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Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005
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BLOQUE 4. MICROBIOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA
TEMA 6. BIOTECNOLOGÍA
TEMARIO
Los microorganismos: Un grupo taxonómicamente heterogéneo. Sus formas de vida. Presencia
de los microorganismos en los procesos industriales. Su utilización y manipulación en distintos
ámbitos, importancia social y económica. Productos elaborados por medio de biotecnología.
Aplicaciones más frecuentes. La biorremediación y sus aplicaciones medioambientales:
Fitorremediación, biodegradación y eliminación de elementos pesados.
CONOCIMIENTOS MÍNIMOS
BIOTECNOLOGÍA. Concepto y aplicaciones (véase ingeniería genética en el apartado 3)
BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA ALIMENTARIA
 Fermentación alcohólica para elaboración de bebidas (vino, cerveza, etc.)
o Microorganismos implicados
 Fermentación láctica para la elaboración de derivados lácteos (queso, yogur, cuajada, etc.)
o Microorganismos que la llevan a cabo (Ej. Bacterias de los géneros Lactobacillus y
Streptococcus, entre otras.
 Balance global de estos procesos (productos iniciales y finales)
BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA
 Producción de antibióticos.
o Ejemplos de especies de bacterias (Streptomyces) y de hongos implicados Penicillium)
etc.
o Producción industrial de vacunas y sueros y su importancia para disminuir la incidencia
de enfermedades infecciosas.
o Producción de otras sustancias:
 Hormonas (insulina, hormona del crecimiento, hormonas esteroídicas)
 Algunos factores de coagulación sanguínea.
 Enzimas utilizados en fármacos.
BIOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE
o Concepto de biorremediación, Fitorremediación y biodegradación.
El alumno deberá conocer la función de los microorganismos en el tratamiento de residuos: Depuración de aguas
residuales, basuras, residuos industriales y agrícolas; utilización de microorganismos para la eliminación de mareas
negras (Ej. Bacterias del género Pseudomonas) Producción microbiana de compuestos biodegradables ( Ej. Bioplásticos
etc.)
BIOTCNOLOGÍA APLICADA A INDUSTRIAS AGROPECUARIAS
 Producción de proteínas microbianas para suplemento de piensos.
 Producción de insecticidas biológicos.
 Obtención de plantas y animales transgénicos. (Véase apartado 3)
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INDICE
 BIOTECNOLOGÍA
 CLONACIÓN
o ADN recombinante
o Clonación acelular
o Organismos genéticamente modificados
 APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS MICROORGANISMOS
o Industria farmacológica
o Industria alimentaria
o Industria química y minera
 APLICACIONES MEDIOAMBIENTALES
 APLICACIONES AGRÍCOLAS, GANADERAS Y PISCÍCOLAS
o Clonación en plantas
o Plantas transgénicas
o Clonación en animales
o Animales transgénicos
 APLICACIONES MÉDICAS
o Proyecto Genoma Humano
o Detección de enfermedades genéticas y terapia génica
o Vacunas y anticuerpos
 BIOÉTICA
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MAPA CONCEPTUAL
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BIOTECNOLOGÍA
La Biotecnología es una disciplina que engloba conocimientos de microbiología, bioquímica,
genética molecular, ingeniería industrial, inmunología, farmacología, ciencias medioambientales e
informática. (*) Estos conocimientos se aplican para transformar una sustancia en un producto de
interés. Esta transformación se realiza por la acción de un ser vivo.
(*) La Biotecnología manipula y modifica microorganismos o células obtenidas de animales y
plantas en el ámbito de las industrias que manejan organismos y de los servicios (medicina, derecho) Por
tanto, no se incluyen actividades que manipulen animales o plantas enteras, aunque éstas son necesarias
posteriormente.
Con la aplicación de la Biotecnología no sólo se persigue la obtención de alimentos elaborados.
También se consiguen medicamentos, mejora de especies vegetales y animales, regeneración de medio
ambiente dañado e, incluso, proteínas humanas que ayudan a paliar enfermedades como anemia,
enanismo o diabetes. (*) La consecución de estos logros se está llevando a cabo gracias a la aparición de
las técnicas de ingeniería genética que permiten variar los genes de los seres vivos.
LA INGENIERÍA GENÉTICA
Desde siempre, los humanos han intentado mejorar la producción de un alimento, tanto por la
calidad como por la cantidad. Por ello, se han seleccionado razas o variedades de distintas especies. Estos
individuos se han cruzado de forma inducida con el fin obtener buenos resultados.
Los espectaculares avances conseguidos actualmente en este proceso de selección se deben en
gran parte a la capacidad tecnológica para poder modificar el ADN de los seres vivos.
La Genética molecular ha sido la pieza central de los estudios de Biología desde que James
Watson y Francis Crick dieron a conocer la estructura del ADN. A partir de 1970 se desarrolla un conjunto
de técnicas que se denomina (*) Ingeniería genética y que consiste en manipular el ADN, obtener
fragmentos del mismo, secuenciarlos e identificar los genes del genoma de un individuo, modificar su
secuencia e, incluso, introducir nuevos genes en el genoma de un ser vivo, obteniendo con ello una nueva
variedad biológica con nuevas características.
(*) Como vemos, la ingeniería genética es una técnica que introduce genes en el ADN de un
individuo que no los tiene. Para llevar a cabo el proceso, se utiliza enzimas de restricción que”cortan”el
ADN en puntos concretos. Cuando se mezclan los ADNs el resultado se conoce como ADN
recombinante. Algunas de las técnicas que pueden utilizarse son:
 Aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para introducirlo en otro:
ADN recombinante.
 Conocer el orden o secuencia de los nucleótidos de un gen: Secuenciación del ADN.
 Aumentar el número de copias de un fragmento de ADN que se quiere estudiar:
Reacción en cadena de polimerasa (PCR)
(*) La ingeniería genética, conocida también como manipulación genética, surge en los
años 70 (siglo XX) cuando se consigue introducir material genético de una especie en células de otra
especie muy distinta.
(*) En la naturaleza se produce una transferencia de material genético entre bacterias,
fenómeno llamado transformación.
La transferencia de forma artificial se realiza mediante la técnica del ADN recombinante.
CONCEPTO DE CLONACIÓN
(*) El proceso de clonación está encaminado a la obtención de un clon. Un clon es un
conjunto de elementos genéticamente iguales. Todos los elementos del clon son iguales entre sí e
iguales al elemento precursor. La palabra clon también se utiliza para denominar a cada uno de los
elementos genéticamente iguales. Cada uno es un clon de los otros, es decir, son clónicos entre sí.
Los elementos del clon pueden ser moléculas, células u organismos completos.
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Hay que entender que la clonación es un proceso natural, ya que, por ejemplo, las células
somáticas pertenecientes a un mismo tejido son células clónicas. Incluso, los hermanos gemelos
univitelinos son un clon.
El proceso de clonación es importante en Biotecnología, (*) debido a la capacidad que ofrece para
multiplicar moléculas de ADN o ARN, células e, incluso, individuos completos. Así, podemos distinguir
distintos tipos de clonación, atendiendo a la finalidad perseguida:
 Clonación de ADN o ARN mediante la técnica de clonación acelular (PCR), o la de
clonación celular. Se utiliza para aumentar el número de moléculas de ácido nucleico que se
utilizan en una investigación.
 Clonación de células No hay que confundirla con la clonación celular. En este proceso se
pueden clonar células aisladas o tejidos u órganos. Puede utilizarse para terapias génicas, por
ejemplo, en enfermos diabéticos.
 Clonación de organismos completos, tanto plantas como animales Se suele utilizar en
procesos de mejora genética de especies.
ADN RECOMBINANTE O CLONACIÓN CELULAR
La técnica del ADN recombinante se utiliza en estudios sobre la regulación de la expresión
génica, en la regulación de la producción comercial de síntesis de proteínas como la insulina o la hormona
del crecimiento, en el desarrollo de organismos transgénicos y en la amplificación del ADN, es decir, en
obtener un gran número de copias de un gen determinado. En este último caso, existe una técnica mejor,
denominada con las siglas PCR.
(*) La técnica permite obtener fragmentos de ADN pequeños y manejables, con un gen o genes
que se desee, en cantidades ilimitadas. Se introduce el gen o material seleccionado en el interior de un
vector y éste, a su vez, dentro de una célula, denominada célula anfitriona. Aprovechando la
maquinaria celular, el gen se expresa, sintetizándose así la proteína codificada en el gen. Además, al
dividirse la célula, las nuevas células formadas contienen ese gen que también sintetizan esa proteína. Se
genera un grupo celular que contiene un genoma distinto. De forma sencilla diríamos que es como si
cortamos”un gen”a un organismo y se”pegamos”al de una bacteria y si, por ejemplo, fuese el gen que
regula la insulina entonces la bacteria la fabricaría.
Las etapas en la producción de ADN recombinante son las siguientes:
1. Preparar cortes de ADN cortados en pequeños fragmentos por enzimas de restricción y obtener
clones de ellos
2. Preparación de un vector de clonación
3. Formación del ADN recombinante
4. Introducción del ADN recombinante en una célula anfitriona
5. Propagación del cultivo
6. Detección y selección de clones recombinantes
1. Preparación de la secuencia del ADN para su clonación (*)
Es la parte esencial del proceso, ya que el ADN debe separarse y concentrarse.
 Partimos de células con núcleo, que deben ser lisadas (rotas)
 Las proteínas estructurales, enzimas, ARN y restos moleculares deben separarse del ADN.
 El ADN obtenido se concentra y se fragmenta por acción de las enzimas de restricción.
(*) Estas enzimas pertenecen al grupo denominado nucleasas y son enzimas que actúan
sobre los enlaces fosfodiéster de la cadena de nucleótidos. Estas enzimas actúan sobre los
nucleótidos no terminales de la cadena de ADN. Son producidas por muchas bacterias.
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(*) Las enzimas de restricción son enzimas muy específicas, que reconocen una
secuencia corta de ADN duplex rompiendo las dos hebras en los "sitios de reconocimiento" o de
restricción.
(*) Reconocen secuencias palindrómicas del ADN (=Se leen igual en sentido 5’  3’ en las
dos hebras) y las cortan por un lugar determinado. Por ejemplo, la enzima EcoRI de la bacteria
Escherichia coli reconoce la secuencia GAATTC en las dos hebras y rompe entre G y A. Como las dos
cadenas se han roto en el mismo punto, los extremos que quedan a cada lado del corte son
complementarios (segmentos cohesivos o pegajosos) Estos segmentos pueden unirse a otros
segmentos de ADN de otro organismo (cortados por la misma enzima de restricción), ya que se
adhieren a fragmentos de ADN con secuencias de bases complementarias.
Algunas de estas enzimas también pueden cortar dejando extremos romos.
2. Preparación de un vector de clonación
(*) Se obtiene así la molécula de ADN recombinante y que, mediante un vector, podrá
introducirse en una bacteria que, al replicarse, permitirá obtener muchos clones de ADN (copias) de
ese fragmento de ADN como veremos.
Según el tipo de enzima, el sitio de reconocimiento puede coincidir con el sitio de corte o no.
Los sitios de restricción son secuencias cortas, de cuatro a ocho pares de bases.
 Si el ADN debe expresarse hay que añadir los segmentos reguladores de la expresión génica.
3. Preparación de un vector de clonación (*)
La transformación de bacterias con ADN extraño se produce en muy pocas células (baja eficacia)
en condiciones de laboratorio. Por ello, se emplean vectores genéticos que funcionan como taxistas que
transportan a un cliente: el ADN recombinante. El vector es el portador de la secuencia de ADN que se
desea clonar. Un vector debe presentar las siguientes características:
 Una pequeña secuencia de ADN fácil de aislar, como, por ejemplo, un plásmido (=Fragmento
extra de ADN bicatenario circular, que existe en algunas especies de bacterias)
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También podría usarse:
Un cósmido : Similar al plásmido pero de mayor longitud.
Un virus vector: En este caso, el ADN extraño que se quiere transferir se incorpora al
ADN vírico y funciona como ADN recombinante.
 Contener distintos puntos de ataque a enzimas de restricción y que sean conocidos.
 Poder ser incluido en la célula anfitriona con facilidad.
 Replicarse de forma independiente al ADN de la célula anfitriona.
 Poseer un gen marcador con el que puedan identificarse y seleccionar las células clonadas. Un
ejemplo de marcador puede ser la resistencia a un antibiótico.
Si la introducción de ADN extraño se realiza en células eucariotas no reproductoras se
denomina al proceso transfección; y si la introducción se realiza en células reproductoras de plantas
y animales, la alteración génica va a estar presente en todas células del cuerpo, en este caso se habla de
transgénesis.
Las etapas del proceso consisten en:
a) Cortar el vector con enzimas de restricción, las mismas enzimas que se utilizaron
para cortar el ADN que se quiere insertar.
b) Unir el vector y el ADN que se van a clonar mediante los llamados extremos
cohesivos, o pegajosos, o escalonados.
Una vez que el ADN ha sido introducido en el vector se denomina ADN inserto, o simplemente,
inserto.
Los tipos de vectores que se utilizan suelen ser plásmidos, virus, cromosomas creados de forma
artificial y quimeras (=molécula creada en el laboratorio, formada por combinación de ADN de un
plásmido y ADN de un virus bacteriófago)
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Fig. Enzimas de restricción
3. Formación del ADN recombinante
En esta etapa se produce (*) la unión covalente del vector y el ADN inserto mediante una ligasa. Así
se realiza el sellado de la llamada mella, muesca o nick.
