LA REVOLUCIÓN GENÉTICA

LA REVOLUCIÓN GENÉTICA●LOS ÁCIDOS NUCLEICOS●EL ADN. ●LOS GENES●DOGMA CENTRAL●LA INGENIERÍA GENÉTICA.●LOS TRANSGÉNICOS.●PROYECTO GENOMA HUMANO●TERAPIA GÉNICA●REPRODUCCIÓN ASISTIDA●CLONACIÓN

ÁCIDOS NUCLEICOSmacromoléculas orgánicas formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos.Cada nucleótido esta formado por:●Un glúcido monosacárido pentosa (5C): ribosa en el caso del ARN desoxirribosa en el caso del ADN●Un grupo fosfato●Una base nitrogenada que, en el caso del ARN puede ser A,U, C, G en el caso del ADN puede ser A, T, G, C

ADN●Es el material genético, en él están codificados todas las características del organismo. Forma una doble hélice (enlace)

El ADN se encuentra formando unos largos filamentos enrollados en unas proteínas, estos filamentos se llaman cromosomas La especie humana tiene 46 cromosomas Nuestras células son diploides, (23 cromosomas proceden del óvulo materno y 23 del espermatozoide paterno), excepto las células sexuales que son haploides (sólo un juego, 23 cromosomas).

Los cromosomas no se aprecian en el núcleo de la célula si ésta no se encuentra en división.

Cromatina

Animación del ADN

DIVISIÓN CELULAR

●Antes de la división celular los filamentos de ADN se duplican (replicación), para que las células hijas reciban una copia del material genético.

●Tras la replicación y posterior condensación los filamentos de ADN se aprecian en el núcleo como unas estructuras características que se denominan también cromosomas y están formadas por dos cromátidas (que son idénticas entre sí)

DIVISIÓN CELULAR

MITOSIS: Se originan dos células idénticas. Permite el crecimiento (y la reproducción asexual)

MEIOSIS: Se originan células que tienen la mitad del nº de cromosomas y una combinación diferente de genes con respecto a la célula original.

Esta división es necesaria para la formación de células sexuales

La reproducción sexual y las mutaciones son la fuente de variabilidad genética que permite la evolución de las especies.

Las células se pueden dividir por:

GEN●Un gen es un fragmento de cromosoma que codifica una característica determinada a través de la síntesis de una proteína

Gen Proteína Característica

GENOTIPO + MEDIO AMBIENTE = FENOTIPO

El conjunto de genes, forma el GENOMA

DOGMA CENTRALPero el ADN está en el núcleo y las proteínas se sintetizan en los ribosomas del citoplasma.

¿Cómo llegan las órdenes del ADN hasta el citoplasma?●A través de la síntesis de una molécula de ARN mensajero

●Se saca una copia del gen pero como ARN y este ARN mensajero lleva el mensaje del ADN hasta los ribosomas para la síntesis de la proteína adecuada

¿Cómo se codifica este mensaje?●Con las bases nitrogenadas, cada tres bases nitrogenadas determinan un aminoácido concreto de la proteína: CODIGO GENÉTICO

CÓDIGO GENETICO●es la relación que hay entre los tripletes de bases nitrogenadas del ARN m y los 20 aminoácidos ●Es universal, todos los seres vivos tienen el mismo código

ADN (gen) TAC TGA CAA CGG ACA CAG TCG GAC

transcripciónARNm AUG ACU GUU GCC UGU GUC AGC CUG traducciónProteína Met (inicio)-Tre –Val – Ala – Cis – Val – Ser – Leu

LA BIOTECNOLOGIA

Cualquier proceso tecnológico que permita obtener recursos (fármacos, alimentos u otras sustancias de utilidad ) empleando seres vivos.

Muchos procesos conocidos desde antiguo como la fabricación de pan, la obtención de queso, vino, tintes, técnicas de cultivo, de ganadería, …. son procesos biotecnológicos.

