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LA INGENIERÍA GENÉTICA
y sus aplicaciones.
ÍNDICE
1. Introducción.
2. Conceptos frecuentes en ingeniería
genética.
3. Clonación de un gen.
4. Aplicaciones de la ingeniería genética
(biotecnología).
5. Ingeniería genética y bioética.
1. Introducción
• Biotecnología:
utilización de los seres vivos o sus componentes para realizar
determinados procesos químicos con fines industriales.
– Biotecnología clásica: uso de microorganismos no manipulados genéticamente.
(tal cual se encuentran en la naturaleza)
–
Biotecnología moderna basada en aplicaciones de la ingeniería genética: organismos
manipulados genéticamente.
“La ingeniería es el arte de aplicar los conocimientos científicos a la invención,
perfeccionamiento y utilización de la técnica industrial en todas sus dimensiones”
• Ingeniería genética:
conjunto de procedimientos que permiten modificar
artificialmente el genoma de los seres vivos / alteración, intencionada, del genoma de
un ser vivo.
aislar, modificar, replicar y expresar el material genético
•
Tecnología del ADN recombinante: métodos y técnicas que se aplican en IG
2. Conceptos frecuentes en ingeniería genética.
ADN recombinante: es una molécula de ADN formada por la unión artificial de ADN
proveniente de dos organismos diferentes.
Clon: copia idéntica.
- de una molécula
- de una célula
- de un organismo
Organismo transgénico: incorporan en su genoma de forma estable ADN procedente de
otras especies.
O.G.M. (GMO): organismo genéticamente modificado.
Secuenciación: técnica que permite conocer la secuencia de bases del ADN (o de aa de
una proteína...)
PCR: reacción en cadena de la polimerasa. Técnica que permite aumentar el nº de copias
de un fragmento de ADN.
Vectores: elementos genéticos que sirven para introducir genes extraños en células
hospedadoras.
Enzimas de restricción: enzimas endonucleasas que cortan el ADN en puntos concretos
(secuencias específicas).
Célula transformada: célula que contiene y expresa ADN foráneo.
3. Clonación de un gen
3.1. Aislamiento y obtención del gen.
3.2. Selección del vector de clonación.
3.3. Formación del ADN recombinante.
3.4. Inclusión del ADNr en una célula hospedadora.
3.5. Detección del gen clonado.
3.6. Multiplicación de las células que contienen el gen clonado.
3. Clonación de un gen
3.1. Aislamiento y obtención del gen:
A ) Proc: corte del ADN cromosómico con ER para obtener el gen o genes.
selección del gen a partir de una genoteca
Enzimas de restricción = Tijeras moleculares
Euc: síntesis a partir de ARNm
ADN sintético
Biblioteca de ADNc
3. Clonación de un gen
3.1. Aislamiento y obtención del gen:
Análisis de los fragmentos obtenidos.
Los fragmentos obtenidos se pueden separar por tamaños mediante la técnica de
electroforesis
Los fragmentos se desplazan en relación inversa con su tamaño, los fragmentos más
pequeños se mueven rápidamente, mientras que los grandes lo hacen muy lentamente.
3. Clonación de un gen
3.2. Selección del vector de clonación.
Vector de clonación: pequeña molécula de ADN en la que se inserta el gen que
queremos clonar que tienen capacidad para replicarse dentro de las células
hospedadoras de forma independiente (“vehículo del gen”).
Selección del vector:(tamaño y características del gen).
Tipos de vectores:
1. Plásmidos
2. Bacteriófagos.
3. Cósmidos.
4. YACs (cromosomas artificiales de levadura).
5. Genomas de los virus modificados.
3. Clonación de un gen
Marcadores
Además del origen de replicación, los vectores de clonación deben
llevar otros genes denominados marcadores, que sirven para
identificar las células que contienen el vector de clonación.
Se suelen utilizar :
• Genes de resistencia a antibióticos. (bacterias crecen en medios
con el al antibiótico)
• Genes de luminiscencia. (la célula que contenga el gen que se
quiere clonar, tendrá la propiedad de emitir luz). Este sistema se
emplea cuando la célula hospedadora es una célula eucariota.
