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“BIOLOGÍA MOLECULAR: Herramienta de la Biotecnología” INSTITUCIÓN EDUCATIVA “JULIO CÉSAR GARCIA” ÁREA: CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL PROFESOR: EDUARDO JAIME VANEGAS LONDOÑO

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“BIOLOGÍA MOLECULAR:

Herramienta de la Biotecnología”

INSTITUCIÓN EDUCATIVA “JULIO CÉSAR GARCIA”ÁREA: CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN

AMBIENTALPROFESOR: EDUARDO JAIME VANEGAS LONDOÑO

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CONTENIDO:

• Objetivos

• Historia de la Biología Molecular

• La Biología Molecular: herramienta de la

• Biotecnología• Tecnología del ADN• Ingeniería Genética• Marcadores

• Reflexión Final

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OBJETIVOS:

• Estimular el interés de los jóvenes hacia la• Biología Molecular y sus aplicaciones en la • Biotecnología. • .

• Promover en los educandos el espíritu• crítico hacia el potencial de la investigación • biotecnológica para el desarrollo de la • humanidad.• .

• Presentar elementos de juicio que permitan• comprender la importancia de la • investigación en biología molecular.

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AVANCES HISTÓRICOS DE BIOLOGÍA MOLECULAR

• 1941 Genes codifican las proteínas• 1944 Prueba que el ADN porta la información genética• 1953 Determinación de estructura del ADN y de la Insulina• 1956 Enfermedad monogénica sustitución de un aa cadena β-hemoglobina • 1961 Código Genético, ARN mensajero, regulación génica• 1967 Wise y Richardson aislaron ADN ligasa• 1970 Smith y colegas aislaron y caracterizaron la Hind III • 1972 Janet Mertz y Ron Davis cortaron y pegaron mol de ADN• 1973 Stanley Cohen y H. Boyer pusieron ADNr en bacterias• 1974 Demostración directa de delección génica humana• 1975 Southern Blotting• 1976 Proto-oncogenes• 1977 Fred Sanger secuenció el virus de ADN Ф X174• 1978 Biblioteca génica humana• 1979 RFPL para diagnóstico prenatal, oncogenes celulares

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AVANCES HISTÓRICOS DE BIOLOGÍA MOLECULAR

• 1979-81 genes humanos clonados y secuenciados• 1982 Tabaco, la primera planta modificada genéticamente• 1983 Kary Mullis concibe el PCR / Fred Sanger y colegas• publican la secuencia del λ lambda• 1985 Un “gen de enfermedad” aislado por clonación posicional• 1986 La secuenciación del ADN es automatizada• 1987 Inicia el Proyecto del Genoma Humano• 1995 Es secuenciado la bacteria Haemophillus influenzae• 1996 Es secuenciada la levadura Saccharomyces cerevisiae• 1998 Es secuenciado el nemátodo Caenorhabditis elegans• 1999 Es secuenciado el cromosoma 22 humano• 2000 Es secuenciada la mosca de la fruta D. melanogaster /• 26 de junio se presenta 90% borrador genoma humano • 2001 Feb 2001 se completa el genoma humano.

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BASES MOLECULARESDE LA VIDA

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BIOTECNOLOGÍA

• Es el medio o vía de manipulación de las formas de vida (organismos) para proveer un producto deseable para el uso del hombre.

• Areas cubiertas por el término Biotecnología incluyen: i) Biología Molecular: ADN recombinante, cultivo de células animales, cultivo de tejidos vegetales, inmunología, mejoramiento animal y vegetal, ii) Fermentación, iii) Sistema de Enzimas y iv) Otras.

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.

Marcadores

Ingeniería Genética

Tecnología del ADN

Fármacos Anti-cáncer

Diagnósticos

Cultivo de Células Vegetales

Transferencia de genes en animales

Síntesis de Sondas de

ADN

Localización desórdenes

genéticos

Clonación

Solución de crimenes

Producción de Proteínas humanas

TerapiaGénica

Bancos de ADN, ARN Proteínas

Mapas de Genomas completos

BiologíaMolecular

BiologíaMolecular

Cultivos

Celulare

s

Cultivos

Celulare

s

Anticuerpos Monoclonales

Anticuerpos Monoclonales

Síntesis de Nuevas Proteínas

NuevosAntibióticos

NuevasPlantas yAnimales

NuevosAlimentos

Recursos humanos químicos raros

BIOTECNOLOGÍABIOTECNOLOGÍA

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TECNOLOGÍA DEL ADN (DIAGNÓSTICO MOLECULAR) PCR - REACCIÓN EN

CADENA DE LA POLIMERASA• El PCR utiliza la capacidad de las • Enzimas polimerasas que catalizan la • formación y reparación de ADN (y ARN), • mediante un mecanismo que permite • iniciar y parar su actividad en un punto • específico de una hebra de ADN, para lo cual se

emplean polimerasas obtenidas de arqueobacterias como Termophillus aquaticus que resisten temperaturas arriba de los 100°C.

