Unidad 6 Aplicaciones Científicas

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Unidad 6. Aplicaciones Científicas de la Tecnología del ADN


Siglo Biotecnológico

LAS NOTICIAS DE LA INVENCIÓN DE NUEVAS TÉCNICAS DE INTERVENCIÓN SOBRE LA VIDA VEGETAL, ANIMAL Y HUMANA INVADEN CASI A DIARIO LA OPINIÓN PÚBLICA, SUSCITANDO REACCIONES A MENUDO APASIONADAS Y VALORACIONES OPUESTAS.


Desarrollo de una Ciencia La genética, ingeniería genética y los demás términos relacionados con la herencia son referentes de los grandes avances que se esta produciendo la ciencia y las grandes expectativas creadas han provocado una gran conmoción pública.

Los impactos más significativos han sido en la agricultura y ganadería. Al empezar a actuar sobre el hombre, sus genes y su descendencia es cuando empiezan a surgir las dudas éticas sobre estas técnicas, sobre si respetan o no la dignidad humana



Ingeniería Genética Técnicas que modifican las características hereditarias de un organismo en un sentido predeterminado mediante la alteración de su material genético

La formación de nuevas combinaciones de genes por el aislamiento de un fragmento de DNA, la creación en él de determinados cambios y la reintroducción de este fragmento en el mismo organismo o en otro. Cuando los genes nuevos son introducidos en las plantas o animales, los organismos resultantes pasan a llamarse transgénicos.


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


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


Todos los seres vivos tienen su información hereditaria codificada en la molécula de ADN. El juego completo de ADN de un ser vivo es el genoma. El genoma humano cuenta con 3 mil millones de pares de bases (pb) y unos 30,000 genes, que son un 3% del genoma. El tamaño del genoma es independiente de la complejidad del organismo. El Genoma de mayor tamaño es el del pez pulmonado africano Protopterus aethiopicus con 139 mil millones de pb; una planta con flores Fritillaria assyriaca tiene 124,900 millones de pb. 60%

GENOMAS

IDENTIDAD GENÉTICA

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

Entre una persona y otra el ADN solo difiere en 0.2%

A. thaliana 25,000 genes

C. elegans 19,000 genes

D. melanogaster 13,000 genes


COMPARACIÓN DE GENOMAS ESPECIES

CROMOSOMAS

GENES

PARES DE BASES (MILLONES)

HUMANO (Homo sapiens)

46 (23 pares)

28-35,000

~ 3,100*

RATÓN (Mus musculus)

40

22.5-30,000

~ 2,700

PEZ SOPLADOR (Fugu rubripes)

44

~ 31,000

~ 365

6

~ 14,000

~ 289

28

~ 16,000

~ 160

8

~ 14,000

~ 137

12

19,000

~ 97

1 (cromonema)

~ 5,000

~ 4.1

MOSQUITO DE MALARIA (Anopheles gambiae) CHORRO DE MAR (Ciona intestinalis) MOSCA DE LA FRUTA (Drosophila melanogaster) LOMBRIZ INTESTINAL (Caenorhabditis elegans) BACTERIA (Escherichia coli)

En humanos, aproximadamente el 3% son secuencias codificantes


ESTRUCTURA DE UN GEN • Tradicionalmente, un gen se ha definido como un segmento de ADN que codifica para un polipéptido o para una molécula funcional de ARN.

Molécula de ADN

• Recientemente, los nuevos descubrimientos han alterado radicalmente esta visión, para adoptar una definición más vaga. De acuerdo con ello, un gen es una secuencia de ADN genómico o de ARN que es esencial para especificar una determinada función. Para llevar a cabo su función el gen no necesita ser traducido a proteína, y a veces ni siquiera necesita ser transcrito.


ESTRUCTURA DE UN GEN •Elementos típicos: 1) región reguladora o promotor basal (caja TATA). o sitios de unión de proteinas reguladoras (upstream promoter). o Realzadores (enhancers) o Silenciadores

2) sitio de inicio de transcripción. 4) codón de inicio. 5) intrones y exones alternados, con sitios de procesamiento aceptores y donadores 6) Codón de paro. 8) señal de poli-adenilación.


ESTRUCTURA GENÓMICA DE GENES

Región cromosómica del gen ADAM33. (a) estructura genómica de genes a los lados de ADAM33 (barra 15 kb). (b) Estructura exon intron de ADAM33 (barra 1 kb). Polimorfismos de nucleótidos únicos SNPs se indican abajo del gen. (c ) Organización del Dominio del gen ADAM33 y localización de SNPs 3’UTR Codificantes. Tamaño de exones en pares de bases (pb) (Kreeger, Y. The Scientist apr. 2003).