3. Clonación de un gen
3.3. Formación del ADN recombinante
Gen que queremos clonar
CORTADO CON E.R.
+
Vector
=
ADN recombinante
CORTADO CON E.R.
ENZIMAS: ADN LIGASAS
3. Clonación de un gen
INSERCIÓN DEL GEN EN VECTORES DE CLONACIÓN
PLÁSMIDOS
- ADN circular
- tamaño menor que el del
cromosoma.
- origen de replicación
3. Clonación de un gen
INSERCIÓN DEL GEN EN VECTORES DE CLONACIÓN
A
Bacteriófagos
(Ej. Fago lambda, fago M13)
Se inserta el gen deseado en un fragmento de ADN
vírico.
B
Posteriormente se ensamblarán las distintas partes
del virus.
Así quedará el virus completo. En el siguiente paso
se insertará este ADN por el proceso de la
TRANSDUCCIÓN.
C
3. Clonación de un gen
INSERCIÓN DEL GEN EN VECTORES DE CLONACIÓN
Cósmidos
•
Son
plásmidos
que
contienen el fragmento de ADN
deseado que posee un extremo
cos (borde cohesivo procedente
del genoma del fago lambda) y se
empaqueta en el interior de un
fago.
•
Se construye el cósmido
uniendo los tres elementos
génicos, y el resultado final es
poder introducir en la célula
receptora fragmentos largos de
ADN.
3. Clonación de un gen
3. 4. Introducción del ADNrec en la célula hospedadora
para que ésta, al multiplicarse, origine un clon celular que lleve el gen concreto.
Transformación.
Transducción
Euc: electroporación, microinyección,
pistola de genes, Agrobacterium...
Célula hospedadora *:
- crecimiento rápido
- ausencia de patogenicidad
- captar o tomar
e incorporar ADN del medio.
3. Clonación de un gen
3.5. Detección del gen clonado.
(detección de células transformadas).
• A través de los marcadores:
Ejemplo de resistencia a un antibiótico
por ejemplo un gen de resistencia a la
ampicilina) las bacterias que se
consideran transformadas, serán
aquellas que sobrevivan en un medio
con ampicilina.
• A través de sondas
marcadas: por complementariedad
con el gen clonado (hibridación).
3. Clonación de un gen
3.6. Multiplicación de las células que contienen el gen
clonado.
• Poner a las bacterias en un medio de cultivo apropiado para que se
multipliquen (lo hace también el vector con el gen que interesa).
El resultado es que se obtiene un clon de células que llevan todas
ese gen de interés.
•
•
Se pueden formar por tanto diferentes clones con genes de interés para el
hombre.
Cuando contienen el conjunto de genes de un organismo se denominan
biblioteca genómica o genoteca.
Si se clonan genes para que se expresen (produzcan la proteína) dentro de
la célula hospedadora necesitamos vectores de expresión (sec reguladoras
de transcripción y traducción) y el gen clonado ha de ser ADNc.
Secuenciación
– Técnica del dideoxi.
– Secuenciación automática.
PCR: reacción en cadena de la polimerasa.
(Aumenta el nº de moléculas de ADN)
Ciclos de 3 fases:
•
Desnaturalización.
•
Anillamiento.
•
Elongación.
APLICACIONES DE LA PCR
Secuenciación
Una de las razones mas comunes para el uso de la PCR es la
formación de suficiente cantidad de ADN molde para su secuenciación.
Es mucho mas sencillo y rapido que la clonación en células.
Estudios evolutivos
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.
Huellas dactilares del ADN.
La determinación de las huellas dactilares genéticas constituye una de
las aplicaciones mas interesantes de la PCR.
Mediante esta técnica es posible comparar muestras diferentes de ADN
para comprobar si pertenecen al mismo individuo o no, o si existe
parentesco entre ellas.
Esta técnica se aplica actualmente en Medicina forense e
investigaciones policiales, con el fin de identificar indiividuos a partir
de muestras biológicas, como sangre, semen, piel o cabellos. También
se utiliza en las pruebas de paternidad.
4.
Aplicaciones
de
la
ingeniería
genética
a) Aplicaciones médicas
–
-
Producción de sustancias con efecto terapéutico.
