FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD DEPARTAMENTO...

Mblgo. Luis Alberto Sánchez Angulo / Mblgo. José Luis Gutierrez Aponte Biología Celular y Molecular

Universidad Los Ángeles de Chimbote - ULADECH i

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA Y FARMACIA

SECCIÓN DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

ASIGNATURA

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR

CONTENIDO:

• CAPITULO UNO : “LAS BASES BIOLÓGICAS Y QUÍMICAS DE LOS SERES VIVOS” o La biología y los seres vivos o Componentes químicos de la materia viviente

• CAPITULO DOS : “ESTRUCTURA Y FISIOLOGÍA CELULAR” o Biología celular: Citología y teoría celular o Estructura celular: Membrana celular citoplasma y núcleo o Fisiología celular: Respiración celular

• CAPITULO TRES : “EL FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA” o Reproducción celular: Ciclo celular, mitosis y meiosis o Flujo de la información genética: Replicación, transcripción y traducción o El código genético y la regulación genética

• CAPITULO CUATRO : “GENÉTICA, BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA” o Genética: Conceptos básicos y genética mendeliana o Genética póstmendeliana. Citogenética general y humana o Biotecnología e ingeniería genética

COMPILADORES: MG. BLGO. MBLGO. LUIS ALBERTO SÁNCHEZ ANGULO

BLGO. MBLGO. JOSE LUIS GUTIERREZ APONTE

Mblgo. Luis Alberto Sánchez Angulo / Mblgo. José Luis Gutierrez Aponte Biología Celular y Molecular

Universidad Los Ángeles de Chimbote - ULADECH 69

Mg. Blgo. Mblgo.. Luis A. Sánchez Angulo / Mblgo. José L. Gutierrez Aponte Biología Celular y Molecular

Universidad Católica Los Ángeles de Chimbote 275

GENÉTICA, BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA GENÉTICA

INTRODUCCION

La ciencia genética es un campo de estudio fascinante e importante. Los procesos genéticos son esenciales para la comprensión de la vida, la información genética dirige el funcionamiento de la célula, determina la apariencia externa de un organismo y sirve de unión entre generaciones en todas las especies.

La palabra genética viene de generes, y estos son su objeto central de estudio. ¿Qué es un gen? Un gen es un segmento de una molécula cintiforme con forma de una escalera de caracol llamado Acido Desoxirribonucleico (ADN) EL ADN es el material hereditario que pasa de generación en generación, y de esta molécula depende las características inherentes a cada especie.

Todas las características externas e internas de un organismo dependen de los genes. Los genes son la causa, el origen de las características y controlan los rasgos únicos de una especie, sean estructuras o procesos.

Antiguamente se pensaba que las jirafas provenían del cruce de caballo con leopardos, actualmente se sabe que proviene de jirafas, lo que sucede es que el ADN es capaz de producir copias de si mismo, permitiendo que se generen y persistan a lo largo del tiempo, nuevas replicas de células y organismos.

Los genes no son inmutables, cambian a través del tiempo; esta propiedad se llama mutabilidad, la mutabilidad es una de las bases de la evolución. Las mutaciones genéticas se relacionan con la variabilidad de las especies. Entonces podemos definir a la genética como el estudio de los genes a través de su variación.

La genética es el corazón de la biología. Los descubrimientos de la genética han sido fundamentales, a tal punto que han permitido enlazar las diversas disciplinas biológicas.

GENETICA

1. DEFINICION

La genética es una rama de la biología que estudia los mecanismos de la herencia, es decir, la transmisión de características biológicas de una generación a otra, de los padres a los hijos; estudia las leyes que rigen la herencia, sus bases moleculares y las variaciones que ocurren en la transmisión de caracteres hereditarios.

2. HISTORIA DE LA GENETICA

Unas de las observaciones hechas por el hombre desde épocas primitivas es el hecho de que los seres vivos son capaces de transmitir sus características de la descendencia. Los



Hebreos, Griegos y otros pueblos de la antigüedad aplicaron de manera empíricas estas observaciones en la crianza del ganado y en la agricultura.

Muchos de los hechos sociales del esclavismo estaba ligado al convencimiento de la fecundación de transmiten las caracterizas de los padre a los hijos. Hipócrates, quien fuera el primero en enseñar sobre la herencia, creía que en el semen del hombre se encuentran todo los elementos representativos del ser humano, incluso los adquiridos, señalaba: el calvo tendrá hijos que serán calvos, y el que tiene ojos azules engendrará hijos que tiene ojos azules. Aristóteles discrepaba respecto a los caracteres adquiridos, señalando que el semen actúa modelando la sangre materna en la formación del descendiente.

Bajo los criterios desarrollados por Platón, se promovía como política de estado la reproducción y el cuidado de aquellos individuos mejor dotados, impidiendo en muchos casos la reproducción de los esclavos, a quienes se le consideraban inferiores, Sócrates también fue de la misma opinión. En sentido opuesto se pronuncia Demócrito sosteniendo que la capacidad de los individuos se debía más a la capacitación que a la predisposición heredada.

Es interesante observar como muchos estudios son utilizados por ciertos sectores sociales para mantener sus estados de dominación clasista. En nuestros tiempos aún se mantienen algunas de esas ideas primitivas, se promueve los métodos de control de la natalidad utilizando nuevos argumentos tales como la falsa idea de la superpoblación, y alentándola la xenofobia de las razas fuertes sobre las débiles.

Durante el feudalismo, por limitado desarrollo del conocimiento objetivo, no se generaron aportes teóricos sobre la herencia; más aún la tendencia general era de aceptación tácita del designio divino.

En el renacimiento predominó la teoriza de la preformación, planteada por Aristóteles, retomada y desarrollada por Malpighi (1628-1694), según la cual un organismo en forma de homúnculo esta preformado en el ovulo o en el espermatozoide.

El botánico Linneo, realizo cruces con diversas especies, obteniendo muchos híbridos, sin embargo, debido a su religiosidad no aceptaba la posibilidad de que se originen nuevas especies partir de los cruces. En el año 1761, Koelreuter publicó los resultados obtenidos en sus cruces con plantas de tabaco. Entre 1830 y 1837 Carls Federico Gaertner expuso sus más de 9,000 resultados de hibridación vegetal a la Academia de la Ciencia de Haarlern (Holanda). Naudin, botánico reconocido, presentó el resultado de sus trabajos en 1838.

También son importantes los trabajos de Maupertuis (1752) sobre la polidactilia y de Nasse que en 1820 estudió la transmisión hereditaria de la hemofilia. Sin embargo es recién en 1865 cuando la Genética tiene su origen como rama científica con la publicación de los hallazgos hechos por Gregor Mendel al cultivar guisantes “Phisum sativum”.

Johann Gregor Mendel nació en 1822 en la aldea de Heizendorf. Fue hijo de campesinos. Como consecuencia de sus necesidades económicas tuvo que abandonar sus estudios de filosofía en la Universidad de Viena e ingresar como monje agustino en el Monasterio de Bruno (actual república checa), al hacerse monje adoptó el nombre de Gregorio, como se le conoce actualmente.



El mayor mérito de Mendel fue el modo en el que abordó sus trabajos; observó y analizó las características de las plantas de arvejas de forma aislada, a diferencia de los anteriores experimentos que habían tomado en cuenta los caracteres globales. No se conocía aún en aquella época los genes ni su localización en los cromosomas y núcleo celular.

En 1888 Waldeyer acunó el término Cromosoma para cuerpos celulares que Homeister había observado en 1848.

No fue sino hasta el año de 1900 en que los trabajos de Mendel fueron revalorados cuando Correns, Tschermak Y Hugo de Vries llegaron a las mismas conclusiones. Luego vendría el aporte del genetista inglés Reginald Punnett.

En las primeras décadas del siglo XX, Sutton, Boveri y Morgan demostraron que los genes descritos por Mendel como factores estaban situados en los cromosomas. Morgan y colaboradores revelaron en la “mosca de la fruta” Drosophila melnogaster la base genética de la determinación del sexo y la herencia ligada al sexo.

El más importante de los principios establecidos por Morgan y sus colegas fue que los factores de Mendel, los genes, están ubicados en los cromosomas.

En 1927, Muller demostró que se podía inducir la mutación de los genes mediante la acción de los rayos X.

En 1941. Beadle y Tatum plantearon la correlación: un gen una enzima; es decir, que un gen origina a una enzima.

En 1953, James Watson, Francis Crack y Maurice Wilkins plantearon el modelo de la doble hélice para explicar la estructura del ADN. Sus trabajos se basaron en el aporte de Linus Pauling, Edwin Chargaff y Rosalind Franklin. A partir de este modelo el desarrollo de la Genética ha sido vertiginoso, está revolucionando las ciencias biológicas.

3. APLICACIONES DE LA GENETICA

Como se ha señalado, desde tiempos antiguos se aplico el conocimiento empírico de la herencia en el aumento de la producción agrícola y ganadera en el cruzamiento de



especies vegetales de grandes frutos y de especies de animales productoras de mucha carne, leche o huevos. En al actualidad se trabaja en el mejoramiento genético de las especies.

Gracias a la genética se ha logrado la prevención y el tratamiento de diversas enfermedades asociadas a la herencia, tales como la eritoblastosis fetal y la diabetes mellitus. Actualmente por ejemplo; se produce insulina para los diabéticos, utilizando genes (ADN) que se incorpora a bacterias; del mismo modo como se produce ínterleucinas para los que padecen de enfermedades inmunitarias.

Mediante la técnica de hibridación del ADN se puede realizar estudios de evolución de los seres vivos; de lo que a su vez permite establecer los parentescos entre diferentes especies.

La técnica de clonación, producción de idénticos, si se aplicara en la ganadería a gran escala podría servir para satisfacer el hambre de muchos países.

El establecimiento de la paternidad en casos de problemas judiciales se puede solucionar con la llamada prueba del ADN. Esta misma prueba permite, en base de análisis de cadáveres, dar con la identidad de individuos desaparecidos.

La principal limitación que se sigue observando es que el conocimientos y los logros obtenidos no se encuentran al servicios de los amplios sectores de la humanidad, si no que están sujetos al control de las clases dominantes y de los grandes consorcios imperialistas.

4. CONCEPTO BASICOS:

Gregorio Mendel, considerado el iniciador de la genética, acuño algunos términos para utilizarlos en la descripción de sus experimentos tales como: generación p (parental), generación F1 (1ra. filial), generación F2 (2da. filial), factor dominante y factor recesivo.

