1. Principios de la Biología Molecular y Genética.
DESARROLLO HISTORICO EN EL MUNDO DE LA BIOLOGIA MOLECULAR
1750 a.C. Los sumerios fabrican cerveza. 1000 a.C. Los babilonios celebran con ritos religiosos la polinizaci贸n de las palmeras. 323 a.C. Arist贸teles especula sobre la naturaleza de la reproducci贸n y la herencia.
100-300 Se escribe en la India textos metáforicos sobre la naturaleza de la reproducción humana. 1590 Se inventa el microscopio. 1663 Robert Hooke describe por primera vez a la célula. 1676 Se confirma la reproducción sexual en las plantas. 1677 Se contempla el esperma animal a través del microscopio.
1802 Aparece por primera vez referida la palabra biología. 1830 Se descubren las proteínas. 1833 Se aísla la primera enzima. 1838 Se descubre que todos los organismos vivos están compuestos por células. 1859 Charles Darwin hace pública su teoría sobre la evolución de las especies.
1866 Gregor Mendel describe, en los chícharos, las unidades fundamentales de la herencia (que posteriormente recibirán el nombre de genes). 1871 Se aísla el ADN en el núcleo de una célula. 1883 Francis Galton acuña el término eugenesia. 1887 Se descubre que las células reproductivas constituyen un linaje continuo, diferentes de las otras célula del cuerpo.
1908 Se establecen modelos matamáticos de las frecuencias génicas en poblaciones mendelianas. 1909 Las unidades fundamentales de la herencia biológica reciben el nombre de genes. 1925 Se descubre que la actividad del gen está relacionada con su posición en el cromosoma. 1927 Se descubre que los rayos X causan mutaciones genéticas. 1943 Se identifica el ADN como la molécula genética.
1940-1950 Se descubre que cada gen codifica una única proteína. 1953 Se propone la estructura en doble hélice del ADN. 1956 Se identifican 23 pares de cromosomas en las células del cuerpo humano. 1966 Se descifra el código genético completo del ADN. 1972 Se sintetiza la primera molécula de ADN recombinante en el laboratorio. 1973 Tienen lugar los primeros experimentos de ingeniería genética, en los que los genes de una especie se introducen en organismos de otra especie y funcionan correctamente.
1975 La conferencia de Asilomar evalúa los riesgos biológicos de las tecnologías de ADN recombinante y aprueba una moratoria de los experimentos con estas tecnologías. 1975 Se obtienen por primera vez los hibridomas que producen anticuerpos monoclonales. 1976 Se funda en Estados Unidos Genentech, la primera empresa de ingeniería genética. 1977 Mediante técnicas de ingeniería genética, se fabrica con éxito una hormona humana en una bacteria.
1977 Se desarrollan las primeras técnicas para secuenciar con rapidez los mensajes químicos de las moléculas de ADN. 1978 Se clona el gen de la insulina humana. 1980 El Tribunal Supremo de los Estados Unidos dictamina que se pueden patentar los microbios obtenidos mediante ingeniería genética. 1981 El primer diagnóstico prenatal de una enfermedad humana por medio del análisis del ADN.
1982 Se genera el primer ratón transgénico ("super-ratón"), al insertar el gen de la hormona del crecimiento de la rata en óvulos de ratón hembra fecundados. 1982 Se produce insulina humana mediante técnicas de ADN recombinante. 1983 Se desarrolla la técnica de reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que permite replicar (copiar) genes específicos con gran rapidez. 1984 Producción de las primeras plantas transgénicas. 1985 Se inicia el uso de interferones en el tratamiento de enfermedades víricas.
1985 Se utiliza por primera vez la "huella genética" en una investigación judicial en Gran Bretaña. 1986 Se autorizan las pruebas clínicas de la vacuna contra la hepatitis B obtenida mediante ingeniería genética. 1987 Propuesta comercial para establecer la secuencia completa del genoma humano (proyecto Genoma), compuesto aproximadamente por 100000 genes. 1987 Comercialización del primer anticuerpo monoclonal de uso terapéutico.