HISTORIA

●6000 AC: Arte de fermentar. Los sumerios y babilonios usaban levaduras para fabricar cerveza.

●4000 AC: Los egipcios descubrieron la manera de fermentar pan con la levadura cervecera.

●Libro del Génesis (9: 20,21): “Noé se dedicó a la labranza y plantó una viña. Bebió del vino, se embriagó…”

●Siglo XIV DC: Destilación de bebidas alcohólicas. Uso de bacterias de ácido acético para fabricar vinagre, de bacterias de ácido láctico para conservar la leche (yogur, por ejemplo).

●Siglo XVII: Anthony von Leeuwenhoek (1632-1723) descubre el mundo microbiano con sus microscopios primitivos.

●Siglo XIX: El desarrollo técnico de los microscopios permite demostrar el origen de los microbios y vencer la creencia de la “generación espontánea”.

HISTORIA

●Hasta la primera guerra mundial, apenas progresó la idea de utilizar bacterias y levaduras para fabricar otra cosa que no fuera alcohol.

●La Guerra Mundial (1914-1918) supuso demandas biotecnológicas:

●Proceso Neuberg para producir glicerol (para nitroglicerina) mediante la “fermentación dirigida” de Saccharomyces cerevisiae. Agregando álcali y bisulfito de sodio al depósito de fermentación alcohólica se fomentaba la producción de glicerol.

●Proceso Weizmann, usando Clostridium acetobutylicum, para la producción de disolventes como la acetona (fabricación de cordita).

●Los descubrimientos de Pasteur, Robert Koch (1843-1910) y Alexander Fleming (1928) revolucionaron el tratamiento de las enfermedades infecciosas con el descubrimiento de los antibióticos.

HISTORIA

●Durante la Segunda Guerra Mundial comienza la tercera era biotecnológica, por la necesidad de contar con ciertos medicamentos para que las víctimas no murieran de sepsis bacteriana.

●Puede decirse que la “cuarta era biotecnológica” comienza a principios de la década de 1970, con el advenimiento de la Ingeniería Genética.

●El descubrimiento de los sistemas de restricción y modificación en bacterias y la aplicación de las endonucleasas.

●Los trabajos de Milstein y Kohler sobre la formación de hibridomas con la posterior utilización para la producción de anticuerpos monoclonales (1975).

HISTORIA

Severo Ochoa recibió el Premio Nobel de Medicina en 1959 por sus trabajos sobre la síntesis del ARN en la Universidad de New York

ARN polimerasa , es la enzima que permite la síntesis del ARN, el intermediario entre el ADN las proteínas

SEVERO OCHOA

BIOTECNOLOGÍA:PASADO Y PRESENTE

BIOTECNOLOGÍA DEL PASADO

●Domesticado de animales●Cultivo de plantas●Producción de antibióticos, vacunas, vitaminas...●Fermentaciones●Obtención de pan●Derivados lácteos●Obtención de vino, sidra.

BIOTECNOLOGÍA MODERNA

●Tecnología del ADN recombinante●Técnicas de Ingeniería genética●Clonación celular●Cultivo de células

BIOTECNOLOGÍA MODERNAPero la BIOTECNOLOGÍA MODERNA implica la utilización de la INGENIERIA GENÉTICA, que consiste en técnicas para la manipulación del ADN .

CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA INGENIERIA GENÉTICA:

●Agricultura y Ganadería●Medicina y Farmacia●Industria ●Producción de energía●Descontaminación ambiental ●Investigaciones policiales●Estudios evolutivos

En 1973 los investigadores stanley cohen y herbert boyer se convierten en pioneros de la ingeniería genética.

En 1984 se crea la primera planta transgénica (tabaco) y en 1980 el primer animal transgénico (ratón).