4. Introducción del ADN recombinante en la célula anfitriona
(*) Para la clonación (replicación del ADN recombinante) se necesita la maquinaria celular. Por ello,
hay que introducir el ADN recombinante en una célula anfitriona (=o célula receptora, o célula
hospedadora) Célula en la que se introduce un vector que contiene el ADN inserto.
Los tipos de células anfitrionas son:
 Células bacterianas: son las más utilizadas, ya que tienen una alta velocidad de replicación, un
bajo coste de mantenimiento de las colonias y son fácilmente manipulables. En ellas, se realiza la
introducción del vector por:
o Transformación: la célula capta moléculas de ADN que se encuentran en su medio
externo, lo introduce en su interior y lo incorpora a su genoma.
o Transducción: Se introduce ADN a través de un virus bacteriófago, utilizado como
vector. Posteriormente, se incorpora a su genoma también.
 Células eucariotas: aunque las células eucariotas son, en general, difíciles de mantener se
usan levaduras y células tumorales:
o Levaduras: se utilizan en procesos relacionados con la investigación de la expresión y
la regulación génica y la síntesis de proteínas eucariotas.
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o Células tumorales: apropiadas en procesos de clonación, ya que la velocidad de
replicación es muy alta y se mantienen los caracteres sin producirse cambios, pues son
muy estables.
(*) Los métodos para la introducción del ADN recombinante facilitan la entrada de grandes
fragmentos de ADN, puesto que la membrana celular es selectiva y no permite la penetración de grandes
moléculas.
5. Propagación del cultivo
Se induce la división de células anfitrionas, de forma que se producen también copias de ADN
recombinante y, por ello, la clonación. Primero se efectúa una siembra en placas Petri con agar
como medio de cultivo. Se dejan crecer las colonias. Cada una de ellas será seleccionada y transferida
a distintos medios líquidos, donde seguirá aumentando el número de individuos de la colonia.
6. Detección y selección de los clones recombinantes
En los procesos de clonación se utiliza un gran número de células. Al final del proceso se hace
necesario separar las células que contienen ADN recombinante de las que no lo contienen.
La detección y la selección de colonias se realizan en los medios de cultivo. En los procesos de
clonación se obtienen células anfitrionas que no han incluido el vector y células recombinantes (= que han
incluido el vector con el ADN para recombinar)
Los métodos para detectar y seleccionar son:
 (*) Método de hibridación: se utiliza una sonda marcada (= Hebra sencilla de ARN o ADN que
buscará al gen determinado o a una secuencia de bases complementaria de la que se busca, a la
que previamente se la ha marcado con isótopos radioactivos) que hibrida con el ADN
recombinante o con el ARN mensajero que se transcribe a partir de él.
 Método inmunológico: se detecta la proteína codificada en el ADN recombinante mediante
anticuerpos específicos.
 Métodos genéticos: Los vectores de clonación deben llevar genes llamados marcadores, que
sirven para identificar las células que contienen dicho vector. Puede ser:
o Que la inserción del vector y el ADN recombinante se realice en un gen de la célula
anfitriona que queda desactivado. Por ejemplo, si la colonia no produce enzima lactasa,
es que el ADN recombinante se encuentra dentro del ADN bacteriano en ese gen.
o Que el vector contenga genes de resistencia a un antibiótico: en el medio se agrega el
antibiótico y sólo crecerá aquella colonia que sea resistente a él.
o Que se cultiven colonias con defectos nutricionales: se utilizan células anfitrionas
mutantes que no puedan sintetizar, por ejemplo, un aminoácido. Para que la colonia
sobreviva, el aminoácido debe ser añadido al medio de cultivo. Entonces, si se emplea
un vector que lleve el gen correcto para la síntesis de dicho aminoácido, y haciendo
crecer las colonias celulares en medios carentes de él, sólo crecerán las bacterias
(células anfitrionas) que lo lleven.
Restrictasa(Bacteria origen) Secuencia reconocida Fragmentos de restricción
EcoR1
(Escherichia coli)
...G-A-A-T-T-C...
...G-T-T-A-A-G...
A-A-T-T-C...
G...
G...
...C-T-T-A-A
Fig. Fragmentos de restricción originados por la enzima EcoRl
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SELECCIÓN DE TRANSFORMANTES
(*) La multiplicación de las células que contienen el ADN recombinante (ADNr), ya sea en un
plásmido o en un cósmido, o en su propio ADN (si se usó un virus vector), produce una clonación de
éste, es decir, la producción de múltiples copias idénticas de ADNr que lleva el gen extraño, una copia en
cada célula. Pero cada clon de células tendrá un fragmento de ADN extraño distinto. Al conjunto de estas
copias de ADNr diferentes se denomina biblioteca genómica. Lo que se tiene que hacer ahora es
seleccionar el clon de células (=colonia crecida en agar) en cuyo interior está contenido el fragmento de
ADN con el gen que interesa. Esto se consigue mediante la obtención de una molécula de ADN
complementario (ADNc) a partir de su propio ARNm procedente del gen extraño que se ha expresado.
DETERMINACIÓN DE LA SECUENCIA DE NUCLEÓTIDOS
Otra técnica de la ingeniería genética es la de determinar la secuencia de nucleótidos de un ADN:
Secuenciación de dicho ADN.
La técnica de la secuenciación
Consiste en la síntesis de ADN mediante la ADN polimerasa, a partir de la unión con el
primer o cebador. La diferencia con una síntesis de ADN normal es que además de los
nucleósidos trifosfato normales (dNTP) se añaden una pequeña cantidad de unos
didesoxinucleótidos trifosfato (ddNTP). Estos ddNTP son moléculas que parecen nucleótidos
normales excepto por carecer de un grupo hidroxilo (-OH) en posición 3'. Se añaden a una
cadena de ADN en crecimiento, pero finalizan o interrumpen la síntesis de ADN porque no se
pueden añadir más nucleótidos para ampliar la cadena debido a esa carencia.
En la reacción se mezcla la cadena sencilla del ADN que se quiere secuenciar junto con
el primer o cebador, la ADN polimerasa, los nucleósidos normales y una pequeña cantidad de uno
de estos ddNTP marcados (con isótopos o colorantes fluorescentes) La síntesis de ADN se inicia
con el cebador y finaliza cuando se incorpora un ddNTP en lugar de un dNTP normal. El resultado
es una serie de fragmentos de longitudes diferentes. Se producen cuatro reacciones, cada una de
ellas con un ddNTP diferente:
La reacción con ddATP produce fragmentos con A terminal.
La reacción con ddCTP produce fragmentos con C terminal.
La reacción con ddGTP produce fragmentos con G terminal.
La reacción con ddTTP produce fragmentos con T terminal.
Los fragmentos se someten a electroforesis (= Separación de moléculas en una
disolución en presencia de un campo eléctrico en gel de agarosa, para separar unos fragmentos
de otros según su tamaño. Los fragmentos más pequeños, presentan un desplazamiento más
veloz y dan lugar a bandas más desplazadas.
La técnica es conocida como de Sanger o del didesoxi.
Es necesario preparar cuatro reacciones de secuenciación, cada una con un didesoxinucleótido
distinto. Los fragmentos que resultan se separan por tamaño mediante electroforesis, se autorradiografían
dichos fragmentos de ADN, los cuales según su longitud se situarán en distintos sitios en una placa de gel
y de ahí se deduce la secuencia de nucleótidos.
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Fig. Técnica de Sanger
LA CLONACIÓN ACELULAR. PCR
(*) La clonación acelular o amplificación del ADN es un tipo de clonación de moléculas de
ADN o ARN sin la intervención de una célula. Mediante esta técnica se amplifica un gen o fragmento de
ADN, es decir, que se produce un gran número de copias. También puede realizarse una amplificación de
ARN utilizando un ADN complementario de ARN. Para este proceso se necesita la acción de la enzima
transcriptasa inversa.
La amplificación se hace por la técnica de la Reacción en Cadena de la Polimerasa o PCR
(Polimerase Chaine Reaction) Las aplicaciones de esta técnica son, por ejemplo, la clonación de ADN, la
búsqueda de mutaciones, el diagnóstico de enfermedades, estudios evolutivos, resolución de problemas
forenses, etc.
El método es sencillo, fiable y rápido. Para que se produzca la amplificación, en la mezcla de reacción
deben encontrarse los siguientes componentes (*):
 Fragmento de ADN que se desea amplificar. Puede provenir de distintos órganos, o de extracto
de tejidos, o de sangre, o de mezcla de distintos fragmentos de ADN, etc.
 Los cuatro tipos de desoxirribonucleótidos.
 Dos oligonucleótidos de cadena sencilla que actuarán como cebadores.
 Una ADN-polimerasa termoestable, ya que debe actuar a altas temperaturas (unos 75º C) y debe
mantener su estructura estable a temperaturas de 95º C.
La amplificación dura unas dos horas y es un proceso cíclico ( entre 20 y 40 ciclos) Cada ciclo dura
entre un minuto y medio y cinco minutos. Cuantos más ciclos se realicen, más se amplificará el ADN.
Cada ciclo consta de tres etapas que son (*):
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a) Desnaturalización: consiste en separar las dos hebras de ADN. Para ello, esta etapa se realiza a
una temperatura superior a la temperatura de fusión (=valor de temperatura a la que el ADN
tiene separadas sus hebras un 50%) Es una fase corta que dura unos segundos.
b) Hibridación, o templado: se induce a un enfriamiento brusco de la mezcla, lo que genera la unión
de los cebadores con las hebras de ADN. Esta fase dura segundos.
c) Replicación, o elongación, o polimerización: es la fase en la que el ADN se amplifica. Dura entre
uno y tres segundos, a una temperatura de unos 75º C. La replicación de esa secuencia se
realiza en sentido 5'  3'. Termina cuando lee toda la hebra molde, o hasta que empieza el
siguiente ciclo.
SECUENCIACIÓN
La técnica de la clonación de ADN ha permitido obtener gran cantidad de este ácido nucleido
para que pueda realizarse su secuenciación y conocer la composición química de cada gen, conocimiento
que se considera de incalculable valor. Esto ha posibilitado la obtención de secuencias de genomas
completos (son cada vez más los organismos y virus que son secuenciados, incluida la especie humana)
Fig. Clonación de ADN por la reacción en cadena de la polimerasa
ORGANISMOS GENÉTICAMENTE MODIFICADOS
La Comunidad Europea define a los (*) organismos modificados genéticamente como los
organismos cuyo ADN ha sido modificado de forma no natural (ni por reproducción, ni por mutación),
mediante técnicas de ingeniería genética.
Los organismos genéticamente modificados se crean introduciendo uno o más genes,
pertenecientes a otros seres, o quitando uno o más genes, pertenecientes al organismo. Estos
organismos son conocidos vulgarmente con el sobrenombre de transgénicos. Sin embargo, organismo
transgénico es una clase específica de organismo genéticamente modificado.
(*) Los organismos transgénicos están genéticamente modificados, pero con genes
pertenecientes a otros organismos muy distintos a ellos (distinta especie) Por ejemplo, un organismo
genéticamente modificado podría ser una rata con genes de otra rata. Un organismo transgénico
sería una merluza modificada con genes de un salmón.
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Los organismos genéticamente modificados han sido desarrollados para facilitar la mejora animal
y vegetal, ya que acortan los tiempos de espera en la depuración de la especie por selección de
individuos. También, se ha investigado en su desarrollo con otro fin distinto, el de crear organismos que,
de otro modo no se formarían en la naturaleza, como por ejemplo permitir la incorporación de ADN de
otra especie.
Las aplicaciones de los organismos genéticamente modificados son muy variadas. Se pueden destacar
las siguientes:
 En investigación: para el estudio de la expresión de genes y la creación de genotecas.
 En medicina: para la obtención de fármacos o proteínas cuya síntesis es difícil conseguir "in
vitro". También, para la obtención de tejidos u órganos, o la reparación de anomalías genéticas
en humanos.
 En agricultura y ganadería: para la mejora (no de forma tradicional) de plantas y animales.
 En la industria alimentaria: para la mejora de procesos biotecnológicos de elaboración de
alimentos (pan, vino, cerveza, yogur, etc.) y para la creación de alimentos nuevos.
La creación y utilización de organismos genéticamente modificados tiene muchas trabas legales,
debido al rechazo social existente. Los alimentos manufacturados a partir de este tipo de organismos sólo
se aceptan para el consumo humano si no queda proteína o ADN del organismo genéticamente
modificado. Si esto no se cumple, debe ponerlo en la etiqueta. Por ejemplo, en la fabricación del pan
utilizamos levadura. Cando el pan se cuece la levadura queda destruida. Esa levadura destruida puede ser
natural o genéticamente modificada, pero nunca lo sabremos.
APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS MICROORGANISMOS
Existen en la naturaleza unos centenares de especies de microorganismos(bacterias, levaduras,
mohos, algas unicelulares) que producen sustancias que presentan algún interés para la especie humana.