Con el paso de los años y los avances de la ciencia se ha ido sumando nuevos términos y conceptos tales como: gen, alelos, carácter, cromosomas homólogos, locus, loci, genotipo, fenotipo, etc.

La transmisión de caracteres de generación ocurre cuando los organismos se reproducen y los descendientes se desarrollan manifestando las características heredadas.



GENERACION PATERNA (P)

En la reproducción sexual típica participan dos progenitores; uno es el macho representando con el símbolo de Marte (dios de la guerra); y el otro es la hembra, representando con el símbolo de Venus (diosa de la fecundidad). Los padres es lo que Mendel denominaba la generación P (paterna).

Los progenitores forman células especializadas llamadas gametos (Gamos = esposo). El gameto masculino en los animales es una célula flagelada conocida como espermatozoide y el gameto femenino es inmóvil y ovoide llamada consecuentemente ovulo (huevo pequeño). En las plantas superiores los gametos son los anterozoides, la ovocélula y la célula polar.

GENERACION FILIAL (F)

Los gametos se fusionan en el proceso de fecundación originando el huevo (cipote o zigoto), que al desarrollarse fuera o dentro del cuerpo de la hembra origina un individuo o hijo que constituye la primera generación o generación F1 (Filium = hijos, tribu). La descendencia de la primera generación se denomina F2.

LA MOLECULA HEREDITARIA : EL ADN

Los seres vivos poseen muchas características, algunas de ellas son comunes a todas las especies, otros son patrimonios de solo algunas especies y existen incluso características específicas a grupos muy pequeños de individuos de una especie.

Las características biológicas heredables son aquellas que se han ido desarrollando a lo largo de la evoluciona y que no dependen directamente de los procesos de la socialización. El habla, el comportamiento social y sexual, la actitud para el deporte y las matemáticos no son heredables pues se adquieren según el estimulo recibido durante el desarrollo.



Las características biológicas heredables dependen de la existencia de un tipo especial de información a nivel molecular, contenida en las moléculas de acido desoxirribonucleico o ADN constituyendo su material genético. En las eucariotas del ADN se encuentran formados parte de la cromatina y, cuando esta se condensa forma parte de los cromosomas.

Los organismos que se reproducen sexualmente heredan a través de los gametos de sus progenitores los cromosomas, la cromatina y el ADN de su progenitor. En cualquier caso, las cantidades heredadas de cada uno son equivalentes y en la misma proporción. Es decir, cada individuo recibe la mima cantidad de información de cada progenitor. Por ello en cada individuo los segmentos de ADN, cromatina y cromosomas se hayan en pares.

Cuando los gametos se combinan para formar un cigoto, éste y el embrión resultante tienen pares homólogos de cromosomas, pero en cada par un miembro será de origen materno y otro será paterno. Cada par portará genes alélicos.

CROMOSOMAS

Los cromosomas se definen como cuerpos de cromatina (ADN y Proteínas) condensada. Durante la reproducción cada gameto es portador de la mitad del número cromosómico que caracteriza a una especie dada. Cuando se forma el cigoto en su núcleo encontraremos pares de cromosomas morfológicas y genéticamente similares. Cada par esta formado por uno de origen paterno y otro de origen materno, este par de cromosomas se denomina homólogos (homo = igual), de acuerdo a los postulados de la teoría cromosomita de Morgan, los cromosomas son los cuerpos que portan los genes.

o LOCUS Es el lugar físico que ocupa un gen dentro de los cromosomas.

o LOCI Evidentemente un cromosoma porta muchos genes y por lo tanto existen muchos locus. El conjunto de los locus de un cromosoma se denomina loci.



GEN

Palabra griega que significa llegar a ser o convertirse en algo. Los genes son los factores de la herencia, las unidades que determinan la transmisión de caracteres (gen = origen). Según Banzer se trata de un cistrón es decir, un fragmento limitado de ADN, con una secuencia especifica de nucleótidos, que tiene información y por tanto codifica para la in formación de un polipéptido. En los escaritas el descubrimiento de la maduración del ARNm permitió definir a los genes como fragmentados o discontinuos, por que están constituidos por secuencias modificantes o exones y secuencias no codificantes o intrones.

ALELOS (genes alelomorfos)

Son las variantes hereditarias de un gen, es decir segmentos de ADN que controlan un carácter biológico porque contienen información diferenciable en su expresión. Los alelos han surgido a lo largo de la evolución como consecuencia de mutaciones que han modificado la secuencia original de nucleótidos en el segmento de ADN.

En los organismos diploides (con dos juegos cromosómicos) los caracteres biológicos son controlados en algunos casos por pares de alelos, es decir genes que contiene información para una misma característica y localización en el mismo locus de un par de cromosomas homólogos .Un par de alelos siempre estas formado por uno que se hereda del padre y otro de la madre.

GENOTIPO

Es la carga o constitución genética de un individuo; es decir la clase de alelos que existe en sus células; a veces los dos alelos heredados son iguales, lo que da lugar a dos genotipos: genotipo homocigoto y genotipo heterocigoto.

o GENOTIPO HOMOCIGO O PURO

Cuando dos genes alelos son idénticos. Se les llama homocigoto dominante cuando los dos son dominantes y se denotan, por ejemplo: AA. Otras veces los dos genes



son recesivos a lo que se denomina homocigoto recesivo y se denota, Ejemplos: aa. En los otros tipos de los alelos se sigue el mismo patrón.

o GENOTIPO HETEROCIGOTE O HIBRIDO

Cuando los dos genes alelos son diferentes. Ejemplo: uno dominante y otro recesivo, el primero se denota con la letra mayúscula y seguidamente se presenta el recesivo con una letra minúscula, Ejemplo: Aa

FENOTIPO

Es el resultado de los genes alelos y su interacción. Se trata de las características observables, visibles y detectables de un organismo; tales como y tamaño, forma, textura, color, brillo, olor, etc. Para determinar un fenotipo se puede requerir de pruebas, por ejemplo para decir que una persono es grupo sanguíneo A Rh positivo se requiere de un análisis de un grupo sanguíneo.

El fenotipo que depende de alelos dominantes se denomina carácter dominante, mientras el dependiente de los alelos recesivos se denomina carácter recesivo.

GENÉTICA MENDELIANA

PRINCIPIOS Y LEYES DE MENDEL

Mendel eligió para sus experimentos el guisante (Phisum sativum) común de jardín, conocido también como “legumbre”, “chícharo” o “arveja”. Al escoger a la “arveja” tomo en cuenta lo siguiente:

1. Fácil disposición de muchas variedades que se podían cultivar. 2. Los guisantes tienen flores que se autofertilizan.

En sus experimentos Mendel extrajo todos los estambres de las flores de un grupo de plantas para convertirlas en femeninas, luego las polinizó con polen de otras plantas y obtuvo la F:1. Para obtener la F:2 dejó que las plantas de la F:1 se auto polinizaran.



Mendel estudió caracteres opuestos en las plantas de arvejas, los siguientes caracteres fueron estudiados para establecer sus postulados:

Carácter Dominante Recesivo Forma de la semilla Lisa (redonda) Rugosa (Arrugada) Color de la semilla Amarillo Verde

Posición de la flor en el tallo Axial- a lo largo del tallo Terminal- en la punta Color de la cubierta de la semilla Gris Blanca

Forma de la vaina oi fruto Lisa (Inflada) Rugosa (Arrugada) Color de la vaina Verde Amarillo

Altura Alto (largo) Bajo (Corto)

El carácter del color de la flor de las “arvejas” también fue estudiado por Mendel, pero no lo consideró carácter dominante ni recesivo.

LOS 7 CARACTERES ESTUDIADOS POR MENDEL EN Phisum sativum

Mendel hizo publico sus trabajos el 8 de febrero de y el 8 de marzo de 1865 en dos reuniones de la Sociedad de Historia Natural de Bruno. De acuerdo a datos muy recientes, también experimento con ratones, sin embargo, sus trabajos no fueron publicados por cierto pudor religioso.

PRINCIPIO DE LA UNIFORMIDAD Y LA RECIPROCIDAD (Principio de la dominancia)

Del cruce de dos líneas puras la primera generación filial (F:1) estará formada por individuos idénticos que presentan solo uno de los caracteres alternativos paternos, cualquiera que sea la dirección del cruce.

Mendel tomó plantas altas (trepadoras) y plantas enanas (matas) de línea pura, es decir homocigotos, realizó cruzamientos entre estos dos grupos de plantas; y obtuvo una descendencia F:1 donde todas las plantas eran altas (trepadoras).

Generación P : Planta alta x planta enana. Generación F1 : Plantas altas.

Esta clase de apareamiento se le llama cruce monohíbrido ya que es sólo para una característica; en este caso la talla de la planta.

En la generación F:1 formada, las plantas altas eran más altas que la generación P.



¿Cómo se explica que del cruce de dos plantas, una alta y una enana, de descendientes sólo plantas altas? ¿Que sucedió con el carácter enano?

La explicación se encuentra en que los individuos cruzados de la generación paterna (P) son homocigotos .La planta alta era homocigoto dominante (AA) y la planta enana homocigoto recesiva (aa); el resultado del cruce genera heterocigotos (Aa) donde el alelo dominante (A) se expresa y el alelo recesivo (a) no se expresa en el fenotipo final .

El rasgo enano no sea ha expresado, pero la descendencia porta el gen recesivo (a). Los resultados del cruzamiento son la F:1 (primera generación) y se expresan de la siguiente forma:

GENOTIPO Proporción genotípica 4/4 Aa (Heterocigotas) Probabilidad porcentual genotípica 100% Aa (Heterocigotas)

FENOTIPO Proporción fenotípica 4/4 altas Probabilidad porcentual fenotípica 100% altas

LEY DE LA SEGREGRACION Y PUREZA DE LOS GAMETOS

También es conocida como ley de la disyunción. Mendel la planteó así: Los caracteres hereditarios están controlados por pares de factores hereditarios, los cuales se separan durante la formación de gametos.

Actualmente, se plantea de la siguiente forma: Los dos miembros de una pareja genética se distribuyen separadamente entre los gametos, de modo que la mitad de gametos lleva un miembro de la pareja y la otra mitad el otro.

Mendel tomo dos plantas de la F:1 y las cruzó obteniendo una F:2, donde el 75% de las plantas eran altas y el 25% enanas, es decir, se daba una relación 3:1.

Generación F 1 : planta alta x planta alta. Generación F 2 : 75% plantas altas, 25% plantas enanas.

¿Cómo se explica que del cruce de dos plantas altas se obtenga como descendientes plantas enanas?



