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Ingeniería de
Sistemas Biológicos
1. Conceptos Biológicos
Biología II
FIMCM-ESPOL
Noviembre 2008
Algunos conceptos básicos:
Biología sintética y biología de sistemas
¿Que es biología sintética?
Biología sintética se refiere
a:
Diseño y fabricación de
componentes biológicos y
sistemas que no existen
en el mundo natural.
Rediseño y fabricación de
sistemas biológicos que
ya existen.
Algunos conceptos básicos:
Biología sintética y biología de sistemas
¿Cual es la diferencia entre biología
sintética y biología de sistemas?
La biología de sistemas se centra en estudiar sistemas biológicos
en su totalidad, usando herramientas de modelación, simulación,
y comparación al experimentado. La atención tiende hacia
sistemas naturales.
La biología sintética estudia cómo construir sistemas biológicos
artificiales para aplicaciones a ingeniería, usando varias de las
mismas herramientas y técnicas. Es más una aplicación ingenieril
de biología en vez de un intento a llevar a cabo más biología. La
base es el uso de partes de sistemas biológicos naturales,
caracterizándolos y simplificándolos, y usándolos como
componentes de una sistema ingeniado.
1. Organismos usados en Sistemas
Biológicos
Los organismos que pueden ser manipulados
para usarlos en sistemas biológicos son:
células (c)
bacterias (a)
algas (d)
hongos (b)
virus (e)
1. Organismos usados en Sistemas
Biológicos: Células
Células Pluripotenciales:
Célula indiferenciadas capaces de
replicarse indefinidamente. Una
célula pluripotencial puede también
producir células especializadas para
diversos tejidos del cuerpo, como
músculo cardíaco, tejido cerebral y
tejido hepático.
Tipos de células pluripotenciales
Existen dos tipos básicos de
células pluripotenciales:
1. Célula pluripotencial
embrionaria, que se obtiene
de fetos abortados o de
óvulos fertilizados sobrantes
de la fertilización in vitro. Son
usadas para fines médicos y
de investigación porque
pueden producir células para
casi todos los tejidos del
cuerpo.
Agregado de células
embrionarias
Tipos de células pluripotenciales
2. Célula pluripotencial adulta,
que no es tan versátil para
fines de investigación porque
sólo puede producir células
para determinados tipos de
material somático, como la
sangre, los intestinos, la piel y
los músculos.
1. Organismos usados en Sistemas
Biológicos: Bacterias
Las bacterias son microorganismos unicelulares.
Tienen típicamente longitud entre 0,5 y 5 μm.
Presentan formas diversas incluyendo esferas, barras, y espirales.
Muchas bacterias disponen de cilios o flagelos y son móviles.
Generalmente poseen una pared celular similar a la de plantas u
hongos, pero compuesta por peptidoglicanos.
Estafilococos
Bacillus del suelo
Usos diversos de bacterias
Las bacterias tienen usos múltiples en varios
tipos de industrias. Algunos usos comunes:
limpieza de residuos industriales, por ejemplo, minas y petróleo,
herbicidas, plaguicidas, etc., uso denominado Biorremediación
conversión de nitrógeno a nitrato para fertilización agrícola
proceso de alimentos (lácteos, vinos, productos cárnicos)
fabricación de plásticos
probióticos de uso humano y animal
fabricación de vacunas
1. Organismos usados en Sistemas
Biológicos: Algas
Las algas son los organismos autótrofos que realizan la fotosíntesis
oxigénica.
Son en general organismos acuáticos.
Existen algas unicelulares microscópicas (protofitas), algas
coloniales y algunas tienen tejidos diferenciados, como las algas
pardas.
Microalga unicelular
Macroalga
Usos diversos de algas
alimentación directa de seres humanos y organismos de cultivo, ya
sean éstos acuáticos o terrestres
fertilizantes para agricultura
medicina: espirulina
industria química farmacéutica: agares, gelidificantes, espuma de
afeitar, shampoo, cosméticos
industria alimenticia: espesantes, saborizantes, aditivos para yogurt,
flanes, helados, cerveza
industria fotográfica: películas
producción de biocombustibles: bioetanol, biobutinol, biodiésel
cuidado ambiental: depuradoras de efluentes, bioindicadores de
contaminación
1. Organismos usados en Sistemas
Biológicos: Hongos
Los hongos son organismos
eucarióticos (con células nucleadas)
que realizan una digestión externa de
sus alimentos, secretando enzimas, y
absorben luego las moléculas disueltas
resultantes de la digestión
(alimentación osmotrófica) pero los
nutrientes que toman son orgánicos.
Son descomponedores primarios de la
materia muerta de plantas y de
animales en muchos ecosistemas.
Acompañan a la mayoría de las
plantas, residiendo en sus raíces y
ayudándolas a absorber nutrientes del
suelo.
