TEMA 4º LA REVOLUCIÓN GENÉTICA: BIOTECNOLOGÍA

1. TEMA 4º LA REVOLUCIÓN GENÉTICA: BIOTECNOLOGÍA Ciencias para el mundo contemporáneo

2. IDEAS PREVIAS • ¿Sabes por qué nos parecemos a nuestros padres? • ¿Sabrías explicar qué se entiende por ADN, cromosoma y gen? • ¿Qué es para ti la ingeniería genética? • ¿Sabes qué es el proyecto Genoma Humano?

3. Sabes qué es un niño probeta? ¿Sabes si los hermanos gemelos son clónicos? ¿Sabes lo que representan la siguiente imagen?

4. 1 El ADN: el secreto de la vida • El ADN es una macromolécula formada por la unión de otras moléculas más sencillas llamadas nucleótidos. • Los nucleótidos están compuestos a su vez por tres tipos de moléculas más sencillas: • El ácido fosfórico. • Un azúcar de cinco carbonos (pentosa) que se denomina desoxirribosa • Una base nitrogenada que puede ser Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Timina (T). Dos de las bases A y G, presentan una estructura de doble anillo (purinas). Las otras dos C y T están formadas por un solo anillo (pirimidinas).

5. 1 El ADN: el secreto de la vida • El orden en el que se unen los nucleótidos se denomina secuencia tiene una gran importancia ya que en ella reside la información necesaria para la síntesis de proteínas. • La estructura del ADN está formada por dos cadenas de nucleótidos enrolladas en espiral. Las cadenas son complementarias químicamente debido a la forma en la que se enfrentan las bases nitrogenadas A-T y G-C. La unión específica de unas bases con otras se denomina par de bases.

6. 1 El ADN: el secreto de la vida • El ADN de los virus está formado por una molécula lineal o circular encerrada en una cubierta de proteínas llamada cápsida. • El ADN de las células procariotas, las mitocondrias y los cloroplastos es una doble hélice circular. • En el interior del núcleo de las células eucariotas, el ADN está asociado a unas proteínas llamadas histonas formando la cromatina. Durante la división celular la cromatina se condensa y forma los cromosomas.

7. 1 El ADN: el secreto de la vida • El ADN es la única molécula de los seres vivos que puede realizar una copia exacta de si mismo, es decir de replicarse. • Tanto en las células procariotas como en las eucariotas la replicación del ADN ocurre justo antes de la duplicación, por lo que las células hijas reciben la misma dotación genética que la célula madre, así la información genética se trasmite de generación en generación.

8. 1 El ADN: el secreto de la vida • En la replicación de la molécula ADN, se libera de las histonas y se abre como una cremallera de forma que cada una de las hebras sirve de molde para que se sintetice la cadena complementaria. • A partir de un punto determinado una enzima (ADN polimerasa) van uniendo uno a uno los nucleótidos. De este modo se forma una nueva cadena que es complementaria a la que sirvió de molde. Al final del proceso habrá dos cadenas formadas por una cadena del ADN inicial y otra nueva.

9. 1 El ADN: el secreto de la vida • Los genes llevan instrucciones para la síntesis de una proteína. • Las proteínas son moléculas de gran tamaño que se forma por la unión de otras mas sencillas llamadas aminoácidos de los que existen 20 diferentes. • Cada proteína se caracteriza por la estructura que adopta en el espacio y por su secuencia, es decir, por el número, tipo y orden en el que están dispuestos los aminoácidos.

10. 1 El ADN: el secreto de la vida • Las funciones de las proteínas son muy diferentes, algunas estructuras como los músculos, otras regulan y coordinan las funciones de los distintos órganos. Son las moléculas responsables de la actividad biológica y las que confieren a cada individuo su especificidad. • En las células eucariotas el ADN se encuentra protegido en el interior del núcleo de donde no puede salir. La síntesis de proteínas sin embargo, se realiza en los ribosomas situados en el citoplasma de la célula.

11. 1 El ADN: el secreto de la vida • ¿Cómo llegan las instrucciones del el ADN hasta los ribosomas? • Existe otro ácido nucleico o ARN es el encargado de leer la información del ADN y de llevarla al citoplasma. • El ARN esta formado por una sola cadena de nucleótidos de ribosa y por las mismas bases nitrogenadas excepto la timina que es sustituida por el uracilo U-A. El proceso de síntesis de ARN se denomina transcripción y el ARN que lleva la información es el ARN mensajero

12. 1 El ADN: el secreto de la vida • Una vez en el citoplasma el ARNm se une a un ribosoma que lee y traduce el mensaje cifrado que utiliza para sintetizar la proteína. Este proceso se denomina traducción en el que se usa el código genético que asigna las equivalencia entre el lenguaje del ARNm y el lenguaje de las proteínas. • A cada grupo de tres bases del ARNm se le llama codón o triplete, le corresponde uno de los 20 aminoácidos que forman las proteínas. Los aminoácidos son trasportados al ribosoma por el ARN de transferencia.

