La Biotecnología i
LA BIOTECNOLOGÍA
BIOLOGÍA 2º BTO
Carmen Bonet
La Biotecnología
LA BIOTECNOLOGÍA INDUSTRIAL 1. La biotecnología microbiana La microbiología industrial o biotecnología microbiana recoge a todos aquellos procesos industriales que utilizan microorganismos como base para la obtención de sus productos. La biotecnología microbiana tradicional emplea los microorganismos, tal y como se encuentran en la naturaleza. Existen cuatro grupos de microorganismos con interés industrial: las bacterias, los actinomicetos o bacterias filamentosas, las levaduras y los mohos.
Bacterias, mohos y hongos filamentosos
Se utilizan para obtener distintos productos de interés comercial que se encuadran en cuatro categorías principales: -Células microbianas propiamente dichas, como los microorganismos a partir de los cuales se fabrica un pienso microbiano llamado proteínas microbianas o proteínas unicelulares, con las que se elabora un granulado usado en alimentación animal. -Macromoléculas, como por ejemplo enzimas y polisacáridos como el dextrano y el xantano. -Productos del metabolismo primario entre los que se encuentran productos fermentativos o sustancias necesarias para su crecimiento como el etanol, el ac. acético (vinagre), la acetona, el butanol, aminoácidos, vitaminas. -Productos de metabolismo secundario, que no son esenciales para su desarrollo como los antibióticos, vacunas, o sustancias para el control de plagas de insectos. Lo requisitos que deben de cumplir los microorganismos obtenidos de la naturaleza, Carmen Bonet
son: que sean capaz de crecer rápidamente, que resista el cultivo a gran escala y pueda producir la sustancia útil en una cantidad apreciable y en el menor tiempo posible. Recientemente se utilizan microorganismos alterados genéticamente mediante métodos de ingeniería genética para obtener sustancias útiles como por ejemplo hormonas. 1.1 Los microorganismos y los procesos de fermentación Algunos microorganismos no patógenos son capaces de transformar ciertas sustancias, en productos de gran importancia para la especie humana. Estas transformaciones químicas se corresponden con reacciones catabólicas, en las que transforman las moléculas orgánicas sin intervención de una cadena respiratoria y sin gasto de oxígeno u otro sustrato oxidante, en otros compuestos orgánicos más simples. Las fermentaciones a escala industrial se llevan a cabo en los denominados fermentadores. Se trata de depósitos de diferente capacidad, en los que existe un líquido que es el medio de cultivo para los microorganismos. El medio de cultivo y los microorganismos se mezclan con un sistema de palas interno que se llama impulsor. La transformación del sustrato en el producto se llama fermentación.
Fermentador
La Biotecnología El fermentador debe disponer de conductos para añadir el medio de cultivo y los microbios; de válvulas para permitir la salida de los gases que se desprenden en el proceso de fermentación; de grifos que permitan extraer el producto de la fermentación. Como en todo proceso químico se libera calor, alrededor de los fermentadores existe una cubierta de enfriamiento. -Unos de los productos obtenidos mediante fermentación es etanol. La fermentación alcohólica es una de las que más se realiza en los fermentadores industriales. El etanol es utilizado como disolvente orgánico, en la industria química. Y también es el componente básico de las bebidas alcohólicas. Las levaduras del G. Sacchoromyces producen etanol, catabolizando incompletamente la glucosa: Glucosa 2. etanol + 2 CO2 Las bebidas alcohólicas que se obtienen por fermentaciones producidas por levaduras son: el vino, que procede de la fermentación de la uva; la cerveza que se obtiene mediante fermentación de granos de semilla de cebada. Y las bebidas destiladas. Estas se obtienen por fermentación en caliente y posterior destilación, con lo que se obtiene una bebida con mayor grado alcohólico. La destilación de la malta produce el whisky, la destilación del jugo de la caña de azúcar fermentado produce el ron, y la destilación del zumo de uva fermentado produce el brandy. De la fermentación alcohólica cabe destacar también se emplea para la fabricación del pan. El descubrimiento de la harina y, por tanto, la primera fabricación del pan parece que ocurrió en Egipto. Al principio se hacían los panes ácimos (sin fermentar), costumbre que se conserva en algunos pueblos de la Tierra, para posteriormente utilizar pan fermentado por las levaduras de la especie Saccharomyces cereviceae. Es de destacar que hasta mediados del siglo XIX, las levaduras que se añadían a la masa de pan procedían de los residuos de la fermentación de la cerveza. La levadura degrada los azúcares de la masa originando alcohol etílico y dióxido de carbono; aquel desaparece durante el horneado y este queda