La explicación se encuentra en que los individuos cruzados de la F:1 eran heterocigotes (Aa). De acuerdo a la ley de la segregación los gametos serían el 50% con el factor dominante (A). Y el 50% con el factor recesivo (a). Al producir las fecundaciones, 3 de las cuatro posibilidades llevan por lo menos un gen dominante por lo que son altas y uno resulta ser homocigoto recesivo (aa) y manifiesta el fenotipo de planta enana (baja). Los resultados del cruzamiento son la F2 (segunda generación) y se expresa de la siguiente forma:

GENOTIPO Proporción genotípica 1/4 AA : 2/4 Aa : 1/4 aa Probabilidad genotípica 1/4 AA : 1/2 Aa : 1/4 aa Probabilidad porcentual genotípica 25% AA : 50% Aa : 25% aa Relación genotípica 1AA : 2Aa : 1aa

FENOTIPO Proporción fenotípica 3/4 altas : 1/4 enanas Probabilidad fenotípica 3/4 altas : 1/4 enanas: Probabilidad porcentual fenotípica 75% altas : 25% enanas Relación fenotípica 3 altas : 1 enana

Este cruzamiento también se puede resolver usando el tablero de Punnett, llamando así en honor al genetista que lo propuso. El tablero de Punnett es un conjunto de cuadriculas que se utiliza para realizar las posibilidades de fecundación de una forma ordenada. El tablero de Punnett tiene la siguiente estructura:

TABLERO DE PUNNETT

n = número de generaciones

♀ ♂

Gameto femenino

Gameto femenino

Gameto masculino

25% Cuadrilula 1

25% Cuadricula 2

Gameto masculino

25% Cuadricula 3

25% Cuadricula 4



Si utilizamos el tablero para el cruce anterior, la solución seria:

Se considera como proporción genotípica : 1 : 2 : 1. y como proporción fenotípica : 3 : 1 LEY LA DISTRIBUCION INDEPENDIENTE DE LOS CARACTERES

También llamada distribución de la libre combinación de factores hereditarios. Mendel planteo que cuando dos o más factores hereditarios se agregan simultáneamente la distribución de cualquier de ellos es independiente de los demás.

Actualmente se sostiene que durante la formación de la célula sexual, en cada gameto se incluye solamente un gen de cada par.

En el guisante Mendel encontró que la semilla amarilla (A) era dominante a la semilla verde (a) y que la forma lisa de la semilla era dominante (B) sobre la rugosa (b).

Cuando se cruza una planta de semillas amarillas y redondas (AABB) con una planta de semillas verdes y rugosas (aabb) se obtiene plantas de semillas amarillas y redondas (AaBb).



P: plantas de semillas amarillas y lisas x plantas de semillas verdes y rugosas AABB aabb

F1: plantas de semillas amarillas y lisas AaBb

¿Cómo se explica este resultado?

Primero, hay que tener en cuenta que se trata de dos caracteres: el color de la semilla, y la forma de la semilla.

Segundo, para el color de la semilla tenemos el alelo dominante A (amarillo) y el alelo recesivo a (verde), para la forma, el alelo dominante B (lisa) y el alelo b (rugosa).

Tercero, debido a la independencia de los pares de alelos, o sea del que determina el color con respecto al que determina la forma, se tiene los siguientes gametos:

Cada gameto posee un gen para el color y otro para la forma. Además los gametos del primer progenitor son (AB) y los gametos del segundo progenitor son (ab). Los resultados de la fecundación siempre darán AaBb.

La fecundación se puede representar en un tablero de Punnett de 16 posibilidades o en uno resumido de solo una posibilidad. TABLERO DE PUNNETT DE 16 POSIBILIDADES



Cuando se cruza dos plantas F1 de semillas amarillas - lisas (AaBb) se obtiene 9 amarillas -lisas, 3 amarillas - rugosas, 3 verdes - lisas, 1 verde - rugosa. GENOTIPO

Proporción genotípica: 1/16 AABB; 2/16 AaBB; 2/16 AaBB; 4/16 AaBb; 1/16 AAbb; 2/16 Aabb; 1/16 aaBB; 2/16 aaBb; 1/16 aabb.

Probabilidad genotípica: 1/16 AABB; 1/8 AABb; 1/8 AaBB; 1/4 AaBb; 1/16 AAbb; 1/8Aabb; 1/16 aaBB; 1/8 aaBb; 1/16 aabb.

Relación genotípica: 1 AABB; 2 AABb; 2 AaBB; 4 AaBb; 1 AAbb; 2 Aabb; 1 aaBB; 2 aaBb; 1 aabb.

FENOTIPICO

Proporción fenotípica: 9/16 amarilla - lisas : 3/16 amarillas - rugosas; 3/16 verdes - lisas : 1/16 verdes - rugosas.

Probabilidad fenotípica: 9/16 amarillas - lisas : 3//16 amarillas - rugosas; 3/16 verdes - lisas : 1/16 verdes – rugosas

Relación fenotípica: 9 amarillas - lisas : 3 amarillas - rugosas; 3 verdes - lisas : 1 verde - rugosa

¿Cómo se explica la relación entre genotípico y fenotipito en estos casos?

Recuerde que el alelo A es para semilla amarilla y es dominante sobre su alelo a que es para semilla verde.

Recuerdas también que el alelo B es para semilla lisa y dominante sobre su alelo b que es para semilla rugosa.

Por lo expuesto, analiza la siguiente relación genotípica y su correspondiente relación fenotípica.



RELACION GENOTIPICA

Se expresan los genes

RELACION FENOTIPICA

1 AABB 2 AABb 9 A _ B _ 9 amarillas - lisas 2 AaBB 4 AaBb 1 AAbb 3 A _ bb 3 amarillas - rugosas 2Abb

1 aaBB 3 aaB _ 3 verdes - lisas 2 aaBb 1 aabb 3 aabb 1 verde - rugosa

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GENÉTICA POSTMENDELIANA CITOGENÉTICA GENERAL Y HUMANA

GENETICA POSTMENDELIANA

INTRODUCCION

En la primera década del siglo XX se observó que algunos heterocigotos mostraban rasgos intermedios, lo que contradecía la herencia descubierta por Mendel o de la dominancia completa, este tipo de herencia sería llamada con el tiempo NO MENDELIANA. Sin embargo, la dominancia completa no es lo esencial de las leyes de Mendel, lo importante de ellas es la forma en que se transmiten las características biológicas. Mendel y los Mendelistas aportaron con el descubrimiento de los principios básicos que rigen la herencia de las plantas y en los animales.

Por ello se prefiere usar el concepto de herencia Postmendeliana para referirse a la que se desarrolla después de los aportes de Mendel y de los Mendelistas.

La Dominancia incompleta es la interacción génica en la cual los homocigotos son fenotípicamente diferentes a los heterocigotos. Los cruzamientos que tienen una dominancia incompleta son aquellos en los que no existe rasgo dominante, ni recesivo. Suponiendo que la forma de los ojos estuviera determinada por un gen cuyo homocigoto dominante da forma grande y redonda y el homocigoto recesivo da una forma semi-alargada, y el heterocigoto resulte con forma achatada y más alargada que la de cualquier progenitor homocigoto para esta característica, se puede tener el ejemplo en los progenitores IJ y KL y mostrándose en el heterocigoto IJKL. Hay dos tipos:

Herencia Intermedia (Dominancia incompleta)

En los cruzamientos que hay una herencia intermedia o sin dominancia, los individuos heterocigotos para cierta característica expresan una "condición intermedia" de los dos genes alelos. Por ejemplo: al cruzar dos plantas de líneas puras, una con flores rojas y otras con flores blancas, la generación filial uno será 100% heterocigota y 100% plantas con flores rosadas. Para simbolizar los genes de los individuos se usa la letra inicial del rasgo (en el caso anterior C - color de la flor-), en mayúscula y la letra inicial de las distintas expresiones del mismo (Rojo o Blanco), en minúscula y superíndice.

Por ejemplo, en la herencia del color de algunas flores el genotipo CRCR expresan color rojo y el genotipo CBCB expresa blanco, mientras el genotipo CRCB expresa el color rosado, es decir el color rojo no es dominante sobre el blanco ni viceversa, sino que se expresa un color que es intermedio: el rosado.

Las plantas híbridas F1 tienen un fenotipo diferente (flores rosadas) de cada uno de los padres. Esto es un ejemplo de dominancia incompleta. Cuando las plantas híbridas F1 se auto-fertilizan, ambos fenotipos paternos (plantas con flores rojas y plantas con flores blancas) reaparecen en la generación F2.



Codominancia (Dominancia incompleta)

En los cruzamientos en los que hay codominancia, en los heterocigotos los dos genes alelos se expresan, pero sin "unirse". Por ejemplo: en la “achira” (Canna edulis) del cruce de plantas con flores rojas CRCR con plantas de flores amarillas CACA resultan plantas con flores amarillas y manchas rojas CRCA. ¿Cómo se explica el fenotipo de las plantas de flores manchadas?, los genes CR y CA se manifiestan y dan origen a enzimas que participan en la elaboración de pigmentos rojos en una parte de la flor y pigmento amarillo en otras partes de la misma flor, de tal manera que los colores no se mezclan sino que se expresan por separado. ALELOS LETALES

Los alelos letales son alelos mutantes que causan la muerte de los individuos.

El alelo que causa la muerte de un organismo es llamado alelo letal y el gen involucrado es llamado gen esencial. Genes esenciales son genes que al mutar pueden resultar en un fenotipo letal.

Alelo letal dominante es aquel que causa la muerte en heterocigosis. Alelo letal recesivo es aquel que causa la muerte en homocigosis.

Un ejemplo de un gen esencial, es el gen para el color amarillo del cuerpo en ratones. El color amarillo es una característica codificada por AY. Ratones genotípicamente AYAY no son viables y mueren antes del nacimiento. Ratones AY A son amarillos y ratones A A son no amarillos.

Entonces, cuando ratones amarillos son cruzados con ratones no amarillo, la progenie muestra la proporción esperada de 1:1 de ratones amarillos versus no amarillos.

Cuando los ratones heterocigotos de la generación F1 son cruzados entre sí, esperaríamos una proporción 1/4 homocigoto para el color amarillo, 1/2 heterocigoto para el color amarillo y 1/4 homocigoto para el no amarillo. Pero, los resultados obtenidos indican que dos tercios son amarillos y un tercio no son amarillos, ya que el primer 1/4 muere antes de nacer.

El alelo amarillo posee un efecto dominante sobre el alelo no amarillo, pero sucede que cuando el ratón es homocigoto para este alelo ocurre un efecto letal, en otras palabras el alelo amarillo es un alelo letal recesivo.