Técnicas de diagnóstico clínico.
Terapia génica.
Transplantes de órganos.
b) Aplicaciones agropecuarias.
– Plantas transgénicas. Alimentos transgénicos.
– Animales transgénicos.
c) Otras
– Aplicaciones de la PCR y otras técnicas para clonar genes,
hacer estudios evolutivos, arqueológicos, forenses...
– Industria alimentaria:aditivos alimentarios, detección de fraudes,
elaboración de productos lácteos y vinos...
4.
Aplicaciones
de
la
a) En Medicina
•
OBTENCIÓN DE PROTEINAS DE MAMÍFEROS.
Ej. Insulina humana en Saccharomyces cerevisae
ingeniería
genética
4. Aplicaciones de la ingeniería genética
a) En Medicina
•
OBTENCIÓN DE VACUNAS RECOMBINANTES. Ej. Hepatitis B, meningitis
meningocócica y rabia.
4. Aplicaciones de la ingeniería genética
a) En Medicina
DIAGNÓSTICO DE ENFERMEDADES DE ORIGEN GENÉTICO. Ej. Corea de
Huntington.
b) Agropecuarias
4. Aplicaciones de la ingeniería genética
¿CÓMO SE HACE UNA PLANTA TRANSGÉNICA?
1. técnicas
indirectas: transformación de células mediada por Agrobacterium tumefaciens.
2. técnicas directas: electroporación, microinyección, liposomas y métodos químicos.
4. Aplicaciones de la ingeniería genética
APLICACIONES DE LAS PLANTAS TRANSGÉNICAS
–
–
–
–
–
Resistencia a herbicidas, a insectos y a
enfermedades microbianas. Ej. Bacillus
thuringiensis (toxina - Bt)
Incremento del rendimiento fotosintético
transfieren los genes de la ruta fotosintética de
plantas C4 que es más eficiente.
Mejora en la calidad de los productos
agrícolas Tal es el caso de la colza y la soja
transgénicas que producen aceites modificados,
que no contienen los caracteres indeseables de
las plantas comunes.
Síntesis de productos de interés comercial
Existen ya plantas transgénicas que producen
anticuerpos animales, interferón, e incluso
elementos de un poliéster destinado a la
fabricación de plásticos biodegradables.
Asimilación de nitrógeno atmosférico se
ensaya la transfección del gen nif responsable
de la nitrogenasa.
4. Aplicaciones de la ingeniería genética
¿Cómo se hace un animal transgénico?
La transgénesis puede efectuarse siguiendo dos estrategias distintas:
• Transgénesis por microinyección de zigotos
•
Transgénesis por manipulación de células embrionarias.
4. Aplicaciones de la ingeniería genética
APLICACIONES DE LOS ANIMALES TRANSGÉNICOS
Investigación:
• La posibilidad de estudiar a nivel molecular el desarrollo embrionario y su
regulación.
• Manipular de forma específica la expresión génica in vivo.
• Estudiar la función de genes específicos.
• La corrección de errores innatos de metabolismo mediante terapia génica.
Biotecnología:
•
•
Poder utilizar a mamíferos como biorreactores para la producción de
proteinas humanas.
Mejora de sus características para obtener mayor rendimiento económico.
4. Aplicaciones de la ingeniería genética
¿CÓMO SE CLONA UN ANIMAL?
El principio de la clonación está en la obtención de organismos idénticos
genéticamente, y por tanto morfológica y fisiológicamente.
Métodos:
• Por DISGREGACIÓN DE CÉLULAS EMBRIONARIAS:separar las células de
un embrión en diferentes estados de desarrollo, desde el estado de 2 células
hasta el estado de mórula. Cada célula separada puede funcionar como un
zigoto que puede desarrollarse para dar un individuo completo.
• Por TRANSFERENCIA NUCLEAR: Se toman células embrionarias en fase de
mórula o blástula, se cultivan in vitr ,y después se transfieren a ovocitos a los
que se les ha quitado el núcleo.
Se provoca la fusión de las dos células animales de modo que el núcleo de la
célula embrionaria quede en el interior del ovocito, pudiendo éste empezar a
funcionar como un zigoto.
