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Fac. de CCNN y Matemática (UES)
PROGRAMA DE JÓVENES TALENTO
“BIOLOGÍA MOLECULAR:
Herramienta de la
Biotecnología”
JOSÉ ROBERTO ALEGRÍA COTO
Depto. de Desarrollo Científico y Tecnológico
[email protected]
Centro Escolar Doroteo Vasconcelos
Ayutuxtepeque, San Salvador.
.
CONTENIDO:
• Objetivos
• Historia de la Biología
Molecular
• La Biología Molecular:
herramienta de la
Biotecnología
Tecnología del ADN
Ingeniería Genética
Marcadores
• Reflexión Final
OBJETIVOS:
• Estimular el interés de los jóvenes hacia la
Biología Molecular y sus aplicaciones en la
Biotecnología.
.
• Promover en los educandos el espíritu
crítico hacia el potencial de la investigación
biotecnológica para el desarrollo de la
humanidad.
.
• Presentar elementos de juicio que permitan
comprender la importancia de la
investigación en biología molecular.
AVANCES HISTÓRICOS DE
BIOLOGÍA MOLECULAR
1941 Genes codifican las proteínas
1944 Prueba que el ADN porta la información genética
1953 Determinación de estructura del ADN y de la Insulina
1956 Enfermedad monogénica sustitución de un aa cadena β-hemoglobina
1961 Código Genético, ARN mensajero, regulación génica
1967 Wise y Richardson aislaron ADN ligasa
1970 Smith y colegas aislaron y caracterizaron la Hind III
1972 Janet Mertz y Ron Davis cortaron y pegaron mol de ADN
1973 Stanley Cohen y H. Boyer pusieron ADNr en bacterias
1974 Demostración directa de delección génica humana
1975 Southern Blotting
1976 Proto-oncogenes
1977 Fred Sanger secuenció el virus de ADN Ф X174
1978 Biblioteca génica humana
1979 RFPL para diagnóstico prenatal, oncogenes celulares
AVANCES HISTÓRICOS DE
BIOLOGÍA MOLECULAR
1979-81 genes humanos clonados y secuenciados
1982 Tabaco, la primera planta modificada genéticamente
1983 Kary Mullis concibe el PCR / Fred Sanger y colegas
1985
1986
1987
1995
1996
1998
1999
2000
2001
publican la secuencia del λ lambda
Un “gen de enfermedad” aislado por clonación posicional
La secuenciación del ADN es automatizada
Inicia el Proyecto del Genoma Humano
Es secuenciado la bacteria Haemophillus influenzae
Es secuenciada la levadura Saccharomyces cerevisiae
Es secuenciado el nemátodo Caenorhabditis elegans
Es secuenciado el cromosoma 22 humano
Es secuenciada la mosca de la fruta D. melanogaster /
26 de junio se presenta 90% borrador genoma humano
Feb 2001 se completa el genoma humano.
BASES MOLECULARES
genoma
DE LA VIDA
ADN
Célula
cromosomas
genes
ADN
proteínas
las proteínas actúan
solas o en complejos
para realizar las
funciones celulares
ADN
ARN
PROTEÍNAS
los genes
contienen
instrucciones
para hacer
proteínas
BIOTECNOLOGÍA
Es el medio o vía de
manipulación de las formas
de vida (organismos) para
proveer un producto deseable
para el uso del hombre.
Areas cubiertas por el término Biotecnología
incluyen: i) Biología Molecular: ADN
recombinante, cultivo de células animales, cultivo
de tejidos vegetales, inmunología, mejoramiento
animal y vegetal, ii) Fermentación, iii) Sistema de
Enzimas y iv) Otras.
Transferencia
de genes en
animales
BIOTECNOLOGÍA
Cultivo de
Células
Vegetales
Diagnósticos
Solución de
crimenes
Biología
Molecular
Tecnología
del ADN
Bancos de
ADN, ARN
Proteínas
Mapas de
Genomas
completos
.
Marcadores
Ingeniería Genética
Síntesis de Nuevas
Proteínas
Nuevos
Alimentos
Clonación
Producción de
Proteínas humanas
Nuevas
Plantas y
Animales
Recursos humanos
químicos raros
Nuevos
Antibióticos
Fármacos
Anti-cáncer
Terapia
Génica
Síntesis
de Sondas
de ADN
Localización
desórdenes
genéticos
Tecnología del ADN (Diagnóstico
Molecular) PCR - REACCIÓN EN
CADENA DE LA POLIMERASA
El PCR utiliza la capacidad de las
Enzimas polimerasas que catalizan la
formación y reparación de ADN (y ARN),
mediante un mecanismo que permite
iniciar y parar su actividad en un punto
específico de una hebra de ADN, para lo cual se
emplean polimerasas obtenidas de
arqueobacterias como Termophillus aquaticus que
resisten temperaturas arriba de los 100°C.
