Download Planta donante Microesporas/gametos Explantos: trozos hojas

Callos
Suspensión de
células
Protoplastos
Explantos:
trozos hojas, tallos,
meristemos, etc.
Microesporas/gametos
Planta donante
Regeneración
de plantas a
partir de
embriones de
cebada por
cultivo in
vitro
Potencialmente, posibilidad de introducir
cualquier gen en
cualquier planta
cualquier tejido
Dificultad: desconocimiento procesos básicos
de Fisiología y Bioquímica Vegetal
Laboratorio Avanzado de
Fisiología Vegetal 2.12.2005
OMGs
(Organismos Modificados Genéticamente)
Microorganismos
Plantas
Animales
mejorados mediante
técnicas de ingeniería
genética
UAM
Mejora clásica
genoma 1
genoma 2
X
1200 guías telefónicas
1400 páginas cada una
UAM
variedades híbridas
+
Selección laboriosa
Resultados inciertos
Opciones limitadas
Ingeniería Genética
+
0,005 páginas
de cualquier
origen
OMG
Agrobacterium: un biotecnólogo natural
Agrobacterium
GENES
TUMORALES
Proliferación
de células
transformadas
Célula vegetal
UAM
Plantas Transgénicas
GEN que se
quiere introducir
AGROBACTERIUM
desarmado (no tumores)
CÉLULA VEGETAL
UAM
Plantas Transgénicas
El nuevo gen:
se comporta y se
hereda como los
genes vegetales
GEN
confiere un
carácter adicional
Infección natural
célula vegetal Transgénica
Regeneración
Planta Transgénica
UAM
Se regeneran muchas
plantas, pero la mayoría
NO son transgénicas
¿Cómo seleccionar sólo las transgénicas?
UAM
GEN que se
quiere introducir
Marcador
seleccionable
Resistencia
a kanamicina
gen que se quiere
introducir
UAM
sin kanamicina
+ kanamicina
La planta transgénica contiene un gen de
resistencia a un antibiótico
Planta transgénica portadora del gen testigo luc
Expresión del gen luc
dirigida por un promotor activo
en raíces, tallo y tejido vascular
de tabaco.
Transformación biolística
(con microproyectiles)
SECTORES DE APLICACIÓN
1. AGRICULTURA Y AMBIENTE
2. INDUSTRIA
3. MEDICINA y FARMACIA
1. AGRICULTURA Y AMBIENTE
Mejora en la producción
Resistencia a enfermedades
por patógenos (estrés biótico)
conservación medio ambiente
por factores químicos etc
El desarrollo de las poblaciones
humanas está ligado a la
Agricultura
Paradójicamente, la Agricultura es la
actividad humana más lesiva para el
Medio Ambiente
UAM
El desafío de la agricultura del futuro:
Alimentar a 2000 millones más con
menos suelo
Limitar el impacto ambiental de la
actividad agrícola
Agricultura productiva y respetuosa
con el Medio Ambiente
UAM
Las Academias Nacionales de Ciencias de seis
países urgen a Gobiernos e Industria que
propicien el desarrollo de alimentos
transgénicos para los países en vías de
desarrollo, sobre todo en
-resistencia
a plagas
-mejor calidad
nutricional
UAM
La Biotecnología ha perseguido
una mayor productividad desde
sus orígenes en la agricultura
neolítica
UAM
Todas las especies agrícolas son el
resultado de una biotecnología:
la Mejora Genética
Maíz silvestre
Maíz cultivado
(2000 veces más
nutritivo)
UAM
CONTROL DE MALAS HIERBAS
Hechos
Malas hierbas el mayor factor limitante de agricultura (competición
nutrientes )
• Esfuerzo y tiempo importante en eliminación manual
• Países "desarrollados", eliminación con herbicidas selectivos
(ventajas económicas). > 60% fitosanitarios
• Importancia en mejora vegetal: malas hierbas más eficientes en
utilización nutrientes
ESTRATEGIAS DE CONTROL ACTUALES
Herbicidas
• En los casos más avanzados, fitosanitarios
para exportación o cosechas de alto precio
• En la mayoría, imposibilidad por el bajo coste
productos agrícolas
graves
problemas sociales (ej. emigración a ciudades)
• Adopción variedades rentables arroz y trigo (
Asia y Africa "revolución verde", empleo
fertilizantes, gasto rentable) demandan uso
herbicidas
Biotecnología ¿Por qué?
