La Biotecnología: historia, ingeniería genética y técnicas de ADN

BIOLOGÍA 2º BACH, TEMA 16

IES Cotes Baixes, Curso 20-21

TEMA 16: LA BIOTECNOLOGÍA

ÍNDICE

1. QUÉ ES LA BIOTECNOLOGÍA
2. OBTENCIÓN DE FRAGMENTOS DE ADN
3. LA SECUENCIACIÓN DEL ADN
4. EL PROYECTO GENOMA HUMANO
5. LA TRANSFERENCIA NUCLEAR. LA CLONACIÓN (W)
6. APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA EN LA INDUSTRIA (U)
7. LA BIOTECNOLOGÍA EN LA AGRICULTURA Y LA GANADERÍA (U)
8. APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA EN LA MEDICINA (U)
9. APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA EN EL MEDIO AMBIENTE (U)
10. ASPECTOS ÉTICOS Y SOCIALES DE LA BIOTECNOLOGÍA

1. QUÉ ES LA BIOTECNOLOGÍA

1.1. Desarrollo histórico de la biotecnología

Desde la Antigüedad y en diversos lugares, se han fabricado productos biotecnológicos (vino, cerveza, pan, vinagre, queso ... ) desconociendo que se originaban mediante fermentaciones debidas a la presencia de determinados microorganismos. También, en ciertas culturas, como la azteca, se han cultivado algas lacustres y espirulinas (cianobacterias de gran valor nutritivo) en estanques, con fines alimentarios. Desde hace mucho tiempo, la biotecnología también se ha aplicado a campos no alimentarios. Ej .: en el siglo XVII, en Rio Tinto (Huelva) se extraía cobre con ayuda de microorganismos.

No obstante, la biotecnología como ciencia surge a mediados del siglo XIX, a raíz de los descubrimientos de Louis Pasteur relativos a las fermentaciones; y ha sido a partir de la 2ª mitad del siglo XX, con el conocimiento de la base molecular de la herencia y el posterior desarrollo tecnológico de la genómica, cuando la biotecnología ha alcanzado su máximo nivel y ha abierto campos de investigación revolucionarios.

1.2. Definición de biotecnología

La biotecnología es "la aplicación de los principios de la ciencia y de la ingeniería de los procesos de transformación de ciertas materias mediante agentes biológicos para obtener bienes y servicios". Características de la biotecnología:

• Se trata de un campo interdisciplinar, ya que varias disciplinas le aportan contenidos y técnicas, como la genética, la inmunología, la química, la informática, la ingeniería industrial, la bioquímica, la biología molecular y celular ...
• Trabaja con seres vivos, sus componentes moleculares o sus funciones biológicas. Algunos procesos biotecnológicos se llevan a cabo con enzimas.
• Su objetivo final es obtener un producto (alimenticio, farmacéutico, bioquímico ... ) o un servicio (una terapia, la depuración de aguas ... ) que sean útiles a la humanidad.

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1.3. La ingeniería genética

La INGENIERÍA GENÉTICA reúne un conjunto de técnicas que permiten modificar la información genética de una célula, grupo de células u organismo, e incluso combinar en 1 genoma secuencias génicas procedentes de diferentes individuos de la misma especie o de especies distintas. Algunas de estas técnicas son: la tecnología del ADN recombinante, la PCR, la secuenciación del ADN, la clonación reproductiva y terapéutica (ver apartados 2.2, 3 y 5).

1.4. Los tipos de procesos biotecnológicos

• La biotecnología tradicional: se basa en el cultivo a gran escala de microorganismos capaces de producir sustancias útiles como resultado de su metabolismo. El cultivo se desarrolla dentro de fermentaciones en los que se controlan las variables del crecimiento de los microorganismos (O2, nutrientes, pH, contaminación microbiana ... ) El objetivo suele ser la obtención de grandes cantidades de los propios microorganismos, especialmente ricos en algún componente (proteínas, para destinarse a la alimentación). Las técnicas que utiliza la biotecnología tradicional son:
  • La obtención mediante técnicas genéticas clásicas (mutación, recombinación y selección) de las cepas más productivas.
  • La mejora de las condiciones fisicoquímicas de cultivo (pH, temperatura, aireación ... ) para conseguir un alto rendimiento.
  • El perfeccionamiento de las técnicas de aislamiento y purificación del producto de interés del resto de los productos de la reacción.
• La biotecnología moderna: se basa en la utilización de técnicas de reciente desarrollo relacionadas, fundamentalmente, con 3 ámbitos de trabajo:
  • Los nuevos métodos de cultivo de células.
  • El trabajo con anticuerpos monoclonales.
  • Y los logros sustentados en la ingeniería genética.

Cultivos celulares en detalle

Cultivo primario

Tejido

Medio líquido

En este cultivo, llamado cultivo primario, las células se adhieren a la placa y crecen hasta que cubren la superficie de la placa de cultivo.

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Las células se colocan en una placa de cultivo con medio nutritivo.

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Se dispersa una muestra de tejido para obtener una suspensión de células individuales.

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Suspensión celular

Cultivo secundario

A partir de este momento, pueden recogerse y colocarse en otras placas para formar cultivos secundarios sobre los que se realizan las estudios.