Los productos que tienen un interés comercial se pueden agrupar en tres clases (*):
a) Productos del metabolismo primario( dióxido de carbono, etanol, ácido acético,
aminoácidos, etc.)
b) Productos del metabolismo secundario (antibióticos, toxinas)
c) Macromoléculas (polisacáridos, enzimas); y células microbianas (pienso animal,
llamado proteínas microbianas)
Fg. Algunos de los principales productos industriales obtenidos con la ayuda de los microorganismos
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LA BIOTECNOLOGÍA EN LA AGRICULTURA Y LA GANADERÍA
Desde que el hombre reunió rebaños y sembró vegetales para su alimentación ha estado
buscando los mejores animales y vegetales para su producción. Ha cruzado individuos con distintas
características para intentar crear descendientes mejores que sus antecesores. Sin embargo, estos
cruzamientos no aseguran un resultado positivo. Mediante la Biotecnología se pueden (*) seleccionar
genes concretos e introducirlos en una célula, obteniendo un organismo nuevo al que llamamos
organismo genéticamente modificado, que poseerá las características que le hemos insertado.
Agricultura
En agricultura estas técnicas pueden constituir toda una revolución, ya que las células vegetales son
fácilmente manipulables. Los genes seleccionados se introducen en la célula vegetal mediante
microinyección o biobalística: Se trata de disparar bolitas de oro que llevan fragmentos de ADN
adheridos, con una especie de pistola, sobre una población de células. Las bolitas que queden en el
citoplasma pueden transferir el ADN que transportan a algún cromosoma de la célula bombardeada. Se
induce la división celular y, en poco tiempo, podemos tener un nuevo plantón, un organismo
genéticamente modificado. Con este sistema se han obtenido interesantes variedades, como por ejemplo:
 Transgénicos de maíz:
o Variedad resistente a las heladas.
o Variedad resistente al taladro del maíz: se ha introducido el gen de una toxina
bacteriana que provoca la muerte en la larva de la especie de insecto que provoca el
taladro del maíz.
o Variedad resistente a herbicidas.
 Transgénicos de la patata: se añaden genes de amaranta a la patata, con lo que ésta puede
formar proteínas ricas en aminoácidos esenciales. Así aumenta el valor nutritivo de la patata.
 Transgénicos de arroz: se añade un gen precursor del beta-caroteno para obtener vitamina A.
Con estas variedades y con otras muchas podrían combatirse casos de hambruna endémica en
distintas zonas del Planeta.
Las aplicaciones agrícolas van desde el mejoramiento de procesos básicos como la fotosíntesis y la
fijación de nitrógeno atmosférico por parte de las plantas, hasta la resistencia a herbicidas, agentes
patógenos y factores de estrés (salinidad del suelo, sequía, etc.), así como la obtención de productos
agrícolas de mejor calidad y características nuevas.
Producción de insecticidas biológicos
Para la resistencia a los insectos se utilizan cepas que producen, por ejemplo, toxinas dañinas
para sus larvas, de modo que no pueden desarrollarse sobre las plantas tansgénicas con dicho gen.
Ganadería
(*) La creación de animales transgénicos es un proceso más complicado que con vegetales. Las
células animales no son totipotentes (=Células embrionarias cuando aún tienen capacidad para
desarrollarse en cualquier tipo de célula, en condiciones adecuadas) Los mejores resultados se han
obtenido con peces, como el salmón, la carpa y la lubina. A individuos de estas especies se les ha añadido
el gen de la hormona del crecimiento, lo que produce un aumento de tamaño del pez en muy poco
tiempo. En el salmón se ha introducido otro gen, "el anticongelante". Así puede ser criado en aguas muy
frías.
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BIOTECNOLOGÍA Y MEDICINA
Medicina
Hasta épocas recientes, los medicamentos han sido extraídos de vegetales mediante técnicas y
procedimientos que han servido de base de trabajo para la industria farmacéutica. Con esta antigua
biotecnología se identificó gran cantidad de extractos vegetales que permitían paliar distintas dolencias.
Desde que Fleming, en 1929, descubrió la penicilina, se han utilizado muchos microorganismos,
aparte de Penicillium notatum. Las cepas de microorganismos productores se han ido seleccionando y, en
la actualidad, pueden crearse nuevas cepas, gracias a la Ingeniería Genética. No sólo se producen
antibióticos, también vacunas, medicamentos, etc.
La clonación ha permitido avances muy importantes en el campo de la Medicina. Estos avances
se han producido en la prevención y el diagnóstico de enfermedades, identificando genes mutados que
provocan diversas enfermedades. También se ha avanzado mucho en el tratamiento de enfermedades.
La prevención y el diagnóstico se corresponden con la investigación clínica, siendo necesario
técnicas de clonación y creación de sondas de ADN. El tratamiento requiere, en muchas ocasiones, la
creación de organismos genéticamente modificados.
En la industria farmacéutica
La industria farmacéutica invierte gran cantidad de recursos en la obtención de bacterias,
levaduras o mohos genéticamente modificados, capaces de producir antibióticos u otro tipo de
moléculas.
(*) En 1978 se consiguió introducir en la bacteria Escherichia coli el gen que codifica para la
síntesis de la insulina. Esta bacteria produce insulina humana, comercializada con el nombre de
Humulina. Al administrarse al paciente diabético no provoca problemas de rechazo, tal y como ocurría
anteriormente con la inyección de insulina animal.
(*) En 1985 se introdujo, también en la bacteria Escherichia coli, el gen que produce la
hormona del crecimiento (somatotropina)
(*) En 1952 se describieron y distinguieron los dos tipos de hemofilia: la de tipo A o clásica, y la
de tipo B o enfermedad de Christmas que se producen, respectivamente, al faltar los factores VIII y IX de
coagulación. Al principio el tratamiento de dichas enfermedades se basó en las transfusiones de sangre o
plasma. Posteriormente, se utilizaron los factores antihemofílicos purificados a partir del plasma humano, y
hoy día se utilizan los factores recombinantes obtenidos por ingeniería genética en células
modificadas de mamífero.
En otros trabajos se han creado vacas u ovejas genéticamente modificadas, que producen
enzimas humanas (granjas farmacéuticas)
Muchas vacunas, como la de la hepatitis B, se obtienen en la actualidad por ingeniería genética.
También se utilizan organismos genéticamente modificados para obtener tejidos compatibles con
los humanos. Estos tejidos animales son utilizados en los xenotrasplantes.
(*) Los últimos avances de estas técnicas corresponden a la terapia génica. Desde 1990 se han
desarrollado técnicas de modificación genética, trabajando con las células de los propios pacientes. Estas
terapias son individualizadas. Se puede reemplazar, sustituir, inhibir o introducir un gen, dependiendo de
cada paciente.
 La inserción génica consiste en introducir una copia del gen normal para que sustituya al gen
mutante no activo, del enfermo.
 Con la cirugía génica se extrae el gen defectuoso o se repara.
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16
 La supresión dirigida de células específicas consiste en introducir un gen que induzca la
muerte de esas células o la respuesta inmune contra ellas.
 En la inhibición dirigida de la expresión génica se silencia un gen que produce una proteína
perniciosa. Para ello, se actúa sobre el ARN mensajero para que éste no se exprese y la proteína
no se produce.
En la actualidad, estas técnicas pueden aplicarse en los casos donde se cumplan las siguientes
características:
 Que sean enfermedades monogénicas, es decir, sólo afectan a un gen.
 Que el gen afectado provoque una falta en la función de la célula.
 Que el gen se exprese siempre.
 Que el daño se produzca en un determinado tejido o tipo celular y no en todos.
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Fig. Síntesis de la somatostatina en Escherichia coli
BIOTECNOLOGÍA E INDUSTRIA ALIMENTARIA
(*) Una de las industrias que más recursos invierten en Biotecnología es la industria alimentaria.
Mediante Biotecnología se elaboran alimentos, aditivos, colorantes, vitaminas, etc. Todo ello se produce
por la acción de microorganismos sobre una materia prima. Los microorganismos más utilizados son las
levaduras y las bacterias. Las levaduras más frecuentes pertenecen a los géneros Saccharomyces,
Candida, etc. Y las bacterias más representativas son de los géneros Lactobacillus, Streptococcus,
Lactococcus y Acetobacter. Todos los microorganismos utilizados pertenecen a cepas industriales.
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18
Las cepas industriales deben tener las siguientes características (*):
 Cepas “clon” donde los individuos que actúan en el procesos con clones, esto es, individuos
genéticamente idénticos.
 Clones estables, que no muten.
 Cepas estables, que no modifiquen su producción en condiciones industriales.
Muchas de estas cepas están modificadas genéticamente, con el fin de mejorar su producción y
aumentar las ganancias de la industria. En la mayoría de los procesos biotecnológicos de producción de
alimentos los microorganismos transforman la materia prima en un proceso metabólico denominado
fermentación.
(*) La fermentación es un proceso catabólico, mediante el que se oxida materia rica en glúcidos
(a veces prótidos), produciendo moléculas más pequeñas y generando energía para el organismo que la
realiza. Se pueden destacar varios tipos de fermentaciones, como son la fermentación alcohólica, la
fermentación láctica y la, mal llamada, fermentación acética, pues desde el punto de vista bioquímico,
no es una auténtica fermentación, sino una oxidación incompleta de materia orgánica (interviene oxígeno
en el proceso)
(*)FERMENTACIÓN MICROORGANISMO SUSTRATO PRODUCTOS
FINALES
ALIMENTO
OBTENIDO
BALANCE
ENERGÉTICO
ALCOHÓLICA
Levaduras
(Saccharomyces)
Almidón,
glucosa
Etanol y CO2 Pan, vino,
cerveza,
etc.
2 ATPs por
molécula de
glucosa
LÁCTICA
Bacterias
(Streptococcus y
Lactobacillus)
Lactosa
(glucosa+g
alactosa)
Ácido láctico Yogur,
queso, etc.
2 ATPs por
molécula de
glucosa
Las fermentaciones se realizan en tanques especiales, llamados fermentadores, si se cultivan
cepas microbianas, o biorreactores, si se trata de células vegetales o animales.
El fermentador es un tanque en el que se pone en contacto la cepa microbiana con la materia
prima que se va a fermentar. Pueden ser fermentadores de flujo continuo o discontinuo. En los de flujo
continuo, como por ejemplo, en la elaboración de vinagre, el producto es retirado constantemente. En
los fermentadores de flujo discontinuo, que es el sistema más utilizado, debe cargarse de materia
prima. Seguidamente, es transformada y después se retira el producto del tanque de fermentación. Por
ello, la acción fermentativa de los microorganismos se interrumpe en los momentos de llenado y vaciado
del tanque.
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Fig. Fermentación de la cerveza
BIOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE. BIORREMEDIACIÓN
La contaminación del medio ambiente se produce de forma natural, por emisiones de gases o
sólidos de los volcanes. La actividad vital de los organismos del planeta también supone la emisión de
gases (CO2) o sustancias líquidas o sólidas que se acumulan en el medio que les rodea. (*) Un
contaminante es una sustancia producida y eliminada a la naturaleza, como resultado de la actividad
humana, y que tiene efectos nocivos o sobre los organismos vivos.
(*) Hay dos grandes grupos de contaminantes:
a) Los que son biodegradables, como las aguas residuales, que pueden reconvertirse en
productos no nocivos con un tratamiento adecuado.
b) Y los no biodegradables, como son los metales pesados (p.ej. el plomo, utilizados en
diferentes industrias, El DDT y otros productos como los pesticidas, etc., que se van acumulando
en el medio ambiente y pueden pasar a la cadena alimentaria.
Otros contaminante son el ruido, el calor o los residuos radioactivos.
De forma natural muchos microorganismos descomponen restos orgánicos que producimos. Otros
microorganismos son capaces de captar y fijar metales pesados. Otros permiten recuperar un suelo o
aguas contaminadas.
El ser humano, como organismo vivo, también produce alteraciones en el medio ambiente, como
decimos, por el simple hecho de vivir. Además, la actividad industrial supone una alteración mucho mayor.
El problema de la aglomeración urbana y la acumulación de residuos sólidos, líquidos o gaseosos supone
un problema aún más grave, tanto que el propio ecosistema parece incapaz de rectificar esas alteraciones.
(*) Para la protección del medio ambiente se utilizan técnicas de biorremediación empleando
microbios que son capaces de metabolizar el petróleo en casos de mareas negra y en el lavado de
tanques de petroleros; así como para descontaminar aguas residuales de diferentes industrias que
contengan metales pesados, uranio, hidrocarburos, etc.
En el proceso de degradación natural de los hidrocarburos se utiliza la acción de algunos
microorganismos, esencialmente las del género Pseudomonas, presentes naturalmente en el agua.
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20
Depuración de aguas residuales
Las aguas residuales generadas en las poblaciones urbanas deben regresar al medio ambiente,
ya sea a través del cauce de un río, un lago o el mar. Estas aguas no deben provocar una contaminación
en estos ecosistemas. Por ello, el agua residual se trata en plantas de depuración de agua para rebajar la
cantidad de contaminantes.
El sistema para la depuración del agua se divide en varias fases:
 Tratamiento primario: engloba una fase de pretratamiento de agua y una depuración
primaria en un decantador. Se retira del agua grandes sólidos (trapos, maderas, piezas de
coche, escombros) mediante una filtración por rejillas. Se separa del agua las grasas y se
corrige el pH para permitir un posterior ataque de microorganismos a la materia disuelta en ella.