Patrones de herencia de tres cruces que involucran los alelos que se presentan en el tipo salvaje Agoutti y el alelo mutante que le otorga el color amarillo a los ratones. El alelo mutante se comporta de forma dominante sobre el alelo normal en el controlo del color de piel, pero también se comporta como un alelo letal homocigoto.

CITOGENÉTICA GENERAL DEFINICION

Ciencia híbrida que resultó de la fusión de los estudios de herencia y los estudios sobre la célula. La citogenética se encarga de estudiar el fenómeno de la herencia a nivel celular. La herencia de una generación celular a otra se da mediante los cromosomas, por ello la Citogenética es el estudio de los cromosomas.

En 1902, Sutton fue uno de los primeros en llegar a la conclusión de que los genes son llevados por lo cromosomas. Estudió el comportamiento de los cromosomas en la meiosis, y la segregación de los genes descritos por Mendel. LA CELULA ES UNA UNIDAD GENETICA

Se sabe que la teoría celular propuesta por los alemanes Schleiden y Schwann considera a la célula como una unidad capaz de transmitir sus características de generación en generación. Así en el proceso de división mitótica de una célula diploide se originan dos células dipliodes y las células hijas son idénticas a la progenitora, además las células sexuales que en los animales son los espermatozoides y los óvulos, permiten transmitir características de la generación paterna a los hijos.



LOS CROMOSOMAS EUCARIOTICOS

En las células eucariotas el centro que controla el metabolismo es el núcleo celular. Dentro del núcleo se encuentra un material nucleoproteico llamado cromatina, que está compuesta principalmente por ADN y proteínas histónicas. El ADN es la principal molécula de la herencia.

Desde el punto de vista estructural, los fragmentos de ADN con información hereditaria son los genes. Las histonas son proteínas que bloquean y protegen al ADN.

En el proceso de la división celular la cromatina condensa y origina cuerpos conocidos como cromosomas. Durante la división, los cromosomas serán los cuerpos responsables de llevar genes de las células madres a las células hijas.

Cromosoma (del griego chroma, color, y soma, cuerpo o elemento) es cada uno de los pequeños cuerpos en forma de bastoncillos en que se organiza la cromatina del núcleo celular en la mitosis, cada uno de los cuales se divide longitudinalmente, dando origen a dos cadenas gemelas iguales. Su número es constante para una especie determinada; en Homo sapiens (el ser humano) se tienen 46. De ellos 44 son autosómicos y 2 son sexuales o gonosomas.

Es el material microscópico constituido del ADN y de proteínas especiales llamadas histonas que se encuentra en el núcleo de las células eucariotas en las cuales los cromosomas se ven como una maraña de hilos delgados, llamada cromatina. Cuando la célula comienza su proceso de división (cariocinesis), la cromatina se condensa y los cromosomas se hacen visibles como entidades independientes. La unidad básica de la cromatina son los nucleosomas. Se suelen representar por pares, en paralelo con su homólogo. CONSTANCIA DEL NÚMERO DE CROMOSOMAS

Usualmente las especies animales y vegetales tienen un número de cromosomas constante y determinado que constituyen su cariotipo (ley de la constancia numérica de los cromosomas), aunque existen especies con una alta variabilidad cariotípica, no sólo en número sino en forma y tamaño de los cromosomas.

Cariotipo: Forma, cantidad y tamaño de los cromosomas. Aunque la diferencia entre un individuo y otro es la información especificada en los genes de estos cromosomas.

El número de cromosomas de una especie (o fase vital) diploide se identifica como 2n mientras que ese número en una especie (o fase vital) haploide se identifica con la letra n. En aquellas especies que presentan un número repetido de cromosomas superior a dos complementos se habla de poliploidía, representándose el múltiplo por delante de la letra n. Así: 3n indicaría un complemento cromosómico triploide, 4n un tetraploide, etc. Todas estas son situaciones euploides. Con la indicación x se quiere expresar el número básico de cromosomas de una especie que presenta individuos con diversos grados de ploidía o el de una línea filogenética a partir de la cual diversos táxones han alcanzado situaciones aneuploides variadas, siendo en este caso el número cromosómico una variación del número original con aumento o disminución del número básico, por pérdida, fusión o división de cromosomas (p. ej., n+1 o n- 1). Un ejemplo de esta situación anormal la tenemos en los individuos de la especie humana que presentan el llamado síndrome de Down, situación de aneuploidía (2n=47) por la presencia de un ejemplar más de lo habitual del cromosoma 21 (trisomía).

CROMOSOMAS SEXUALES

En muchos organismos, uno de los pares de los cromosomas homólogos es distinto al resto, realizando la determinación genética del individuo. A estos cromosomas se les



llama cromosomas sexuales o heterocromosomas e incluso gonosomas, porque determinan el sexo por la proporción de los dos cromosomas homólogos.

Sistema de determinación XY: es propio del ser humano y muchos otros animales. Las hembras, siendo XX, darán gametos iguales con cromosoma X, sexo homogamético y los machos, siendo XY, darán dos tipos de gametos, uno con el cromosoma X y otro con el cromosoma Y. La probabilidad de que en la fecundación, al unirse los gametos, resulte una combinación XX (hembra) o XY (macho) es del 50%.

FORMA DE LOS CROMOSOMAS

La forma de los cromosomas es para todas las células somáticas constante y característica de cada especie. La forma depende fundamentalmente de las constricciones que presente el cromosoma y de su localización en la cromátida.

El cromosoma se encuentra constituido básicamente por el centrómero que divide el cromosoma en un brazo corto o brazo p y un brazo largo o brazo q. Algunos cromosomas presentan satélites en el brazo corto.

Según la posición del centrómero, los cromosomas se clasifican en:

o Metacéntricos: el centrómero se localiza a mitad del cromosoma y los dos brazos presentan igual longitud.

o Submetacéntricos: la longitud de un brazo del cromosoma es algo mayor que la del otro.

o Acrocéntricos: un brazo es muy corto (p) y el otro largo (q).

o Telocéntricos: sólo se aprecia un brazo del cromosoma al estar el centrómero en el extremo (este tipo de cromosomas no se encuentran en el cariotipo humano).

Los cromosomas son los portadores del ADN, por lo tanto son parte integral estructural imprescindible de los seres vivos.



CARIOTIPO

Es el ordenamiento de los cromosomas de una célula metafásica de acuerdo a su tamaño y morfología. El cariotipo es característico de cada especie y, el humano tiene 46 cromosomas o 23 pares de cromosomas, organizados en 22 pares autosómicos y un par sexual. (Hombre 46 XY) (Mujer 46 XX).

Cariotipo de un linfocito de un humano mujer. No obstante puede darse el caso, en humanos, de que exista otros patrones en los cariotipos, a lo cual se le conoce como aberración cromosómica.

Mediante el cariotipado se pueden analizar anomalías numéricas y estructurales, cosa que sería muy difícil de observar mediante genética mendeliana. CARIOTIPADO CLÁSICO

Existen varios métodos para la visualización mediante microscopía óptica de los cromosomas humanos. Los procedimientos más clásicos consisten en la tinción con sustancias como la mostaza de quinacrina, que permite la observación de las bandas Q, giemsa, que permite la observación de las bandas G, R o C (dependiendo del tratamiento que se realice con el ADN). Este bandeo característico de cada uno de los cromosomas está relacionado con regiones de eucromatina (bandas R), heterocromatina facultativa (bandas G), heterocromatina constitutiva (bandas C). No obstante existen distintas visiones del motivo por el cual se pueden hacer estas correlaciones.

Cariotipo clásico de una mujer normal



No obstante el uso de técnicas de bandeo junto al estudio del cariotipo ha sido utilizado para la detección de aberraciones cromosómicas a gran escala. Es decir, aberraciones que afectan a regiones de un cromosoma o al propio cromosoma. Estas aberraciones cromosómicas o anomalías cromosómicas se pueden dividir en numéricas y estructurales.



BIOTECNOLOGIA MODERNA E INGENIERIA GENETICA

BIOTECNOLOGÍA MODERNA

INTRODUCCION

Actividad científica y comercial en la que se usan agentes biológicos (organismos pluricelulares o unicelulares, células vivas o muertas, enzimas) para la producción industrial.

La Biotecnología es actualmente una estrategia para aumentar la productividad y obtener mayores ganancias; así el poder económico de empresas transnacionales de los países desarrollados les permite liderar la industria de la biotecnología en el mundo. Empresas como Mnsanto, Novartis y Dow; que dominan el mercado mundial de herbicidas, son también las que monopolizan la oferta de semillas transgénicas. Con la expansión del cultivo transgénico, en cuatro o cinco años el consumo de fertilizantes se quintuplicó, y el de agroquímicos se triplicó. Dominando el mercado de semillas y herbicidas, estas empresas tienen en sus manos el proceso agrícola.

La Biotecnología tiene como áreas de aplicación actividades productivas ya existentes, como la agricultura, agro-industria, industria farmacéutica, salud humana, minería, industria química y energética, protección del medio ambiente.

RESEÑA HISTORICA DE LA BIOTECNOLOGIA

Los inicios de la transformación de alimentos

Hace 8 mil años, los sumerios y babilonios comenzaron a producir cerveza mientras que los egipcios descubrieron la técnica para elaborar pan de levadura hace 6 mil años. Alrededor de la misma época se desarrollaron otros procesos para la conservación de alimentos (particularmente en China) como la fabricación de yogurt, queso, vinagre y vino. Muchos de estos procesos son tan efectivos que aún hoy seguimos haciéndolos siguiendo el mismo método básico. Así por ejemplo, la producción de cerveza se hace a partir granos sometidos a un proceso de malteo (lo que aumenta su cantidad de enzimas) para convertir el almidón de los granos en azúcar y después añadiendo levaduras específicas para producir la cerveza al convertir los carbohidratos del grano en etanol. Aunque el proceso de fermentación no se comprendió sino hasta los trabajos de Louis Pasteur en 1857, éste es el primer uso de la biotecnología para convertir un alimento en otro.

La protección contra las enfermedades

En muchas civilizaciones antiguas se emplearon combinaciones de plantas y otros organismos como medicinas. Desde hace aproximadamente 2200 años la gente empezó a utilizar agentes infecciosos inactivos o en muy pequeñas cantidades para inmunizarse contra las infecciones. En 1701, Giacomo Pylarini comenzó a practicar en Constantinopla la "inoculación", el infectar intencionalmente a niños con viruela para prevenir casos más graves más adelante en sus vidas. La inoculación competiría con la “vacunación” por casi un siglo; en esta última técnica, desarrollada en 1798 por Edward Jenner, se infectaba a la gente con viruela bovina para inducir resistencia a la viruela humana, lo que la convierte en una técnica mucho más segura (vacuna viene de la palabra latina vaccinus que quiere decir "a partir de vacas". Estos y otros procesos se fueron refinando a en la medicina moderna y han llevado a muchos desarrollos tales como los antibióticos, vacunas y otros métodos para combatir las enfermedades.