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atrapado en la masa formando las burbujas que dan al pan su aspecto característico. -El ácido láctico otro producto de fermentación con una gran variedad de usos: sales de ac. láctico que son usadas en el tratamiento de anemias (lactato de hierro), y para las deficiencias de calcio (el lactato de calcio); lactato de sodio son empleados en sustancias plastificantes. La fermentación láctica la realiza bacterias como por ejemplo Lactobacillus bulgaricus. La reacción global es: Glucosa 2. Ac. Láctico Estas bacterias utilizan la lactosa de la leche para producir la lactosa de la leche. La lactosa es un disacárido formado por galactosa y glucosa. Los fermentos lácticos hidrolizan la lactosa rindiendo glucosa y galactosa. La galactosa también es fermentada, previa transformación en glucosa. El medio de cultivo para esta fermentación es suero de leche, constituido por una solución acuosa de lactosa, varias sales y vitaminas. De la fermentación láctica destaca la elaboración del queso y el yogur. Se cree que el primer producto del que el hombre se aprovechó mediando proceso microbiológico fue el queso, al sufrir la leche una invasión bacteriana que al convertir la lactosa de la leche en ácido láctico acidifica la leche, separándose la cuajada del suero. Los distintos tipos de quesos que se fabrican dependen de la naturaleza de bacterias que se emplean. Otros factores que influyen son la presencia o ausencia de una flora bacteriana secundaria y de la temperatura de fabricación. El yogur se fabrica utilizando leche con dos bacterias lácticas el Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus. - El ac. acético es otro de los productos que se obtiene mediante fermentación, que realizan bacterias de los géneros: Acetobacter y Gluconobacter. Convierten el etanol en ac. acético. Esta reacción requiere oxígeno, debido a esto podría no ser considerada una verdadera fermentación. 2 Ac. acético + H20 2 etanol + 2 O2 El sustrato para esta transformación puede ser el vino, la sidra o una disolución de alcohol etílico.
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La Biotecnología - Las heterofermentaciones. Algunos microorganismos como Streptococcus, Leuconostoc, Lactobacillus, producen heterofermentaciones, es decir producen ac. láctico, etanol, CO2. Los Lactobacillus fermentan glúcidos y otra serie de productos. Streptococcus son homofermentadores, solo producen ac. láctico. 1.2 La producción de antibióticos Los antibióticos son el resultado de reacciones de anabolismo. La selección de los microorganismos productores de antibióticos se produce al azar en la naturaleza. La penicilina fue descubierta por Alexander Fleming, observando que el hongo Penicilium notatum inhibía el crecimiento de bacterias en determinados cultivos bacterianos. Porteriormente se descubre que los antibióticos son también producidos por actinomicetos del género Streptomyces. Los actinomicetos son bacterias grampositivas, irregularmente unidas e inmóviles que producen estreptomicina, que actúa de forma diferente a como lo hace la penicilina. El hongo Acremonium chrysogenum produce cefalospotrina. La producción de antibióticos es de gran importancia en medicina, por lo que ha aumentado en los últimos años. Son varias causas las que han contribuido a ello: -El descubrimiento de especies microbianas que tienen una mayor capacidad de producción. Antes la penicilina era producida por el hongo Penicillium notatum y ahora es producida por Penucillium chrysogenum. - El mejoramiento de los medios de cultivo. -La selección de cepas mutantes de los microbios productores, que producen más cantidad de antibiótico. -La mejora en el método de extracción del antibiótico de la mezcla de cultivo.
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Penicilium notatum
Streptomyces
1.3 La producción de vitaminas, aminoácidos y enzimas La mayor parte de las vitaminas que se utilizan en compuestos farmacéuticos y en alimentación son obtenidas en el laboratorio. Sólo algunas son obtenidas mediante procesos de fermentación microbiana, como la Vit. B12 que es producida por bacterias del G. Pseudomonas. La riboblavina es producida por diversas bacterias y hongos. Algunos microorganismos producen aminoácidos, a partir de precursores nitrogenados, en mayor cantidad de la que ellos necesitan, como los del G. Corynebacterium. Los aminoácidos producidos son utilizados en la industria alimentaria para potenciar el sabor de los alimentos, como edulcorantes, como antioxidantes.