En un decantador de grandes dimensiones se recogen los sólidos y precipitan en el fondo,
generando lodos que serán conducidos a un digestor.
 Tratamiento secundario: también llamado depuración secundaria. (*) Se elimina la
materia orgánica por acción de microorganismos. Este tratamiento es aerobio y se
comprueba su efectividad midiendo la cantidad de oxígeno consumido por los
microorganismos en la oxidación de la materia orgánica. A medida que disminuye la cantidad de
materia orgánica del agua, también disminuye el consumo de oxígeno.
 El agua que sale de este tratamiento entra en el tanque de decantación en el que, por
sedimentación, se depositan en el fondo materiales inorgánicos y orgánicos insolubles. Una vez
que sale el agua de este tanque en el que permanece, al menos dos días, ha perdido el 95% de
la materia orgánica que llevaba dispersa y es vertida al medio ambiente.
 (*) Los restos depositados en el tanque de decantación se trasladan a los digestores de cieno
(lodo), donde las bacterias fermentadoras y bacterias metanógenas, en un ambiente anaerobio,
producen el denominado biogas, que puede utilizarse como fuente de energía.
 Los sólidos depositados en el digestor de lodos se retiran periódicamente y, después de
eliminarse la mayor parte de los microorganismos, son utilizados como abono agrícola.
Vertidos de petróleo
Otro problema grave de contaminación del medio ambiente por la actividad humana es el
producido por el vertido de petróleo o sus derivados. (*) Algunas bacterias y mohos son capaces de
degradar de forma natural los hidrocarburos. Estos microorganismos pueden utilizarse para limpiar fondos
marinos, playas o agua. Sin embargo, estos microorganismos son seres vivos, por lo que necesitan unas
determinadas condiciones de vida. La variación en la temperatura del agua, las corrientes marinas, las
diferencias de concentraciones salinas del mar o la necesidad de nutrientes concretos son factores
limitantes para su desarrollo.
En los laboratorios de clonación se intenta crear cepas que puedan trabajar a temperaturas muy
bajas o que sus necesidades nutricionales se adapten al medio marino en el que van a desarrollar.
Residuos generados por explotaciones mineras
La explotación minera provoca grandes problemas de contaminación del suelo o de aguas
subterráneas por metales pesados. También, y de forma natural, existen microorganismos y plantas
capaces de acumular o transformar estos metales pesados, recuperando el medio ambiente dañado. El
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21
problema de algunos de estos microorganismos consiste en que necesitan oxígeno para llevar a cabo su
metabolismo, por lo que hay que bombear oxígeno al suelo para poder descontaminarlo.
En los laboratorios de clonación se está trabajando con cepas descontaminadoras, que puedan
concentrar metales pesados o que aceleren el ritmo de descontaminación. Entre las plantas con actividad
fitorremediadora se encuentran las crucíferas del género Brassica, capaces de acumular metales
pesados y arsénico. Estas plantas son objeto de estudio y selección en los laboratorios de clonación.
Diversos tipos de industrias utilizan microorganismos para la obtención de sustancias de interés
como aminoácidos (ácido glutámico en forma de glutamato monosódico usado como potenciador de
sabores y aromas); ácidos orgánicos como cítrico, acético (utilizado en la fabricación de acetatos, películas
fotográficas, etc.); butanol (empleado en la fabricación de plastificantes), etanol (como combustible),
enzimas como proteasas (usadas en detergentes), etc.
En las industrias mineras se utilizan microorganismos para extraer por biolixiviación (=Lavado de
minerales en presencia de bacterias que separan y concentran elementos metálicos y no metálicos de
interés) metales preciosos, metales pesados, uranio y petróleo.
BIOTECNOLOGÍA Y BIOÉTICA
En 1971, V. R. Potter utilizó por primera vez la palabra (*) bioética (=Control sobre los
descubrimientos y aplicaciones de la ingeniería genética) A ella se refirió como el diálogo entre la cultura
científica y la humanística. En la bioética se unen los valores éticos de la sociedad y los hechos biológicos
conseguidos por los científicos. Aunque la ciencia es imparable, en 1974 se acordó la interrupción de los
trabajos realizados con ADN recombinante. Fue la primera respuesta bioética. Con esta interrupción los
científicos se plantearon hasta dónde podían o querían llegar en el estudio con el ADN. En 1975 se
convocó la Conferencia de Asilomar. En ella se pusieron las bases para el trabajo de la manipulación
genética.
Día a día, la Ciencia y la Tecnología avanzan y se adelantan a las normas jurídicas. Una vez
conseguido un avance científico, su aplicación es inmediata. La Sociedad, a través de los medios de
información, examina ese avance y lo critica, lo apoya o lo rechaza. Sin embargo, en Biotecnología, ¿se
puede (o se debe) actuar así? (*) Al crear un organismo transgénico se introduce un gen que no ha
evolucionado con el resto del genoma y se desconocen las consecuencias que esto puede derivar.
Basándose en esta última idea, en 1992, en la Convención para la Biodiversidad se establecieron
una serie de reglas de valor universal que se pueden resumir en lo siguiente:
(*) "Sólo puede realizarse una acción (en la naturaleza) si se ha demostrado la
ausencia total de riesgos".
En 1993, el Comité Internacional de Bioética de la UNESCO estableció unas normas para evitar que la
Biotecnología atente contra la dignidad humana. Pero, ¿cómo puede la Biotecnología atentar contra la
biodiversidad o contra la dignidad humana?
(*) Los organismos genéticamente modificados se crean para resistir plagas,
herbicidas o condiciones extremas. Por esto, son más fuertes que otras especies
naturales. Al competir unas y otras por los recursos podría ocurrir que desaparecieran
las especies naturales.
La Biotecnología puede ayudar a curar enfermedades, pero para ello hay que trabajar con el
ADN humano, secuenciarlo y conocer su función. Supongamos que se recoge ADN de una población y se
detecta en algún individuo genes relacionados con el desarrollo de un cáncer. Si esos datos se hacen
públicos, esa persona tendría muy difícil cosas tales como conseguir un trabajo duradero, obtener un
seguro de vida o, simplemente, formar una familia.
Con los datos que se obtuvieran de la secuenciación de ADN se podría elegir el tipo de hijo que
se desea, no sólo que careciera de taras genéticas, sino que se podría escoger el color de ojos, de la piel,
complexión, etc.
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22
La legislación actual impide que los seres humanos sean considerados objetos de compra-venta,
pero las compañías biotecnológicas pueden patentar parte de un ser humano, como son los genes, las
células y los tejidos, así como la posibilidad de patentar los procesos para la creación de estas partes.
Podría parecer que los intereses de mercado están por encima del individuo o de la Humanidad.
Sólo teniendo valores éticos firmes e información veraz se puede controlar la aplicación de los
avances biotecnológicos.
IDEAS FUNDAMENTALES
1ª La Biotecnología recoge conocimientos de distintas disciplinas y se aplica para obtener alimentos elaborados,
medicamentos, mejora en las especies y para remediar problemas medioambientales.
2ª Los avances en Biotecnología se han conseguido variando los genes de los seres vivos mediante técnicas de Ingeniería
Genética.
3ª La clonación es el proceso seguido para obtener un clon. La clonación puede ser de moléculas, de células o de
organismos completos.
4ª Un clon es un conjunto de elementos genéticamente iguales. Todos los elementos de ese conjunto son clones entre sí.
5ª En la clonación celular, un fragmento de ADN se introduce en un vector y, a su vez, éste dentro de una célula
anfitriona. Este tipo de clonación utiliza enzimas de restricción.
6ª La clonación acelular, o técnica de la PCR, se realiza mediante un proceso en cadena, en el que se desnaturaliza,
híbrida y sintetiza un fragmento de ADN continuamente.
7ª Los organismos genéticamente modificados se crean al cambiar el ADN de un individuo mediante técnicas de ingeniería
genética. Las aplicaciones de estos organismos se encuentran en la investigación, medicina, agricultura, ganadería,
industria y medio ambiente.
8ª La Biotecnología se aplica en la agricultura, la ganadería y la industria para mejorar genéticamente a organismos, para
ser más productivos.
9ª La Biotecnología se aplica en Medicina para la obtención de nuevos fármacos, antibióticos, hormonas, sustancias
antivíricas, tejidos y órganos para transplantes.
10ª La terapia génica consiste en modificar el ADN de las células de un paciente y reintroducirlas, modificadas, para
conseguir su curación.
11ª El proceso biotecnológico aplicado a la industria alimentaria es la fermentación.
12ª La biorremediación consiste en un conjunto de actuaciones biotecnológicas encaminadas a la recuperación de una
zona contaminada.
13ª La Bioética es un control sobre los descubrimientos y aplicaciones de la ingeniería genética.
GLOSARIO
A-H
ADN complementario. Molécula de ADN obtenida a partir de ARNm mediante la enzima transcriptasa
inversa.
Anticuerpo monoclonal. Anticuerpo fabricado por un clon de un hibridoma.
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Biblioteca genómica. Conjunto de fragmentos distintos de ADN que sé clonan dentro de bacterias
transformadas al dividirse éstas.
Biolixiviación. Lavado de minerales en presencia de bacterias que separan y concentran elementos
metálicos y no metálicos de interés.
Biorremediación. Proceso que tiene como fin remediar un problema ambiental mediante el empleo de
organismos vivos.
Biotecnología. Ciencia que estudia las técnicas que utilizan células vivas para la obtención de
organismos, servicios, instrumentos y productos útiles. Comprende las técnicas de fermentación industrial,
la ingeniería genética, la clonación, etc.
Clonación. 1.Producción de individuos genéticamente idénticos. 2. Multiplicación asexuada de
microorganismos o de poblaciones celulares con un mismo patrimonio genético. 3.Proceso de replicación
de moléculas de ADN para obtener un gran número de ellas idénticas.
Clonación humana. Proceso para obtener individuos genéticamente idénticos o poblaciones celulares
humanas con una misma información genética.
Cósmido. Molécula circular de ADN fabricada artificialmente y que funciona como un vector génico al
contener genes extraños que se desean insertar en bacterias receptoras.
Genoma. Conjunto de todos los genes que contiene un juego completo de cromosomas, en un núcleo
haploide.
Hibridoma. Célula híbrida inmortal productora de anticuerpos monoclonales, obtenida de una célula
plasmática productora de anticuerpos y una célula tumoral de mieloma
Huella genética. Resultado de aplicar la técnica del perfilado de ADN para detectar secuencias
específicas de cada persona llamadas minisatélites.
I-S
Ingeniería genética. Conjunto de técnicas con las que se consigue transferir genes de unas especies a
otras o entre individuos de la misma especie.
Mapa de restricción. Mapa de una parte del material genético de una especie obtenido por comparación
de fragmentos de restricción resultantes de la aplicación de varias enzimas restrictasas. Refleja la
disposición de secuencias completas de nucleótidos específicas de la región analizada.
Micropropagación. Técnica de obtención de poblaciones celulares clónicas en plantas a partir de las
cuales obtener nuevos individuos.
Minisatélites. Regiones del ADN que presentan secuencias de nucleótidos repetidas en tándem (unas a
continuación de otras) Su detección sirve para obtener la huella genética de una persona.
Plásmido. Molécula de ADN circular presente en algunas bacterias independientemente del cromosoma
bacteriano, es empleado como vector génico para transferir genes extraños entre bacterias.
Prueba del ADN. Técnica consistente en la detección de minisatélites en el ADN de las personas para su
identificación, puesto que con ella se obtiene la huella genética.
Reprogramación. Proceso de diferenciación celular invertida por el que una célula especializada es capaz
de comportarse como embrionaria.
Restrictasas. Clase de enzimas que cortan el ADN por sitios específicos. Se usan para obtener
fragmentos de ADN con distintos fines: mapas de restricción, pruebas del ADN, obtención de ADN
recombinante, etc.
Subunidades. Parte de un microorganismo patógeno con poder inmunizante. Puede ser la proteína de la
cápsida de un virus, una sustancia tóxica bacteriana o un polisacárido de la cápsula bacteriana.
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T-V
Técnica del ADN recombinante. Técnica por la cual se obtiene una molécula de ADN con uno o más
genes extraños que se desean insertar en una célula receptora.
Terapia génica. Modalidad de curación de enfermedades genéticas producidas por un solo gen
defectuoso, o curación de enfermedades con introducción de genes extraños que proporcionen caracteres
saludables.
Transfección. Tranferencia de material genético extraño a células somáticas eucariotas.
Transferencia nuclear. Transporte artificial de un núcleo de una célula a la que se le ha extraído a otra
célula receptora a la que se le ha extirpado su núcleo previamente.
Transferencia de Southern. Técnica para el análisis de clones de ADN por hibridación con fragmentos
de restricción con el fin de localizar los genes que interesen.
Transformación. Transferencia natural o artificial de ADN extraño entre bacterias usando vectores
génicos que la facilitan.
Transformación biolística. Técnica consistente en bombardear una población celular de origen animal o
vegetal con partículas de oro que llevan adheridas moléculas de ADN con genes que interesa transferir.
Transgénesis. Inoculación de material genético extraño a todas las células de un organismo eucariota
manipulando las células reproductoras o los zigotos
Virus vector. Clase de virus que se emplea para transferir ADN extraño entre bacterias o a células
eucariotas.