La conservación de los alimentos



En 1799, Lazaro Spallanzani realizó experimentos en los que mostró que se podían conservar “infusiones” (medios de cultivo líquidos) por mucho tiempo sin que se descompusieran mediante el calentamiento en agua hirviendo de matraces herméticamente sellados que contenían la infusión, ya que el calor mata los microbios. Antes de esto se pensaba que la vida se generaba de manera espontánea. Para 1809, Nicolas Appert desarrolló una técnica, también usando calor, para enlatar y esterilizar la comida, con lo que ganó un premio de 12 mil francos ofrecido en 1795 por Napoleón. En la primera mitad de la década de 1860, el químico francés Louis Pasteur desarrolló la técnica que lleva su nombre (pasteurización) para preservar los alimentos calentándolos, con lo que se destruye a los microbios dañinos, y manteniéndolos aislados del exterior. Esta técnica ayudó a mejorar la calidad de vida de las personas pues permitió conservar muchos alimentos sin cambiar su sabor, con esto se pudo por ejemplo transportar leche sin que se echara a perder o evitar que el vino se convirtiera en vinagre (“vino agrio”).

El nacimiento de la lucha moderna contra las enfermedades

Hacia 1850, Ignacio Felipe Semmelweis, un médico austro-húngaro utilizó observaciones epidemiológicas para proponer la hipótesis que la fiebre puerperal se transmite de una mujer a otra a través de los médicos. Probó su hipótesis haciendo que los médicos se lavaran las manos después de examinar a cada paciente, sin embargo su propuesta fue tan escandalosa en la época que hizo que el resto de la comunidad médica lo despreciara y que perdiera su trabajo. En 1865, Joseph Lister comenzó a utilizar desinfectantes como el fenol en el tratamiento de heridas y en cirugías al tiempo que Pasteur desarrollaba la teoría de los gérmenes como causa de las enfermedades. Para 1882, Robert Koch, usando cobayas como huéspedes alternativos, describió la bacteria que causa la tuberculosis en los seres humanos. Koch fue el primero en descubrir la causa de una enfermedad microbiana humana y estableció qué cada enfermedad es causada por un microorganismo específico.

El surgimiento de la genética

Hacia 1859, Charles Darwin propuso que las poblaciones animales adoptan formas diferentes a lo largo del tiempo para aprovechar mejor el medio ambiente, un proceso al cual llamó “selección natural”. Mientras viajaba por las Islas Galápagos, observó como los picos de una clase particular de aves se habían adaptado en cada una de las islas a las fuentes de alimentos disponibles y planteó que sólo las criaturas mejor adaptadas a su medio ambiente son capaces de sobrevivir y reproducirse. El libro emblema de Darwin “El Origen de las Especies”, opacó todas las otras voces científicas (incluyendo la de Mendel) durante varias décadas. Unos años después, Gregor Mendel, un monje agustino, presentó en 1865 sus leyes de la herencia a la Sociedad de Ciencias Naturales en Brunn, Austria. Su trabajo con chícharos llevó a Mendel a proponer que había unidades internas de información invisibles dentro de los organismos, las que eran responsables de los rasgos observables (como por ejemplo el color, altura de la planta, tamaño de la vaina, etc.) y que estos factores (que después serían conocidos como genes), se transmitían de una generación a la siguiente, sin cambiar pero recombinándose. El trabajo de Mendel permaneció desapercibido durante largos años a causa del mucho más sensacional descubrimiento de Darwin, hasta 1900 cuando Hugo de Vries, Erich Von Tschermak y Carl Correns publicaron sus investigaciones corroborando el mecanismo de la herencia de Mendel.

El papel del ADN en la herencia



En 1868, Fredrich Miescher, un biólogo suizo, aisló por primera vez un compuesto al que llamó nucleína y que contenía ácido nucleico, sin embargo esto no se relacionó en su tiempo con las leyes de la herencia. En 1882, Walther Flemming reportó su descubrimiento de los cromosomas y la mitosis. Para 1902, Walter Stanborough Sutton estableció que los cromosomas se encuentran en parejas y que pudieran ser los portadores de la herencia, apoyando la teoría de Mendel y renombrando a sus “factores” con el nombre que los conocemos el día de hoy: “genes”. En 1910 el biólogo estadounidense Thomas Hunt Morgan, descubre que los genes se encuentran en los cromosomas. En 1935 Andrei Nikolaevitch Belozersky logró aislar ADN en forma pura por primera vez y en 1941 George Beadle y Edward Tatum desarrollan el postulado de “un gen una enzima”. En el año de 1944, Oswald Theodore Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty determinaron que el ADN es el material hereditario, sin embargo su teoría tuvo poca aceptación pues se pensaba que el ADN era una molécula demasiado simple para poder llevar a cabo esta función. Para principios de los 1950, la científica británica Rosalind Franklin trabajaba en modelos estructurales de ADN que más tarde perfeccionarían James Watson y Francis Crick y que serían la base para su descubrimiento de la estructura del ADN, que publicaron en 1953 y en la que proponían el modelo de doble hélice complementaria y antiparalela que hoy conocemos, con lo que inauguraron un nuevo capítulo en el estudio de la genética. La comprensión del ADN fue esencial para la exploración de la biotecnología. Las células son las unidades básicas de la materia viva en todos los organismos y el ADN contienen la información que determina las características que tendrá una célula. Desde el inicio los científicos vislumbraron la posibilidad de nuevos medicamentos diseñados para ayudar al cuerpo a hacer lo que no podía por su propia cuenta o de cultivos capaces de protegerse por si solos de las enfermedades.

Las fermentaciones industriales

A principios del siglo XX, los científicos ya habían adquirido una mejor comprensión de los fenómenos microbiológicos y comenzaron a explorar nuevas formas de fabricar algunos productos. Así, en 1917, Chaim Weizmann usó por primera vez un cultivo microbiano puro en un proceso industrial para la fabricación de acetona a partir de almidón de maíz usando Clostridium acetobutylicum; de esta manera el Reino Unido pudo fabricar a partir de acetona el explosivo cordita durante la Primera Guerra Mundial. También en la misma guerra, Alemania produjo glicerina por fermentación para la fabricación de nitroglicerina. Así como la biotecnología ayudó a matar soldados, también contribuyó a curarlos. En 1928, Alexander Fleming notó que todas las bacterias que crecían en una placa de cultivo murieron alrededor de un moho que contaminaba al cultivo. Para 1938, Howard Florey y Ernst Chain de la Universidad de Oxford en Inglaterra, aislaron el compuesto causante de este efecto: la penicilina, pero fue hasta la década de 1940 que se logró la producción de penicilina a gran escala, que probaría ser altamente exitosa en el tratamiento de heridos durante la guerra. Fleming obtuvo el Premio Nobel de Medicina en 1945 gracias a este descubrimiento.

Nuevas agriculturas

Trabajando sobre los conocimientos ya existentes, William James Beal desarrolló en 1879 el primer híbrido experimental de maíz, demostrando incrementos en el rendimiento de entre el 21 y el 51 %. En 1918, un ingeniero agrícola húngaro, Karl Ereky, utiliza por primera vez la palabra “biotecnología”. Para el periodo de 1920 a 1930, técnicas de mejoramiento agrícola se emplean ampliamente en los Estados Unidos incrementando la productividad del campo con lo que para la década de 1940 el país ya era un líder agrícola.



Entre esa década y la de los 1960 se conjuntaron una serie de avances tecnológicos en el área agrícola que en conjunto se denominaron la “Revolución Verde” que implicaron el poder tener una mayor disponibilidad de alimentos. La llegada de los híbridos implicó además la creación de nuevos negocios como el de la industria de semillas. Los buenos resultados de estas técnicas en los Estados Unidos llevaron a buscar el exportar la Revolución Verde a otros países a través de la Fundación Rockefeller. Para esto se fundó en México la “Oficina de Estudios Especiales” en 1943, antecesora del “Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo” (CIMMYT) que se fundaría en 1963. Gracias a estos esfuerzos y a la inversión del gobierno en el área, México se volvió autosuficiente en trigo para 1957 y más tarde exportador. Esto también permitió que la población alcanzara 103.3 millones de habitantes para 2005 cuando en 1900 apenas había 13.6 millones. El CIMMYT más tarde ayudaría a llevar la Revolución Verde a India y después a Filipinas, Indonesia, Pakistán, Sri Lanka y otros países de Latinoamérica, Asia y el norte de África. Gracias a sus contribuciones, uno de los investigadores del CIMMYT, Norman E. Borlaug, ganó el Premio Nobel de la Paz en 1970, el único otorgado por contribuciones a la agricultura.

Plantas de laboratorio

Desde 1898, el botánico alemán G. Haberlandt pudo cultivar de manera exitosa células vegetales individuales, completamente diferenciadas, aisladas de diferentes tejidos vegetales de varias especies, en un medio de glucosa y peptona, aunque no puedo obtener división celular. Por aproximadamente 35 años se lograron pocos avances en la investigación del cultivo de tejidos, aunque se pudieron cultivar embriones, raíces y otros tipos de tejidos. Fue hasta el periodo de 1934 a 1939 que tres científicos: Roger-Jean Gautheret, Pierre Nobécourt y Philip White, pudieron establecer las bases del cultivo de tejidos vegetales gracias al descubrimiento de la importancia de los distintos reguladores de crecimiento y otros compuestos como las vitaminas B, lo que permitió obtener los primeros cultivos permanentes de callos (masas indiferenciadas de células) de zanahoria y tabaco. Durante los siguientes veinte años (de 1940 a 1960), se identificaron una gran variedad de compuestos químicos (hormonas, vitaminas, etc.) con efectos sobre la división celular, el crecimiento y la diferenciación, pudiéndose obtener tejidos y órganos distintos de los originalmente cultivados. Skoog y Miller demostraron en 1958 que la relación de concentraciones entre varios de estos reguladores controla la formación de raíces y brotes, lo que abrió la puerta a la regeneración de plantas completas a partir de la década de 1960; la aplicación de técnicas de crioconservación exitosas a partir de 1976 y la propagación automatizada a partir de 1988.