La Biotecnología Diversos hongos y bacterias (Penicillium, Mucor, Aspergilium) producen enzimas, que actúan en el medio circundante en mayor cantidad de la que ellos necesitan. Esta propiedad es utilizada para obtener industrialmente enzimas como: proteasas, amilasa, renina, pectinasa, etc. Se utilizan en panadería, farmacia, medicina, lavandería y en la industria textil. 1.4 Elaboración de productos químicos y combustibles Los microorganismos fabrican multitud de productos químicos de uso industrial que se emplean como disolventes, combustibles, lubricantes, adhesivos, acidulantes, extractores, plásticos, explosivos, propulsores, pesticidas, colorantes, cosméticos, aromatizantes, etc. Son unas 200 sustancias de interés comercial. Entre ellas como las más importantes desde un punto de vista económico están: - Las enzimas se explotan principalmente como descomponedoras de grandes moléculas. Las más importantes: las proteasas que se utilizan como agentes de limpieza en detergentes y como coadyuvantes de la digestión en piensos para animales; la xilanasa para blanquear el papel; las amilasas rompen el almidón para producir glucosa; la glucosa isomerasa que convierte la glucosa en fructosa que se usa como edulcorante. - Los compuestos orgánicos alifáticos pueden diferenciarse en disolventes como el etanol que además se emplea como extractor, anticongelante y como sustrato para la síntesis de otros compuestos y cómo combustible de automóviles. También el n-butanol que se emplea en la fabricación de plastificantes, líquido de frenos, aditivo de gasolina, extractores y cubiertas protectores. Se obtiene por conversión del almidón por la bacteria Clostridium acetobutylicum. Otro disolvente es el glicerol que sirve como lubricante y como emoliente en productos cosméticos y farmacéuticos. Sus esteres se usan en la fabricación de nitroglicerina.
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Otros compuestos orgánicos son los ácidos orgánicos industriales como el acético, el cítrico y el ácido acético que es el más importante pues es utilizado en la fabricación de goma, plásticos, fibras de acetato, productos farmacéuticos, colorantes, insecticidas y materiales fotográficos 1.5. Función de los microorganismos en el tratamiento de los residuos Los microorganismos pueden servirnos de gran ayuda ante diferentes problemas medioambientales, mediante diferentes técnicas de biorremediación. Se define biorremediación a la solución que se da a los problemas medioambientales utilizando organismos vivos, componentes celulares y enzimas libres. -Las aguas negras incluyen: -Desechos domésticos (excrementos o aguas de lavado). -Desechos industriales como ácidos, aceites, grasas animales y vegetales. -Aguas profundas superficiales y atmosféricas que entran en el sistema de drenaje. Se someten a una serie de procedimientos que pueden resumirse: -Tratamiento primario: elimina los sólidos sedimentables. -Tratamiento secundario: oxidar los compuestos orgánicos de las aguas negras. -Tratamiento final: desinfectar y desechar los líquidos efluentes. El tratamiento secundario es un tratamiento biológico. Se utilizan microbios para la oxidación. Esta se produce en charcas o estanques poco profundos diseñados para permitir el desarrollo de algas. El oxígeno es necesario para la oxidación de los nutrientes es suministrado por el aire. Los microorganismos oxidan mediante la reacción de digestión y fermentación a la materia orgánica del agua de desecho a moléculas más simples como el CO2 y el CH4. Este tratamiento se puede realizar anaerobiamente en tanques cerrados. Una manera de medir aproximadamente la cantidad de materia orgánica presente es mediante la cantidad de materia orgánica
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La Biotecnología presente. Es la llamada demanda bioquímica de oxígeno o DBO. A medida que la materia orgánica va disminuyendo al ser degradada la DBO desciende. Una depuradora puede reducir la DBO al 90%. -Tratamientos de vertidos de petróleo. Los microorganismos como bacterias, levaduras y mohos son capaces de utilizar los hidrocarburos como fuente de materia orgánica. Debe de realizarse en ambiente aerobio. Los vertidos de accidentes de petroleros forman una capa en la superficie del mar, sobre los que se sitúan los microorganismos y los van degradando a CO2. Los hidrocarburos que descienden y se acumulan en sedimentos pueden verse libres de este ataque microbiano. -Degradación de productos agrícolas Pesticidas o plaguicidas se refiere a sustancias químicas que destruyan plagas. A gran escala estos agentes químicos mejoran las cosechas, pero ¿cuál es el efecto contaminante que producen en el agua y en el suelo? Al parecer algunos microorganismos actúan degradándolos. 1.6 Aplicaciones mineras En el ámbito de la minería, el uso de los microorganismos en los métodos de extracción de los metales pesados, metales preciosos, uranio y petróleo es ya un hecho. En los yacimientos en los que las menas metálicas están en bajas concentraciones se están empezando a utilizar microorganismos que extraen y concentran los metales valiosos de forma barata. Un ejemplo es la bacteria Thiobacillus ferroxidans, que se nutre de sulfuro de hierro y lo transforma en ácido selfhurico y sulfato de hierro, de forma que ataca las rocas que la rodean y disuelve muchos minerales metálicos, proceso que se llama biolixibiación; así se puede convertir sulfuro de cobre insoluble en sulfuro de cobre soluble. El uranio, el níquel, el plomo, el cobalto, el cadmio, el galio, el mercurio; y el antimonio, pueden ser lavados y concentrado de la misma forma. En los métodos de recuperación de petróleo se añaden determinadas sustancias al agua que se