INGENIERÍA GENÉTICA: TÉCNICAS

DEL ADN RECOMBINANTE (ADNr) TÉCNICA

PROPÓSITO

Enzimas Restricción

Cortan ADN en puntos específicos, hacen fragmentos de ADN

ADN Ligasa

Une fragmentos de ADN

Vectores

Virus o fagos: llevan ADN a las células y aseguran replicación

Plasmidos

Clase común de vector

Marcadores Genéticos Identifican a las células que han sido transformadas PCR

Amplifica la cantidad de ADN de muestras pequeñas

ADNc

Copia de ADN a partir de ARN mensajero

Sondas de ADN

Para identificar y marcar una pieza de ADN conteniendo cierta secuencia

Síntesis Génica

Para hacer un gen de una base de datos

Gel Electroforésis

Para separar fragmentos de ADN

Secuenciación ADN

Para leer la secuencia de bases de un segmento de ADN


TÉCNICAS DEL ADN: ENZIMAS

PARA LA MANIPULACIÓN DEL ADN • Enzimas de restricción • ADN polimerasas • ARN polimerasas • Nucleasa • ADN ligasa • Kinasa • Fosfatasa • Transcriptasa reversa


Técnicas del ADN: 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. Silicon Wiskers. Inyección con fibras microscópicas, que atraviesan las membranas con los insertos.


Técnicas del ADNr: SISTEMAS

DE TRANSFERENCIA GENÉTICA 5. Microinyección. Una célula es adherida a una pipeta bajo un microscopio y el ADN foráneo es inyectado directamente en el núcleo usando una micropipeta muy fina. Se usa cuando hay pocas células disponibles, tales como células fertilizadas de huevo animal. 6. Liposomas. Los vectores pueden ser encapsulados en pequeñas vesículas de membrana para introducir el ADN in vivo en la célula.


Aplicaciones de la Ingeniería Genética Cartografía. Es el Proyecto Genoma Humano: describir todos los genes del organismo humano, localizarlos y secuenciarlos. Diagnóstico. identificar los defectos genéticos y diagnosticar o pronosticar las enfermedades que aparecen o pudieran aparecer. Identificación (forense/paternidad). identificar personas o determinar la paternidad. Terapéutica. corregir defectos genéticos causantes de las enfermedades genéticas. Los "tratamientos genéticos" consisten en la reparación o sustitución de genes defectuosos o delecionados. Biotecnología. alterar los genomas de los seres vivos para dotarles de alguna cualidad que no tenían (plantas resistentes a heladas, frutas que maduran antes, cultivos que crecen más,...).


$ 2.1-$ 2.3 miles de millones 1999

27.8 millones de ha 1998

En el año 2000 se cultivaron en el mundo 44,2 millones de ha de PRIMERA GENERACION de cultivos transgénicos. Plantas transgénic as

Sup. cult. millones ha.

cultivos transgén.

Produ total plantas

25,8 10,3 5,3 2,8 44,2

58,4 23,3 12 6 99,7

36 16 11 7 16

Soya Maiz

Algodón

Colza TOTAL

NATURALEZA DE LA MODIFICACIÓN GENÉTICA

7%

19% 74%

Tolerancia herbicidas Resistencia insectos Ambos

(Counseil de la science et de la technologie, 2002).


INDICADORES: CULTIVOS TRANSGÉNICOS POR PAÍS EN MILLONES DE HECTAREAS, 1996 A 2000

PAÍS Estados Unidos Argentina Canada China Africa del Sur Australia Otros TOTAL

1999 28,7 6,7 4,0 0,3 0,1 0,1 <0,1 39,9

2000 30,3 10,0 3,0 0,5 0,2 0,2 <0,1 44,2

% de Cambio +5,6 +49,3 -25,0 +66,7 +100 +100 +10,8


CHINA ENCABEZA LA REVOLUCIÓN DE OMGs La investigación en cultivos de plantas genéticamente modificadas para alimentación, está detenida en muchas partes del mundo. En China las políticas están promoviendo el aumento de capacidad de la Biotecnología Vegetal. Los investigadores trabajan con más de 50 especies de plantas, que incluyen (arroz, trigo, papas y mani) y con más de 150 genes funcionales.

El AlgodónBt creciendo en China ha reducido el uso de pesticidas, incrementado la eficiencia de la producción y ha mejorado la salud del agricultor (Science,295, 674 (2002).