1988 Primera patente de un ser vivo producido mediante ingeniería genética. 1989 Comercialización de las primeras máquinas automáticas de secuenciación del ADN. 1990 Primer tratamiento con éxito mediante terapia génica en niños con trastornos inmunitarios ("niños burbuja"). Se ponen en marcha numerosos procedimientos experimentales de terapiagénica para intentar curar enfermedades cancerosas y metabólicas. 1994 Se comercializa en California el primer vegetal modificado genéticamente (un tomate) y se autoriza en Holanda la reproducción del primer toro transgénico.
1995 Se completan las primeras secuencias de genomas de seres vivos: se trata de las bacterias Haemophilus influenzae y Mycoplasma genitalium. 1996 Por primera vez se completa la secuencia del genoma de un eucarionte, la levadura de la cerveza "Saccharomyces cerevisiae". Por otra parte, el catálogo de genes humanos que Víctor McKusick y colaboradores de la Universidad Johns Hopkins actualizan cada semana contiene ya más de 5000 genes conocidos. El Proyecto Genoma Humano, coordinado por HUGO (Human Genome Organization), avanza a buen ritmo.
1997 Clonación del primer mamífero, una oveja llamada "Dolly". 1999 Se completa la secuenciación del genoma (175 Mb) de Drosophila melanogaster (mosca de la fruta). 2000 Se termina la primera versión del genoma humano (3200 Mb) y se completa la secuencia de Arabidopsis thaliana (157 Mb). 2002 Presentación del genoma humano por Celera Genomics y el grupo de colaboradores de laboratorios financiados por fundaciones públicas.
2007 Primer "transplante" de un genoma completo de una bacteria a otra. Se publica como "transmutación de una especie biológica en otra" en Science el 28 de junio de 2007. 2010 Inserción y replicación del primer cromosoma artificial en un laboratorio.
Biología molecular. Fundamentos y aplicaciones. 2009. Carlos Beas, Daniel Ortuño, Juan Armendáriz. McGrawHill.
El desarrollo de la Biología Molecular
Biología Molecular LA BIOLOGÍA MOLECULAR ES UNA CIENCIA CUYO OBJETIVO FUNDAMENTAL ES LA COMPRENSIÓN DE TODOS AQUELLOS PROCESOS CELULARES QUE CONTRIBUYEN A QUE LA INFORMACIÓN GENÉTICA SE TRANSMITA EFICIENTEMENTE DE UNOS SERES A OTROS Y SE EXPRESE EN LOS NUEVOS INDIVIDUOS.
ESTE CONOCIMIENTO HA PERMITIDO CRUZAR BARRERAS NATURALES ENTRE ESPECIES Y COLOCAR GENES DE CUALQUIER ORGANISMO EN UN ORGANISMO HOSPEDADOR NO RELACIONADO MEDIANTE EL EMPLEO DE TÉCNICAS DE INGENIERÍA GENÉTICA.
El descubrimiento del principio transformante.
EVIDENCIAS QUE DEMOSTRARON QUE EL ADN ES EL MATERIAL GENETICO
LA IDEA DE QUE EL MATERIAL GENETICO ESTA COMPUESTO POR ACIDOS NUCLEICOS TIENE SU ORIGEN EN EL DESCUBRIMIENTO DE LA TRANSFORMACION EN 1928
LOS EXPERIMENTOS DE: Oswald T. Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, en 1944. Alfred D. Hershey y Martha Chase, en 1952, CONSTITUYERON UN HITO EN EL CONOCIMIENTO DEL MATERIAL GENETICO A ESCALA MOLECULAR
EXPERIMENTO DE Avery, MacLeod y McCarty (1944)
BACTERIA Pneumococcus
PROVOCA MUERTE DE LOS RATONES POR NEUMONIA
VIRULENCIA DADA POR POLISACARIDOS LOCALIZADOS EN SU SUPERFICIE
I TIPOS DE NEUMOCOCOS
II II
PUEDEN DAR LUGAR A VARIANTES QUE LES CONFIERE UNA SUPERFICIE RUGOSA (R)
TIENEN SUPERFICIE LISA (S)
BACTERIAS CON SUPERFICIE LISA
VIRULENTA
BACTERIAS CON SUPERFICIE RUGOSA
NO VIRULENTA
El descubrimiento de la estructura del ADN
En 1953, James Watson y Francis Crick, futuros ganadores del Premio Nobel, descubrieron la estructura de doble hélice del ácido desoxirribonucléico, conocido vulgarmente como ADN. Las proteínas están formadas por cadenas de aminoácidos. El número, orden y tipo de aminoácido determinan las propiedades de cada proteína. El ADN contiene la información necesaria para ordenar los aminoácidos correctamente. El ADN transmite esta información hereditaria de una a otra generación.