Kary B. Mullis, de Cetus Corporation que concibió
el mecanismo del PCR, en la década de los 80,s
recibió el Premio Nobel en 1993.
Tecnología del ADN
FINGERPRINTING
El ADN tiene muchas
regiones que son muy
variables en su estructura
(RFLPs) y pueden ser usadas
para ADN fingerprintings. El
ADN puede ser obtenido de
sangre, fluidos corporales y
otros tejidos incluyendo
hueso, y es relativamente
estable, frecuentemente
sobre muchos años. Se
requieren cantidades muy
pequeñas y las muestras
pueden ser obtenidas de
manera no invasiva.
Tecnología del ADN (identificación de paternidad)
MADRE
PADRE
NIÑO 1
NIÑO 2
NIÑO 3
NIÑO 4
Tecnología del ADN
BIOINFORMÁTICA
Campo convergente de la biología,
computación e información
tecnológica en una misma
disciplina.
La meta última de este campo es
posibilitar el descubrimiento de
nuevas ideas biológicas, así como
crear una perspectiva global de la que
puedan ser discernidos principios
unificadores de la biología
(www.ncbi.nlm.nih.gov/Education/index.html).
Tecnología del ADN
GENÓMICA
Es el estudio del
genoma y su acción.
El genoma es la suma total del material
genético presente en un organismo
particular e incluye el ADN presente en los
cromosomas y en los organelos
subcelulares (ej., mitocondrias) e incluye
el genoma de ARN de algunos virus.
El anuncio el 26 de junio de 2000, del borrador
del genoma humano en un 90%, marcó un hito
histórico para la humanidad.
Tecnología del ADN
GENOMAS
El genoma de un organismo es el juego completo de ADN.
La planificación del Proyecto Genoma Humano se inició en
1986, previsto para el 2007. En Junio de 2000 se presentó el 90% del borrador con la
secuenciación de unos 30,000 genes y 3 mil millones de pares de bases (pb). Los
genes son secuencias específicas de bases que codifican instrucciones para hacer
proteínas. Los genes son un 2% del genoma humano.
Entre una persona y otra el ADN solo difiere en 0.2%
IDENTIDAD GENÉTICA
60%
De 289 genes
humanos
implicados en
enfermedades,
hay 177
cercanamente
similares a los
genes de
Drosophila.
20%
70%
95% idéntico
Humanos
30,000
genes
Chimpancé
30,000
genes
Ratón
30,000
genes
A. thaliana
25,000
genes
C. elegans
19,000
genes
D. melanogaster
13,000
genes
GENÓMICA FUTURA
14th International Genome
Secuencing and Analysis
Conference (oct. 2002), la
US Genomics Inc., presentó
un aparato que lee la doble hélice de ADN sin
cortarlo. Abre la doble hélice espiral de ADN, la
lineariza y la pasa por un escaner para leerla en
un lector fijo (como una pélicula de carrete pasa
por un proyector), las moléculas se mueven a 30 M
de bases por minuto. En 40 minutos se pueden
Leer 3 mil M de bases. Si el sistema se logra
pasar a un biochip el tiempo bajará a menos de
cinco minutos por la habilidad de capturar un
Terabyte (1024 o 1000 gigabites, un gigabite =
1024 o 1000 Megabites) de información cada pocos
segundos.(Uehling, M. D, Bio-It World Nov. 12 2002).
Tecnología del ADN
PROTEÓMICA
La Proteómica es la “caracterización sistemática a
gran escala de las proteínas presentes en una
célula, tejido u organismo”. Es una disciplina en
su infancia limitada por la tecnología disponible
para quienes la practican. Este es un diferente
paradigma del reduccionismo convencional de la
investigación científica que típicamente se enfoca
en un simple gen o una proteína; en tanto, que la
investigación del Proteoma (conjunto de todas las
proteínas que intervienen en los procesos
biológicos de una especie) aborda problemas
tales como el nivel de proteínas o actividades que
cambian entre dos condiciones experimentales
(Spelcher, 2002. The Scientist 16(8): 12, Apr. 15).
