TEMA 14. BiotecnologÍa E IngenierÍa GenÉtica PDF

Preview

Summary

Tema 14 biotecnologia e ingenieria genetica 2º bachillerato...

Description

BLOQUE IV: EL MUNDO DE LOS MICROORGANISMOS Y SUS APLICACIONES. BIOTECNOLOGÍA (20%) UNIDAD14.LOS MICROORGANISMOS EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES. BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA 1. Los microorganismos en los procesos industriales 1.1 La fabricación delqueso 1.2 La fabricación del vino y la cerveza 2. Biotecnología e Ingeniería Genética 2.1 Conceptos de Biotecnología, Ingeniería Genética y Clonación 2.2 Tecnología del ADN recombinante 2.3 Obtención de Organismos Transgénicos 2.4 Aplicaciones de la Ingeniería Genética 3. El Proyecto Genoma Humano 4. Repercusiones éticas y sociales de la Biotecnología

1 BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

UNIDAD 14. LOS MICROORGANISMOS EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES. BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA 1. LOS MICROORGANISMOSEN LOS PROCESOS INDUSTRIALES La microbiología industrial tradicional comprende una serie de procesos tecnológicos en los que intervienen microorganismos, como la transformación de un sustrato, gracias a la actividad metabólica de estos, en una sustancia de interés comercial o la obtención de productos que los contienen. Los procesos industriales suelen llevarse a cabo en fermentadores, es decir, recipientes que mantienen el cultivo microbiano en unas condiciones determinadas de temperatura, aireación, pH, etc. Los microorganismos están implicados en diversos procesos industriales para obtener productos alimentarios como los que veremos a continuación.

1.1

La fabricación del queso

El queso o el yogur con alimentos cuya elaboración se basa en la actividad microbiana. Las bacterias que se encuentran en la leche llevan a cabo una fermentación láctica, que transforma los azúcares de la leche en ácido láctico. C6H12O6

2(CH3 – CHOH – COOH) + 2 ATP

Glucosa

ácido láctico

La elaboración del queso comienza con la coagulación de las proteínas de la leche por la acción de las bacterias lácticas y la adición de la enzima renina, también llamada cuajo, que se encuentra en el estómago de los rumiantes. Así se forma la cuajada o requesón, que se calienta y se comprime para eliminar el suero. A continuación se añade sal. Por último tiene lugar un proceso de maduración, en el que cada tipo de queso adquiere unas cualidades características (aquí pueden intervenir otras bacterias, levaduras u hongos). El yogur y otros productos como el kéfir reciben el nombre de leches fermentadas, ya que se obtienen mediante la fermentación láctica de la leche en condiciones controladas de temperatura y pH. 1. 2. La fabricación del vino y de la cerveza Para la fabricación de bebidas como el vino y la cerveza es necesaria la fermentación alcohólica que lleva a cabo la levadura Saccharomycescerevisiae. C6H12O6 Glucosa

2CH3 – CH2OH +2CO2+ 2 ATP etanol

En la fabricación del vino se fermentan los azúcares contenidos en el zumo de la uva. El proceso comienza con el prensado de la uva para obtener el mosto. Este se pasa entonces a una cuba de fermentación junto con las levaduras naturales y otras patentadas que mejoran su calidad. Los azúcares se transforman en etanol y CO 2, el cual se va retirando. Posteriormente el vino se envejece en barricas, donde alcanzará su aroma y sabor característicos. Los últimos pasos industriales son el filtrado para la clarificación del vino y el embotellado.

2 BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

La cerveza es el resultado de una fermentación alcohólica llevada a cabo por la misma levadura. Se obtiene de la malta, que son las semillas de la cebada germinadas. La malta se mezcla con agua en una cuba en la que se dejan actuar las enzimas hidrolíticas que degradan el almidón en azúcares, glucosa y maltosa. Posteriormente se le añade el lúpulo y se cuece el producto, para inactivar las enzimas y eliminar otros microorganismos contaminantes. Después, se retira el lúpulo, se filtra el mosto de cerveza y se pasa a un fermentador donde se incorpora la levadura. Tiene lugar entonces la fermentación alcohólica.

2. BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA

2.1 CONCEPTOS DE BIOTECNOLOGÍA, INGENIERÍA GENÉTICA Y CLONACIÓN La Biotecnología es un conjunto de técnicas que utilizan las capacidades de los organismos vivos o de compuestos procedentes de ellos (por ejemplo enzimas) para la obtención de productos, bienes y servicios.El término Biotecnología se empleó por primera vez en 1919 para referirse al uso de los microorganismos en procesos industriales. Hoy se entiende por Biotecnología la aplicación de procedimientos genéticos para fabricar o modificar un producto, mejorar plantas o animales o desarrollar microorganismos con capacidades determinadas para usos específicos, por ejemplo, capaces de sintetizar productos de alto valor comercial. La Ingeniería Genética es un conjunto de técnicas que permiten la manipulación y la transferencia de genes de un organismos a otro. De este modo obtenemos organismos genéticamente modificados.La Biotecnología depende por tanto, de la Ingeniería Genética, ciencia que se encarga de la manipulación del ADN, es decir, alterar o cambiar de manera artificial y deliberada el genoma de un ser vivo. Estos cambios consisten en: 

Introducir nuevos genes en su genoma.



Eliminar algunos genes existentes en el genoma.



Modificar la información contenida en determinados genes.



Cambiar las pautas de expresión génica.



Clonar seres vivos o algunos de sus órganos o tejidos La Ingeniería Genética ha permitido obtener microorganismos manipulados genéticamente que fabrican productos de

gran interés para los humanos como la insulina, la hormona del crecimiento, interferones, vacunas o enzimas de aplicación industrial. También han hecho posible la creación de plantas y animales transgénicos para mejorar o aumentar la productividad agrícola o ganadera. Los métodos y técnicas de estudio de la Ingeniería Genética reciben el nombre de

tecnología del ADN

recombinante. Esta técnica ha sido el resultado de numerosos estudios que comenzaron hace varias décadas, cuando se descubrieron unas enzimas bacterianas llamadas enzimas de restricción(enzimas capaces de cortar el ADN en puntos concretos o específicos). Estudiando bacteriófagos, se encontró que algunos de estos virus, infectaban determinadas cepas de E. coli , mientras que otras cepas de la bacteria eran resistentes a la infección por los fagos. Se encontró que en estas bacterias había enzimas que cortaban en trozos pequeños los ADN víricos antes de que pudieran replicarse o transcribirse. Sin embargo, no degradan su propio ADN, ya que éste está protegido por grupos metilo adicionales que las bloquean. La clonación es un proceso encaminado a la obtención de un clon. Un clon es un conjunto de elementos genéticamente iguales, ya sean moléculas, células u organismos completos. Todos los elementos del clon son genéticamente iguales entre sí e iguales al elemento precursor. Se puede distinguir entre clonación reproductiva, por medio de la cual se pueden obtener clones de organismos a partir de células diferenciadas somáticas de un adulto y entre clonación terapéutica, por medio de la que se pueden crear células, tejidos u órganos, a partir de células madres, para curar enfermedades específicas (diabetes, por ejemplo).

3 BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

2.2 TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE Gracias a esta tecnología la Ingeniería Genética, puede aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para introducirlo en otro. Por ejemplo, integración de un fragmento de ADN humano, un gen, en una bacteria. Se denomina ADN recombinanteal que se ha formado al intercalar un segmento de ADN extraño en un ADN receptor, para ello se utilizan vectores como los plásmidos o los virus. Con esta técnica podemos obtener cantidades ilimitadas de fragmentos de ADN que contienen el gen o los genes deseados. En esta tecnología se realizan los siguientes procesos: 1. Corte específico del ADN en fragmentos pequeños Se utilizan enzimas de restricción (endonucleasas de restricción o restrictasas), que están presentes en bacterias y aisladas de éstas. Existen distintos tipos y actúan de la siguiente forma: a) Cada enzima de restricción reconoce una secuencia específica de nucleótidos (4 a 8) Generalmente son secuencias palindrómicas y solo cortan una secuencia determinada(hidrolizan enlaces fosfodiéster).

b) El corte puede realizarse: al mismo nivel en las dos cadenas del ADN, obteniéndose extremos romoso, a distintos niveles en cada cadena, obteniéndose extremos pegajosos o cohesivos. (De esta forma, posteriormente los extremos de un fragmento de ADN obtenido por una determinada enzima de restricción, se unen mediante ADN-ligasas, a los extremos de otro fragmento de ADN distinto cortado por la misma enzima de restricción)

2. Separación de los fragmentos obtenidos Se

hace

mediante

la

técnica

de

electroforesis, con el fin de poder estudiar por separado los fragmentos obtenidos y poder identificar

el

gen

que

se

desea.

En

la

electroforesis, la mezcla de fragmentos de ADN que se han obtenido se coloca en un gel y se aplica un campo eléctrico. Los fragmentos se desplazan según su tamaño: los fragmentos más pequeños migran más en el gel que los más grandes,

originando

diferentes

dependiendo de su masa molecular.

BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

bandas

3. Reconocimiento del fragmento que contiene el gen deseado Una vez separados los fragmentos por electroforesis, se desnaturalizan para separar las dos cadenas de ADN (se transforman en monocatenarios) y se pasan a un filtro con nitrocelulosa. Al filtro, se le añade una disolución que contiene una sonda radiactiva ; un fragmento monocatenario de ADN que es complementario del gen buscado y que está marcado radiactivamente. Al producirse la unión entre los fragmentos correspondientes, el gen buscado se vuelve radiactivo y se localiza fácilmente. Actualmente se emplean también otras técnicas no radiactivas.

4. Inserción del fragmento de ADN en un vector de clonación Los

vectores

de

clonación

son

los

agentes

transportadores que introducen el gen en la célula que queramos. Son pequeñas moléculas de ADN que se replican independientemente en la célula hospedadora. Se utilizan mucho los plásmidos y los virus. Con las mismas enzimas de restricción que se utilizaron para obtener el fragmento de ADN, se corta el plásmido para que todos los bordes sean compatibles. Se unen ambos fragmentos con ADN ligasa, y obtenemos ADN recombinante, pues contiene fragmentos de distinta procedencia. En el plásmido se introduce también un gen (marcador) que nos sirva después para identificar la bacteria que contiene el gen deseado. Por ejemplo, podemos introducir el gen de resistencia a un determinado antibiótico. 5. Introducción del vector de clonación en la célula hospedadora Se hace para que esta célula, al reproducirse, origine un clon de células que contienen el gen deseado. En bacterias se hace mediante transformación o transducción . 

Por transformación : este procedimiento se utiliza en células procariotas debido a que muchas de ellas lo hacen de forma natural. La célula capta moléculas de ADN que se encuentran en el medio externo, las introduce en su interior y, las incorpora mediante recombinación



Por transducción : se introduce el ADN en la célula hospedadora utilizando como vector de clonación el genoma de un fago. Los fagos lisogénicos insertan su genoma en el cromosoma bacteriano sin producir la muerte celular; sin embargo, se deberá modificar el genoma vírico para que se exprese el gen que se desea clonar sin inducir el ciclo lítico.

Las células hospedadoras deben cumplir una serie de requisitos: 

Experimentar un crecimiento rápido, para obtener varias generaciones en poco tiempo.



No ser patógenas o peligrosas.



Ser capaces de captar del medio externo moléculas de ADN e incorporarlas en el conjunto de su genoma.



Debe ser un organismo del que se tenga un amplio conocimiento, y, además, fácilmente manipulable como

Escherichiacoli .

5 BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

6. Clonado del ADN Para reconocer las bacterias transformadas o transducidas, se añade

al medio el antibiótico adecuado y sólo aquellas que

sobrevivan serán las portadoras del gen deseado, pues también contienen el gen marcador de resistencia al antibiótico. Las bacterias que han sobrevivido se pasan a un medio de cultivo adecuado para que se reproduzcan, obteniéndose un clon de células que llevan todos los genes deseados. En otros casos el gen se detecta mediante una sonda radiactiva, que es una cadena de ADN marcada radiactivamente (o se marca con una molécula fluorescente), complementaria de una de las hebras de ADN del gen clonado. Esta cadena hibridará con el gen clonado. Existen clones de células que contienen distintos genes de interés para los humanos que constituyen las llamadas bibliotecas genómicas o genotecas. Estos bancos de genes permiten un acceso fácil a los científicos que los estudian. Cuando se emplean bacterias como células hospedadoras para clonar genes eucariotas, los vectores de clonación deben contener las secuencias reguladoras de transcripción y traducción adecuadas para la expresión génica en procariotas. También existe la clonación en células eucariotas. Para introducir vectores de clonación (virus, plásmidos o cromosomas artificiales) en ellas, se usan distintas técnicas: 

Microinyección: mediante un capilar de diámetro muy pequeño (1,5 micrómetros) que se coloca sobre la membrana celular, se inyecta directamente el ADN en las células animales.



Electroporación: se someten las células a impulsos eléctricos de alto voltaje, de manera que las descargas alteran la membrana celular haciéndola permeable al paso del ADN.



Pistola de genes: que dispara microproyectiles revestidos de ADN al interior de células animales o vegetales.



Liposomas son vesículas formadas por una bicapa lipídica que contienen el ADN foráneo, y que se fusionan con la membrana de la célula diana y el ADN entra en el interior. Si este ADN llega a su núcleo puede integrarse al azar en un cromosoma. Cuando el gen se inserta en células reproductoras o en células embrionarias sin diferenciar, el gen

insertado se encontrará en todas las células del organismo. En este caso se habla de organismos transgénicos Cuando el gen se inserta en un tipo concreto de células somáticas, solamente se encontrará en un tejido u órgano. Este procedimiento se sigue en la terapia génica.