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introduce en los pozos de petróleo para hacerla más viscosa; uno de los compuestos utilizados es la goma xantano. Este polisacárido es producido por la bacteria Xanthomonas campestris; su estructura molecular hace que sea un agente espesante muy eficaz que permite a la mezcla de agua y goma actuar como un pistón bombeando el petróleo hacia los pozos. 1. 7 Control de plagas de insectos Algunos microorganismos han sido utilizados como bioinsecticidas para controlar el excesivo crecimiento de la población de algunas especies de insectos perjudiciales para la agricultura. Los microorganismos infectan a los insectos adultos o a sus estados larvarios, y los matan. O bien son capaces de segregar diversas sustancias, como proteínas, que actúan como veneno para los insectos cuando estos los ingieren: son los microorganismos entomopatógenos. Algunos virus y ciertas especies de bacterias y hongos son utilizados de esta manera para eliminar poblaciones de insectos dañinos. Las toxinas de los microorganismos entomopatógenos, aunque matan a los insectos, no suelen tener efecto tóxico en otros animales superiores, ni en el hombre. 2. Los microorganismos y la industria
alimentaria Hay microorganismos utilizados para obtener alimentos. Los más importantes son los que son capaces de realizar fermentación. Esta contribuye a conservarlos y a darles su sabor y aroma característicos. -Obtención del queso: para la formación del queso se utiliza leche entera o descremada. 1. Coagulación de la leche. Se añade a la leche gérmenes lácticos acidófilos, como: S. thermophilus, L. Lactis, L. bulgaricus. Se aumenta la temperatura para favorecer el crecimiento de estos microorganismos en la leche. También se añade al cultivo renina. La acidez producida por las bacterias y la renina, producen la coagulación de la caseina. El coágulo resultante está formado principalmente de grasa, proteínas, minerales,
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La Biotecnología vitaminas y ac. láctico. Se obtiene también un líquido lechoso al que se le llama suero. 1. Tratamiento del coágulo para eliminar la humedad. Una vez que la leche se ha coagulado, el coágulo se separa del suelo, simplemente dejándolo escurrir. En algún momento hay que realizar el salado añadiendo cloruro sódico. La sal contribuye también a controlar la humedad y al secado. 2. Maduración. Algunos quesos son solamente coágulo fresco. Pero casi todos los quesos requieren un proceso de maduración por bacterias y hongos. Hay dos tipos de maduración que dan lugar a quesos duros y quesos blandos. En los quesos duros las bacterias y hongos difunden en el interior de la masa del coágulo que va a madurar. En los quesos blandos las bacterias y hongos se desarrollan en la superficie del coágulo que va a madurar. Cada tipo de queso utiliza un tipo diferente de microorganismo en esta fase de maduración. Por ejemplo en los Roquefort y azul, en el coágulo se inocula con esporas de Penicillium roqueforti. Para obtener queso Camembert se inocula Penicillium camemberti. -Obtención de leche fermentada. Se logra leche fermentada dejando que se desarrollen los microorganismos normales productores de ac. láctico en la leche, o añadiendo a la leche fresca leche fermentada. -Leche agria. La leche agria se hace inoculando a la leche pasterizada descremada un cultivo inicial seleccionado y permitiendo
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que la fermentación continúe hasta que tenga la acidez, aroma y sabor deseados. 8.3. Los Los microorganismos microorganismos yyla los biogeoquímicos
ciclos
ingeniería genética
Las técnicas que se siguen ya las hemos desarrollado en el tema referente a ingeniería genética. Resumiéndolo consiste en insertar el gen responsable de la síntesis de una proteína concreta en un plásmido, utilizando enzimas de restricción. Se obtiene así un ADN recombinante (el plásmido modificado genéticamente) que se inserta en una bacteria. Al reproducirse ésta va a dar lugar a muchas bacterias que presentan ese gen insertado (clonación del gen). Todos los descendientes van a producir la proteína. Para producir vacunas, se transfiere el gen de un antígeno concreto de la superficie del virus o de una bacteria a una levadura. Multiplicando la levadura en el fermentador se clona el gen y se pueden fabricar grandes cantidades del antígeno. Por ingeniería genética se produce: vacunas, como la de la hepatitis B, la rabia, el cólera, el sarampión; hormonas como la eritropoyetina, insulina, hormona del crecimiento, hormona paratoidea; interferón, el alfa (antitumoral y antivírico) y el beta (para el tratamiento de la esclerosis múltiple), interleucina-2, uroquinasa, interviene en la coagulación de la sangre; factores VIII y IX que intervienen en la coagulación sanguínea; y anticuerpos monoclonales.