La llegada de la ingeniería genética

Desde antes del descubrimiento de la estructura del ADN, en 1941, el microbiólogo danés A. Jost, acuñó el término “ingeniería genética” para designar la idea que, escribiendo directamente la información en las células se podían modificar sus funciones. Más tarde, entre 1945 y 1950, se lograron crecer cultivos de células animales aisladas en el laboratorio, lo que permitiría su estudio y aprovechamiento industrial. En 1957, Francis Crick y George Gamov trabajaron en lo que se conoce como el “dogma central” que explica cómo el ADN fabrica proteínas, cómo su secuencia especifica la de los aminoácidos en dichas proteínas y cómo fluye la información en una sola dirección, del ADN al ARN mensajero y a las proteínas. Para 1966 el código genético pudo ser descifrado, Marshall Nirenberg, Heinrich Mathaei y Severo Ochoa demostraron que una secuencia de tres bases



determina cada uno de los 20 aminoácidos. Más tarde, en 1972, Paul Berg aisló y empleó una enzima de restricción para cortar ADN y después unirlo formando una molécula circular híbrida: la primera molécula de ADN recombinante. Al año siguiente, Stanley Cohen, Annie Chang y Herbert Boyer cortaron secciones de ADN viral y bacteriano para crear un plásmido con resistencia dual a antibióticos y lo insertaron al ADN de una bacteria produciendo el primer organismo con ADN recombinante.

La primera compañía biotecnológica

En 1976, Herbert Boyer y Robert Swanson fundan Genentech, Inc., la primera compañía biotecnológica, dedicada al desarrollo y comercialización de productos basados en el ADN recombinante, y al año siguiente Genentech reporta la producción de la primera proteína humana fabricada en una bacteria: la somatostatina. Por primera vez se usa un gen sintético recombinante para producir una proteína por lo que muchos consideran a este hecho como el inicio de la Era de la Biotecnología. En 1978 Genentech se convierte en la primera empresa biotecnológica en entrar a la bolsa de valores de Nueva York, y ese mismo año, junto con The City of Hope National Medical Center, anuncia la producción exitosa en laboratorio de insulina human usando la tecnología del ADN recombinante; en 1982 Genentech recibe aprobación de la FDA para comercializarla, lo que la convierte en el primer medicamento de origen recombinante aprobado.

La biotecnología moderna y la industria

A partir del inicio de la Era de la Biotecnología, los avances en el campo han sucedido a gran velocidad. Así, en 1980 la Suprema Corte de los Estados Unidos determinó que los organismos modificados genéticamente podían ser patentados, lo que permitió a la compañía Exxon patentar un microoganismo (derivado del género Pseudomonas) diseñado para “comer” petróleo y utilizarse en derrames. Ese mismo año se consigue introducir exitosamente un gen humano (el que codifica para la producción de interferón) en una bacteria y al año siguiente Bill Rutter y Pablo Valenzuela publican un reporte en la revista Nature sobre un sistema de expresión en levaduras para producir el antígeno de superficie del virus de la hepatitis B y que llevaría más adelante a que la FDA aprobara a Chiron Corp., en 1986, la producción de la primera vacuna recombinante: Recombivax HB. También en 1981, un grupo de científicos de la Universidad de Ohio produjeron los primeros animales transgénicos al transferir genes de otros animales a ratones y en 1988 los biólogos moleculares Philip Leder y Timothy Stewart recibieron la primera patente para un animal genéticamente modificado, un ratón altamente susceptible a desarrollar cáncer.

La biotecnología moderna entra a nuestras vidas

En el año de 1984, Alec Jeffreys introduce la técnica de caracterización de ADN para la identificación de personas y al año siguiente comienza a usarse como una herramienta legal en las cortes de los Estados Unidos. En 1985, la compañía belga Plant Genetic Systems fue la primera en desarrollar plantas genéticamente modificadas con resistencia al ataque de insectos. Esta compañía desarrolló plantas de tabaco que expresaban genes que codifican proteínas insecticidas de la bacteria Bacillus thuringiensis (Bt). En 1987, Calgene, Inc. recibe una patente para la secuencia de ADN de la poligalacturonasa del jitomate, usada para producir una secuencia antisentido de ARN que permite alargar la vida de anaquel de este fruto. En 1993 la FDA declara que los alimentos genéticamente modificados “no son inherentemente peligrosos” y por lo tanto no requieren de una regulación específica, lo que permite que estos jitomates obtuvieran el permiso de la FDA para ser comercializados, lo que ocurriría bajo el nombre “Flavi Savr”. En 1988, Genencor



International, Inc. recibe una patente para el proceso de fabricación de enzimas resistentes a cloro para su uso en detergentes. Para el año 2000, se anuncia la creación del “Arroz Dorado” (Golden Rice), una variedad de arroz modificada para producir vitamina A, que se espera ayude a mejorar la salud en los países en desarrollo y a prevenir algunas formas de ceguera. Todos estos avances llevan en 2004 a que la FAO apoye el uso de los cultivos obtenidos por técnicas de ingeniería genética como una herramienta complementaria a las técnicas agrícolas tradicionales para ayudar a los campesinos y consumidores en los países en vías de desarrollo.

Pasos hacia la medicina del futuro

En 1989 se crea el Centro Nacional de los Estados Unidos para la Investigación del Genoma Humano (National Center for Human Genome Research), dirigido por James Watson para supervisar el proyecto elaborar el mapa y la secuencia del ADN humano para 2005. Al año siguiente se inauguró de manera formal el Proyecto Internacional del Genoma Humano (International Human Genome Project). La meta de este proyecto era identificar y secuenciar todos los genes del genoma humano. En 1990 se lleva a cabo la primera terapia génica en una niña de cuatro años con una enfermedad del sistema inmune llamada “deficiencia ADA”; aparentemente la terapia funcionó, pero desató una serie de debates sobre los aspectos éticos de la misma. En 1998, dos grupos de investigación tuvieron éxito en el cultivo de células troncales embrionarias, lo que abriría nuevas perspectivas para el tratamiento de enfermedades. Como resultado del proyecto del Genoma Humano, se publica en 2001 la secuencia de dicho genoma en las revistas Science y Nature, haciendo posible el que investigadores de todo el mundo comiencen a desarrollar tratamientos genéticos a enfermedades. La secuencia se completó para el 2003, dos años antes de lo planeado y con un gasto menor al estimado. Un grupo de investigadores anuncia en 2002 sus resultados exitosos en la obtención de una vacuna contra el cáncer cérvico, la primera vacuna preventiva para algún tipo de cáncer. En 2003, se encuentra un gen relacionado con la depresión y se avanza en la detección de lazos genéticos con esquizofrenia y desorden bipolar. Ese mismo año, el gobierno de China aprueba el uso del primer producto de terapia génica (Gendicine), desarrollado por la compañía Shenzhen SiBiono GenTech para el tratamiento de cáncer de cabeza y cuello.

Más avances en genética

Para 1996, un grupo de científicos reportó la primera secuencia completa de un organismo complejo: la levadura de pan Saccharomyces cerevisiae. El año siguiente pasaría a la historia por el anuncio de investigadores del Instituto Rosalin de Escocia sobre la clonación de una oveja, a la que llamaron Dolly, a partir de una célula adulta. A partir de la secuenciación del primer organismo complejo, comienza la carrera por obtener el genoma de más organismos, así en 1998 se obtuvo la secuencia del gusano Caenorhabditis elegans, el primer genoma completo de un animal; en 2000 la primera planta, Arabidopsis thaliana; en 2002 la primera planta usada como alimento, el arroz, así como el parásito que causa la malaria y la especie de mosquito que lo transmite; en 2004 el pollo, la rata de laboratorio y el chimpancé, el primate más cercano al hombre; en 2005 el perro; en 2006 la abeja y de manera parcial el Neandertal; y en 2007 el caballo. En el año 2002, un grupo de investigadores logra obtener un virus sintético (de poliomielitis) partiendo únicamente de su genoma; este logro despierta muchas preguntas éticas y de seguridad. Ya en 2005, se logra sintetizar parcialmente al virus de la influenza causante de la muerte de al menos 20 millones de personas en todo el mundo de 1918 a 1919. En 2003 se logra clonar por primera vez una especie en peligro de extinción (el banteng) y otras especies como el



caballo, venados y mulas; al año siguiente se lleva a cabo la clonación de la primera mascota: un gato; un año más tarde, en 2005, se logra la clonación de una vaca a partir de células de un animal muerto. En el año 2005, científicos de la Universidad de Harvard reportan haber tenido éxito en convertir células de piel en células troncales embrionarias al fusionarlas con células troncales embrionarias existentes.

TIPOS DE BIOTECNOLOGIA

De acuerdo a la técnica, la Biotecnología puede ser dividida en dos categorías: tradicional y moderna.

A. Biotecnología tradicional Utiliza técnicas tradicionales y sus principales productos son alimentos tales como el pan, el yogur, las leches agrias, los quesos; saborizantes como el sillao, los sazonadores; alcohol industrial, antibióticos y ácido cítrico.

B. Biotecnología moderna Emplea técnicas novedosas de ingeniería genética para obtener organismos capaces de formar productos útiles en el campo de la industria, salud y medio ambiente. En este campo sobresale el cultivo de células y tejidos, la hibridación, la transgenia, la clonación, la terapia génica y el estudio de genomas.

INGENIERÍA GENÉTICA

La ingeniería genética es la tecnología o más concretamente la biotecnología de la manipulación y transferencia de ADN de un organismo a otro, que posibilita la creación de nuevas especies, la corrección de defectos genéticos y la fabricación de numerosos compuestos.

Actualmente la Ingeniería Genética está trabajando en la creación de técnicas que permitan solucionar problemas frecuentes de la humanidad como, por ejemplo, la escasez de donantes para la urgencia de trasplantes. En este campo se están intentando realizar cerdos transgénicos que posean órganos compatibles con los del hombre.

La ingeniería genética que mediante la manipulación de la información genética ayuda al ser humano El ADN es una base fundamental de información que poseen todos los organismos vivos, hasta el más simple y pequeño. Esta información está a su vez dividida en determinada cantidad



espacios llamado loci (plural) o locus (singular); que es donde se encuentra insertado los genes, que varían dependiendo de la especie.