6 BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR) Es otra técnica utilizada en Ingeniería Genética para el clonado de ADN, es decir, para generar muchas copias de un fragmento de ADN o gen concreto. Las enzimas ADN polimerasas duplican el ADN copiando las dos cadenas de la doble hélice, por lo que, a partir, de una molécula de ADN bicatenario se obtienen dos moléculas de ADN bicatenario exactamente iguales. Para que estas enzimas lleven a cabo su función correctamente debe existir: o

Una cadena molde de ADN.

o

Una mezcla de desoxinucleótidostrifosfato.

o

Un cebador, que es un pequeño fragmento de ADN monocatenario, cuya secuencia de bases es complementaria de uno de los extremos de la cadena molde.

En 1985, se desarrolló la técnica de la PCR o reacción en cadena de la polimerasa, que, a partir de la capacidad de la ADN polimerasa para replicar el ADN, permite obtener en el laboratorio múltiples copias de un fragmento determinado de ADN. El proceso se lleva a cabo de la siguiente forma: la molécula o fragmento de ADN que se desea replicar se desnaturaliza para separar las dos hebras de la doble hélice. Para ello se somete el ADN a elevadas temperaturas. Cada una de las dos hebras sirve de molde para sintetizar otra cadena complementaria. A fin de que la ADN polimerasa pueda actuar, se necesitan los cebadores adecuados y los nucleótidos trifosfatos y de esta manera partimos de dos hebras y tenemos cuatro. El proceso es exponencial, en el que se llevan a cabo tantos ciclos como número de copias se desean. A fin de evitar la desnaturalización de la ADN polimerasa al mismo tiempo que el ADN, se utiliza la ADN polimerasa de una bacteria termófila (Thermusaquaticus ), cuyas enzimas son perfectamente funcionales a temperaturas muy elevadas. Entre las aplicaciones de la PCR cabe destacar: o

Clonación de genes: permite obtener un gran número de copias de un gen.

o

Estudios evolutivos:esta técnica permite amplificar genes de organismos ya extinguidos a partir de cantidades muy pequeñas de ADN presentes en algunos fósiles, para compararlos posteriormente con genes semejantes de organismos actuales y estudiar la conservación de ciertos genes a lo largo de la evolución.De este modo se ha amplificado ADN de un mamut lanudo congelado, que vivió hace 40000años, para compararlo posteriormente con genes semejantes de organismos actuales.

o

Estudios históricos y arqueológicos : se han podido conocer datos referentes a enfermedades de origen genético amplificando ADN de muestras de individuos momificados, pertenecientes a civilizaciones antiguas.

o

Huellas dactilares del ADN : 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 usa en medicina forense e investigaciones policiales, con el fin de identificar individuos a partir de muestras biológicas como sangre, semen, piel o cabellos. También se utiliza en las pruebas de paternidad

o

ADN de células embrionarias: permite realizar un diagnóstico prenatal rápido de trastornos genéticos.

7 BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

2.3 OBTENCIÓN DE ORGANISMOS TRANSGÉNICOS U ORGANISMOS MODIFICADOS GENÉTICAMENTE Los componentes moleculares de los seres vivos son universales; esto ha permitido a los científicos manipular y trasladar la información genética de unos seres a otros empleando diversas técnicas. Los organismos transgénicos son aquellos a los que se le ha modificado su material genético o se le ha insertado algún gen, conocido como transgen, procedente de otro organismo.

Por ello presenta en su ADN

fragmentos de ADN procedentes de otro ser vivo. Los organismos transgénicos pueden ser procariotas, como las bacterias, o eucariotas, como las levaduras, plantas o animales. Estos organismos se utilizan para llevar a cabo las diferentes aplicaciones de la ingeniería genética. Para transferir genes de unos organismos a otros, se utiliza la denominada tecnología del ADN

recombinante que, básicamente, se lleva a cabo en las etapas siguientes: 1.

Se localiza el gen que se quiere clonar; por ejemplo, un gen situado en un cromosoma de una célula humana. Paralelamente se selecciona un vectorpara este gen. Los vectores son vehículos para introducir genes en las células de otro organismo. Los más utilizados son algunos virus y ciertas moléculas de ADN bacteriano llamadas plásmidos. 2. Se

aísla

el

genéticode

material

ambas

células

(animal y bacteriana). Para ello, se

rompen

las

membranas

celulares de cada una de ellas y se

separan

los

genéticos del

materiales

resto

de

los

componentes ...