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LA BIOTECNOLÓGIA EN AGRICULTURA, GANADERÍA Y ALIMENTACIÓN Gracias a la Biotecnología, la producción de alimentos animales y vegetales puede incrementarse y mejorar notablemente.
1. Biotecnología en plantas A lo largo de muchos años han sido seleccionadas una gran variedad de plantas para su empleo en agricultura. Se pretendía mejorar la calidad nutricional, la resistencia a herbicidas, enfermedades y plagas, tolerancia al estrés producido por el frío, la sequía, la humedad y la salinidad. Además se puede añadir las aplicaciones para la obtención de metabolitos en biorreactores. En la actualidad se dispone de dos metodologías biotecnológicas en plantas: las técnicas de manipulación de cultivos celulares y las técnicas de modificación genética de cultivos celulares. 1.1 Técnicas de manipulación de cultivo celulares Se realizan dos técnicas distintas: -Técnica de manipulación de cultivos celulares. Se trata de cultivar a plantas enteras o células in vitro en medios líquidos, semisólidos o sólidos que contengan medios nutritivos adecuados. Las técnicas de cultivo in vitro más usadas son la micropropagación y la manipulación de la ploidía. -Micropropagación o propagación vegetativa in vitro permite clonar en poco tiempo un gran número de especies, siendo un proceso importante para la selección y producción de plantas en grandes cantidades. Existen muchas variantes de micropropagación, desde el cultivo de meristemos, al cultivo de células aisladas en medio líquido por disgregación de un callo. El procedimiento más usado es el siguiente: De la planta madre se obtienen fragmentos llamados explantes que se esterilizan y se siembran en el medio de cultivo. Al ponerse en el medio de cultivo producen un callo, que Carmen Bonet
es una masa amorfa de células sin diferenciar, o que han sufrido un proceso de desespecialización, que puede ser partido en múltiples fragmentos, o crear una suspensión celular, y seguir su crecimiento mientras haya medio de cultivo. Sólo se inicia la especialización celular cuando se cambia la relación en la concentración de las hormonas vegetales (auxinas y citoquinas).
Explantes
-Manipulación de la ploidia o producción de haploides. Consiste en obtener plantas haploides mediante en cultivo de anteras o de granos de polen y de ovarios o de rudimentos seminales aislados. En el primer caso se habla de androgénesis y en el segundo de ginogénesis. Esto se consigue desviando de su ruta natural o gametogénesis a los granos de polen o a los óvulos cultivados, mediante una conmutación de su información genética, reprimiendo genes de la gametogénesis (formación de gametos) o induciendo genes de embriogénesis (desarrollo embrinario). Las plantas haploides son especialmente útiles en: producción de líneas homocigotas tras la duplicación de los cromosomas; y para la detección y selección de mutantes recesivos. 1.2 Técnicas de modificación genética de cultivos celulares Se trata de células cultivadas que son sometidas a tratamientos que modifiquen su
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La Biotecnología patrimonio genético. Se realizan técnicas directas e indirectas. -Técnicas indirectas. Cabe destacar la transformación de células inducida por Agrobacterium tumefaciens. Esta bacteria está presente en el suelo, es patógena de plantas dicotiledóneas, a las que produce en tumor denominado agalla de cuello o de corona, al penetrar por los tejidos vegetales lesionados.