13. 2 Biotecnología: un conjunto de tecnologías • Desde hace miles de años la humanidad ha mejorado las razas de los animales que ha domesticado, y las plantas que ha cultivado, ha utilizado los procesos de fermentación microbiana. En el siglo XIX los microorganismos se utilizaban para incrementar las cosechas y controlar los insectos. En el siglo XX también han sido empleados para producir antibióticos, vacunas vitaminas, aminoácidos, enzimas, etc

14. 2 Biotecnología: un conjunto de tecnologías • Por tanto la biotecnología no es nueva, ¿qué se entiende ahora por biotecnología? • La biotecnología moderna implica la manipulación deliberada de material genético (ADN) de los organismos vivos con el fin de fabricar o modificar un producto, mejorar plantas o animales o desarrollar organismos con capacidades determinadas para usos específicos.

15. 2 Biotecnología: un conjunto de tecnologías • El progreso de la biotecnología ha requerido numerosos estudios genéticos y el desarrollo de herramientas y técnicas muy precisas entre las que destacamos: • La tecnología del ADN recombinante, que permite aislar cualquier fragmento de ADN, crear miles de copias y averiguar la secuencia de nucleótidos.

16. 2 Biotecnología: un conjunto de tecnologías • Las técnicas de ingeniería genética, permiten la transferencia de genes de unos organismos a otros y así conseguir organismos genéticamente modificados (OGM) o transgénicos. • Las técnicas de clonación celular que permiten la reparación de tejidos y órganos adultos dañados o defectuosos. • Las técnicas de cultivo de células y tejidos, que permiten mantener y crecer in vitro células órganos y embriones durante largos periodos de tiempo.

17. 3 Tecnología del ADN recombinante • Esta tecnología comprende una serie de técnicas que permiten manipular el ADN, es decir cortar, aislar, pegar, reproducir y secuenciar fragmentos específicos del ADN de cualquier organismo. • El ADN recombinante es cualquier molécula de ADN formada por la unión de segmentos de origen diferente.

18. 3 Tecnología del ADN recombinante • En las células vivas el ADN es cortado y vuelto a unir por enzimas que han sido identificadas y purificadas para su uso en laboratorios. • Las enzimas de restricción o endonucleasas de restricción, funcionan como una tijeras que cortan el ADN en fragmentos. • Las ligasas son enzimas que unen distintos fragmentos de ADN pegando sus extremos.

19. 3 Tecnología del ADN recombinante • Para analizar los trozos de ADN recombinante se pueden analizar mediante electroforesis en gel de agarosa. La técnica consiste en la separación de una mezcla de moléculas de ADN en bandas formada por miles de fragmentos de ADN de longitud muy parecida. Esta técnica permite obtener el patrón de bandas característico y exclusivo de cualquier organismo al que se denomina huella génica. Permite compara la identidad de un individuo, se utiliza para investigar la autoria de un delito y para las pruebas de paternidad

20. 3 Tecnología del ADN recombinante • Hibridación mediante sondas de ADN: búsqueda específica de un gen. • La hibridación e ADN es el proceso en el que dos hebras de ADN de cadena sencilla con una secuencia de bases complementarias se unen para originar una molécula de ADN de cadena doble correctamente apareada. Esta técnica es fundamental en biotecnología, porque permite identificar la presencia de un gen.

21. 3 Tecnología del ADN recombinante • Una sonda de ADN es un fragmento artificial de ADN de cadena sencilla marcada por radiactividad o fluorescencia y cuya secuencia de nucleótidos es complementaria a la secuencia del gen que se desea detectar. • Los biochips son láminas de vidrio dónde se fija en cada una de sus microscópicas celdillas una cantidad ínfima de fragmentos de ADN de cadena simple cuya secuencia de nucleótidos actúa como sonda para un gen determinado.

22. 3 Tecnología del ADN recombinante • La posición de las sondas es conocida en los biochips, de forma que cualquier fragmento de ADN que hibride con ellos puede ser identificado como un gen concreto, simplemente localizando la posición en la sonda. • Esta tecnología se utiliza: • Detectar mutaciones que pueden causar enfermedades. • Controlar la expresión de los genes en líneas cancerosas humanas. • Diagnosticar enfermedades infecciosas • Personalizar los tratamientos. • Para nuevas técnicas diagnósticas y terapias.

23. 3 Tecnología del ADN recombinante • Clonación del ADN. • La clonación de un fragmento de ADN consiste en la obtención de miles de millones de copias idénticas de dicho fragmento. • Para clonar un fragmento de ADN se debe de introducir en una molécula llamada “vector” que consiste en una molécula pequeña capaz de entrar en una bacteria y de autorreplicarse en ella. • En la actualidad los vectores más utilizados son los plásmidos bacterianos.