Tecnología del ADN
DISCIPLINAS “ÓMICAS”
Está ocurriendo la transición de décadas de
biología reduccionista, enfocadas a un gen o a una
proteína, por utilización de las nuevas disciplinas
“omicas” que incluyen: Transcriptómica
(espectro de moléculas de ARN en cada célula
tipo), Metabolómica (todos los químicos en la
célula), Fisiómica (función de órganos, tejidos y
ultimadamente el organismo completo).
Crítico para el éxito de esta revolución es la
bioinformática y nuevas estrategias de
computación, para modelar las propiedades de
células, órganos y estados de enfermedad,
produciendo órganos y pacientes virtuales
(Goldman, M., Bio-It World Nov.24 2002).
INGENIERÍA GENÉTICA O ADNr
La Ingeniería Genética o tecnología del
ADNr se inició en la década de los 70s.
Se refiere a un grupo de tecnologías
usadas para cambiar la composición
genética de las células y mover genes a
través de las fronteras de las especies
para producir nuevos organismos.
Se pueden aislar genes, modificarlos,
introducirlos a nuevos hospederos, y
clonarlos para obtener una ventaja
novedosa sobre el organismo natural.
ESTRUCTURA DE UN GEN
Los promotores pueden ser genéricos o tejido específico
Promotores
Sitio de inicio de
la Transcripción
Realzadores
Exones
Intrones
< 100 Kb
Sitio de terminación
de la Transcripción
La función del gen depende de los FACTORES de TRANSCRIPCIÓN (FT) que activan a las
ARN pol. Los FT son: los Factores de Transcripción General (se unen a secuencias promotoras
genéricas) y los Activadores de Transcripción (se unen a secuencias promotoras específicas).
Los FT pueden encenderse o apagarse en respuesta a estímulos del entorno del individuo.
Entre los promotores de los genes que desarrollan la capacidad cerebral o talento de los
individuos están la alimentación, la salud, el estímulo temprano con experiencias motivadoras
(el juego), el amor.
Ingeniería Genética SISTEMAS
DE TRANSFERENCIA GENÉTICA
1. Agrobacterium. Uso de la bacteria
Como "Ingeniero Genético". La bacteria
conteniendo el inserto, infecta las células
de la planta produciendo la recombinación genética.
2. Acelerador de Partículas (Gene Gun). Un cañón
artificial bombardea micropartículas con el inserto,
sobre la célula.
3. Electroporación. Uso de carga eléctrica para que
el ADN atraviese la membrana nuclear.
4. Polietilenglicol. Exposición de las membranas al
PEG, facilita el movimiento de las moléculas de ADN.
5. Silicon Wiskers. Inyección con fibras microscópicas, que atraviesan las membranas con los insertos.
Ingeniería Genética
NUEVAS PROTEÍNAS
Enzimas producidas por Biotecnología
mediante el ADN recombinante se usan
como aditivos en dietas de aves,
para digerir carbohidratos complejos como las
beta-glucanasas, alfa-amilasas, maltasas, oligo
1-6 glucosidasas, xilanasas, sacarasas; lipasas;
proteasas y fitasas (para la utilización del fósforo).
En México, tienen un gran impacto en la producción
avícola proporcionando 3/5 de carne de aves para el
consumo de proteína animal. Se considera que el
mercado mundial de enzimas como aditivos en los
alimentos crecerá del valor actual de US $ 60 millones
(Avila G., E. Huatulco 2001).
al doble para el 2005.
Ingeniería Genética NUEVAS PLANTAS
ARROZ con altos niveles de tolerancia a
diferentes condiciones ambientales de estrés.
Se insertaron dos genes fusionados de trehalosa
de E. Coli y un promotor tejido específico
dependiente del estrés. Los genes de trehalosa
permiten la producción de arroz aún si está
estresado por frio, sequía o altos niveles de
salinidad e incrementa la producción en 20%. La
composición química de los granos no cambia.
El azúcar trehalosa ayuda a estabilizar
moléculas biológicas: lípidos, enzimas y otras
proteínas, en organismos en condiciones de
estrés (PNAS Online, 27 nov. 2002).
Ingeniería Genética
NUEVOS ANIMALES
• 1987 secreción de Beta-lactoglobulina
en leche de ratón.
• Producción de proteína C humana en
leche de cerdos, para desórdenes
como hemofilia.
• Hormonas de crecimiento humano en
tejido seminal de cerdo.
• Antitrombina humana III, anticoagulante sanguíneo secretada en
leche de cabras transgénicas.