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Agalla de cuello de corona en Olea europaea
Durante el contacto con las células vegetales les transfiere un plásmido (ADN extra), el plasmido Ti (inductor de tumores) que se encuentra en su citoplasma y pasa hacia el interior de la célula vegetal, donde se integra en los cromosomas de ésta. El ADN transferido o T-ADN contiene genes oncogénicos, cuya expresión provoca una mayor producción de hormonas que regulan el crecimiento celular(auxinas y citoquinas) y estos producen divisiones celulares que dan origen a la formación del tumor o agalla. Este fenómeno natural es empleado para utilzar a la bacteria Agrobacterium tumefaciens como vector de genes que se deseen introducir en una sola célula vegetal, esta se transforma y a partir de ella, por micropropagación se puede obtener una planta entera que será transgénica. El material vegetal que se usa para ser transformado por el plásmido Ti son explantes y protoplatos que se cultivan en presencia de la bacteria. -Técnicas directas. Entre estas cabe destacar la fusión de protoplastos, la selección de mutantes a partir de cultivos y la transferencia directa de genes. Carmen Bonet
Protoplastos aislados
La fusión de protoplastos proporciona la transferencia de todo el genoma de una célula vegetal a otra célula vegetal de distinta especie (incluso de especies que son sexualmente incompatibles), con lo que se obtienen híbridos de interés. Un protoplasto es una célula vegetal desprovista de su pared celular; para obtenerlo se emplean enzimas como pectinasas, para destruir la lámina media de su pared, y después celulasas y hemicelulasas para desorganizar la pared de celulósica. Se han aislado protoplastos de prácticamente todos los órganos y tejidos vivos de plantas e incluso de callos (son tejidos vegetales que muestran un crecimiento y disposición de células desorganizado) y de células en suspensión. La fusión de los protoplastos puede producirse a partir de la adición de sustancias químicas llamadas fusógenos, que producen una difusión lateral de las proteínas de las membranas que entran en contacto; sólo se consigue un 10% de las fusiones.
La Biotecnología Otra técnica es la electrofusión, que consiste en aplicar un pulso eléctrico de corta duración, con él se forman poros en la membrana celular; se produce la fusión. Se consigue un 50 a un 60% de fusiones. Mediante esta técnica se ha logrado hibridar la patata comercial con una especie de patata silvestre, sexualmente incompatible con la primera y que es resistente a tres virus que producen graves enfermedades en la patata. La selección de mutantes permite seleccionar plantas con algunas característica como la resistencia a herbicidas, a plagas o la fabricación de alguna sustancia de interés. Los mutantes se obtienen mediante el tratamiento con mutágenos físicos y químicos con lo que se obtiene un cambio genético en un gen o en varios genes. La transferencia directa de genes está en la línea de la ingeniería genética, pues permite introducir un gen de cualquier especie en una célula vegetal, que luego regenerará una planta transgénica. Al igual que en microorganismos y en células animales no es realmente necesario un vector para introducir y facilitar la integración de ADN extraño. La transmisión directa de ADN extraño se consigue mediante: métodos químicos como el uso de polietilenglicol (fusógeno); el empleo de la electroporación; la microinyección usando pipetas de inyección especiales y mediante el uso de liposomas, vesículas lipídicas que transportan en su interior un fragmento de ADN, y que terminan fusionándose con un protoplasto e introduciéndose por endocitosis. El último de los métodos usados es la transformación biolística o de la perdigonada. Se trata de bombardear células vegetales con partículas de tungsteno o de oro, en cuya superficie van adheridas moléculas de ADN con los genes que interesen. Así se han conseguido plantas transgénicas de cereales como el trigo y maíz.
la Rubisco, responsable de la fijación del dióxido de carbono atmosférico por los seres vivos autótrofos. La ora enzima es la Nitrogenasa que contienen bacterias que fijan el Nitrógeno atmosférico para la formación de amoniaco. Si se mejora su eficacia o si se transmiten los genes que la codifican a las plantas están tendrían asegurado un fertilizando nitrogenado. -Fabricación de metabolitos secundarios de plantas de interés farmacéutico. Estos productos se clasifican en cinco clases: fármacos, esencias, perfumes, pigmentos y plaguicidas. La producción industrial con alto rendimiento en cultivos celulares comienza a producir codeína y morfina. -Conservación de especies y variedades vegetales en peligro de extinción. Mediante las técnicas de micropropagación y de crioconservación (conservación en frío) se están salvando de desaparecer muchas especies silvestres y variedades cultivadas. -Resistencia a los herbicidas, patógenos y factores de estrés. Son los principales objetivos perseguidos por la ingeniería genética. Se pretende conseguir resistencia a herbicidas, insectos, virus, hongos, bacterias y nematodos; así como a factores ambientales calor, frío, salinidad, sequía, inundación. En el caso de plantas protegidas con una toxina proteica de la bacteria Bacillus thuringiensis frente al desarrollo de larvas del lepidópteros y de mosquitos. El gen que codifica para esta proteína ha sido integrado en el genoma de la planta del tabaco, en el maíz. -Productos agrícolas de mejor calidad y duración. Como por ejemplo estar más tiempo en almacenes sin estropearse, mejor sabor, tamaño, forma, composición proteíca, alto contenido de aminoácidos no sintetizados por el cuerpo humano.