24. 3 Tecnología del ADN recombinante • El plásmido y el ADN que se quieren clonar, se cortan con una enzima de restricción, al unirse se obtienen plásmidos recombinantes, que se incuban en un cultivo de bacterias. Este proceso se denomina transformación. • Cómo los plásmidos llevan un gen que les confiere resistencia a un antibiótico, pueden ser seleccionadas. Solo las bacterias que lleven el plásmido serán resistentes. • Cada colonia de bacterias se aísla y se reproduce, por lo que aumenta el número de copias.

25. 3 Tecnología del ADN recombinante • Amplificación del ADN: reacción en cadena de la polimerasa. • La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una reacción que origina millones de copias de un segmento específico de ADN mediante la repetición de múltiples ciclos de replicación del ADN in vitro. • Para realizar esta técnica se necesitan: la muestrea de ADN que se quiere copiar, nucleótidos dos moléculas de ADN de cadena simple (cebadores) y ADN polimerasa resistente al calor. • La PCR es una herramienta utilizada para amplificar segmentos de ADN, de fluidos de la escena de un crimen, de microorganismos patógenos, o de células embrionarias.

26. 3 Tecnología del ADN recombinante • Secuenciación del ADN. • La determinación de la secuencia de nucleótidos es una parte fundamental de la información sobre cualquier fragmento de ADN. • En la actualidad se utilizan técnicas automatizadas e informatizadas que permiten una secuenciación rápida y sencilla.

27. 4 Técnicas de ingeniería genética • Las técnicas de ingeniería genética son un conjunto de procedimientos que permiten la manipulación del ADN de un organismo para conseguir formas de vida únicas y adaptadas a nuestras necesidades. • Mediante la ingeniería genética se pueden transferir genes entre especies distintas es decir de un organismo a otro. • Algunas de dichas aplicaciones son la obtención de organismos genéticamente modificados y la terapia génica.

28. 4 Técnicas de ingeniería genética • Los organismos genéticamente modificados (OGM) o transgénicos son organismos que contienen un gen procedente de otro organismo o transgen. • Se utiliza un vector (plásmido o virus) en los que se han insertado los genes y que posteriormente se utilizan para introducir dichos genes en el organismo que nos interesa. • La utilización de organismos de diseño patentados es cada vez más frecuente.

29. 4 Técnicas de ingeniería genética • Su utilidad es muy amplia: • Biorremediación microorganismos dirigidos a eliminar la contaminación ambiental. • Mareas negras, eliminación de metales pesados, producir biocombustibles, biodegradación de plásticos, etc. • Productos industriales, farmacéuticos y médicos. Microorganismos genéticamente modificados programados para fabricar productos útiles. • Enzimas, antibióticos, Proteínas humanas, como la insulina, hormonas del crecimiento.

30. 4 Técnicas de ingeniería genética • Animales transgénicos. • Los animales transgénicos son los que llevan algún gen procedente de otro organismo. Sus aplicaciones son variadas: • Aumentar la resistencia a enfermedades y mejorar la producción animal. • Diseñar animales Knockaut donde se sustituye un gen funcional por otro mutante con el fin de examinar sus efectos. • Fabricar órganos para transplantes. • Crear granjas farmacéuticas.

31. 4 Técnicas de ingeniería genética • Plantas transgénicas. • La ingeniería genética en vegetales tiene como objetivo transferir genes a las plantas que nunca se hubiera conseguido de forma natural. • Los genes se introducen a través de plásmidos de bacterias del suelo, por microinyecciones y con una pistola de genes que lanza balas microscópicas de ADN, por estos métodos se pretende que los genes puedan alcanzar el núcleo y se incorporen al genoma de la planta.

32. 4 Técnicas de ingeniería genética • Mediante las técnicas de ingeniería genética se han conseguido plantas transgénicas con fines muy diferentes: • Resistencias contra herbicidas o plagas. • Resistencia a las heladas, las sequías, o al exceso de acidez y salinidad del suelo. • Retrasar la maduración. • Mejorar el valor nutritivo de las plantas empleadas en la agricultura. • Producir plantas de interés farmacológico.

33. 4 Técnicas de ingeniería genética • La terapia génica tiene como objetivo tratar, curar y prevenir enfermedades producidas por un solo gen defectuoso introduciendo en el paciente un gen terapéutico o funcional. • Existen dos tipos de terapia génica, la somática y la germinal. • La terapia génica somática, consiste en tratar algunas células del cuerpo de la persona enferma de forma que disminuyan los síntomas de la enfermedad. Para introducir el gen terapéutico se utilizan virus.