En 1973 se presentó una bacteria con genes de rana africana, la llamaron QUIMERA

Aplicaciones actuales●MEDICINA●Mejorar técnicas de diagnóstico●Reparar tejidos y órganos dañados a partir de cultivos de células madre●Terapia génica●AGRICULTURA Y GANADERÍA●Desarrollo de animales y plantas transgénicas●Lucha contra plagas●Aumento de rendimiento en los cultivos●INDUSTRIA●Desarrollo de OMG para la producción de vacunas, antibióticos, fármacos…●MEDIOAMBIENTE●Prevención de la contaminación●Biorremediación

TÉCNICAS DE INGENIERIA GENÉTICA

●A: Tecnología del ADN recombinante: consiste en insertar fragmentos de ADN de un organismo en otro, permite obtener organismos transgénicos

●B: Técnica PCR (Reacción en cadena de la polimerasa): permite obtener grandes cantidades de ADN a partir de una cantidad pequeña

●C: Secuenciación: permite leer la secuencia de bases nitrogenadas de un fragmento de ADN

TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE

TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE

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.

● Permite cortar, aislar, pegar, reproducir y secuenciar fragmentos de ADN.

● La molécula de ADN obtenida por la unión de segmentos distintos es ADN RECOMBINANTE

● El ADN se corta con Enzimas de restricción.● Los trozos de ADN se unen con LIGASAS.● Esta tecnología es la base de:

● La clonación molecular● La formación de transgénicos.

ORGANISMOS TRANSGÉNICOSCLONACIÓN MOLECULAR

Se utilizan microorganismos y la finalidad es obtener de forma continua grandes cantidades de una sustancia determinada que producen estos microorganismos a los que se les ha insertado un gen de otra especie.

●Ejemplo, 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

●Otras producciones: hormona del crecimiento, factores de coagulación, antígenos para vacunas, antibióticos, aminoácidos, enzimas para mejorar la actividad de detergentes, …

●Se corta el ADN del Plásmido y el ADN a clonar con la misma enzima de restricción.●Se introduce el ADN cortado en el Plásmido.●Se introducen los plásmidos recombinados en un cultivo de E.coli mecanismo denominado Transformación.●Los plásmidos tienen que llevar resistencia a un antibiótico.●Se cultivan las bacterias en una placa de cultivo con dicho antibiótico, de manera que se morirán las bacterias que no tengan resistencia y sólo quedarán las recombinadas.●Se deja que las bacterias se reproduzcan .●Se lisan las bacterias, se aíslan los plásmidos y de ellos las copias de ADN.

MÉTODO DE CLONACIÓN MOLECULAR

SÍNTESIS DE INSULINA

LOS TRANSGÉNICOS

●Un transgénico (organismo modificado genéticamente, OMG) es un organismo vivo que ha sido creado artificialmente manipulando sus genes.

●Plantas transgénicas: maíz, soja, tomate, algodón, etc.España es el primer país europeo productor de maíz●Animales transgénicos: salmón, ratones, ovejas, vacas, cerdos, etc.●Microorganismos: bacterias y virus. En 1982 se fabricó por primera vez insulina gracias a la bacteria E. coli.●Primer alimento: el tomate.● Es muy importante el etiquetado de los alimentos

ORGANISMOS GENETICAMENTE MODIFICADOS

Aplicaciones:En la agricultura, plantas resistentes a condiciones ambientales (sequía, suelos salinos, suelos pobres), enfermedades, herbicidas, mejorar la calidad nutritiva, prologar el proceso de maduración, aumentar la productividad, etcEn la ganadería: animales más productivos y resistentes

En Medicina y Farmacología: Cultivos farmacéuticos (Biofarmacia): Conseguir plantas que sintetizan fármacos en grandes cantidades e incluso se puedan administrar mediante el consumo de la propia planta (por ejemplo vacunas) Animales de laboratorio transgénicos que sirven como modelo experimental para el estudio de enfermedades y fármacosObtener órganos de animales para trasplantesGranjas farmacéuticas: animales que producen fármacos y los excretan por la leche

En la industria: Obtener plásticos biodegradables, microorganismos para industria alimentariaContaminación ambiental : Biorremediación mediante el uso de microorganismos y plantas transgénicasObtención de biocombustibles a partir de plantas transgénicas