Entre los procesos biotecnológicos destacan la reproducción asistida, que involucra conservación de espermatozoides y óvulos en nitrógeno líquido, la inseminación artificial, fecundación “in Vitro”, conservación de embriones por congelación, y transferencia e implantación de embriones en el útero de la hembra. La ingeniería genética ha alcanzado en los últimos tiempos un alto grado de desarrollo. Entre las técnicas más usadas y conocidas tenemos:

o La tecnología del ADN recombinante. o La reacción en cadena de la polimerasa. o El cultivo de células y tejidos. o La hibridación. o La transgenia. o La terapia génica. o La clonación. o Elaboración de bibliotecas genómicas. o El secuenciamiento de genomas.

La ingeniería genética puede definirse como un conjunto de técnicas, nacidas de la Biología molecular, que permiten manipular el genoma de un ser vivo. TECNOLOGIA DEL ADN RECOMBINANTE

Esta tecnología nos permite obtener fragmentos de ADN en cantidades ilimitadas, que llevará además el gen o los genes que se desee. Este ADN puede incorporarse a las células de otros organismos (vegetales, animales, bacterias...) en los que se podrá "expresar" la información de dichos genes. (De una manera muy simple podemos decir que "cortamos" un gen humano y se lo "pegamos" al ADN de una bacteria; si por ejemplo es el gen que regula la fabricación de insulina, lo que haríamos al ponérselo a una bacteria es "obligar" a ésta a que fabrique la insulina). Por lo tanto en la tecnología del ADN recombinante podemos diferenciar cuatro etapas básicas:

1. Corte específico del ADN en fragmentos pequeños y manejables mediante la utilización de un tipo de enzimas conocidas como enzimas de restricción que pueden considerarse como las "tijeras moleculares". Estas enzimas se aislaron en bacterias y se identifican con distintos nombres, siendo lo característico de ellas estos dos principios:

o Cada enzima de restricción reconoce una secuencia específica de nucleótidos y corta en ese punto cada una de las cadenas de ADN.

o Los extremos libres que quedan se llaman extremos pegajosos, porque pueden unirse a otros fragmentos de ADN que hayan sido cortados por la misma enzima de restricción.



En este esquema se indica el lugar en el que corta la enzima de restricción. Se aprecia la actuación en ambas hebras.

En este esquema se ve el resultado de la actuación de la enzima de restricción. Ha quedado rota la molécula de ADN, quedando unos bordes pegajosos por donde puede unirse este ADN, con otro aunque sea de una especie diferente.

2. Inserción de los fragmentos de ADN. Esta inserción se realiza en vectores de clonado, que son los agentes transportadores capaces de introducirlos en las células hospedadoras. Los vectores de clonación son pequeñas moléculas de ADN, que tienen capacidad para autorreplicarse dentro de las células hospedadoras. Se utilizan con frecuencia dos tipos de vectores de clonación: plásmidos y virus de introducirlos en las células hospedadoras.

Plásmidos. Son moléculas de ADN circular, con un tamaño menor que el del cromosoma. Se replican con independencia del cromosoma bacteriano ya que tienen su propio origen de replicación.

En esta secuencia de dibujos se puede ver como se realiza la inserción de un gen en un plásmido. En la figura a tenemos un gen (color rojo) que interesa insertar en un plásmido (color turquesa).

En la figura b, vemos como una enzima de restricción ha cortado el gen y el plásmido, quedando unos bordes cohesivos o pegajosos.



La unión del ADN que contiene el gen que se desea clonar con el vector de clonación, se realiza por medio de otras enzimas, denominadas ADN-ligasas (figura c), que unen ambos trozos de ADN. El resultado es una molécula de ADN recombinante, ya que contiene fragmentos de ADN de distinta procedencia. Bacteriófagos. El proceso es similar, se trata de insertar el gen deseado en un fragmento de ADN vírico (figura d) Posteriormente se ensamblarán las distintas partes del virus (figura e). Así quedará el virus completo (figura f). En el siguiente paso se insertará este ADN por el proceso de la TRANSDUCCIÓN.

Cósmidos. Son plasmidos que contienen el fragmento de ADN deseado que posee un borde cohesivo procedente del genoma del fago lambda (extremo cos) y se empaqueta en el interior de un fago. Se construye el cosmido uniendo los tres elementos génicos, y el resultado final es poder introducir en la célula receptora fragmentos largos de ADN.

Además del origen de



replicación, los vectores de clonación deben llevar otros genes denominados “marcadores”, que sirven para identificar las células que contienen el vector de clonación. Se suelen utilizar como marcadores, genes de resistencia a antibióticos y genes de bioluminiscencia.

o Genes de resistencia a antibióticos. Sirven para identificar bacterias que contienen el vector de clonación, porque estas bacterias serán resistentes al antibiótico del gen marcador.

o Genes de luminiscencia. En este caso, la célula que contenga el gen que se quiere clonar, tendrá la propiedad de emitir luz, ya que el marcador que se le incorpora determina que se exprese esa característica. Este sistema se emplea cuando la célula hospedadora es una célula eucariota.

Métodos de introducción del vector

El siguiente paso será introducir el vector de clonación que contiene el gen que se quiere clonar en la célula hospedadora, para que ésta, al multiplicarse, origine un clon celular que lleve el gen concreto. Existen varios métodos que dependerán del tipo de célula fundamentalmente. En bacterias (células procariotas), mediante estos procesos:

o Transformación. Ocurre espontáneamente en ciertos tipos de bacterias y se consigue artificialmente sometiendo a la célula bacteriana a tratamientos físicos y químicos. La célula capta moléculas de ADN que se encuentran en el medio externo, las introduce en su interior y las incorpora a su genoma.

o Transducción. Este método consiste en introducir el ADN en la célula hospedadora mediante un virus, utilizando como vector de clonación el genoma del virus. En la siguiente figura puede verse el proceso en tres etapas. El número 1 corresponde al

virus aproximándose a una bacteria. Se puede observar como lleva un genoma ya con el

gen que interesa clonar. El siguiente momento 2, corresponde al contacto entre el virus y la pared bacteriana, en cuya zona de contacto se produce un poro por donde como vemos en la etapa 3, el virus inyecta su ADN al interior de la célula bacteriana.

ENZIMAS DE RESTRICCION

¿Cómo cortar y pegar el ADN? Tijeras moleculares: enzimas de restricción

En 1975 Daniel Nathans y Hamilton O. Smith descubrieron un tipo de proteínas –las enzimas endonucleasas o enzimas de restricción- que actúan como “tijeras moleculares”, cortando la doble cadena de ADN a través del esqueleto de fosfatos sin dañar las bases. El descubrimiento



de estas enzimas condujo a dichos microbiólogos al Nobel en 1978 y dio origen a la ingeniería genética.

Las enzimas de restricción son producidas por bacterias como método de defensa contra virus y degradan el ADN extraño.

A su vez, el propio genoma bacteriano está protegido contra sus enzimas de restricción mediante metilaciones (es decir, el agregado de un grupo metilo [-CH3)]) en un átomo específico de ciertos nucleótidos.

Estas moléculas son indispensables para la ingeniería genética, ya que producen fragmentos que se pueden unir entre sí fácilmente (con la ayuda de un “pegamento molecular”: la enzima ligasa).

Las enzimas de restricción cortan dejando extremos cohesivos o romos. Los extremos cohesivos son generados cuando la enzima corta las dos hebras asimétricamente, dejando los extremos de cada hebra de simples cadenas complementarias entre sí. Por otro lado, los extremos romos son generados cuando la enzima corta las dos hebras por el mismo lugar, generando dos extremos doble cadena.

Figura 1. Enzimas de restricción. Este tipo de endonucleasas puede dejar dos tipos de extremos. En el primer caso, el corte genera nucléotidos de simple cadena llamados extremos cohesivos. Estos extremos se pueden unir por medio de otra enzima, la ADN ligasa. En el segundo caso, se generan extremos doble cadena (extremos romos). Estos extremos también pueden ser unidos con la ayuda de una enzima ligasa pero, como no los extremos no son complementarios, la unión será más inespecífica.

Las enzimas de restricción permiten cortar el genoma de cualquier organismo en pequeños fragmentos llamados fragmentos de restricción. La colección de miles o millones de estos fragmentos se llama biblioteca génica.

Actualmente se conocen unas 200 enzimas de restricción (las más conocidas se muestran en la tabla 1), las cuales se nombran de acuerdo al organismo del cual se extraen, como por ejemplo EcoRI y EcoRII, que se extraen de Escherichia coli o HaeIII que se extrae de Haemophilus aegyptius.



Tabla 1: Algunas de las principales enzimas de restricción conocidas y su origen (en base a Griffiths et al. 1998).

Enzima de restricción

Organismo de donde se extrae

EcoRI Escherichia coli

EcoRII Escherichia coli

HindII Haemophilus influenzae

HindII Haemophilus influenzae

HaeIII Haemophilus aegyptius

HpaII Haemophilus parainfluenzae

PstI Providencia stuartii

SmaI Serratia marcesens

BamI Bacillus amyloliquefaciens

BglII Bacillus globiggi

Las enzimas de restricción trabajan únicamente sobre secuencias específicas de bases nitrogenadas, el lugar donde se produce el corte se denomina sitio de restricción y producen dos tipos de corte: (1) corte con extremos cohesivos y (2) corte con extremos romos (ver Fig. 1) (Griffiths et al. 1998). Los extremos cohesivos dejan porciones lineales a ambos lados del fragmento, es decir, quedan pequeñas secuencias de bases sin aparear a cada lado, siendo éstas complementarias entre sí, mientras que los extremos romos son aquellos en los que no queda una porción lineal



a ninguno de los lados. De acuerdo a la especificidad de las enzimas de restricción, se conocen dos tipos: las enzimas de tipo I cortan en un sitio cercano al sitio de restricción, a una distancia que varía aleatoriamente, y por ello no se suelen emplear para DNA recombinante. Las de tipo II reconocen y cortan en la secuencia específica, y son las más empleadas en este tipo de protocolos por su alta precisión. Las enzimas de restricción de tipo III son similares a las de tipo II en cuanto a la precisión del lugar de corte, pero se diferencian de éstas en que sólo cortan entre nucleótidos del mismo tipo, por ejemplo entre dos adeninas.



LA REACCION EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR)

INTRODUCCION

La reacción en cadena de la polimerasa, conocida como PCR por sus siglas en inglés (Polymerase Chain Reaction), es una técnica de biología molecular descrita en 1986 por Kary Mullis, cuyo objetivo es obtener un gran número de copias de un fragmento de ADN particular, partiendo de un mínimo; en teoría basta partir de una única copia de ese fragmento original, o molde.