El descubrimiento del código genético El código genético se descifró completamente el año 1965, gracias al descubrimiento y desarrollo de distintos procesos moleculares dejando al descubierto que el código actual es una de las más elegantes creaciones de la evolución.
La evidencia provista por el esfuerzo y la creatividad científica a partir de los años 50s ha establecido que la secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica de una proteína está determinada por la secuencia de bases en el material genético. Ya que se encuentran veinte aminoácidos conformando las proteínas, pero sólo cuatro bases en el ADN, se estableció que un grupo de tres bases codifica para cada aminoácido, además que el código no es del tipo sobrelapado y que la secuencia de las bases es leída desde un punto de partida fijo. Además se mostró la degeneración y universalidad de éste.
El modelo del oper贸n
El funcionamiento del oper贸n lac fue propuesto por Jacob y Monod. Por este trabajo recibieron el Premio Nobel de Fisiolog铆a y Medicina en 1965.
La bacteria E. coli puede utilizar lactosa como fuente de carbono, pero para ello necesita expresar una serie de enzimas clave. El operon lac engloba los genes estructurales y reguladores que permiten producir estos enzimas s贸lo cuando hay lactosa presente en el medio de cultivo.
El operon lac consta de tres genes estructurales: 1.lacZ 2.lacY 3.lacA) Que codifican enzimas metabólicos implicados en la utilización de la lactosa como fuente de carbono: • Una β-galactosidasa (que degrada la lactosa a galactosa y glucosa) • Una permeasa (que introduce la lactosa en la célula) • Una transacetilasa (sin función asignada en el metabolismo de la lactosa).
La expresión de los tres genes origina un mRNA a partir de un único promotor, donde se une la RNA polimerasa para comenzar la transcripción.
La transcripción de estos genes estructurales se regula mediante una secuencia, contigua a la secuencia promotora, denominada operador. Una proteína represora, codificada por el gen regulador lacI se une o no al operador en función de los niveles de lactosa en el medio, controlando así el paso de la RNA polimerasa a los genes lacZ, lacY y lacA.
En ausencia de lactosa la proteína represora se une al operador impidiendo el paso de la RNA polimerasa y, por la tanto la transcripción de los genes estructurales. En la actualidad se conoce la estructura del represor lac, así como su modo de unión a la secuencia del operador en forma de tetrámeros. En presencia de lactosa, la alolactosa (un isómero de la lactosa) se une a la proteína represora, cambiándole su conformación e impidiendo su unión al operador, lo que posibilita que la RNA polimerasa transcriba los genes estructurales destinados a la utilización metabólica de la lactosa.
Perspectivas futuras de la BiologĂa Molecular
INDUSTRIAL LAS TECNOLOGÍAS DE ADN OFRECEN MUCHAS POSIBILIDADES EN EL USO INDUSTRIAL DE LOS MICROORGANISMOS CON APLICACIONES QUE VAN DESDE PRODUCCIÓN (A TRAVÉS DE PROCESOS INDUSTRIALES Y AGRO PROCESOS) DE VACUNAS RECOMBINANTES Y MEDICINAS TALES COMO INSULINA, HORMONAS DE CRECIMIENTO E INTERFERON, ENZIMAS Y PRODUCCIÓN DE PROTEÍNAS ESPECIALES.