• Kary B. Mullis, de Cetus Corporation que concibió el mecanismo del PCR, en la década de los 80,s recibió el Premio Nobel en 1993.

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Tecnología del ADN FINGERPRINTING

• El ADN tiene muchas regiones que son muy variables en su estructura (RFLPs) y pueden ser usadas para ADN fingerprintings. El ADN puede ser obtenido de sangre, fluidos corporales y otros tejidos incluyendo hueso, y es relativamente estable, frecuentemente sobre muchos años. Se requieren cantidades muy pequeñas y las muestras pueden ser obtenidas de manera no invasiva.

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Tecnología del ADN (identificación de paternidad)

MADRE PADRE NIÑO 1 NIÑO 2 NIÑO 3 NIÑO 4

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TECNOLOGÍA DEL ADNBIOINFORMÁTICA

• Campo convergente de la biología, computación e información tecnológica en una misma disciplina.

• La meta última de este campo es posibilitar el descubrimiento de nuevas ideas biológicas, así como crear una perspectiva global de la que puedan ser discernidos principios unificadores de la biología (www.ncbi.nlm.nih.gov/Education/index.html).

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TECNOLOGÍA DEL ADNGENÓMICA

• Es el estudio del • genoma y su acción.

• El genoma es la suma total del material genético presente en un organismo particular e incluye el ADN presente en los cromosomas y en los organelos subcelulares (ej., mitocondrias) e incluye el genoma de ARN de algunos virus.

• El anuncio el 26 de junio de 2000, del borrador del genoma humano en un 90%, marcó un hito

histórico para la humanidad.

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GENOMAS

TECNOLOGÍA DEL ADN

El genoma de un organismo es el juego completo de ADN. La planificación del Proyecto Genoma Humano se inició en 1986, previsto para el 2007. En Junio de 2000 se presentó el 90% del borrador con la secuenciación de unos 30,000 genes y 3 mil millones de pares de bases (pb). Los genes son secuencias específicas de bases que codifican instrucciones para hacer proteínas. Los genes son un 2% del genoma humano.

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

IDENTIDAD GENÉTICADe 289 geneshumanos implicados enenfermedades,hay 177cercanamentesimilares a los genes deDrosophila.

60%

20%

70%

95% idéntico

Humanos30,000 genes

Chimpancé30,000 genes

Ratón30,000 genes

A. thaliana25,000 genes

C. elegans19,000 genes

D. melanogaster13,000 genes

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• 1. Agrobacterium. Uso de la bacteria• Como "Ingeniero Genético". La bacteria • conteniendo el inserto, infecta las células • de la planta produciendo la recombinación

genética.2. Acelerador de Partículas (Gene Gun). Un cañón artificial bombardea micropartículas con el inserto, sobre la célula.3. Electroporación. Uso de carga eléctrica para que el ADN atraviese la membrana nuclear.

• 4. Polietilenglicol. Exposición de las membranas al PEG, facilita el movimiento de las moléculas de ADN.5. Silicon Wiskers. Inyección con fibras microscópi-cas, que atraviesan las membranas con los insertos.

Ingeniería Genética SISTEMAS DE TRANSFERENCIA GENÉTICA

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GENÓMICA FUTURA

14th International GenomeSecuencing and Analysis Conference (oct. 2002), laUS Genomics Inc., presentóun aparato que lee la doble hélice de ADN sin cortarlo. Abre la doble hélice espiral de ADN, la lineariza y la pasa por un escaner para leerla en un lector fijo (como una pélicula de carrete pasa por un proyector), las moléculas se mueven a 30 Mde bases por minuto. En 40 minutos se pueden Leer 3 mil M de bases. Si el sistema se logra pasar a un biochip el tiempo bajará a menos de cinco minutos por la habilidad de capturar un Terabyte (1024 o 1000 gigabites, un gigabite = 1024 o 1000 Megabites) de información cada pocos segundos.(Uehling, M. D, Bio-It World Nov. 12 2002).

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TECNOLOGÍA DEL ADNPROTEÓMICA

• La Proteómica es la “caracterización sistemática a gran escala de las proteínas presentes en una célula, tejido u organismo”. Es una disciplina en su infancia limitada por la tecnología disponible para quienes la practican. Este es un diferente paradigma del reduccionismo convencional de la investigación científica que típicamente se enfoca en un simple gen o una proteína; en tanto, que la investigación del Proteoma (conjunto de todas las proteínas que intervienen en los procesos biológicos de una especie) aborda problemas tales como el nivel de proteínas o actividades que cambian entre dos condiciones experimentales (Spelcher, 2002. The Scientist 16(8): 12, Apr. 15).