2. Biotecnología en animales 1.3 Aplicaciones biotecnológicas Las aplicaciones más relevantes son: -Mejora de procesos básicos de las plantas como la fotosíntesis y la fijación de nitrógeno atmosférico. En este campo se investigan dos enzimas y los genes que las codifican. Una es Carmen Bonet
Con animales se pueden aplicar técnicas de reproducción in vitro, de cultivo de células y tejidos celulares, y manipulación de material genético
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La Biotecnología 2.1 Clonado de genes en células de mamífero El origen de la clonación del ADN de las células de un mamífero tuvo su origen en la transfección.. El ADN de un virus se introduce en las células a las que infecta, a las que se les llama células transfectadas, de aquí el nombre de transfección. Las técnicas de transfección utilizan ADN no vírico y se introduce en las células utilizando uti productos químicos, microinyecciones, liposomas, fusión de protoplastos, electroporación y biolística. Además existe toda una gama de vectores víricos y plasmídicos para lograr transfecciones. La integración del ADN se produce de forma aleatoria en el genoma de la célula que recibe el ADN extraño, y a veces presenta muchas copias de este. La transferencia de ADN en células de mamíferos es de un valor incalculable en: la obtención de líneas celulares capaces de producir compuestos comerciales, y en la l utilización en terapia génica.
produce fertilización, se sacrifica a las hembras para recoger los huevos fecundados. Después se manipulan los zigotos con un microinyector se introduce en su interior una solución que contiene ADN. Después se introducen en hembras mbras que actuaran de madres nodrizas. Después se analiza a los recién nacidos para ver si ha ocurrido la incorporación del transgén. Para ello se utiliza la técnica de PCR. (reacción en cadena de la polimerasa).
Microinyección
2.2 La transgénesis en animales Se define transgénesis como la introducción de ADN extraño en un genoma, de modo que se mantenga estable de forma hereditaria y afecte a todas las células en los organismos multiceluares. Generalmente, lmente, en animales, el ADN extraño, llamado transgén, se introduce en zigotos, y los embriones que hayan integrado el ADN extraño en su genoma, previamente a la primera división celular, producirán un organismo transgénico, de modo que el transgén pasará a las siguientes generaciones a través de la linea germinal. Las aplicaciones de los animales transgénicos son múltiples: estudiar a nivel molecular el desarrollo embrionario y su regulación; estudiar la función de genes específicos; el uso de mamíferos para ra la producción de proteínas humanas; la terapia génica. -Transgénesis Transgénesis por microinyección de cigotos Existen muchos ejemplares de animales transgénicos: ratones, conejos, cerdos, vacas, cabras, ovejas. La técnica se desarrolla provocando una superovulación ón en las hembras, después se
-Transgénesis por manipulación de células embrionarias Una técnica muy importante es la introducción de ADN extraño en células embrionarias. Se toman del interior del blastocisto en desarrollo y son pasadas a un medio que contiene una sustancia que inhibe su diferenciación, manteniendo así su estado embrionario. El ADN extraño se les introduce con diversas técnicas como la electroporación, microinyección. Después las células son introducidas en un blastocisto y se implantan en una hembra. Con esta técnica los recién nacidos son quimeras. Mediante el cruce de quimeras se obtienen animales transgénicos que hayan incorporado el transgén.
Electroporador
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La Biotecnología 2.3 Clonación de animales El principio de la clonación está en la obtención de organismos idénticos genéticamente y por lo tanto morfológicamente y fisiológicamente iguales. Para conseguir clones de animales se utilizan dos métodos: -Disgregación células embrionarias. Se basa en el mismo principio por el que nacen gemelos de forma natural. Los investigadores separan las células de un embrión en diferentes estados de desarrollo, desde el estado de dos células hasta el estado de mórula. Cada célula separada puede funcionar como un zigoto. -Por transferencia nuclear. Para ello se toman células embrionarias en fase de mórula o blástula por disgregación; se cultivan in vitro y a continuación se transfieren a ovocitos sin núcleo. Se provoca la fusión de las dos células de modo que el núcleo de la célula embrionaria diploide quede en el interior del ovocito, pudiendo este funcionar como zigoto
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LA BIOTECNOLOGÍA EN MEDICINA Las aplicaciones biotecnológicas en el campo de la medicina se enfocan para obtener fármacos, diagnósticos y terapia génica, así como la prevención de enfermedades infecciosas a través de nuevas vacunas y a mitigar enfermedades degenerativas a través de arreglos metabólicas en su base genética.
1. Diagnosis molecular enfermedades congénitas
de
Las enfermedades debidas a un solo gen defectuoso (monogenéticas) ascienden a más de 4000. Las que afectan al cromosoma X ascienden a 345, estas afectan casi exclusivamente a los niños. La detección de mutaciones genéticas resulta fácil si se trata de grandes alteraciones como las delecciones o inserciones génicas, pero requiere técnicas precisas para cambios que afectan a un único nucleótido. Una enfermedad grave es la distrofia muscular de Duchene, que provoca una enorme debilidad en hombres. Es debida a una delección de parte del gen de la distrofina situado en el cromosoma X. Esta delección se detecta mediante la detección de fragmentos de restricción en un análisis de Southern de ADN genómico, o mediante la ampliación de exones del gen utilizando la técnica de la PCR.