Características de los hongos
Pueden ser unicelulares o pluricelulares,
(se puede ver en la misma especie fases
de uno y otro tipo).
Poseen membrana plasmática (con
ergosterol en vez de colesterol), núcleo,
cromosomas (los hongos son
generalmente haploides), y orgánulos
intracelulares como mitocondrias
(aunque ningún hongo es estrictamente
anaeróbico, algunos pueden crecer en
condiciones anaeróbicas), retículo
endoplasmático.
Su pared celular es rígida, con un
componente polisacarídico, hecho de
mananos, glucanos y quitina, asociado
íntimamente con proteínas.
Estructura de los hongos
El cuerpo del hongo tiene dos
porciones, reproductiva y
vegetativa.
La parte vegetativa (sin
clorofila) está compuesta por
filamentos que se extienden de
los hongos multicelulares (hifas,
usualmente microscópicas), y
un conjunto de hifas conforman
el micelio (usualmente visible).
Los esporangios son los
receptáculos de las esporas,
que son el medio reproductivo.
Usos de los hongos
Algunso usos importantes de los hongos:
fermentación de la cerveza: en la respiración anaeróbica
producen etanol (a diferencia, por ejemplo, de los humanos que
producen acido láctico)
fermentación de la masa del pan (levaduras u hongos
unicelulares)
cultivo de setas para alimento en muchos países
obtención de productos inmunoestimulantes (glucanos)
obtención de antibióticos y productos medicinales
1. Organismos usados en Sistemas
Biológicos: Virus
Consisten en una molécula de ácido nucleico (que puede ser ADN o
ARN) encerrada en una cubierta de proteína llamada cápside. Esta
estructura puede, a su vez, estar rodeada por la envoltura vírica, una
capa lipídica con diferentes proteínas, dependiendo del tipo de virus.
No poseen citoplasma ni ribosomas ni alguna otra maquinaria
celular.
Virus de inmunodeficiencia
adquirida (VIH)
Características de los virus
Tienen tamaño muy pequeño: rangos oscilan entre los 24
nanómetros (virus de la fiebre aftosa) a los 300 nanómetros
(poxvirus).
Son entes cristalizables ya que tienen formas geométricas precisas.
Son parásitos intracelulares o microcelulares obligados.
El virus siempre necesita de la maquinaria metabólica de la célula
invadida para poder replicar su material genético, produciendo
muchas copias del virus original. De este proceso depende la
capacidad destructora de los virus, ya que en su reproducción llegan
a matar la célula infectada.
Los virus pueden infectar células eucarióticas o procarióticas (en
cuyo caso se les llama bacteriófagos, o simplemente fagos).
Aparentemente existen también virus que tienen la capacidad de
infectar a otros virus (viroides).
Características de los virus
El ácido nucleico presente en el virus es
solamente de un tipo, ADN o ARN, nunca
están presentes los dos a la vez.
Según el tipo de ácido nucleico se distinguen
cuatro clases de virus:
ADN de cadena doble
ADN de cadena sencilla
ARN de cadena doble
ARN de cadena sencilla
Características de los virus
Según la forma de la cápsida, se pueden distinguir los siguientes
tipos de virus:
Cilíndricos o helicoidales: los capsómeros, que son de un solo tipo, se ajustan entorno
una hélice simple de ácido nucleico. Ejemplo: virus del mosaico del tabaco.
Icosaédricos: los capsómeros se ajustan formando un icosaedro regular ( 20 caras
triangulares y 12 vértices), y dejando un hueco central donde se sitúa el ácido nucleico
fuertemente apelotonado. Un ejemplo lo constituyen los adenovirus, entre los que se
encuentran los virus de los resfriados y faringitis.
Complejos: con pequeñas variantes, responden a la siguiente estructura general:
Una cabeza de estructura icosaédrica que alberga el ácido nucleico.
Una cola de estructura helicoidal que constituye un cilindro hueco.
Un collar de capsómeros entre la cabeza y la cola.
Una placa basal, al final de la cola, con unos puntos de anclaje que sirven para fijar el virus
a la membrana celular. De la placa salen también unas fibras proteicas que ayudan a la
fijación del virus sobre la célula hospedadora.
Ejemplos de virus
Virus de Estructura
Compleja
Virus helicoidales
o cilíndricos
Virus icosaédricos
Utilidad de los virus
La utilización de los virus en los actuales momentos es más
importante a nivel de técnicas de investigación en biología
molecular.
Los virus son herramientas importantes en investigación de la
biología celular, particularmente en estudios de síntesis
macromolecular.
Virus pueden ser usados como vectores para llevar genes
seleccionados hacia las células, reemplazando los genes virales que
causan lisis celular por los que se desea transducir a las células
(genoterapia usando virus).
Uso futuro en nanotecnología para fabricación de componentes y
aparatos a escala nanométrica.
Armas biológicas.