Estrategias
1. Plantas resistentes a herbicidas
Pueden en ciertos casos
resolución problemas
geopolíticos causados por mala nutrición
2. No dependencia herbicidas (-∆
∆ coste cosechas, aparte de -∆
∆
contaminación ambiental)
2 ejemplos
1. Malas hierbas parásitas en África: Orobanche y Striga
("escobas") (Asia, Mediterráneo)
Acción:
Importante detrimento cosechas
Parásitos estrictos. Drenaje importante de nutrientes en la planta
y efecto fitotóxico
Ejemplos
Resistencia a herbicidas
Round up
Tabaco resistente
a clorosulfuron
Colza resistente
a glifosato
Ej.: Nigeria: afectados 70% de 180.000 km2
África Subsahariana, la peor peste
pérdidas, a veces < 30%
abandono tierra
Orobanche spp y Striga spp, "escobas".
2.
Arroz en India
Plantas de cultivo más competitivas en la utilización de
nutrientes
Con transgenes fitotóxicos (más alelopáticas)
Ej.: sorgo y sorgenolona
Aumento por transgénesis de capacidad controladora en
agentes biológicos (hongos p ej)
Ej.: hongo Colletotrichum coccoides transformado con NEP-1, tóxico para la
mala hierba Abutilon theophrasti
Plantas parásitas y resistencia
Orobanche aegyptiaca
Control de Striga en maiz
con imidazolinona
Sorgo excretando gotas de sorgonelona fitotóxica
“Malherboleando” con transgenes
Fitotoxicidad de NEP1
Las plantas son
atacadas por muchos
tipos de patógenos:
bacterias
hongos
insectos
nemátodos
Plantas Bt
Producen la proteína Cry de Bacillus thuringiensis, que
es un insecticida natural y específico contra
lepidópteros que constituyen plagas (taladro)
UAM
Eliminan o reducen el uso de
insecticidas inespecíficos
Se aprobaron en EEUU tras
la evaluación preceptiva
Se les atribuyen numerosos riesgos ambientales
1. Polinización cruzada
2. Transferencia horizontal del transgen
3. Efectos ecológicos (mariposa monarca)
4. Toxicidad de proteínas Bt en el ambiente
Re-evaluación en base a publicaciones científicas y
experimentos independientes
Atacan las raíces de muchas cosechas:
Hortícolas, intensivas, arbóreas….
Resistencia transgénica a
nematodos fitopatógenos
Métodos alternativos de control
Plantas resistentes a nematodos
Abordaje 1: producir nematicidas en la raíz o en los
sitios de alimentación
RIP
Abordaje 2: programar la autodestrucción de los
sitios de alimentación
RIP
RIP
Tomates con un gen de resistencia a
nematodos formadores de agallas
Lycopersicon peruvianum, un tomate silvestre no
comestible, posee el locus Mi, que confiere resistencia a
muchas estirpes de Meloidogyne
La mayoría de los tomates comerciales contienen el locus
Mi (primera introducción en tomate por mejora genética
por Smith, 1944)
El gen responsable , Mi-1.2, se ha clonado e introducido
mediante ingeniería genética en tomate (grupo de
Williamson, 1998)
Resistant (Mi+) and Susceptible (Mi-) tomato
(Milligan et al., The Plant Cell 1998)
Retraso putrición en tomates con poco etileno
Bajo etileno
Control
2. INDUSTRIA
Alimentaria
Grasas
Hidratos de carbono
Proteínas
Espesantes
Enzimas
Plásticos
Colorantes
Biotecnología en semillas
Modificación de sustancias de reserva (grasas y proteinas)
Grasas
Aceites
• Triacilgliceroles
• Propiedades químicas y funcionales dependen de longitud de
los ácidos grasos y del grado de insaturación
• Gran parecido de los aceites vegetales: en 95% de 10.000 plantas,
sólo 6ácidos grasos
• La mayoría en climas templados, con 16 y 18 C
saturados (palmítico, 16:0; esteárico, 18:0)
con 1 =
oleico
(18:1) ∆9
2 = linoleico (18:2) ∆9,12
n, lugar de insaturación
3 = linolénico (18:3) ∆n
Grasas a partir de plantas
transformadas
Aceites no colesterogénicos
Con ácidos grasos de cadena corta