NOTA
El desarrollo del tema “Biotecnología” del bloque de “Microbiología y Biotecnología”
del temario de Biología de 2º de Bachillerato, se basa, a su vez, en el contenido de la
página web del MECD (Ministerio de Educación, Ciencia y Deportes): PROYECTO BIOSFERA
(Iris.cnice.mecd,es), ampliado además con otras fuentes de consulta editorial.
AGRADECIMIENTOS
A los 18 alumnos “correctores” de Biología de 2º-A de Bachillerato del curso 2004-
2005, por su gran ayuda a la hora de mejorar, en lo posible, el contenido de estos
apuntes.
Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005
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  • 1. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 1 BLOQUE 4. MICROBIOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA TEMA 6. BIOTECNOLOGÍA TEMARIO Los microorganismos: Un grupo taxonómicamente heterogéneo. Sus formas de vida. Presencia de los microorganismos en los procesos industriales. Su utilización y manipulación en distintos ámbitos, importancia social y económica. Productos elaborados por medio de biotecnología. Aplicaciones más frecuentes. La biorremediación y sus aplicaciones medioambientales: Fitorremediación, biodegradación y eliminación de elementos pesados. CONOCIMIENTOS MÍNIMOS BIOTECNOLOGÍA. Concepto y aplicaciones (véase ingeniería genética en el apartado 3) BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA ALIMENTARIA  Fermentación alcohólica para elaboración de bebidas (vino, cerveza, etc.) o Microorganismos implicados  Fermentación láctica para la elaboración de derivados lácteos (queso, yogur, cuajada, etc.) o Microorganismos que la llevan a cabo (Ej. Bacterias de los géneros Lactobacillus y Streptococcus, entre otras.  Balance global de estos procesos (productos iniciales y finales) BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA  Producción de antibióticos. o Ejemplos de especies de bacterias (Streptomyces) y de hongos implicados Penicillium) etc. o Producción industrial de vacunas y sueros y su importancia para disminuir la incidencia de enfermedades infecciosas. o Producción de otras sustancias:  Hormonas (insulina, hormona del crecimiento, hormonas esteroídicas)  Algunos factores de coagulación sanguínea.  Enzimas utilizados en fármacos. BIOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE o Concepto de biorremediación, Fitorremediación y biodegradación. El alumno deberá conocer la función de los microorganismos en el tratamiento de residuos: Depuración de aguas residuales, basuras, residuos industriales y agrícolas; utilización de microorganismos para la eliminación de mareas negras (Ej. Bacterias del género Pseudomonas) Producción microbiana de compuestos biodegradables ( Ej. Bioplásticos etc.) BIOTCNOLOGÍA APLICADA A INDUSTRIAS AGROPECUARIAS  Producción de proteínas microbianas para suplemento de piensos.  Producción de insecticidas biológicos.  Obtención de plantas y animales transgénicos. (Véase apartado 3)
  • 2. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 2 INDICE  BIOTECNOLOGÍA  CLONACIÓN o ADN recombinante o Clonación acelular o Organismos genéticamente modificados  APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS MICROORGANISMOS o Industria farmacológica o Industria alimentaria o Industria química y minera  APLICACIONES MEDIOAMBIENTALES  APLICACIONES AGRÍCOLAS, GANADERAS Y PISCÍCOLAS o Clonación en plantas o Plantas transgénicas o Clonación en animales o Animales transgénicos  APLICACIONES MÉDICAS o Proyecto Genoma Humano o Detección de enfermedades genéticas y terapia génica o Vacunas y anticuerpos  BIOÉTICA
  • 3. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 3 MAPA CONCEPTUAL
  • 4. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 4 BIOTECNOLOGÍA La Biotecnología es una disciplina que engloba conocimientos de microbiología, bioquímica, genética molecular, ingeniería industrial, inmunología, farmacología, ciencias medioambientales e informática. (*) Estos conocimientos se aplican para transformar una sustancia en un producto de interés. Esta transformación se realiza por la acción de un ser vivo. (*) La Biotecnología manipula y modifica microorganismos o células obtenidas de animales y plantas en el ámbito de las industrias que manejan organismos y de los servicios (medicina, derecho) Por tanto, no se incluyen actividades que manipulen animales o plantas enteras, aunque éstas son necesarias posteriormente. Con la aplicación de la Biotecnología no sólo se persigue la obtención de alimentos elaborados. También se consiguen medicamentos, mejora de especies vegetales y animales, regeneración de medio ambiente dañado e, incluso, proteínas humanas que ayudan a paliar enfermedades como anemia, enanismo o diabetes. (*) La consecución de estos logros se está llevando a cabo gracias a la aparición de las técnicas de ingeniería genética que permiten variar los genes de los seres vivos. LA INGENIERÍA GENÉTICA Desde siempre, los humanos han intentado mejorar la producción de un alimento, tanto por la calidad como por la cantidad. Por ello, se han seleccionado razas o variedades de distintas especies. Estos individuos se han cruzado de forma inducida con el fin obtener buenos resultados. Los espectaculares avances conseguidos actualmente en este proceso de selección se deben en gran parte a la capacidad tecnológica para poder modificar el ADN de los seres vivos. La Genética molecular ha sido la pieza central de los estudios de Biología desde que James Watson y Francis Crick dieron a conocer la estructura del ADN. A partir de 1970 se desarrolla un conjunto de técnicas que se denomina (*) Ingeniería genética y que consiste en manipular el ADN, obtener fragmentos del mismo, secuenciarlos e identificar los genes del genoma de un individuo, modificar su secuencia e, incluso, introducir nuevos genes en el genoma de un ser vivo, obteniendo con ello una nueva variedad biológica con nuevas características. (*) Como vemos, la ingeniería genética es una técnica que introduce genes en el ADN de un individuo que no los tiene. Para llevar a cabo el proceso, se utiliza enzimas de restricción que”cortan”el ADN en puntos concretos. Cuando se mezclan los ADNs el resultado se conoce como ADN recombinante. Algunas de las técnicas que pueden utilizarse son:  Aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para introducirlo en otro: ADN recombinante.  Conocer el orden o secuencia de los nucleótidos de un gen: Secuenciación del ADN.  Aumentar el número de copias de un fragmento de ADN que se quiere estudiar: Reacción en cadena de polimerasa (PCR) (*) La ingeniería genética, conocida también como manipulación genética, surge en los años 70 (siglo XX) cuando se consigue introducir material genético de una especie en células de otra especie muy distinta. (*) En la naturaleza se produce una transferencia de material genético entre bacterias, fenómeno llamado transformación. La transferencia de forma artificial se realiza mediante la técnica del ADN recombinante. CONCEPTO DE CLONACIÓN (*) El proceso de clonación está encaminado a la obtención de un clon. Un clon es un conjunto de elementos genéticamente iguales. Todos los elementos del clon son iguales entre sí e iguales al elemento precursor. La palabra clon también se utiliza para denominar a cada uno de los elementos genéticamente iguales. Cada uno es un clon de los otros, es decir, son clónicos entre sí. Los elementos del clon pueden ser moléculas, células u organismos completos.
  • 5. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 5 Hay que entender que la clonación es un proceso natural, ya que, por ejemplo, las células somáticas pertenecientes a un mismo tejido son células clónicas. Incluso, los hermanos gemelos univitelinos son un clon. El proceso de clonación es importante en Biotecnología, (*) debido a la capacidad que ofrece para multiplicar moléculas de ADN o ARN, células e, incluso, individuos completos. Así, podemos distinguir distintos tipos de clonación, atendiendo a la finalidad perseguida:  Clonación de ADN o ARN mediante la técnica de clonación acelular (PCR), o la de clonación celular. Se utiliza para aumentar el número de moléculas de ácido nucleico que se utilizan en una investigación.  Clonación de células No hay que confundirla con la clonación celular. En este proceso se pueden clonar células aisladas o tejidos u órganos. Puede utilizarse para terapias génicas, por ejemplo, en enfermos diabéticos.  Clonación de organismos completos, tanto plantas como animales Se suele utilizar en procesos de mejora genética de especies. ADN RECOMBINANTE O CLONACIÓN CELULAR La técnica del ADN recombinante se utiliza en estudios sobre la regulación de la expresión génica, en la regulación de la producción comercial de síntesis de proteínas como la insulina o la hormona del crecimiento, en el desarrollo de organismos transgénicos y en la amplificación del ADN, es decir, en obtener un gran número de copias de un gen determinado. En este último caso, existe una técnica mejor, denominada con las siglas PCR. (*) La técnica permite obtener fragmentos de ADN pequeños y manejables, con un gen o genes que se desee, en cantidades ilimitadas. Se introduce el gen o material seleccionado en el interior de un vector y éste, a su vez, dentro de una célula, denominada célula anfitriona. Aprovechando la maquinaria celular, el gen se expresa, sintetizándose así la proteína codificada en el gen. Además, al dividirse la célula, las nuevas células formadas contienen ese gen que también sintetizan esa proteína. Se genera un grupo celular que contiene un genoma distinto. De forma sencilla diríamos que es como si cortamos”un gen”a un organismo y se”pegamos”al de una bacteria y si, por ejemplo, fuese el gen que regula la insulina entonces la bacteria la fabricaría. Las etapas en la producción de ADN recombinante son las siguientes: 1. Preparar cortes de ADN cortados en pequeños fragmentos por enzimas de restricción y obtener clones de ellos 2. Preparación de un vector de clonación 3. Formación del ADN recombinante 4. Introducción del ADN recombinante en una célula anfitriona 5. Propagación del cultivo 6. Detección y selección de clones recombinantes 1. Preparación de la secuencia del ADN para su clonación (*) Es la parte esencial del proceso, ya que el ADN debe separarse y concentrarse.  Partimos de células con núcleo, que deben ser lisadas (rotas)  Las proteínas estructurales, enzimas, ARN y restos moleculares deben separarse del ADN.  El ADN obtenido se concentra y se fragmenta por acción de las enzimas de restricción. (*) Estas enzimas pertenecen al grupo denominado nucleasas y son enzimas que actúan sobre los enlaces fosfodiéster de la cadena de nucleótidos. Estas enzimas actúan sobre los nucleótidos no terminales de la cadena de ADN. Son producidas por muchas bacterias.
  • 6. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 6 (*) Las enzimas de restricción son enzimas muy específicas, que reconocen una secuencia corta de ADN duplex rompiendo las dos hebras en los "sitios de reconocimiento" o de restricción. (*) Reconocen secuencias palindrómicas del ADN (=Se leen igual en sentido 5’  3’ en las dos hebras) y las cortan por un lugar determinado. Por ejemplo, la enzima EcoRI de la bacteria Escherichia coli reconoce la secuencia GAATTC en las dos hebras y rompe entre G y A. Como las dos cadenas se han roto en el mismo punto, los extremos que quedan a cada lado del corte son complementarios (segmentos cohesivos o pegajosos) Estos segmentos pueden unirse a otros segmentos de ADN de otro organismo (cortados por la misma enzima de restricción), ya que se adhieren a fragmentos de ADN con secuencias de bases complementarias. Algunas de estas enzimas también pueden cortar dejando extremos romos. 2. Preparación de un vector de clonación (*) Se obtiene así la molécula de ADN recombinante y que, mediante un vector, podrá introducirse en una bacteria que, al replicarse, permitirá obtener muchos clones de ADN (copias) de ese fragmento de ADN como veremos. Según el tipo de enzima, el sitio de reconocimiento puede coincidir con el sitio de corte o no. Los sitios de restricción son secuencias cortas, de cuatro a ocho pares de bases.  Si el ADN debe expresarse hay que añadir los segmentos reguladores de la expresión génica. 3. Preparación de un vector de clonación (*) La transformación de bacterias con ADN extraño se produce en muy pocas células (baja eficacia) en condiciones de laboratorio. Por ello, se emplean vectores genéticos que funcionan como taxistas que transportan a un cliente: el ADN recombinante. El vector es el portador de la secuencia de ADN que se desea clonar. Un vector debe presentar las siguientes características:  Una pequeña secuencia de ADN fácil de aislar, como, por ejemplo, un plásmido (=Fragmento extra de ADN bicatenario circular, que existe en algunas especies de bacterias)
  • 7. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 7 También podría usarse: Un cósmido : Similar al plásmido pero de mayor longitud. Un virus vector: En este caso, el ADN extraño que se quiere transferir se incorpora al ADN vírico y funciona como ADN recombinante.  Contener distintos puntos de ataque a enzimas de restricción y que sean conocidos.  Poder ser incluido en la célula anfitriona con facilidad.  Replicarse de forma independiente al ADN de la célula anfitriona.  Poseer un gen marcador con el que puedan identificarse y seleccionar las células clonadas. Un ejemplo de marcador puede ser la resistencia a un antibiótico. Si la introducción de ADN extraño se realiza en células eucariotas no reproductoras se denomina al proceso transfección; y si la introducción se realiza en células reproductoras de plantas y animales, la alteración génica va a estar presente en todas células del cuerpo, en este caso se habla de transgénesis. Las etapas del proceso consisten en: a) Cortar el vector con enzimas de restricción, las mismas enzimas que se utilizaron para cortar el ADN que se quiere insertar. b) Unir el vector y el ADN que se van a clonar mediante los llamados extremos cohesivos, o pegajosos, o escalonados. Una vez que el ADN ha sido introducido en el vector se denomina ADN inserto, o simplemente, inserto. Los tipos de vectores que se utilizan suelen ser plásmidos, virus, cromosomas creados de forma artificial y quimeras (=molécula creada en el laboratorio, formada por combinación de ADN de un plásmido y ADN de un virus bacteriófago)
  • 8. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 8 Fig. Enzimas de restricción 3. Formación del ADN recombinante En esta etapa se produce (*) la unión covalente del vector y el ADN inserto mediante una ligasa. Así se realiza el sellado de la llamada mella, muesca o nick. 4. Introducción del ADN recombinante en la célula anfitriona (*) Para la clonación (replicación del ADN recombinante) se necesita la maquinaria celular. Por ello, hay que introducir el ADN recombinante en una célula anfitriona (=o célula receptora, o célula hospedadora) Célula en la que se introduce un vector que contiene el ADN inserto. Los tipos de células anfitrionas son:  Células bacterianas: son las más utilizadas, ya que tienen una alta velocidad de replicación, un bajo coste de mantenimiento de las colonias y son fácilmente manipulables. En ellas, se realiza la introducción del vector por: o Transformación: la célula capta moléculas de ADN que se encuentran en su medio externo, lo introduce en su interior y lo incorpora a su genoma. o Transducción: Se introduce ADN a través de un virus bacteriófago, utilizado como vector. Posteriormente, se incorpora a su genoma también.  Células eucariotas: aunque las células eucariotas son, en general, difíciles de mantener se usan levaduras y células tumorales: o Levaduras: se utilizan en procesos relacionados con la investigación de la expresión y la regulación génica y la síntesis de proteínas eucariotas.