• Cabras transgénicas para producir
BioSteel fibra hecha por el hombre
con propiedades de tela de araña.
Ingeniería Genética
NUEVOS ALIMENTOS
ARROZ DORADO con beta
caroteno de genes de narciso
y de Erwinia uredovora,
pigmentos que se transforman
en pro-vitamina A al ser ingeridos. Hay 70
patentes implicadas en la consecución del
arroz dorado; acuerdo con la industria reducen a 12
las patentes esenciales y se limita su cultivo gratuito a
las explotaciones agrícolas que no superen los 10.000
dólares de beneficios anuales (Gebelli, 2001).
ARROZ fortificado con un gen de la ferritina del
frijol de soya. ARROZ con aa esenciales.
Ingeniería Genética
NUEVOS ALIMENTOS
Salmón transgénico por
hormona de crecimiento. Producido por AF Protein Inc.
Cuenta con el promotor de la proteína de anticongelamiento
de otra especie de pez. Crece de 4 a 6 veces más rápido que
un salmón no transgénico. Tiene un 20% en mejoramiento de
la eficiencia de conversión del alimento. (ISB, 2001, oct; Netlink, 2000).
Cerdo transgénico para el precursor de la hormona de
crecimiento proteasa resistente (GHRH). Por técnicas de
mutagénesis sitio dirigida y terapia electrogénica, se introdujo
en músculo de cerdo. Los efectos de una inyección de 10 mg
de dosis del plásmido, en cerdos de tres semanas de edad, se
mantuvo sobre 60 días con un 42% mayor que los controles a
los 62 días (42 kg contra 29 kg). (ISB, 2000 mar).
Ingeniería Genética
NUEVOS ANTIBIÓTICOS
PAPA con la vacuna que previene la
insulina dependencia de la diabetes
mellitus 100 veces más poderosa que la
actual vacuna. PAPA con la sub-unidad B
antigénica de la enterotoxina del Vibrio
cholerae causante del cólera). FRIJOL de
SOYA con anticuerpos que protegen
contra el virus 2 de Herpes simplex
(HSV). TABACO con anticuerpos que
previenen la caries dental producida por
Streptococcus mutans.
Ingeniería Genética
CLONACION
Término genérico para la
replicación en un laboratorio
de genes, células u organismos
de una entidad original, con
copias genéticas exactas del
gen, célula u organismo
original. Esta técnica ha
producido avances
sensacionales en medicinas y
vacunas. También hay
investigación en clonación de
células humanas, órganos y
otros tejidos. Esto puede
producir el reemplazo de piel,
cartilagos y hueso para
victimas de quemaduras y
accidentes, o de órganos.
Ingeniería Genética
TERAPIA DE CÉLULAS MADRE
DÍA 4
Cavidad
células
de
cubierta
interna
Masa de células
internas
Masa de células
internas
(células Madre
Embrionarias)
Células MADRE para transplantes de Organos
MASA DE CELULAS INTERNAS
Células NERVIOSAS
Células
Formadoras de
SANGRE
CELULAS MADRE
BLASTOCISTO
Modificado de: Scientific American, 2001
Células PANCREATICAS
Células CARDIACAS
Ingeniería Genética
TERAPIA GÉNICA
Rafael Valdes del Hospital de Niños de México
Implantó células de cerdo en 12 adolescentes
en procura de curar su diabetes.
En su método, usó células especializadas para proteger el transplante de
los sistemas inmunológicos de los pacientes hospederos, que nunca
había sido ensayado en humanos. Los implantes en los pacientes constan
de células pancreáticas de cerdo, las cuales producen insulina
(hay 150 millones de diabéticos en el mundo) . Para prevenir el rechazo
del transplante implantó células de Sertoli (de testículo de cerdo) que han
mostrado que protegen a los tejidos transplantados del sistema inmune
recipiente en algunos modelos animales. Uno de los pacientes ha dejado
de inyectarse insulina y cinco otros están tomando menos insulina que
antes. Los resultados han llegado sin usar medicamentos Inmunosupresores, los cuales tienen que ser dados por el resto de sus vidas a
recipientes de transplantes (Nature/Vol. 419/5 sept. 2002).
Marcadores SONDAS DE ADN
El microarreglo de ADN pone secuencias de genes en una lámina. Los ARNm de una
célula particular con “tags” fluorescentes, se hibridizan, a las secuencias
cuando son complementarias. Un escáner mide la fluorescencia de cada muestra
sobre la lámina, para determinar la presencia o actividad de los genes.