Con diferente grado de insaturación
mejora estabilidad
dieta enfermos sistema circulatorio
(relación con Medicina)
GGPP
Arroz amarillo
(relación con Medicina)
fitoeno sintasa
fitoenodesaturasa
caroteno desaturasa
licopeno ciclasa
β-caroteno
Cotransformación con distintos plásmidos
pB19hpc
psy (Fitoeno sintasa narciso, péptido tránsito, promotor glutelina)
crtI (Fitoeno desaturasa bacteria:: pép. tráns. SSU0 rubisco:: promotor 35S)
formación licopeno en plástidos endospermo, donde se forma GG-diP
pZpsC
como pB19hpc, pero sin gen testigo seleccionable
1
2
3
4
5
6
7
8
Fenotipos de semillas
transgénicas de arroz
pZLcyH
licopeno ciclasa de narciso,pép.tr.:: promotor glutelina
::gen testigo::35S
1. Control no transformada
2-4. Transformadas sencillas
pB19hpc
5-7. Cotransformadas
pZpsC/ pZLcyH
Patata amarilla
The Sunday Times, November, 21, 2004
Focus: Golden wonder
A yellow genetically modified potato
grown in Scotland is being hailed as the
answer to Third World hunger and the
nation’s poor health (Kenny Farquharson)
Modificaciones genéticas en la vid
•
Se enfocan tanto a cultivos como a
los productos, en busca de :
•
•
mejora de la calidad
adaptación a condiciones adversas
• Resistencia a patógenos y plagas, reduciría el uso de
fungicidas y plaguicidas
• Mejor aprovechamiento de nutrientes por la planta
Dianas de mejora genetica
• Salud del fruto
Interacción patógeno-hospedador
Productos con actividad antipatogénica
Resistencia derivada de patógenos
• Mejora de cultivos-adaptación a condiciones adversas
Estrés salino
Intensa luz
Resistentes a bajas temperaturas
• Procesos complejos
• Calidad de la uva
Industria del vino: buen color,azúcar,...
Fruta:de mayor tamaño,buena apariencia
• Producción de pigmentos
• Acumulación y transporte de azúcares
• Aroma
Otros productos comestibles
Patatas con más cantidad de almidón
• se pudren menos
• rebrotan menos
• absorben poco aceite al freir
Cambios en la composición de azúcares
• Inulina en lugar de sacarosa (para diabéticos)
• Fructanos (polímeros de fructosa, útiles dieta fibra..) etc
No comestibles
Plásticos
3. MEDICINA y FARMACIA
Compuestos farmacológicamente
activos
Enzimas
Anticuerpos, vacunas
Arroz enriquecido en hierro
¿Qué es la ferritina?
Funciones
Proporciona hierro para la
síntesis de proteínas.
Previene daños ocasionados por
radicales libres debido a las
interacciones hierro/oxígeno.
Proteína que comprende 24
subunidades que se ensamblan
para formar un largo complejo
que almacena más de 4500
átomos de hierro en su cavidad
central. La regulación de su
síntesis depende de los niveles
de hierro y se realiza a nivel
transcripcional en las plantas.
Oralmente, puede ser
una fuente de hierro
para el tratamiento
contra la anemia
Producción de enzimas humanas
Limitación de tejidos y fluidos humanos en la
terapia actual o futura con proteinas
• fuentes reducidas
• peligro contaminación
Alternativas:
•Fermentación bacteriana: rentable
económicamente, pero inadecuada
frecuentemente para procesado adecuado
•Células animales transfectadas: difícil
escalado en producción
•Plantas transgénicas
Plantas transgénicas, en principio cubren los
aspectos requeridos:
• Producción a gran escala y económica
• Mantenimiento fácil de plantas con
caracteres deseados estables
• Similitud de modificaciones proteicas
postraduccionales
• Mayor seguridad (plantas no
hospedadores de agentes infecciosos
de animales)
Planta adecuada: tabaco, cultivos densos
Proteína C humana (hPC)
• Serín proteasa, anticoagulante. Actividad crucial,
hPC inactiva
dependiente de vitamina K.