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TECNOLOGÍA DEL ADNDISCIPLINAS “ÓMICAS”

• Está ocurriendo la transición de décadas de biología reduccionista, enfocadas a un gen o a una proteína, por utilización de las nuevas disciplinas “omicas” que incluyen: Transcriptómica (espectro de moléculas de ARN en cada célula tipo), Metabolómica (todos los químicos en la célula), Fisiómica (función de órganos, tejidos y ultimadamente el organismo completo).

• Crítico para el éxito de esta revolución es la bioinformática y nuevas estrategias de computación, para modelar las propiedades de células, órganos y estados de enfermedad, produciendo órganos y pacientes virtuales (Goldman, M., Bio-It World Nov.24 2002).

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• La Ingeniería Genética o tecnología del ADNr se inició en la década de los 70s. Se refiere a un grupo de tecnologías usadas para cambiar la composición genética de las células y mover genes a través de las fronteras de las especies para producir nuevos organismos.

• Se pueden aislar genes, modificarlos, introducirlos a nuevos hospederos, y clonarlos para obtener una ventaja novedosa sobre el organismo natural.

INGENIERÍA GENÉTICA O ADNr

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ESTRUCTURA DE UN GEN

Promotores

ExonesSitio de inicio de la Transcripción Sitio de terminación

de la Transcripción

Realzadores

< 100 Kb

Los promotores pueden ser genéricos o tejido específico

La función del gen depende de los FACTORES de TRANSCRIPCIÓN (FT) que activan a las ARN pol. Los FT son: los Factores de Transcripción General (se unen a secuencias promotoras genéricas) y los Activadores de Transcripción (se unen a secuencias promotoras específicas).Los FT pueden encenderse o apagarse en respuesta a estímulos del entorno del individuo. Entre los promotores de los genes que desarrollan la capacidad cerebral o talento de los individuos están la alimentación, la salud, el estímulo temprano con experiencias motivadoras (el juego), el amor.

Intrones

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INGENIERÍA GENÉTICA NUEVAS PROTEÍNAS

Enzimas producidas por Biotecnología mediante el ADN recombinante se usan como aditivos en dietas de aves, para digerir carbohidratos complejos como las beta-glucanasas, alfa-amilasas, maltasas,

oligo 1-6 glucosidasas, xilanasas, sacarasas; lipasas; proteasas y fitasas (para la utilización del fósforo).

En México, tienen un gran impacto en la producción

avícola proporcionando 3/5 de carne de aves para el consumo de proteína animal. Se considera que el mercado mundial de enzimas como aditivos en los alimentos crecerá del valor actual de US $ 60 millones al doble para el 2005.

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INGENIERÍA GENÉTICA NUEVAS

PLANTAS• ARROZ con altos niveles de tolerancia a

diferentes condiciones ambientales de estrés. • Se insertaron dos genes fusionados de

trehalosa de E. Coli y un promotor tejido específico dependiente del estrés. Los genes de trehalosa permiten la producción de arroz aún si está estresado por frio, sequía o altos niveles de salinidad e incrementa la producción en 20%. La composición química de los granos no cambia.

• El azúcar trehalosa ayuda a estabilizar moléculas biológicas: lípidos, enzimas y otras proteínas, en organismos en condiciones de estrés (PNAS Online, 27 nov. 2002).

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Ingeniería Genética NUEVOS ANIMALES

• 1987 secreción de Beta-lactoglobulina en leche de ratón.

• Producción de proteína C humana en leche de cerdos, para desórdenes como hemofilia.

• Hormonas de crecimiento humano en tejido seminal de cerdo.

• Antitrombina humana III, anti-coagulante sanguíneo secretada en leche de cabras transgénicas.

• Cabras transgénicas para producirBioSteel fibra hecha por el hombre con propiedades de tela de araña.

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INGENIERÍA GENÉTICA NUEVOS ALIMENTOS

ARROZ DORADO con beta caroteno de genes de narciso y de Erwinia uredovora, pigmentos que se transforman en pro-vitamina A al ser ingeridos. Hay 70 patentes implicadas en la consecución del arroz dorado; acuerdo con la industria reducen a 12 las patentes esenciales y se limita su cultivo gratuito a las explotaciones agrícolas que no superen los 10.000 dólares de beneficios anuales (Gebelli, 2001).

ARROZ fortificado con un gen de la ferritina del frijol de soya. ARROZ con aa esenciales.