VEGETAL CON LAS TÉCNICAS DE LA BIOTECNOLOGÍA MODERNA, ES POSIBLE PRODUCIR MÁS RÁPIDAMENTE QUE ANTES NUEVAS VARIEDADES DE PLANTAS CON CARACTERÍSTICAS MEJORADAS •MAYOR PRODUCCIÓN, •TOLERANCIA A CONDICIONES ADVERSAS • RESISTENCIA A HERBICIDAS ESPECÍFICOS • RESISTENCIA A ENFERMEDADES • PROPAGACION EN MASA DE CLONES VEGETALES • DESARROLLO DE INSECTICIDAS BIOLÓGICOS • MODIFICACIONDE PLANTAS PARA MEJORAR CARACTERISTICAS NUTRICIONALES
AMBIENTAL LA BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL SE REFIERE A LA APLICACIÓN DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS MODERNOS PARA LA PROTECCIÓN Y RESTAURACIÓN DE LA CALIDAD DEL AMBIENTE.
LA BIORREMEDIACIÓN ES EL USO DE SISTEMAS BIOLÓGICOS PARA LA REDUCCIÓN DE LA POLUCIÓN DEL AIRE O DE LOS SISTEMAS ACUÁTICOS Y TERRESTRES. LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS UTILIZADOS SON MICROORGANISMOS Y PLANTAS.
• RECUPERACIÓN BIOLÓGICA DE METALES PESADOS Y DESECHOS DE MINERIA Y OTROS DE ORIGEN INDUSTRIAL • RECUPERACION BIOLÓGICA DEL SUELO Y EL AGUA CONTAMINADA CON QUIMICOS TÓXICOS • TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES Y DESECHOS ORGANICOS
ALIMENTARIA • PRODUCCION DE LEVADURA PARA PANADERIA, QUESOS, YOGHURT Y PRODUCTOS FERMENTADOS COMO EL VINAGRE Y LA SALSA DE SOYA • FABRICACION DE CERVEZA Y VINO • PRODUCCION DE AGENTES COLORANTES Y SABORIZANTES
MEDICINA • DESARROLLO DE NUEVAS MOLÉCULAS TERAPÉUTICAS PARA TRATAMIENTOS MEDICOS • SISTEMAS PARA LA ADMINISTRACIÓN DE DROGAS • INGENIERIA TISULAR PARA REMPLAZO DE ÓRGANOS • TERAPIA GENICA • VACUNAS ADMINISTRADAS EN ALIMENTOS
VETERINARIA • PRODUCION DE VACUNAS •CONTROL DE LA FERTILIDAD •CRIA DE GANADO
OBTENCIÓN DE VACUNAS
OBTENCIÓN DE VACUNAS RECOMBINANTES
DIAGNÓTICO DE ENFERMEDADES DE ORIGEN GENÉTICO Conociendo la secuencia de nucleótidos de un gen responsable de una cierta anomalía, se puede diagnosticar si este gen anómalo está presente en un determinado individuo.
PLANTAS TRANSGÉNICAS
TRANSFERENCIA NUCLEAR
OBTENCIÓN DE UNA CERDA TRANSGÉNICA Un gen híbrido que contiene el gen humano que codifica la síntesis de una proteína de interés biológico junto con el promotor del gen que codifica una proteína de la leche de rata, se introducen por microinyección en un óvulo de cerda fecundado. Da lugar a un animal transgénico que tiene en todas sus células el gen híbrido. Se expresa en la glándula mamaria de la cerda induciendo la producción de la proteina humana en la leche
PROYECTO GENOMA HUMANO El 26 de junio de 2000 es ya una fecha para la historia de la humanidad. Tras 10 años de intensa investigación, el genoma humano, considerado el auténtico libro de la vida, ha sido descifrado en sus partes esenciales. Este logro, que abre una nueva era en la lucha contra las enfermedades, fue anunciado consecutivamente en China, Japón, Francia, Alemania, el Reino Unido y Estados Unidos. Para conseguir este hito, que corona un siglo de investigación biológica
Mapas gen茅ticos Estos mapas simplemente indican la posici贸n relativa de los diferentes genes.
Mapas f铆sicos De mayor resoluci贸n, pues muestra la secuencia de nucle贸tidos en la mol茅cula de ADN que constituye el cromosoma.