CLONACIÓN POR TRANSFERENCIA NUCLEAR
4. Aplicaciones de la ingeniería genética
C) Medioambientales.
La biorremediación consiste en recuperar el medio ambiente contaminado mediante la
Biotecnología. Existen microorganismos capaces de captar y fijar metales pesados.
Otros permiten recuperar un suelo o aguas contaminadas
•Depuración de aguas residuales (ver biotecn. I)
•Vertidos de petróleo: cepas que puedan trabajar a temperaturas muy
bajas o que sus necesidades nutricionales se adapten al medio marino en el
que van a desarrollar.
•Residuos generados por explotaciones mineras: se está trabajando con
cepas descontaminadoras, que puedan concentrar metales pesados o que
aceleren el ritmo de descontaminación. Entre las plantas con actividad
fitorremediadora se encuentran las crucíferas del género Brassica, capaces
de acumular metales pesados y arsénico. Estas plantas son objeto de
estudio y selección en los laboratorios de clonación.
5. Ingeniería genética y bioética.
PROYECTO GENOMA HUMANO
• El Proyecto Genoma Humano comenzó en 1990 en los Estados Unidos con un
presupuesto de 375.000 millones de pesetas y un plazo de 15 años, con el objetivo
de analizar molecularmente la herencia genética humana.
• Se trata de realizar mapas de cada uno de los cromosomas humanos. Implica dividir
los cromosomas en pequeños fragmentos que puedan ser caracterizados y
posteriormente ordenados en el cromosoma.
• El 26 de junio de 2000: el genoma humano fue descifrado en sus partes
esenciales
Mapas genéticos: posición relativa de los
diferentes genes. Para esta confección se están
estudiando la transmisión de caracteres
hereditarios, capaces de ser objetivados de una
generación a otra en grandes familias.
Por ejemplo, en Estados Unidos se han localizado
muchos genes gracias a estudios realizados en
comunidades mormonas, cuya endogamia es
notoria.
En 1994 se terminó el primer mapa genético de
todo el genoma humano.
Mapas físicos: Se obtiene la secuencia de
nucleótidos de un gen. Se realiza
fundamentalmente mediante la electroforesis en
geles de distintos fragmentos de ADN y la ayuda
de ordenadores.
En 2000 se terminó el mapa físico del genoma
humano.
REPERCUSIONES ÉTICAS DE LA INGENIERÍA GENÉTICA
• 1975- Reunión Internacional en el Centro de Conferencias Asimolar de Pacific Grove, en
California: directrices para el trabajo con el ADN recombinante.
• 1993 - inicio de la investigación genética en la especie humana, clonación de embriones, etc.=
creación de un Comité Internacional de Bioética, UNESCO.
•Problemas sanitarios. Apareción de nuevos microorganismos patógenos que provoquen enfermedades
desconocidas, o el uso de fármacos de diseño provoquen efectos secundarios no deseados.
•Problemas ecológicos.
La liberación de nuevos organismos en el ambiente puede provocar la
desaparición de especies contra las cuales se lucha, con consecuencias aún desconocidas, ya que
cumplen una función en la cadena trófica de la naturaleza. Se puede pensar en posibles nuevas
contaminaciones debidas a un metabolismo incontrolado.
•Problemas sociales y políticos. Las aplicaciones de la Biotecnología en el campo de la producción
industrial, agrícola y ganadera, pueden crear diferencias aún más grandes entre países ricos y pobres. El
sondeo génico en personas puede llevar a consecuencias nefastas en la contratación laboral, por
ejemplo, y atenta contra la intimidad a que tiene derecho toda persona.
•Problemas éticos y morales. La experimentación en la especie humana puede atentar contra la dignidad
de la misma. Poder conocer y modificar el patrimonio genético humano puede ser una puerta abierta al
eugenismo.
[Terapia Génica en células somáticas para corregir enfermedades. Prohibido en la línea germinal ]
Bioética
• Conocimientos y avances
Genética: patrimonio de la
en
Ingeniería
humanidad
• Los Organismos Internacionales creados para
ello han de ser capaces de vencer las
reticencias que crean los intereses políticos y
económicos, logrando una legislación adecuada
y justa, que recoja las voces razonables de
todos los sectores sociales.