2. Vacunación genética
y
manipulación
La ingeniería genética proporciona nuevas técnicas para elaborar vacunas. Existen dos estrategias clásicas de vacunación: una consiste en la vacunación con patógenos muertos o con partes de esos patógenos; la otra utiliza virus o bacterias patógenos vivos pero atenuados. Las tendencias actuales son las de usas vacunas con subunidades con poder inmunológico y que puedan ser producidas en
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gran cantidad por microorganismos o en cultivos celulares eucariotas. La producción de nuevas vacunas pasa por la identificación del antígeno, la localización del gen responsable de su formación, el clonado del gen y su transferencia mediante las técnicas de ADN recombinante a organismos o a cultivos celulares que sean capaces de fabricarlo en grandes cantidades. En la actualidad se obtiene la vacuna para el virus de la hepatitis B. Se fabrica introduciendo el gen en la bacteria Escherichia coli o en la levadura Saccharomyces cereviceae.
3. Anticuerpos monoclonales Los anticuerpos son producidos por los linfocitos B. Además de servir para la defensa frente a los patógenos y sustancias extrañas. Son también importantes para la curación de enfermedades como el cáncer y para el estudio de moléculas biológicas. Los anticuerpos presentes en el suero de animales que han sido expuestos deliberadamente a ciertos antígenos extraños se encuentran formando una mezcla compleja con diferentes inmunoglobulinas y esto limita su utilización. La técnica de los anticuerpos monoclonales permitió superar estas limitaciones y preparar cantidades ilimitadas de anticuerpos homogéneos. Está basada en que cada linfocito produce solamente un único y específico anticuerpo. La esencia de esta técnica está en inmortalizar las células maduras responsables de la producción de anticuerpos (células plasmáticas) consiguiendo que se multipliquen indefinidamente. Esta inmortalidad se consigue hibridando las células plasmáticas y células tumorales, como las de los mielomas, con capacidad de multiplicarse indefinidamente. Las hijas resultantes se llaman hibridomas. Son heterocariotas, es decir tienen dos núcleos diferentes; se pueden clonar haciendo que se dividan y producirán anticuerpos homogéneos y monoclonales..
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4. Terapia génica La terapia génica puede aplicarse siguiendo dos estrategias: -Insertar una copia sana de un gen en las células del paciente, para así compensar el efecto de un gen defectuoso. No es necesario que se integre en determinado sitio de un cromosoma sino que basta con que se exprese para producir la proteína de acción terapéutica. -Introducir un gen especialmente diseñado para que suministre una nueva propiedad a las células. Por ejemplo introducir en los linfocitos un gen que produzca un inhibidor de la replicación del virus del SIDA. Hasta ahora la terapia génica sólo se realiza sobre células somáticos, por los problemas éticos que se plantean al hacerlo en células germinales, puesto que las modificaciones se transmitirían a la descendencia. Su aplicación es en la curación de enfermedades congénitas como la Retinitis pigmentosa, el Cáncer de colón familiar, la Heterocromatosis, el cáncer familiar, la fenilcetonuria, etc. En células somáticas se utilizan tres técnicas de terapia génica posibles mediante las que se introduce material genético, usando un vector adecuado, en células de pacientes. -Terapia ex vivo (fuera del cuerpo); se extraen células con genes defectuosos y se le introducen, mediante vectores adecuados, copias normales de dichos genes. En esta terapia se suelen utilizar células sanguíneas, pero estas tienen una duración limitada por lo que ahora se intenta hacerlo con células madre. -Terapia in situ (en el mismo lugar): se introducen portadores o vectores (virus o liposomas) de los genes correctores directamente en los tejidos donde se necesitan los genes. Se pueden aplicar cuando el defecto está localizado; como es el caso de la fibrosis quística, que afecta a los pulmones, inyectándose en los bronquios los vectores con los genes sanos. Otro ejemplo es la introducción de vectores suicidas en tumores,
Carmen Bonet
de forma que, la información genética que se introduce provoca la muerte de la célula. -Terapia un vivo (dentro del cuerpo): está es la esperanza del futuro. Se inyectan en la sangre vectores, generalmente virus, que contienen los genes deseados, estos interaccionan solo con las células diana del cuerpo y transfieren su contenido genético a dichas células actuando como fármacos.
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