor dar al paciente el gen para que pueda fabricar su propia insulina.
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Biología sintética: El Futuro de la Biotecnología
Una cita de un reciente artículo del New York Times, Drew Endey, uno de los fundadores de un concurso de biología sintética en el MIT llamado iGEM:
"Los ingenieros genéticos han mirado a la naturaleza como un conjunto de productos finales para ajustar y mejorar - un tomate que podría ser fabricado como un mejor tomate. Pero los biólogos sintéticos se imaginan a la naturaleza como una plataforma de fabricación: todos los seres vivos son sólo cajas de engranajes genéticos; debemos ser capaces de derramar todas esas ruedas dentadas al suelo y aparejarlas en cualquier nueva maquinaria que queremos.
Si quieres construir un estante para libros, puedes encontrar un buen árbol, cortarlo, laminarlo, hacer viruta de la madera y con un martillo colocarle algunos clavos. O bien, puedes programar el ADN en el árbol para que crezca un estante para libros".
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El Instituto J. Craig Venter es el centro principal de la biología sintética. En el 2010 los científicos del instituto crearon con éxito un genoma totalmente artificial y desarrollaron una nueva bacteria, que no podría haber sido creado por la naturaleza.La biología sintética ve la vida como las computadoras: Las células y los organismos son el hardware, poderosas máquinas capaces de realizar funciones complejas.
John Craig Venter
Los genes son el software que le dicen al hardware qué hacer. Este software puede ser actualizado, reemplazado y agregado a un nuevo software.
Biología sintética: El Futuro de la Biotecnología
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Creando vida sintética
Para crear vida sintética, una célula bacteriana se ha eliminado de su genoma de la misma forma que se haría en la técnica de transferencia nuclear para la clonación.
Un genoma sintético fue producido por el uso de las técnicas de ADN recombinante antes mencionado. Se unen piezas cortas de secuencias conocidas en todo un genoma.
El nuevo genoma se inserta en las bacterias. Al igual que un ordenador con un nuevo sistema operativo, la célula se inicializa y ejecuta el nuevo "programa".
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Metabolismo sintéticoLa célula produce todos los nuevos productos de la proteína y utiliza una forma diferente de metabolismo que fue programada por los científicos. Una característica del nuevo código es que un gen que codifica una proteína está de pigmento azul, para que se pueda confirmar visualmente que la celda está leyendo el nuevo código genético.
La esperanza de esta tecnología, es que los científicos puedan crear células bacterianas que produzcan medicina y combustibles, como también puedan absorber contaminantes como los gases del efecto invernadero y los productos derivados del petróleo.
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ADN sintético
Un sintetizador de ADN es capaz de hacer, secuencias únicas de ADN artificiales.
En otras palabras, ya no es necesario encontrar un gen en la naturaleza. El científico puede hacer nuevos genes con cualquier producto proteínico que puedan pensar.
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La ética de la Biotecnología
Estas nuevas tecnologías han permitido a los seres humanos manipular la naturaleza y la evolución de una manera sin precedentes. Con esta capacidad viene aparejada la necesidad de examinar cómo lo vamos a utilizar y definir nuestras responsabilidades.
Paul Wolpe es el Jefe de Bioética de la NASA. Presenta un rápido recorrido por las nuevas tecnologías y se pregunta qué haremos con ellas en TED.com.
Ted.com
http://www.ted.com/talks/paul_root_wolpe_it_s_time_to_question_bio_engineering.html