COMPAÑÍA
Affimetrix
PRODUCTO
GENES
CARACTERÍSTICAS
GeneChip Human Genoma
+ 12000
GeneChip Human Cancer
+ 1700
GeneChip Custom Arrays
+ 12000 Arreglos diseñados por clientes
MBG Biotech
Pan Human array
30000
Clontech
Atlas Human 1.0
1081
Atlas Human Apoptosis array
205
Atlas Human Cardiovas array
588
Atlas Human Neurobiol array
588
Atlas Human Oncogene array
588
Selección de investigadores
Genes humanos en 3 slides
Marcadores
LOCALIZACIÓN DESORDENES GENÉTICOS
GEN
DROGA
CONSECUENCIAS CLÍNICAS
NAT-2
Isoniazida, hidralazina,
procainamida, sulfonamidas
Neuropatía, lupus eritomatoso
CYP2D6
β bloqueadores antidepresivos,
codeína, debrisoquina,
antisicóticos, muchos otros
Arritmias, disquinecia con antisicóticos,
efectos narcóticos, cambios en eficacia,
muchos otros
CYP2C9
Tolbutamida, feniltoina, anti
inflamatorios no esteroideos
Efectos anticoagulantes
modificados de warfarin
RYR-1
Halotano y otros anestésicos
Hipertermia maligna
G6PD
Primaquina, sulfonamidas,
acetanilida, otros
Anemia hemolítica
ACE
Captopril, enalapril
Modif. respuesta a tratamiento de falla
cardíaca, hipertensión, enfermedad renal
HERG
Quinadina
Arritmia cardíaca (síndrome QT
largo)
HKCNE2
Claritromicina
Arritmia inducida por droga
Marcadores
FUTURO NANOTECNOLÓGICO
Shumin Nie y sus colegas desarrollaron un
cristal superconductor a escala nanométrica llamado
punto cuántico (diez nanómetros es un diámetro 1000
veces menor que el grosor de un cabello humano). Las
nanopartículas que usa pueden brillar en un espectro de
seis colores visibles y cuatro infrarrojos. Variando su
tamaño ligeramente, se puede hacer que brillen en uno de
los 10 colores disponibles. En un futuro próximo, podrán
ser enlazadas a fármacos médicos o agentes terapéuticos
para identificar y tratar células cancerosas. Una vez
detectadas estas últimas, podrían actuar como "bombas
inteligentes", liberando una cantidad controlada de
medicamento que sea apropiado para cada tipo particular
de célula (Bowie, L. Georgia Institute Technology, oct. 23 2002).
REFLEXIONES
El que investiga genera nuevos
CONOCIMIENTOS, que pone a
disposición de otros como
DATOS, que al ordenarse son
INFORMACIÓN, que puede
llegar a ser CONOCIMIENTO útil,
apropiado o adaptado, por la
infraestructura de investigación
de C&T que posea un país.
REFLEXIONES
La incidencia positiva que las actividades de I+D tienen sobre el
desarrollo de los países ha conducido a los gobiernos de los
diferentes estados a destinar una parte de sus recursos financieros a
potenciar ambas actividades. De esta manera ha sido posible
diversificar las líneas de investigación con la finalidad de abarcar
cada vez más campos y, al mismo tiempo, asegurar la formación de
personal cualificado.
CHINA, actualmente a la vanguardia en el desarrollo
científico y tecnológico mundial, fundamentó en 1980 su
productividad y competitividad, mediante Políticas de Ciencia y
Tecnología, que formó miles de Ph.D. en todas las disciplinas de la
C&T, en las más prestigiosas Universidades del mundo.
CHILE, país al que imitamos constantemente, ejecuta la
estrategia de las tres (C) COPIAR, COMPRAR,
CREAR, para lo cual cuenta con recurso humano calificado.
REFLEXIONES
Es de urgencia para el país
apostarle a una Política de
Nación de Ciencia y de
Tecnología, que identifique
los nichos de conocimiento
a ocupar, y promueva la adquisición
de infraestructura necesaria y la
formación de recursos humanos con
capacidad de investigar, desarrollar
y aprovechar tecnologías que
ayuden a mejorar la calidad de vida
de los salvadoreños.
www.conacyt.gob.sv
¡MUCHAS
GRACIAS
llamado punto cuántico
POR SU ATENCION¡
BIENVENIDAS SUS
PARTICIPACIONES
Atentamente:
ROBERTO ALEGRIA
[email protected]