  • 9. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 9 o Células tumorales: apropiadas en procesos de clonación, ya que la velocidad de replicación es muy alta y se mantienen los caracteres sin producirse cambios, pues son muy estables. (*) Los métodos para la introducción del ADN recombinante facilitan la entrada de grandes fragmentos de ADN, puesto que la membrana celular es selectiva y no permite la penetración de grandes moléculas. 5. Propagación del cultivo Se induce la división de células anfitrionas, de forma que se producen también copias de ADN recombinante y, por ello, la clonación. Primero se efectúa una siembra en placas Petri con agar como medio de cultivo. Se dejan crecer las colonias. Cada una de ellas será seleccionada y transferida a distintos medios líquidos, donde seguirá aumentando el número de individuos de la colonia. 6. Detección y selección de los clones recombinantes En los procesos de clonación se utiliza un gran número de células. Al final del proceso se hace necesario separar las células que contienen ADN recombinante de las que no lo contienen. La detección y la selección de colonias se realizan en los medios de cultivo. En los procesos de clonación se obtienen células anfitrionas que no han incluido el vector y células recombinantes (= que han incluido el vector con el ADN para recombinar) Los métodos para detectar y seleccionar son:  (*) Método de hibridación: se utiliza una sonda marcada (= Hebra sencilla de ARN o ADN que buscará al gen determinado o a una secuencia de bases complementaria de la que se busca, a la que previamente se la ha marcado con isótopos radioactivos) que hibrida con el ADN recombinante o con el ARN mensajero que se transcribe a partir de él.  Método inmunológico: se detecta la proteína codificada en el ADN recombinante mediante anticuerpos específicos.  Métodos genéticos: Los vectores de clonación deben llevar genes llamados marcadores, que sirven para identificar las células que contienen dicho vector. Puede ser: o Que la inserción del vector y el ADN recombinante se realice en un gen de la célula anfitriona que queda desactivado. Por ejemplo, si la colonia no produce enzima lactasa, es que el ADN recombinante se encuentra dentro del ADN bacteriano en ese gen. o Que el vector contenga genes de resistencia a un antibiótico: en el medio se agrega el antibiótico y sólo crecerá aquella colonia que sea resistente a él. o Que se cultiven colonias con defectos nutricionales: se utilizan células anfitrionas mutantes que no puedan sintetizar, por ejemplo, un aminoácido. Para que la colonia sobreviva, el aminoácido debe ser añadido al medio de cultivo. Entonces, si se emplea un vector que lleve el gen correcto para la síntesis de dicho aminoácido, y haciendo crecer las colonias celulares en medios carentes de él, sólo crecerán las bacterias (células anfitrionas) que lo lleven. Restrictasa(Bacteria origen) Secuencia reconocida Fragmentos de restricción EcoR1 (Escherichia coli) ...G-A-A-T-T-C... ...G-T-T-A-A-G... A-A-T-T-C... G... G... ...C-T-T-A-A Fig. Fragmentos de restricción originados por la enzima EcoRl
  • 10. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 10 SELECCIÓN DE TRANSFORMANTES (*) La multiplicación de las células que contienen el ADN recombinante (ADNr), ya sea en un plásmido o en un cósmido, o en su propio ADN (si se usó un virus vector), produce una clonación de éste, es decir, la producción de múltiples copias idénticas de ADNr que lleva el gen extraño, una copia en cada célula. Pero cada clon de células tendrá un fragmento de ADN extraño distinto. Al conjunto de estas copias de ADNr diferentes se denomina biblioteca genómica. Lo que se tiene que hacer ahora es seleccionar el clon de células (=colonia crecida en agar) en cuyo interior está contenido el fragmento de ADN con el gen que interesa. Esto se consigue mediante la obtención de una molécula de ADN complementario (ADNc) a partir de su propio ARNm procedente del gen extraño que se ha expresado. DETERMINACIÓN DE LA SECUENCIA DE NUCLEÓTIDOS Otra técnica de la ingeniería genética es la de determinar la secuencia de nucleótidos de un ADN: Secuenciación de dicho ADN. La técnica de la secuenciación Consiste en la síntesis de ADN mediante la ADN polimerasa, a partir de la unión con el primer o cebador. La diferencia con una síntesis de ADN normal es que además de los nucleósidos trifosfato normales (dNTP) se añaden una pequeña cantidad de unos didesoxinucleótidos trifosfato (ddNTP). Estos ddNTP son moléculas que parecen nucleótidos normales excepto por carecer de un grupo hidroxilo (-OH) en posición 3'. Se añaden a una cadena de ADN en crecimiento, pero finalizan o interrumpen la síntesis de ADN porque no se pueden añadir más nucleótidos para ampliar la cadena debido a esa carencia. En la reacción se mezcla la cadena sencilla del ADN que se quiere secuenciar junto con el primer o cebador, la ADN polimerasa, los nucleósidos normales y una pequeña cantidad de uno de estos ddNTP marcados (con isótopos o colorantes fluorescentes) La síntesis de ADN se inicia con el cebador y finaliza cuando se incorpora un ddNTP en lugar de un dNTP normal. El resultado es una serie de fragmentos de longitudes diferentes. Se producen cuatro reacciones, cada una de ellas con un ddNTP diferente: La reacción con ddATP produce fragmentos con A terminal. La reacción con ddCTP produce fragmentos con C terminal. La reacción con ddGTP produce fragmentos con G terminal. La reacción con ddTTP produce fragmentos con T terminal. Los fragmentos se someten a electroforesis (= Separación de moléculas en una disolución en presencia de un campo eléctrico en gel de agarosa, para separar unos fragmentos de otros según su tamaño. Los fragmentos más pequeños, presentan un desplazamiento más veloz y dan lugar a bandas más desplazadas. La técnica es conocida como de Sanger o del didesoxi. Es necesario preparar cuatro reacciones de secuenciación, cada una con un didesoxinucleótido distinto. Los fragmentos que resultan se separan por tamaño mediante electroforesis, se autorradiografían dichos fragmentos de ADN, los cuales según su longitud se situarán en distintos sitios en una placa de gel y de ahí se deduce la secuencia de nucleótidos.
  • 11. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 11 Fig. Técnica de Sanger LA CLONACIÓN ACELULAR. PCR (*) La clonación acelular o amplificación del ADN es un tipo de clonación de moléculas de ADN o ARN sin la intervención de una célula. Mediante esta técnica se amplifica un gen o fragmento de ADN, es decir, que se produce un gran número de copias. También puede realizarse una amplificación de ARN utilizando un ADN complementario de ARN. Para este proceso se necesita la acción de la enzima transcriptasa inversa. La amplificación se hace por la técnica de la Reacción en Cadena de la Polimerasa o PCR (Polimerase Chaine Reaction) Las aplicaciones de esta técnica son, por ejemplo, la clonación de ADN, la búsqueda de mutaciones, el diagnóstico de enfermedades, estudios evolutivos, resolución de problemas forenses, etc. El método es sencillo, fiable y rápido. Para que se produzca la amplificación, en la mezcla de reacción deben encontrarse los siguientes componentes (*):  Fragmento de ADN que se desea amplificar. Puede provenir de distintos órganos, o de extracto de tejidos, o de sangre, o de mezcla de distintos fragmentos de ADN, etc.  Los cuatro tipos de desoxirribonucleótidos.  Dos oligonucleótidos de cadena sencilla que actuarán como cebadores.  Una ADN-polimerasa termoestable, ya que debe actuar a altas temperaturas (unos 75º C) y debe mantener su estructura estable a temperaturas de 95º C. La amplificación dura unas dos horas y es un proceso cíclico ( entre 20 y 40 ciclos) Cada ciclo dura entre un minuto y medio y cinco minutos. Cuantos más ciclos se realicen, más se amplificará el ADN. Cada ciclo consta de tres etapas que son (*):
  • 12. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 12 a) Desnaturalización: consiste en separar las dos hebras de ADN. Para ello, esta etapa se realiza a una temperatura superior a la temperatura de fusión (=valor de temperatura a la que el ADN tiene separadas sus hebras un 50%) Es una fase corta que dura unos segundos. b) Hibridación, o templado: se induce a un enfriamiento brusco de la mezcla, lo que genera la unión de los cebadores con las hebras de ADN. Esta fase dura segundos. c) Replicación, o elongación, o polimerización: es la fase en la que el ADN se amplifica. Dura entre uno y tres segundos, a una temperatura de unos 75º C. La replicación de esa secuencia se realiza en sentido 5'  3'. Termina cuando lee toda la hebra molde, o hasta que empieza el siguiente ciclo. SECUENCIACIÓN La técnica de la clonación de ADN ha permitido obtener gran cantidad de este ácido nucleido para que pueda realizarse su secuenciación y conocer la composición química de cada gen, conocimiento que se considera de incalculable valor. Esto ha posibilitado la obtención de secuencias de genomas completos (son cada vez más los organismos y virus que son secuenciados, incluida la especie humana) Fig. Clonación de ADN por la reacción en cadena de la polimerasa ORGANISMOS GENÉTICAMENTE MODIFICADOS La Comunidad Europea define a los (*) organismos modificados genéticamente como los organismos cuyo ADN ha sido modificado de forma no natural (ni por reproducción, ni por mutación), mediante técnicas de ingeniería genética. Los organismos genéticamente modificados se crean introduciendo uno o más genes, pertenecientes a otros seres, o quitando uno o más genes, pertenecientes al organismo. Estos organismos son conocidos vulgarmente con el sobrenombre de transgénicos. Sin embargo, organismo transgénico es una clase específica de organismo genéticamente modificado. (*) Los organismos transgénicos están genéticamente modificados, pero con genes pertenecientes a otros organismos muy distintos a ellos (distinta especie) Por ejemplo, un organismo genéticamente modificado podría ser una rata con genes de otra rata. Un organismo transgénico sería una merluza modificada con genes de un salmón.