ANIMALES ACUÁTICOS TRANSGÉNICOS Especies

Transgenes

Países

Ctenopharingodon idella carpa triploide de grama Cyprinus carpio carpa común Carassius auratus pez dorado, goldfish Pez de Wuchang / Charr del artico / Mummychog / Walleye Pangio kuhli locha gigante / Esox lucio lucio del norte Oncorhynchus mykis trucha arcoiris, O. kisuth salmón Salmo salar salmón del Atlántico Oreochromis spp tilapia Artemia spp pulga de agua Macrobrachium rosenbergii camarón de agua dulce Penneus indicus camarón blanco Haliotis kamtschatkana abalón japones Haliothis rufescens abalón rojo Mytilus edulis almeja azul Crassostrea virginica ostra oriental Crassostrea gigas ostra del Pacífico

• Genes marcadores • Hormona de crecimiento • Polipeptido anticongelamiento • Cecropina • Interferon • Fitasa • Factor VII de coagulación humana • Genes reporteros para contaminantes • GnRH antisentido (liberación Hormona Gonadotropina)

USA Canadá Cuba Reino Unido Francia Noruega China Japón Corea India Israel

Hallmark, E. 2003, ISB News Report, april


Ingeniería Genética: NUEVOS ALIMENTOS ARROZ con enzima lactoferrina de leche humana, que puede ser utilizada para mejorar las fórmulas de leche infantil. Los niños la necesitan para usar eficientemente el hierro y pelear contra las infecciones (Pearson, H. Nature, 26 april 2002).

ARROZ DORADO con beta caroteno de genes de narciso y de Erwinia uredovora, pigmentos que se transforman en provitamina A al ser ingeridos. ARROZ fortificado con un gen de la ferritina.

ARROZ con aa esenciales (ISB, 2001, oct; Netlink, 2000).


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%. El azúcar trehalosa ayuda a estabilizar moléculas biológicas: lípidos, enzimas y otras proteínas, en organismos en condiciones de estrés. La composición química de los granos no cambia (PNAS Online, 27 nov. 2002).


Ingeniería Genética: NUEVOS ALIMENTOS Salmón transgénico por (ISB, 2001, oct; Netlink, 2000). 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. VACAS LECHERAS con incremento de proteínas. En Nueva Zelanda se clonaron vacas con óvulos mejorados genéticamente, para mejorar la producción del queso y crema, aumentando dos veces la kappa caseína, crucial para hacer la cuajada y de 20% más de beta caseina, que mejora la acción del cuajo

(Hoag, H. Nature, 27 enero 2003).


Implicaciones Éticas de la Manipulación Genética en Plantas Se refieren al hecho de informar o no al consumidor de que se trata de productos manipulados genéticamente. Son desconocidos los efectos que tendrán estos alimentos en el ser humano ya que se trata de especies nuevas, no surgidas naturalmente.


Implicaciones Éticas de la Manipulación Genética en Animales Las mayores críticas se han dirigido contra la disminución de la biodiversidad de las especies clonadas. Población muy homogénea, que podría sucumbir completamente ante una epidemia, pues ésta afectaría por igual a todos los ejemplares.


Todos los trabajos deben ser sometidos a un anรกlisis en el que se comparen los beneficios con el sufrimiento del animal.


Clonaci贸n Animal


Transgénesis. • • •

Variante de la recombinación genética, se interviene en el patrimonio genético de un ser con adición de nuevos genes y alteración por tanto, de sus características. Se rompe totalmente la barrera natural entre las especies, y es teóricamente factible insertar genes en casos que es imposible que se den en la naturaleza. La transgénesis debería considerarse éticamente ilícita debido a que supone una grave transgresión contra la naturaleza. Además no se postulan grandes beneficios ni a corto ni a largo plazo, salvo la mera curiosidad de ver como se comporta la naturaleza en estos casos


Implicaciones Éticas de la Manipulación Genética en Microorganismos Manipulación Genética de seres vivos se crean nuevas especies. En el caso de los microorganismos se podrían estar construyendo nuevos patógenos y con ello nuevas enfermedades. Proliferación de nuevos microorganismos con características peculiares y los consecuentes peligros para la especie humana. Entre ellos figuran la introducción de genes productores de neoplasias malignas. Es previsible la formación de microorganismos de una virulencia extraordinaria y resistentes a la terapéutica usual conocida.


Implicaciones Éticas de la Manipulación Genética en Humanos Mientras que los beneficios potenciales de la ingeniería genética son considerables también lo son sus riesgos La ingeniería genética ofrece a este nivel, esperanzas fundadas de que en un futuro próximo se puedan tratar con éxito algunas enfermedades específicas. Dado que todas las actuaciones de la terapia génica tienen un claro fin terapéutico, a priori son moralmente lícitas. Esta licitud desaparece cuando se usan los hombres a modo de "conejillos de indias", desapareciendo el fin terapéutico.