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INGENIERÍA GENÉTICA NUEVOS ALIMENTOS

Salmón transgénico por hormona de crecimiento. Producido por AF Protein Inc. Cuenta con el promotor de la proteína de anticongelamiento de otra especie de pez. Crece de 4 a 6 veces más rápido que un salmón no transgénico. Tiene un 20% en mejoramiento de la eficiencia de conversión del alimento. Cerdo transgénico para el precursor de la hormona de crecimiento proteasa resistente (GHRH). Por técnicas de mutagénesis sitio dirigida y terapia electrogénica, se introdujo en músculo de cerdo. Los efectos de una inyección de 10 mg de dosis del plásmido, en cerdos de tres semanas de edad, se mantuvo sobre 60 días con un 42% mayor que los controles a los 62 días (42 kg contra 29 kg). (ISB, 2000 mar).

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INGENIERÍA GENÉTICA NUEVOS ANTIBIÓTICOS

• PAPA con la vacuna que previene la insulina dependencia de la diabetes mellitus 100 veces más poderosa que la actual vacuna. PAPA con la sub-unidad B antigénica de la enterotoxina del Vibrio cholerae causante del cólera). FRIJOL de SOYA con anticuerpos que protegen contra el virus 2 de Herpes simplex (HSV). TABACO con anticuerpos que previenen la caries dental producida por Streptococcus mutans.

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INGENIERÍA GENÉTICA

CLONACIONTérmino genérico para la replicación en un laboratorio de genes, células u organismos de una entidad original, con copias genéticas exactas del gen, célula u organismo original. Esta técnica ha producido avances sensacionales en medicinas y vacunas. También hay investigación en clonación de células humanas, órganos y otros tejidos. Esto puede producir el reemplazo de piel, cartilagos y hueso para victimas de quemaduras y accidentes, o de órganos.

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Ingeniería Genética

TERAPIA DE CÉLULAS MADRE

CELULAS MADRE

BLASTOCISTO

Células NERVIOSAS

Células PANCREATICAS Células CARDIACAS

CélulasFormadoras deSANGRE

MASA DE CELULAS INTERNAS

Células MADRE para transplantes de Organos

DÍ A 4

Cavidad

Masa de células internas(células MadreEmbrionarias)Masa de células

internas

células de cubiertainterna

Modificado de: Scientific American, 2001

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Ingeniería Genética TERAPIA GÉNICARafael Valdes del Hospital de Niños de México Implantó células de cerdo en 12 adolescentes en procura de curar su diabetes.En su método, usó células especializadas para proteger el transplante de los sistemas inmunológicos de los pacientes hospederos, que nunca había sido ensayado en humanos. Los implantes en los pacientes constan de células pancreáticas de cerdo, las cuales producen insulina (hay 150 millones de diabéticos en el mundo) . Para prevenir el rechazo del transplante implantó células de Sertoli (de testículo de cerdo) que han mostrado que protegen a los tejidos transplantados del sistema inmune recipiente en algunos modelos animales. Uno de los pacientes ha dejado de inyectarse insulina y cinco otros están tomando menos insulina que antes. Los resultados han llegado sin usar medicamentos Inmuno-supresores, los cuales tienen que ser dados por el resto de sus vidas a recipientes de transplantes (Nature/Vol. 419/5 sept. 2002).

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• El que investiga genera nuevos CONOCIMIENTOS, que pone a disposición de otros como DATOS, que al ordenarse son INFORMACIÓN, que puede llegar a ser CONOCIMIENTO útil, apropiado o adaptado, por la infraestructura de investigación de C&T que posea un país.

REFLEXIONES

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• La incidencia positiva que las actividades de I+D tienen sobre el desarrollo de los países ha conducido a los gobiernos de los diferentes estados a destinar una parte de sus recursos financieros a potenciar ambas actividades. De esta manera ha sido posible diversificar las líneas de investigación con la finalidad de abarcar cada vez más campos y, al mismo tiempo, asegurar la formación de personal cualificado.

• CHINA, actualmente a la vanguardia en el desarrollo científico y tecnológico mundial, fundamentó

en 1980 su productividad y competitividad, mediante Políticas de Ciencia y Tecnología, que formó miles de Ph.D. en todas las disciplinas de la C&T, en las más prestigiosas Universidades del mundo.

• CHILE, país al que imitamos constantemente, ejecuta la estrategia de las tres (C) COPIAR, COMPRAR, CREAR, para lo cual cuenta con recurso humano calificado.

REFLEXIONES

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REFLEXIONES

Es de urgencia para el país apostarle a una Política de Nación de Ciencia y de Tecnología, que identifique los nichos de conocimientoa ocupar, y promueva la adquisición de infraestructura necesaria y la formación de recursos humanos con capacidad de investigar, desarrollar y aprovechar tecnologías que ayuden a mejorar la calidad de v

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¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION¡

BIENVENIDAS SUS PARTICIPACIONES