  • 13. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 13 Los organismos genéticamente modificados han sido desarrollados para facilitar la mejora animal y vegetal, ya que acortan los tiempos de espera en la depuración de la especie por selección de individuos. También, se ha investigado en su desarrollo con otro fin distinto, el de crear organismos que, de otro modo no se formarían en la naturaleza, como por ejemplo permitir la incorporación de ADN de otra especie. Las aplicaciones de los organismos genéticamente modificados son muy variadas. Se pueden destacar las siguientes:  En investigación: para el estudio de la expresión de genes y la creación de genotecas.  En medicina: para la obtención de fármacos o proteínas cuya síntesis es difícil conseguir "in vitro". También, para la obtención de tejidos u órganos, o la reparación de anomalías genéticas en humanos.  En agricultura y ganadería: para la mejora (no de forma tradicional) de plantas y animales.  En la industria alimentaria: para la mejora de procesos biotecnológicos de elaboración de alimentos (pan, vino, cerveza, yogur, etc.) y para la creación de alimentos nuevos. La creación y utilización de organismos genéticamente modificados tiene muchas trabas legales, debido al rechazo social existente. Los alimentos manufacturados a partir de este tipo de organismos sólo se aceptan para el consumo humano si no queda proteína o ADN del organismo genéticamente modificado. Si esto no se cumple, debe ponerlo en la etiqueta. Por ejemplo, en la fabricación del pan utilizamos levadura. Cando el pan se cuece la levadura queda destruida. Esa levadura destruida puede ser natural o genéticamente modificada, pero nunca lo sabremos. APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS MICROORGANISMOS Existen en la naturaleza unos centenares de especies de microorganismos(bacterias, levaduras, mohos, algas unicelulares) que producen sustancias que presentan algún interés para la especie humana. Los productos que tienen un interés comercial se pueden agrupar en tres clases (*): a) Productos del metabolismo primario( dióxido de carbono, etanol, ácido acético, aminoácidos, etc.) b) Productos del metabolismo secundario (antibióticos, toxinas) c) Macromoléculas (polisacáridos, enzimas); y células microbianas (pienso animal, llamado proteínas microbianas) Fg. Algunos de los principales productos industriales obtenidos con la ayuda de los microorganismos
  • 14. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 14 LA BIOTECNOLOGÍA EN LA AGRICULTURA Y LA GANADERÍA Desde que el hombre reunió rebaños y sembró vegetales para su alimentación ha estado buscando los mejores animales y vegetales para su producción. Ha cruzado individuos con distintas características para intentar crear descendientes mejores que sus antecesores. Sin embargo, estos cruzamientos no aseguran un resultado positivo. Mediante la Biotecnología se pueden (*) seleccionar genes concretos e introducirlos en una célula, obteniendo un organismo nuevo al que llamamos organismo genéticamente modificado, que poseerá las características que le hemos insertado. Agricultura En agricultura estas técnicas pueden constituir toda una revolución, ya que las células vegetales son fácilmente manipulables. Los genes seleccionados se introducen en la célula vegetal mediante microinyección o biobalística: Se trata de disparar bolitas de oro que llevan fragmentos de ADN adheridos, con una especie de pistola, sobre una población de células. Las bolitas que queden en el citoplasma pueden transferir el ADN que transportan a algún cromosoma de la célula bombardeada. Se induce la división celular y, en poco tiempo, podemos tener un nuevo plantón, un organismo genéticamente modificado. Con este sistema se han obtenido interesantes variedades, como por ejemplo:  Transgénicos de maíz: o Variedad resistente a las heladas. o Variedad resistente al taladro del maíz: se ha introducido el gen de una toxina bacteriana que provoca la muerte en la larva de la especie de insecto que provoca el taladro del maíz. o Variedad resistente a herbicidas.  Transgénicos de la patata: se añaden genes de amaranta a la patata, con lo que ésta puede formar proteínas ricas en aminoácidos esenciales. Así aumenta el valor nutritivo de la patata.  Transgénicos de arroz: se añade un gen precursor del beta-caroteno para obtener vitamina A. Con estas variedades y con otras muchas podrían combatirse casos de hambruna endémica en distintas zonas del Planeta. Las aplicaciones agrícolas van desde el mejoramiento de procesos básicos como la fotosíntesis y la fijación de nitrógeno atmosférico por parte de las plantas, hasta la resistencia a herbicidas, agentes patógenos y factores de estrés (salinidad del suelo, sequía, etc.), así como la obtención de productos agrícolas de mejor calidad y características nuevas. Producción de insecticidas biológicos Para la resistencia a los insectos se utilizan cepas que producen, por ejemplo, toxinas dañinas para sus larvas, de modo que no pueden desarrollarse sobre las plantas tansgénicas con dicho gen. Ganadería (*) La creación de animales transgénicos es un proceso más complicado que con vegetales. Las células animales no son totipotentes (=Células embrionarias cuando aún tienen capacidad para desarrollarse en cualquier tipo de célula, en condiciones adecuadas) Los mejores resultados se han obtenido con peces, como el salmón, la carpa y la lubina. A individuos de estas especies se les ha añadido el gen de la hormona del crecimiento, lo que produce un aumento de tamaño del pez en muy poco tiempo. En el salmón se ha introducido otro gen, "el anticongelante". Así puede ser criado en aguas muy frías.
  • 15. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 15 BIOTECNOLOGÍA Y MEDICINA Medicina Hasta épocas recientes, los medicamentos han sido extraídos de vegetales mediante técnicas y procedimientos que han servido de base de trabajo para la industria farmacéutica. Con esta antigua biotecnología se identificó gran cantidad de extractos vegetales que permitían paliar distintas dolencias. Desde que Fleming, en 1929, descubrió la penicilina, se han utilizado muchos microorganismos, aparte de Penicillium notatum. Las cepas de microorganismos productores se han ido seleccionando y, en la actualidad, pueden crearse nuevas cepas, gracias a la Ingeniería Genética. No sólo se producen antibióticos, también vacunas, medicamentos, etc. La clonación ha permitido avances muy importantes en el campo de la Medicina. Estos avances se han producido en la prevención y el diagnóstico de enfermedades, identificando genes mutados que provocan diversas enfermedades. También se ha avanzado mucho en el tratamiento de enfermedades. La prevención y el diagnóstico se corresponden con la investigación clínica, siendo necesario técnicas de clonación y creación de sondas de ADN. El tratamiento requiere, en muchas ocasiones, la creación de organismos genéticamente modificados. En la industria farmacéutica La industria farmacéutica invierte gran cantidad de recursos en la obtención de bacterias, levaduras o mohos genéticamente modificados, capaces de producir antibióticos u otro tipo de moléculas. (*) En 1978 se consiguió introducir en la bacteria Escherichia coli el gen que codifica para la síntesis de la insulina. Esta bacteria produce insulina humana, comercializada con el nombre de Humulina. Al administrarse al paciente diabético no provoca problemas de rechazo, tal y como ocurría anteriormente con la inyección de insulina animal. (*) En 1985 se introdujo, también en la bacteria Escherichia coli, el gen que produce la hormona del crecimiento (somatotropina) (*) En 1952 se describieron y distinguieron los dos tipos de hemofilia: la de tipo A o clásica, y la de tipo B o enfermedad de Christmas que se producen, respectivamente, al faltar los factores VIII y IX de coagulación. Al principio el tratamiento de dichas enfermedades se basó en las transfusiones de sangre o plasma. Posteriormente, se utilizaron los factores antihemofílicos purificados a partir del plasma humano, y hoy día se utilizan los factores recombinantes obtenidos por ingeniería genética en células modificadas de mamífero. En otros trabajos se han creado vacas u ovejas genéticamente modificadas, que producen enzimas humanas (granjas farmacéuticas) Muchas vacunas, como la de la hepatitis B, se obtienen en la actualidad por ingeniería genética. También se utilizan organismos genéticamente modificados para obtener tejidos compatibles con los humanos. Estos tejidos animales son utilizados en los xenotrasplantes. (*) Los últimos avances de estas técnicas corresponden a la terapia génica. Desde 1990 se han desarrollado técnicas de modificación genética, trabajando con las células de los propios pacientes. Estas terapias son individualizadas. Se puede reemplazar, sustituir, inhibir o introducir un gen, dependiendo de cada paciente.  La inserción génica consiste en introducir una copia del gen normal para que sustituya al gen mutante no activo, del enfermo.  Con la cirugía génica se extrae el gen defectuoso o se repara.
  • 16. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 16  La supresión dirigida de células específicas consiste en introducir un gen que induzca la muerte de esas células o la respuesta inmune contra ellas.  En la inhibición dirigida de la expresión génica se silencia un gen que produce una proteína perniciosa. Para ello, se actúa sobre el ARN mensajero para que éste no se exprese y la proteína no se produce. En la actualidad, estas técnicas pueden aplicarse en los casos donde se cumplan las siguientes características:  Que sean enfermedades monogénicas, es decir, sólo afectan a un gen.  Que el gen afectado provoque una falta en la función de la célula.  Que el gen se exprese siempre.  Que el daño se produzca en un determinado tejido o tipo celular y no en todos.
  • 17. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 17 Fig. Síntesis de la somatostatina en Escherichia coli BIOTECNOLOGÍA E INDUSTRIA ALIMENTARIA (*) Una de las industrias que más recursos invierten en Biotecnología es la industria alimentaria. Mediante Biotecnología se elaboran alimentos, aditivos, colorantes, vitaminas, etc. Todo ello se produce por la acción de microorganismos sobre una materia prima. Los microorganismos más utilizados son las levaduras y las bacterias. Las levaduras más frecuentes pertenecen a los géneros Saccharomyces, Candida, etc. Y las bacterias más representativas son de los géneros Lactobacillus, Streptococcus, Lactococcus y Acetobacter. Todos los microorganismos utilizados pertenecen a cepas industriales.
  • 18. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 18 Las cepas industriales deben tener las siguientes características (*):  Cepas “clon” donde los individuos que actúan en el procesos con clones, esto es, individuos genéticamente idénticos.  Clones estables, que no muten.  Cepas estables, que no modifiquen su producción en condiciones industriales. Muchas de estas cepas están modificadas genéticamente, con el fin de mejorar su producción y aumentar las ganancias de la industria. En la mayoría de los procesos biotecnológicos de producción de alimentos los microorganismos transforman la materia prima en un proceso metabólico denominado fermentación. (*) La fermentación es un proceso catabólico, mediante el que se oxida materia rica en glúcidos (a veces prótidos), produciendo moléculas más pequeñas y generando energía para el organismo que la realiza. Se pueden destacar varios tipos de fermentaciones, como son la fermentación alcohólica, la fermentación láctica y la, mal llamada, fermentación acética, pues desde el punto de vista bioquímico, no es una auténtica fermentación, sino una oxidación incompleta de materia orgánica (interviene oxígeno en el proceso) (*)FERMENTACIÓN MICROORGANISMO SUSTRATO PRODUCTOS FINALES ALIMENTO OBTENIDO BALANCE ENERGÉTICO ALCOHÓLICA Levaduras (Saccharomyces) Almidón, glucosa Etanol y CO2 Pan, vino, cerveza, etc. 2 ATPs por molécula de glucosa LÁCTICA Bacterias (Streptococcus y Lactobacillus) Lactosa (glucosa+g alactosa) Ácido láctico Yogur, queso, etc. 2 ATPs por molécula de glucosa Las fermentaciones se realizan en tanques especiales, llamados fermentadores, si se cultivan cepas microbianas, o biorreactores, si se trata de células vegetales o animales. El fermentador es un tanque en el que se pone en contacto la cepa microbiana con la materia prima que se va a fermentar. Pueden ser fermentadores de flujo continuo o discontinuo. En los de flujo continuo, como por ejemplo, en la elaboración de vinagre, el producto es retirado constantemente. En los fermentadores de flujo discontinuo, que es el sistema más utilizado, debe cargarse de materia prima. Seguidamente, es transformada y después se retira el producto del tanque de fermentación. Por ello, la acción fermentativa de los microorganismos se interrumpe en los momentos de llenado y vaciado del tanque.
  • 19. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 19 Fig. Fermentación de la cerveza BIOTECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE. BIORREMEDIACIÓN La contaminación del medio ambiente se produce de forma natural, por emisiones de gases o sólidos de los volcanes. La actividad vital de los organismos del planeta también supone la emisión de gases (CO2) o sustancias líquidas o sólidas que se acumulan en el medio que les rodea. (*) Un contaminante es una sustancia producida y eliminada a la naturaleza, como resultado de la actividad humana, y que tiene efectos nocivos o sobre los organismos vivos. (*) Hay dos grandes grupos de contaminantes: a) Los que son biodegradables, como las aguas residuales, que pueden reconvertirse en productos no nocivos con un tratamiento adecuado. b) Y los no biodegradables, como son los metales pesados (p.ej. el plomo, utilizados en diferentes industrias, El DDT y otros productos como los pesticidas, etc., que se van acumulando en el medio ambiente y pueden pasar a la cadena alimentaria. Otros contaminante son el ruido, el calor o los residuos radioactivos. De forma natural muchos microorganismos descomponen restos orgánicos que producimos. Otros microorganismos son capaces de captar y fijar metales pesados. Otros permiten recuperar un suelo o aguas contaminadas. El ser humano, como organismo vivo, también produce alteraciones en el medio ambiente, como decimos, por el simple hecho de vivir. Además, la actividad industrial supone una alteración mucho mayor. El problema de la aglomeración urbana y la acumulación de residuos sólidos, líquidos o gaseosos supone un problema aún más grave, tanto que el propio ecosistema parece incapaz de rectificar esas alteraciones. (*) Para la protección del medio ambiente se utilizan técnicas de biorremediación empleando microbios que son capaces de metabolizar el petróleo en casos de mareas negra y en el lavado de tanques de petroleros; así como para descontaminar aguas residuales de diferentes industrias que contengan metales pesados, uranio, hidrocarburos, etc. En el proceso de degradación natural de los hidrocarburos se utiliza la acción de algunos microorganismos, esencialmente las del género Pseudomonas, presentes naturalmente en el agua.