Actuaciones sobre el Genoma Humano Se llama genoma a la totalidad del material genético de un organismo. El genoma humano posee entre 50 000 y 100 000 genes distribuidos entre los 23 pares de cromosomas de la célula somática humana. Cada cromosoma puede contener más de 250 millones de pares de bases de DNA, y se estima que la totalidad de genoma humano tiene 3000 millones de pares de bases. La investigación del genoma, representa un hecho claramente positivo. Los análisis prenatales sirven para determinar si un embrión lleva o no una tara genética. El estudio puede prevenir futuras actuaciones terapéuticas, en este caso es éticamente lícito, porque se busca un fin terapéutico en el análisis. En algunos casos, un análisis genético puede tener como objetivo un tratamiento que como consecuencia del diagnóstico obtenido puede conducir al aborto. Por esto para determinar la licitud de estas actuaciones hay que preguntarse cuál es el fin de las mismas.


Existen diferentes argumentos que tratan de justificar la interrupción del embarazo por motivos eugenésicos: • El caso de la tesis que sostiene que el nacimiento de niños minusválidos sería irresponsable. • Los niños con taras no se incluyen dentro de los niños deseados. • Todas estas justificaciones y otras similares son inaceptables ya que ignoran totalmente el respeto a la dignidad de cada ser humano. La Declaración Universal sobre el Genoma y Derechos Humanos, en el artículo 10 dice que: "Ninguna investigación relativa al genoma humano ni sus aplicaciones, en particular en las esferas de la biología, la genética y la medicina, podrán prevalecer sobre el respeto de los derechos humanos, de las libertades fundamentales y de la dignidad humana de los individuos o, si procede, de los grupos humanos". Con esto se ratifica la ilicitud de las actuaciones eugenésicas


Discriminación Genética •

Se están usando como método de discriminación, hecho que aparte de ilegal, moralmente es inaceptable.

Muchas compañías de seguros están haciendo análisis genómicos de los peticionarios de seguros de vida. Con este fin buscan el mayor beneficio al discriminar (excluyéndolos o con tasas abusivas), a los que parece que tienen alguna mayor predisposición a enfermedades graves o a muertes prematuras.

Las empresas: no contratarían a un obrero cuyos genes revelaran que concluiría pronto su vida útil.

Las personas: podrían guiarse por la genética a la hora de escoger una pareja que encajara con ellos.


Clonación Humana La generación de una entidad biológica idéntica a otra entidad: es decir, a la obtención de seres humanos genéticamente idénticos a un ser humano ya existente.

Mientras la clonación reproductiva dejaría nacer al individuo clonado, la así llamada “clonación terapéutica” lo habría fabricado para experimentar con él y luego destruirlo, lo cual es un acto que atenta gravemente contra el respeto debido a todo individuo humano, incluso al que es “producido” por clonación


Fabricándonos Casi sin que nos demos cuenta, los científicos han llegado a un punto en el que no sólo serían capaces de clonar seres humanos, sino que podrían modificar genes en embriones para producir seres superiores.

Los problemas éticos que plantean estas técnicas afectan fundamentalmente a la dignidad humana. Estas técnicas plantean una serie de preguntas sobre qué significa "ser humano", sobre las relaciones familiares y entre generaciones, el concepto de individualidad y el tratamiento de los niños como objetos.


En busca de la Inmortalidad

Científicos de la Universidad de California han conseguido multiplicar por seis la expectativa de vida de un gusano, gracias a una terapia genética. El nematodo del experimento comparte muchas características genéticas con nuestra especie, por lo que la proeza puede en principio escalarse a nivel humano y aumentar nuestra expectativa de vida hasta 500 años sin perder la juventud.


Eugenesia

Mejoramiento del Patrimonio Hereditario


Tecnología Segura ?

Para crear una alteración genética a través de empalmes de genes es necesario romper y reconstruir directamente el código genético por procedimientos que nunca podrían ocurrir en la naturaleza. Lejos de ser precisas, estas alteraciones son realmente azarosas. En la mayoría de los casos, la función del gen que se altera no se conoce completamente, sus interacciones con otros procesos bioquímicos en el organismo son oscuras, y no se pueden predecir los efectos a largo plazo ¿No hemos sido suficientemente advertidos por el DDT, la talidomida, dioxinas, plutonio, Chernobyl, la enfermedad de las vacas locas, las abejas asesinas, los clorofluorocarbonados, el asbesto...?


Bioindustria La ausencia de conocimiento de peligro no debe confundirse con la ausencia de peligro. Los gobiernos tienen que comprender que están legislando para los hijos de otras personas, no sólo los propios. La responsabilidad de los científicos En el pasado, los científicos fueron motivados por la inspiración del descubrimiento científico.. Ahora, sin embargo, la presión sobre los científicos es económica y es de tal magnitud que los genetistas han abandonado su preocupación principal por la vida humana.



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