●Resistencia a insectos. LOS MAYORES PROGRESOS EN LA OBTENCIÓN DE PLANTAS TRANSGÉNICAS RESISTENTES A INSECTOS HAN SIDO CONSEGUIDOS A PARTIR DE LA PROTEÍNA INSECTICIDA DE Bacillus thuringensis. (Bacteria que se encuentra en el suelo o en las hojas de algunas plantas)

OMG: AGRICULTURA

Obtención de maíz resistente a insectos

OMG: MAÍZ TRANSGÉNICO

●Estados Unidos: soja, maíz, papaya, calabaza, algodón y canola.●Argentina: soja, maíz y algodón.●Canadá: soja, maíz y canola.●Brasil: soja.●China: algodón●ESPAÑA OCUPA EL LUGAR 14 a NIVEL MUNDIAL

PRINCIPALES PRODUCTORES DE PLANTAS TRANSGÉNICAS

Indicadores EE.UU. EUROPA ESPAÑA

FACTURACIÓN 20.042 M€ 7.689 M€ 122 M€

INVERSIÓN EN I+D 12.948 M€ 7.657 M€ 430 M€

NÚMERO DE EMPLEADOS

194.600 82.124 1.700

NÚMERO DE EMPRESAS

1466 1878 80

Un indicador del dinamismo de esta actividad industrial en España es que el número de empresas enteramente dedicadas a la biotecnología se ha duplicado en tan solo 2 años.

Fuentes: Asebio, Genoma España, Datos de 2003

*Incluye empresas parcialmente dedicadas a la biotecnología

EEUU vs Europa vs España

Caracterización geográfica, sectorial y por intensidad de actividad biotecnológica

APLICACIONES Y RIESGOS DE LOS OMG

APLICACIONES:

1.ALIMENTARIAS( pan, cerveza, cereales sin gluten,…)

2.FARMACEUTICAS (producción de fármacos y vacunas,..)

3.AGRICOLAS Y GANADERAS (resistencia a plagas y herbicidas; mayor producción de leche o carne)

4.MEDIOAMBIENTALES (eliminación de residuos tóxicos, biocombustibles,…)

5.MÉDICAS (órganos para trasplantes, investigación básica…)

RIESGOS:

1.PERDIDAD DE DIVERSIDAD GENETICA. (invasión de ecosistemas naturales y desplazamiento de seres vivos autóctonos)

2.SALTO DE GENES (maleza resistente, bacterias patógenas,…)

3.EFECTOS PERJUDICIALES PARA LA SALUD (problemas alérgicos, abastecimiento de alimentos,…)

TÉCNICA PCR

TÉCNICA PCRB) REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA O TÉCNICA PCR:

Permite obtener grandes cantidades de ADN a partir de una muestra muy pequeña

Permite hacer copias de ADN en un tubo de ensayo sin clonar.Se requiere: del ADN a clonar + Cantidades de los 4 nucleótidos+ Una enzima la ADN

polimerasaLa molécula de ADN que va a copiarse se calienta para que se desnaturalice y se separe las dos hebras. Cada una de las hebras es copiada por la ADN-polimerasa. Las cadenas recién formadas son separadas de nuevo por el calor y comienza otro nuevo ciclo de copias. Estos ciclos se repiten hasta que se obtiene el número de copias deseado

PCR: 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) permite distinguir mutaciones y diagnosticar enfermedades

●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

Mediante la PCR se pueden amplificar genes de organismos ya extinguidos, como del mamut, o restos antiguos humanos. Se pueden comparar estos genes con los genes semejantes de organismos actuales y poder reconstruir árboles filogenéticos. El PCR también se ha utilizado para conseguir el mapa del genoma humano.

●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)

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

SECUENCIACIÓN

BIOTECNOLOGÍA Y ENFERMEDADES GENÉTICAS

●Las enfermedades genéticas son las que un gen o cromosoma sufre cambios (muta), y deja de hacer su función habitual.