34. 4 Técnicas de ingeniería genética • Terapia génica de la línea germinal, consiste en introducir células transgénicas en un óvulo fecundado, por lo que cualquier célula contiene el gen terapéutico incluida la línea germinal futura. No se ha experimentado en humanos y se asocia a problemas éticos complejos y eugenésicos. Además existen enormes barreras técnicas antes de poder desarrollar todo el potencial de la terapia génica para curar enfermedades hereditarias.

35. 5 Técnicas de clonación: clonación reproductiva. • La clonación consiste en el proceso por el que se producen organismos genéticamente idénticos entre si e idénticos al organismo del que proceden. • La biotecnología actual permite crear clones de animales gracias a una técnica que se conoce como clonación reproductiva. • La técnica consiste en eliminar el núcleo de un óvulo de un animal donante y reemplazarlo por el núcleo de una célula somática procedente del animal que se quiere clonar. Se crea un embrión artificial que se implanta en el útero de una hembra de la misma especie.

36. 6 Células madres o células troncales. • Las células madres o células troncales son células indiferenciadas que pueden dividirse indefinidamente produciendo nuevas células madres o diferenciarse en diferentes tipos especializados. • No todas las células madres son iguales, se diferencian por su capacidad de producir otros tipos de células. • Células madre embrionarias (ESC) son células pluripotentes son el origen de todos los tipos celulares y tejidos del individuo adulto

37. 6 Células madres o células troncales. • Células madre adultas, (ASC) son células madre que se encuentran en los organismos adultos, son células multipotentes capaces de originar muchos tipos de células pero no todos. • Existen otros tipos como las células madre fetales, que pueden aislarse de fetos; las células madres del cordón umbilical que son semejantes a las células fetales y las células germinales embrionarias que son células madre de células germinales y capaces de dar todos los tipos de células de un adulto.

38. 6 Células madres o células troncales. • Aplicaciones de las células madre. • Las células madre tienen numerosas aplicaciones: • Testar toxinas y probar nuevos fármacos. • Estudiar las primeras fases del desarrollo embrionario y su control genético. • Terapias celulares y transplantes. Se basan en el transplante de células madres adultas, como lo transplantes de médula o células cardíacas. Sin embargo la medicina regenerativa comenzará cuando se puedan utilizar células madres embrionarias del propio paciente

39. 7 El genoma humano: nuestro libro de instrucciones. • El genoma humano es el conjunto de todos los genes que posee nuestra especie distribuidos entre los 23 pares de cromosomas que tenemos en nuestras células su estudio constituye el campo de trabajo de la genómica. • Desde 1953 en que se descubre la estructura del ADN se pensaba en la posibilidad de conocer la secuencia completa de nuestro genoma. En 1990 se propuso el Proyecto Genoma Humano que pretendía localizar, secuenciar y estudiar la función de todos los genes humanos.

40. 7 El genoma humano: nuestro libro de instrucciones. • A lo largo de 13 años, el consorcio internacional para la secuenciación del genoma humano consiguió un borrador inicial del genoma y el Proyecto Genoma Humano se dio por finalizado. • El PGH, ha secuenciado 3150 millones de pares de nucleótidos, con 35.000 genes, el 25% está aparentemente casi vacío y sólo un 5% del ADN contiene genes portadores de sintetizar proteínas.

41. 8 Bioética: la ética de la vida. • La bioética es una actividad multidisciplinar que estudia los problemas éticos que surgen en la aplicación de las ciencias médicas y sus tecnologías que pueden influir y modificar la vida humana y la de otros organismos. Los principales riesgos de las técnicas de biotecnología son: • Terapia génica, nunca debería aplicarse como método para la mejora genética de la humanidad.

42. 8 Bioética: la ética de la vida. • Clonación humana con fines reproductivos, es una técnica que está rechazada por todas las legislaciones, ya que debe prevalecer la individualidad de cada persona. • Células madre, el principal inconveniente se basa en la obtención de embriones que tendrían que ser destruidos al extraer las células madre. Este problema no existe con las células madre adultas.

43. 8 Bioética: la ética de la vida. • Genoma humano, presenta el inconveniente de las patentes de genes que crean dependencia sanitaria y económica. El conocimiento de las características genéticas de los individuos podría ser utilizada en el mundo laboral como una forma de discriminación. • Organismos genéticamente modificados, las dudasque planteanlos OGM son: • el fin con el que son diseñados, • la capacidad de modificar o invadir los ecosistemas naturales cercanos a campos de cultivo, • transferir los transgenes con el peligro de contaminación genética,

44. 8 Bioética: la ética de la vida. • El consumo de alimentos transgénicos puede desencadenar reacciones alérgicas desconocidas en las personas. • La inserción en las plantas de genes terminator.