Proteolisis
Ca2+, P-lípido
hPC activa
Factores de coagulación Va y VIIIa
•Síntesis, proenzima. Modificación co y postraduccional
dependiente de vit. K.
•Proteolisis: escisión péptido señales, un dipéptido
interno 2 heterosubunidades. Activación por trombina,
escisión 12 aa de subunidad grande.
Enzimas para tratamiento de
enfermedades congénitas
Un ejemplo: Glucocerebrosidasa (hGC)
•En su ausencia ∆ grasas especcíficas (cels. Médula,
bazo, hígado etc),
Enfermedad de Gaucher: ∆ descontrolado médula,
deterioro óseo, visceromegalia; en niños y jóvenes, SNC y
SR.
•Éxito tratamiento enzimático
•Inconveniente: costo enorme tratamiento (30 años, 1520000 euros)
•Origen costo: materia prima, placenta humana (1 mg
hCG/10-20 kg
•Riesgo adicional: infección patógenos (evitable, cultivos
lineas celulares animales; pero coste muy alto)
•Alternativa: tabaco transgénico
•Producción en procesamiento postranscripcional sencillo
Hechos
•Transformación con Agrobacterium
•Promotor patentado
•Integración estable en bastantes lineas de plantas
transgénicas; expresión inducible
Proteina de tamaño y procesado correctos.
Lo más importante: ACTIVA para el tratamiento
Anticuerpos = Planticuerpos
Düring etal., 1990
expresión en tabaco
cadenas ligera y pesada inmunoglobulinas
ensamblaje proteína funcional
En los 90, hasta ahora:
anticuerpos monoclonales contra cáncer de colon
sIgA anti S. mutans, causante caries
anticuerpos monoclonales contra herpes genital
Estado actual de la
Biotecnología Vegetal:
investigación y aplicación
(finales 2004)
Impacto de los OMGs
salvar vidas
mejorar la salud
preservar el ambiente
ahorrar dinero
mejorar la calidad de vida
ofrecer nuevos productos
BENEFICIOS AMBIENTALES
Menos suelo agrícola/mayor productividad
Menos pesticidas
Menos agua. Materias primas renovables
Nuevos hábitats colonizables
Procesos industriales limpios
Mejor monitorización ambiental
Limpieza de contaminantes
UAM
RIESGOS AMBIENTALES
•Pérdida de biodiversidad
•Invasión del medio natural
•Contaminación genética
•Trasvase horizontal de genes
•Polinización de especies silvestres
•Efectos ecológicos impredecibles
UAM
Nueva Tecnología
Sectores productivos
Gobiernos,
expertos y
consumidores
Riesgos/Beneficios
Maximizar los beneficios
Minimizar los riesgos
UAM
OMGs
falta información sobre la tecnología
faltan estudios de impacto ambiental
falta legislación sobre estándares
Fase cautelosa
X
Fase de comprensión
y aceptación
International Conference. on Biotechnology in the Global economy
(Harvard, 1999)
UAM
Percepción Del Riesgo
Biotecnológico
EMOCIONES
Emociones
EMOCIONES
HECHOS
Hechos
• Conocimiento de la Tecnología
• Evaluación Riesgos-Beneficios
• Factores científicos
• Factores político-económicos
• Factores sociales
• Factores culturales
UAM
blue rose
July 1, 2004 at 07:00 JST TOKYO
Suntory Ltd said Wednesday it has developed the
world's first biotechnology-driven blue roses.
... By extracting blue-pigment genes
from other plants, such as
petunias, and implanting them
into roses.
It´s a good thing genetic science is being put to such great uses.
Maybe they can make cats blue.
Italian Scientists Introduce the Patopo
Pescara (Italy), 01/04/2003 - A group of scientists at the University
of Pescara has announced that they
genetically engineered a potato to express the mouse gene
responsible for body shape. The results has been
described as "remarkable" by the team and other scientists.
01/04, “Fool´s Day” (parecido a
Santos Inocentes