Pueden ser:1. Hereditarias: afecta a todas las celulas del organismo. Pueden ser

Monogenicas (fibrosis quistica, albinismo, etc.) O cromosomicas (S. de Down).

2.Adquiridas: no afecta a las celulas reproductoras y se adquieren a lo largo de la vida.( Cáncer, sida,…)

●Terapia génica: sustitución de los genes mutados por otros normales. (Ex vivo: talasemia, ADA; in situ: fibrosis quística; in vivo: píldora viva).

●Para detectar algunas enfermedades genéticas existe el: diagnostico prenatal y diagnostico preimplantacional.

●Dilemas éticos: confidencialidad, autonomía, información, justicia y beneficio

TERAPIA GÉNICAConsiste en introducir genes sanos en células que presentan estos

genes defectuososPara la introducción de los genes se requiere un vector o vehículo

que puede ser un virus, o más recientemente preparados moleculares.La terapia génica puede ser la solución para corregir las

enfermedades hereditarias y algunos tipos de cánceres de nuevo en el paciente

Existen dos métodos:Terapia génica in vivo:Terapia génica ex vivo:

In vivo: consiste en colocar el gen nuevo directamente en las células afectadas.Dificultades:Es difícil colocar el gen en el lugar adecuadoSolo sirve para enfermedades producidas por un solo gen defectuosoPuede producir reacciones inmunes Ex vivo: Se sacan las células defectuosas, se manipulan y se reintroducen sanas en el paciente.Dificultades:Solo es posible en células hematopoyéticas

TERAPIA GÉNICA

TERAPIA GÉNICA IN VIVO

TERAPIA GÉNICA EX VIVO

●Problemas: los genes sanos son introducidos en las células diana mediante un vehículo que suele ser un virus, el gen debe ser colocado correctamente, sólo se puede trabajar con un gen y a veces se generan reacciones de rechazo●Actualmente se ha mejorado mucho la técnica pero sigue habiendo problemas

TERAPIA GÉNICA

ADRENOLEUCODISTROFIAEl 'milagro' de Andy y ÁngelUn ensayo confirma la eficacia de la terapia genética en una enfermedad rara Los pacientes, que están haciendo su vida normal, han sido tres menores españoles La investigación supone un nuevo impulso para este tipo de tratamientos Jueves 5/11/2009El procedimiento

El tratamiento al que hace referencia 'Science' consiste en la extracción de células madre sanguíneas obtenidas en sangre periférica, gracias a su movilización desde la médula ósea con la ayuda de tratamiento farmacológico. Una vez en el laboratorio, éstas son infectadas y tratadas con el virus de inmunodeficiencia humana (VIH), que ha sido previamente modificado para evitar su efecto patógeno. De esta forma actúa como un 'taxi' biológico para transportar la versión correcta del gen que está defectuoso [localizado en una región del cromosoma llamada Xq28] que causa la enfermedad.

http://www.elmundo.es/elmundosalud/2009/11/05/neurociencia/1257443955.html

TERAPIA GÉNICA:EJEMPLO

PROYECTO GENOMA HUMANO

●Características del genoma humano:1.Contiene 25.000 -30.000 genes,2.Solo el 3-5% del genoma contiene genes; es decir, proteínas.3.Un porcentaje muy alto está formado por “adn basura”.4.Solo el 0,1% nos diferencia a unas personas de otras.5.Existe una gran similitud con el resto de organismos, incluso

alejados evolutivamente6.Se ha logrado colocar en el genoma más de 2000

enfermedades

Se concibió en 1990 para:●Identificar cuales son los genes existentes y determinar su

localización.●Determinar la secuencia exacta de nucleótidos de cada gen

con el objetivo de conocer la proteina codificada.

Después de muchas vicisitudes (entre el organismo público y el privado) en 2003 anuncian la secuenciación completa del genoma humano.

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