  • 20. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 20 Depuración de aguas residuales Las aguas residuales generadas en las poblaciones urbanas deben regresar al medio ambiente, ya sea a través del cauce de un río, un lago o el mar. Estas aguas no deben provocar una contaminación en estos ecosistemas. Por ello, el agua residual se trata en plantas de depuración de agua para rebajar la cantidad de contaminantes. El sistema para la depuración del agua se divide en varias fases:  Tratamiento primario: engloba una fase de pretratamiento de agua y una depuración primaria en un decantador. Se retira del agua grandes sólidos (trapos, maderas, piezas de coche, escombros) mediante una filtración por rejillas. Se separa del agua las grasas y se corrige el pH para permitir un posterior ataque de microorganismos a la materia disuelta en ella. En un decantador de grandes dimensiones se recogen los sólidos y precipitan en el fondo, generando lodos que serán conducidos a un digestor.  Tratamiento secundario: también llamado depuración secundaria. (*) Se elimina la materia orgánica por acción de microorganismos. Este tratamiento es aerobio y se comprueba su efectividad midiendo la cantidad de oxígeno consumido por los microorganismos en la oxidación de la materia orgánica. A medida que disminuye la cantidad de materia orgánica del agua, también disminuye el consumo de oxígeno.  El agua que sale de este tratamiento entra en el tanque de decantación en el que, por sedimentación, se depositan en el fondo materiales inorgánicos y orgánicos insolubles. Una vez que sale el agua de este tanque en el que permanece, al menos dos días, ha perdido el 95% de la materia orgánica que llevaba dispersa y es vertida al medio ambiente.  (*) Los restos depositados en el tanque de decantación se trasladan a los digestores de cieno (lodo), donde las bacterias fermentadoras y bacterias metanógenas, en un ambiente anaerobio, producen el denominado biogas, que puede utilizarse como fuente de energía.  Los sólidos depositados en el digestor de lodos se retiran periódicamente y, después de eliminarse la mayor parte de los microorganismos, son utilizados como abono agrícola. Vertidos de petróleo Otro problema grave de contaminación del medio ambiente por la actividad humana es el producido por el vertido de petróleo o sus derivados. (*) Algunas bacterias y mohos son capaces de degradar de forma natural los hidrocarburos. Estos microorganismos pueden utilizarse para limpiar fondos marinos, playas o agua. Sin embargo, estos microorganismos son seres vivos, por lo que necesitan unas determinadas condiciones de vida. La variación en la temperatura del agua, las corrientes marinas, las diferencias de concentraciones salinas del mar o la necesidad de nutrientes concretos son factores limitantes para su desarrollo. En los laboratorios de clonación se intenta crear cepas que puedan trabajar a temperaturas muy bajas o que sus necesidades nutricionales se adapten al medio marino en el que van a desarrollar. Residuos generados por explotaciones mineras La explotación minera provoca grandes problemas de contaminación del suelo o de aguas subterráneas por metales pesados. También, y de forma natural, existen microorganismos y plantas capaces de acumular o transformar estos metales pesados, recuperando el medio ambiente dañado. El
  • 21. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 21 problema de algunos de estos microorganismos consiste en que necesitan oxígeno para llevar a cabo su metabolismo, por lo que hay que bombear oxígeno al suelo para poder descontaminarlo. En los laboratorios de clonación se está trabajando con cepas descontaminadoras, que puedan concentrar metales pesados o que aceleren el ritmo de descontaminación. Entre las plantas con actividad fitorremediadora se encuentran las crucíferas del género Brassica, capaces de acumular metales pesados y arsénico. Estas plantas son objeto de estudio y selección en los laboratorios de clonación. Diversos tipos de industrias utilizan microorganismos para la obtención de sustancias de interés como aminoácidos (ácido glutámico en forma de glutamato monosódico usado como potenciador de sabores y aromas); ácidos orgánicos como cítrico, acético (utilizado en la fabricación de acetatos, películas fotográficas, etc.); butanol (empleado en la fabricación de plastificantes), etanol (como combustible), enzimas como proteasas (usadas en detergentes), etc. En las industrias mineras se utilizan microorganismos para extraer por biolixiviación (=Lavado de minerales en presencia de bacterias que separan y concentran elementos metálicos y no metálicos de interés) metales preciosos, metales pesados, uranio y petróleo. BIOTECNOLOGÍA Y BIOÉTICA En 1971, V. R. Potter utilizó por primera vez la palabra (*) bioética (=Control sobre los descubrimientos y aplicaciones de la ingeniería genética) A ella se refirió como el diálogo entre la cultura científica y la humanística. En la bioética se unen los valores éticos de la sociedad y los hechos biológicos conseguidos por los científicos. Aunque la ciencia es imparable, en 1974 se acordó la interrupción de los trabajos realizados con ADN recombinante. Fue la primera respuesta bioética. Con esta interrupción los científicos se plantearon hasta dónde podían o querían llegar en el estudio con el ADN. En 1975 se convocó la Conferencia de Asilomar. En ella se pusieron las bases para el trabajo de la manipulación genética. Día a día, la Ciencia y la Tecnología avanzan y se adelantan a las normas jurídicas. Una vez conseguido un avance científico, su aplicación es inmediata. La Sociedad, a través de los medios de información, examina ese avance y lo critica, lo apoya o lo rechaza. Sin embargo, en Biotecnología, ¿se puede (o se debe) actuar así? (*) Al crear un organismo transgénico se introduce un gen que no ha evolucionado con el resto del genoma y se desconocen las consecuencias que esto puede derivar. Basándose en esta última idea, en 1992, en la Convención para la Biodiversidad se establecieron una serie de reglas de valor universal que se pueden resumir en lo siguiente: (*) "Sólo puede realizarse una acción (en la naturaleza) si se ha demostrado la ausencia total de riesgos". En 1993, el Comité Internacional de Bioética de la UNESCO estableció unas normas para evitar que la Biotecnología atente contra la dignidad humana. Pero, ¿cómo puede la Biotecnología atentar contra la biodiversidad o contra la dignidad humana? (*) Los organismos genéticamente modificados se crean para resistir plagas, herbicidas o condiciones extremas. Por esto, son más fuertes que otras especies naturales. Al competir unas y otras por los recursos podría ocurrir que desaparecieran las especies naturales. La Biotecnología puede ayudar a curar enfermedades, pero para ello hay que trabajar con el ADN humano, secuenciarlo y conocer su función. Supongamos que se recoge ADN de una población y se detecta en algún individuo genes relacionados con el desarrollo de un cáncer. Si esos datos se hacen públicos, esa persona tendría muy difícil cosas tales como conseguir un trabajo duradero, obtener un seguro de vida o, simplemente, formar una familia. Con los datos que se obtuvieran de la secuenciación de ADN se podría elegir el tipo de hijo que se desea, no sólo que careciera de taras genéticas, sino que se podría escoger el color de ojos, de la piel, complexión, etc.
  • 22. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 22 La legislación actual impide que los seres humanos sean considerados objetos de compra-venta, pero las compañías biotecnológicas pueden patentar parte de un ser humano, como son los genes, las células y los tejidos, así como la posibilidad de patentar los procesos para la creación de estas partes. Podría parecer que los intereses de mercado están por encima del individuo o de la Humanidad. Sólo teniendo valores éticos firmes e información veraz se puede controlar la aplicación de los avances biotecnológicos. IDEAS FUNDAMENTALES 1ª La Biotecnología recoge conocimientos de distintas disciplinas y se aplica para obtener alimentos elaborados, medicamentos, mejora en las especies y para remediar problemas medioambientales. 2ª Los avances en Biotecnología se han conseguido variando los genes de los seres vivos mediante técnicas de Ingeniería Genética. 3ª La clonación es el proceso seguido para obtener un clon. La clonación puede ser de moléculas, de células o de organismos completos. 4ª Un clon es un conjunto de elementos genéticamente iguales. Todos los elementos de ese conjunto son clones entre sí. 5ª En la clonación celular, un fragmento de ADN se introduce en un vector y, a su vez, éste dentro de una célula anfitriona. Este tipo de clonación utiliza enzimas de restricción. 6ª La clonación acelular, o técnica de la PCR, se realiza mediante un proceso en cadena, en el que se desnaturaliza, híbrida y sintetiza un fragmento de ADN continuamente. 7ª Los organismos genéticamente modificados se crean al cambiar el ADN de un individuo mediante técnicas de ingeniería genética. Las aplicaciones de estos organismos se encuentran en la investigación, medicina, agricultura, ganadería, industria y medio ambiente. 8ª La Biotecnología se aplica en la agricultura, la ganadería y la industria para mejorar genéticamente a organismos, para ser más productivos. 9ª La Biotecnología se aplica en Medicina para la obtención de nuevos fármacos, antibióticos, hormonas, sustancias antivíricas, tejidos y órganos para transplantes. 10ª La terapia génica consiste en modificar el ADN de las células de un paciente y reintroducirlas, modificadas, para conseguir su curación. 11ª El proceso biotecnológico aplicado a la industria alimentaria es la fermentación. 12ª La biorremediación consiste en un conjunto de actuaciones biotecnológicas encaminadas a la recuperación de una zona contaminada. 13ª La Bioética es un control sobre los descubrimientos y aplicaciones de la ingeniería genética. GLOSARIO A-H ADN complementario. Molécula de ADN obtenida a partir de ARNm mediante la enzima transcriptasa inversa. Anticuerpo monoclonal. Anticuerpo fabricado por un clon de un hibridoma.
  • 23. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 23 Biblioteca genómica. Conjunto de fragmentos distintos de ADN que sé clonan dentro de bacterias transformadas al dividirse éstas. Biolixiviación. Lavado de minerales en presencia de bacterias que separan y concentran elementos metálicos y no metálicos de interés. Biorremediación. Proceso que tiene como fin remediar un problema ambiental mediante el empleo de organismos vivos. Biotecnología. Ciencia que estudia las técnicas que utilizan células vivas para la obtención de organismos, servicios, instrumentos y productos útiles. Comprende las técnicas de fermentación industrial, la ingeniería genética, la clonación, etc. Clonación. 1.Producción de individuos genéticamente idénticos. 2. Multiplicación asexuada de microorganismos o de poblaciones celulares con un mismo patrimonio genético. 3.Proceso de replicación de moléculas de ADN para obtener un gran número de ellas idénticas. Clonación humana. Proceso para obtener individuos genéticamente idénticos o poblaciones celulares humanas con una misma información genética. Cósmido. Molécula circular de ADN fabricada artificialmente y que funciona como un vector génico al contener genes extraños que se desean insertar en bacterias receptoras. Genoma. Conjunto de todos los genes que contiene un juego completo de cromosomas, en un núcleo haploide. Hibridoma. Célula híbrida inmortal productora de anticuerpos monoclonales, obtenida de una célula plasmática productora de anticuerpos y una célula tumoral de mieloma Huella genética. Resultado de aplicar la técnica del perfilado de ADN para detectar secuencias específicas de cada persona llamadas minisatélites. I-S Ingeniería genética. Conjunto de técnicas con las que se consigue transferir genes de unas especies a otras o entre individuos de la misma especie. Mapa de restricción. Mapa de una parte del material genético de una especie obtenido por comparación de fragmentos de restricción resultantes de la aplicación de varias enzimas restrictasas. Refleja la disposición de secuencias completas de nucleótidos específicas de la región analizada. Micropropagación. Técnica de obtención de poblaciones celulares clónicas en plantas a partir de las cuales obtener nuevos individuos. Minisatélites. Regiones del ADN que presentan secuencias de nucleótidos repetidas en tándem (unas a continuación de otras) Su detección sirve para obtener la huella genética de una persona. Plásmido. Molécula de ADN circular presente en algunas bacterias independientemente del cromosoma bacteriano, es empleado como vector génico para transferir genes extraños entre bacterias. Prueba del ADN. Técnica consistente en la detección de minisatélites en el ADN de las personas para su identificación, puesto que con ella se obtiene la huella genética. Reprogramación. Proceso de diferenciación celular invertida por el que una célula especializada es capaz de comportarse como embrionaria. Restrictasas. Clase de enzimas que cortan el ADN por sitios específicos. Se usan para obtener fragmentos de ADN con distintos fines: mapas de restricción, pruebas del ADN, obtención de ADN recombinante, etc. Subunidades. Parte de un microorganismo patógeno con poder inmunizante. Puede ser la proteína de la cápsida de un virus, una sustancia tóxica bacteriana o un polisacárido de la cápsula bacteriana.
  • 24. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 24 T-V Técnica del ADN recombinante. Técnica por la cual se obtiene una molécula de ADN con uno o más genes extraños que se desean insertar en una célula receptora. Terapia génica. Modalidad de curación de enfermedades genéticas producidas por un solo gen defectuoso, o curación de enfermedades con introducción de genes extraños que proporcionen caracteres saludables. Transfección. Tranferencia de material genético extraño a células somáticas eucariotas. Transferencia nuclear. Transporte artificial de un núcleo de una célula a la que se le ha extraído a otra célula receptora a la que se le ha extirpado su núcleo previamente. Transferencia de Southern. Técnica para el análisis de clones de ADN por hibridación con fragmentos de restricción con el fin de localizar los genes que interesen. Transformación. Transferencia natural o artificial de ADN extraño entre bacterias usando vectores génicos que la facilitan. Transformación biolística. Técnica consistente en bombardear una población celular de origen animal o vegetal con partículas de oro que llevan adheridas moléculas de ADN con genes que interesa transferir. Transgénesis. Inoculación de material genético extraño a todas las células de un organismo eucariota manipulando las células reproductoras o los zigotos Virus vector. Clase de virus que se emplea para transferir ADN extraño entre bacterias o a células eucariotas. NOTA El desarrollo del tema “Biotecnología” del bloque de “Microbiología y Biotecnología” del temario de Biología de 2º de Bachillerato, se basa, a su vez, en el contenido de la página web del MECD (Ministerio de Educación, Ciencia y Deportes): PROYECTO BIOSFERA (Iris.cnice.mecd,es), ampliado además con otras fuentes de consulta editorial. AGRADECIMIENTOS A los 18 alumnos “correctores” de Biología de 2º-A de Bachillerato del curso 2004- 2005, por su gran ayuda a la hora de mejorar, en lo posible, el contenido de estos apuntes.
  • 25. Colegio La Inmaculada/ Biología 2º Bachillerato/ “Biotecnología”/ Curso 2004-2005 25