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2. OBTENCIÓN DE FRAGMENTOS DE ADN

La INGENIERÍA GENÉTICA es un campo que no deja de evolucionar y de desarrollar nuevas técnicas con aplicaciones en campos muy diversos, como: síntesis de proteínas humanas en bacterias, terapias génicas, detección precoz de enfermedades o secuenciación de genomas.

2.1. Técnica del ADN recombinante

Un ADN recombinante es un fragmento de ADN construido artificialmente con segmentos NO homólogos procedentes de organismos diferentes.

La tecnica del ADN recombinante permite cortar ADN por lugares concretos y manipular el material genético. Para ello requiere de enzimas de restricción o ligasas (que son extraídos de los organismos y purificados) que se deslizan por la hebra de ADN y lo cortan, como si fueran unas "tijeras genéticas", cuando se encuentran con una secuencia de bases determinada (característica para cada uno de ellos), que:

• Tiene entre 4 y 8 bases.
• Es palindrómica (se lee igual en un sentido que en el contrario).
• Al cortar la doble hélice, estos enzimas dejan en los extremos secuencias de 1 sola hebra, llamados extremos cohesivos porque tienden a aparearse nuevamente.
• Cualquier extremo generado por un enzima de restricción determinado (extremo cohesivo) se hibrida con otro extremo generado por el mismo enzima.

El objetivo es:

• Obtener grandes cantidades de copias de ADN (amplificación génica) (ver punto 2.2).
• Conocer la secuencia de bases de un ADN (secuenciación de ADN) (ver punto 3 y 4).
• Realizar procesos de transgénesis, que consisten en la transferencia de ADN a células o grupos de células y que originan células u organismos, llamados transgénicos, con características genéticas nuevas (ver punto 5).
• Actuar sobre la función de un gen modificando su expresión (ver punto 8.5).

2.2. Amplificación de ADN recombinante

Las moléculas de ADN recombinante suelen contener un vector y el gen o los genes de interés. Los vectores son fragmentos de ADN que permiten la transferencia de genes de un organismo a otro (por ejemplo, de una bacteria a otra bacteria). Los más utilizados son los plásmidos y los virus. Estos tienen un punto de iniciación de la replicación reconocible por la célula en la que son introducidos.

El gen o genes de interés se obtienen de genotecas o bibliotecas genómicas creadas a partir de ARNm presentes en las células, que se aislan y se copian en moleculas de ADN complementario (ADNc) por acción de la transcriptasa inversa, la cual utiliza como molde el ARN para sintetizar moléculas de ADN.

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Una molécula de ADN recombinante o cualquier fragmento de ADN de interés puede someterse a AMPLIFICACIÓN para aumentar su nº de copias, mediante 2 posibles técnicas:

1. La clonación bacteriana: consiste en la introducción del gen o genes que se quieren amplificar en el interior de una bacteria. El fragmento de ADN se une a un vector, normalmente un plásmido, el cual se coloca en un medio de cultivo con bacterias, que lo incorporan de forma espontánea por transformación (ver Tema 15: transformación bacteriana, como método de TGH). El plásmido se replica dentro de la bacteria y, cuando esta se divide, algunas de las copias pasan a las células hijas. Como las bacterias se dividen rápidamente (horas o minutos), en muy poco tiempo se originan miles de bacterias que contienen el gen. Así, el gen se ha sometido a clonación. Aplicación: introducir el gen de interés en bacterias para producir una proteína con fines terapéuticos (las bacterias actúan como fábricas de proteínas). Ej .: producción de insulina, hormona del crecimiento, somatostatina, factores de coagulación ...
2. PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa, Polymerase Chain Reaction): es una técnica de amplificación de fragmentos de ADN, que permite sintetizar en pocas horas millones de copias de un segmento de ADN a partir de una muestra muy pequeña (ej .: la contenida en la raíz de un cabello, en una muestra de esperma o saliva o en una gota de sangre u orina). Requiere los elementos siguientes:
   • El ADN que se quiera amplificar, del que deben conocer los extremos, ya que para iniciar su copia se requieren primers o cebadores.
   • Grandes cantidades de nucleótidos trifosfato (fuente de energía; ATP).
   • Moléculas de ARN primer o cebador. NOTA: mal escrito en el libro (pone "premiers").
   • Una ADN-polimerasa, que actúa a una temperatura muy elevada (72ºC).
   La PCR se realiza mediante ciclos de replicación que constan de 3 fases de calentamiento y enfriamiento. Repitiendo el proceso hasta 20 veces, se pueden conseguir 1 millón de copias del fragmento de ADN. Aplicaciones de la PCR:
   • Realizar estudios evolutivos, al comparar el ADN de fósiles con genes de organismos actuales.
   • Ayudar en la medicina forense a descubrir al autor de un delito, en el estudio de pruebas de paternidad, y en el diagnóstico de trastornos genéticos a partir de células embrionarias.
   • Detectar infecciones víricas (SARS-COV-2): en caso de haber virus dentro del hospedador (paciente), la prueba PCR arroja un resultado positivo. No pueden existir falsos positivos: si no hay virus, no puede detectarse. Sí puede haber falsos negativos: cuando la carga viral en el paciente es muy baja (hace poco que se ha contagiado, o está en la etapa final de la recuperación), no llega a detectarse.
   Para comprender mejor los falsos negativos (y la improbabilidad del falso positivo): https://www.redaccionmedica.com/secciones/sanidad-hoy/covid-probabilidad-falso- positivo-pcr-insignificante-7424

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