Esta técnica sirve para amplificar un fragmento de ADN; su utilidad es que, tras la amplificación, resulta mucho más fácil identificar con una muy alta probabilidad virus o bacterias causantes de una enfermedad, identificar personas (cadáveres) o hacer investigación científica sobre el ADN amplificado. Estos usos derivados de la amplificación han hecho que se convierta en una técnica muy extendida, con el consiguiente abaratamiento del equipo necesario para llevarla a cabo. FUNDAMENTO E IMPORTANCIA

Esta técnica se fundamenta en la propiedad natural de las ADN polimerasas para replicar hebras de ADN, para lo cual emplea ciclos de altas y bajas temperaturas alternadas para separar las hebras de ADN recién formadas entre sí tras cada fase de replicación y, a continuación, dejar que vuelvan a unirse a polimerasas para que vuelvan a duplicarlas.

Inicialmente la técnica era lenta, ya que las polimerasas se desnaturalizaban al realizar los cambios de temperatura y era necesario agregar nuevas polimerasas en cada ciclo. Puesto que las temperaturas del ciclo (95 ºC en las fases de desnaturalización del ADN) suponen la inmediata desnaturalización de toda proteína, se emplean ADN polimerasas termoestables, extraídas de microorganismos adaptados a vivir a esas temperaturas, restrictivas para la mayoría de los seres vivos. Dichos microorganismos, generalmente bacterias, son: Thermus aquaticus (polimerasa Taq), Pyrococcus furiosus (Pfu), Thermococcus litoralis (Vent) y Thermus termophilus (Tth). Generalmente se emplean mezclas de polimerasas muy procesivas (Taq) con otras con corrección de errores (Pfu, Vent).

Hoy, todo el proceso de la PCR está automatizado mediante un aparato llamado termociclador, que permite calentar y enfriar los tubos de reacción para controlar la temperatura necesaria para cada etapa de la reacción. Muchos termocicladores modernos hacen uso del efecto Peltier, que permite tanto calentar como enfriar los tubos simplemente invirtiendo la corriente eléctrica. Los tubos usados para PCR tienen una pared muy fina, lo que favorece una buena conductividad térmica, permitiendo que se alcance rápidamente el equilibrio térmico. Casi todos los termocicladores tienen un sistema que calienta la tapa de cierre con el fin de evitar la condensación

sobre los tubos de reacción. Los termocicladores más antiguos que carecían de este sistema,



solucionaban el problema de la condensación con una capa de aceite en la parte superior de la mezcla de reacción o con un poco de cera dentro de los tubos.

Termociclador original 1987

Por lo general, la PCR es una técnica común y normalmente indispensable en laboratorios de investigación médica y biológica para una gran variedad de aplicaciones. Entre ellas se incluyen la clonación de ADN para la secuenciación, la filogenia basada en ADN, el análisis funcional de genes, el diagnóstico de trastornos hereditarios, la identificación de huellas genéticas (usada en técnicas forenses y tests de paternidad) y la detección y diagnóstico de enfermedades infecciosas. Termocclador: aparato en el cuál se realiza la PCR convencional. REACTIVOS

Tubos de PCR que albergan la mezcla en un volumen total de 100 μL. Para realizar la técnica se necesitan:

o Desoxinucleótidos trifosfato (dNTPs), el sustrato para polimerizar nuevo ADN. o Dos cebadores (o primers), oligonucleótidos que son, cada uno, complementarios a una

de las dos hebras del ADN. Son secuencias cortas, de entre seis y cuarenta nucleótidos, normalmente de 18 a 22, que son reconocidos por la polimerasa permitiendo iniciar la reacción. Deben estar situados enfrentados y a no mucha distancia (no más de 4 kb. Delimitan la zona de ADN a amplificar. Además deben de ser complementarios con los extremos 3’ de cada cadena de ADN que se amplificará.

o Iones divalentes. Se suele usar magnesio (Mg2+), agregado comúnmente como cloruro de magnesio (MgCl2), o algún otro catión divalente. También se puede emplear manganeso (Mn2+), para mutagénesis de ADN mediante PCR, ya que altas concentraciones de Mn2+ incrementan la tasa de error durante la síntesis de ADN. Actúan como cofactores de la polimerasa.

o Iones monovalentes, como el potasio. o Una solución tampón que mantiene el pH adecuado para el funcionamiento de la ADN

polimerasa. o ADN polimerasa o mezcla de distintas polimerasas con temperatura óptima alrededor

de 70ºC (la más común es la Taq polimerasa). o ADN molde, que contiene la región de ADN que se va a amplificar. o Termociclador, el aparato que va a mantener la temperatura necesaria en cada una de

las etapas que conforman un ciclo.



Tubos de PCR que contienen la mezcla en un volumen total de 100 ul.

CICLO DE AMPLIFICACIÓN

El proceso de PCR por lo general consiste en una serie de 20 a 35 cambios repetidos de temperatura llamados ciclos; cada ciclo suele consistir en 2-3 pasos de temperaturas. La PCR común se realiza con ciclos que tienen tres pasos de temperatura. Los pasos de ciclos a menudo están precedidos por un choque térmico (llamado "hold") a alta temperatura ( 95°C), y seguido por otro hold al final del proceso para la extensión de producto final o el breve almacenaje. Las temperaturas usadas y el tiempo aplicado en cada ciclo dependen de gran variedad de parámetros. Éstos incluyen la enzima usada para la síntesis de ADN, la concentración de iones divalentes y dNTPs en la reacción, y la temperatura de unión de los cebadores.

1. INICIALIZACIÓN (DESNATURALIZACION)

Este paso consiste en llevar la reacción hasta una temperatura de 95ºC (ó 98ºC si se está usando una polimerasa termoestable extrema), que se mantiene durante 1 minuto. Esto sólo es necesario para ADN polimerasas que requieran activación por calor.

En primer lugar, se desnaturaliza el ADN (se separan las dos hebras de las cuales está constituido). Este paso puede realizarse de diferentes modos, siendo el calentamiento (95ºC) de la muestra la forma más habitual. La temperatura a la cual se decide realizar la desnaturalización depende, por ejemplo, de la proporción de G+C que tenga la hebra, como también del largo de la misma. Otros métodos, raramente empleados en la técnica de la



PCR, serían la adición de sales o agentes químicos capaces de realizar la desnaturalización.

2. ALINEAMIENTO/UNIÓN DEL CEBADOR

A continuación se producirá la hibridación del cebador, es decir, el cebador se unirá a su secuencia complementaria en el ADN molde. Para ello es necesario bajar la temperatura a 60ºC durante 30 segundos (según el caso), permitiendo así el alineamiento. Los puentes de hidrógeno estables entre las cadenas de ADN (unión ADN-ADN) sólo se forman cuando la secuencia del cebador es muy similar a la secuencia del ADN molde. La polimerasa une el híbrido de la cadena molde y el cebador, y empieza a sintetizar ADN. Los cebadores actuarán como límites de la región de la molécula que va a ser amplificada.



3. EXTENSIÓN/ELONGACIÓN DE LA CADENA

Actúa la ADN polimerasa, tomando el ADN molde para sintetizar la cadena complementaria y partiendo del cebador como soporte inicial necesario para la síntesis de nuevo ADN. La polimerasa sintetiza una nueva hebra de ADN complementaria a la hebra molde añadiendo los dNTP's complementarios en dirección 5'→ 3', uniendo el grupo 5'- fosfato de los dNTPs con el grupo 3'- hidroxilo del final de la hebra de ADN creciente (la cual se extiende). La temperatura para este paso depende de la ADN polimerasa que usemos. Para la Taq polimerasa, la temperatura de máxima actividad está en 75-80°C (comúnmente 72°C). El tiempo de extensión depende tanto de la ADN polimerasa usada como de la longitud del fragmento de ADN que se va a amplificar. Hay una regla básica: en su temperatura óptima, la polimerasa de ADN polimerizará mil bases en un minuto. Generalmente el tiempo en esta etapa es de dos minutos.

Como se puede observar a las tres etapas (iniciación o desnaturalización, acoplamiento de los primers o cebadores y la extensión o elongación), demora termino promedio tres minutos y medio y en conjunto recibe en nombre de ciclo.

APLICACIONES

La técnica de la PCR tiene multitud de aplicaciones: ya en ciencia básica, como herramienta de detección y/o generación de acervos de fragmentos de ADN de interés; ya en ciencia aplicada, como elemento resolutivo en sí mismo, por ejemplo en diagnóstico clínico.

o Investigación

La PCR convencional se emplea como base para multitud de técnicas en el laboratorio debido a su robustez y rapidez. De este modo, la PCR de punto final permite controlar y detectar los fragmentos de ADN de interés.

Clonación de un segmento de ADN mediante amplificación con cebadores que contienen una secuencia apta para la recombinación dirigida con un plásmido. Una aplicación de la PCR de extrema importancia es la clonación de secuencias de ADN en vectores, como pueden ser los plásmidos. Para ello, se emplean cebadores que contienen en su extremo 5' una corta secuencia que permite la interacción posterior con otra complementaria situada en el vector de clonación a emplear. Por ejemplo, se puede incluir una diana de restricción en dichos cebadores, de modo que, y si ésta no existía previamente en el fragmento y es única en el vector, pueda efectuarse una ligación mediante la ligasa de T4 tras la digestión con la enzima de restricción apropiada de ambos elementos. Otro método asimilable a esta vía es el empleo de la recombinación dirigida; esto es, se adapta al 5' de los cebadores una secuencia que faculta a una recombinasa la recombinación dirigida con un vector dado.

o Medicina

En medicina, la PCR se emplea fundamentalmente como herramienta de diagnosis (Coleman y Tsongalis, 2006):

Permite el genotipar la especie o especies que provocan un determinado cuadro infeccioso: para ello, se amplifica una zona del genoma bacteriano cuyo producto de PCR posea unas características de tamaño o temperatura de fusión que permitan identificarlo de forma inequívoca. En el caso de infecciones virales que implican la integración del genoma del patógeno en el ADN del hospedador, como es el de la infección por VIH, la PCR cuantitativa posibilita la determinación de la carga viral existente y por tanto, del estadio de la enfermedad.



La PCR también se puede usar en revisiones médicas rutinarias, como en los servicios de donantes de sangre, para test de rutina. A través de esta técnica se pueden detectar infecciones peligrosas en el donante (como VIH o Hepatitis B) mientras aún están en el periodo de incubación. Dada la sensibilidad de los test de PCR se pueden tomar muestras colectivas o "pools" (por ejemplo, 96 pruebas individuales). Si una de estas muestras colectivas da positivo, se toman a partir de ella muestras progresivamente menores hasta que se encuentra el causante.

El diagnóstico de enfermedades hereditarias presentes en el genoma es un proceso largo y complicado que puede acortarse significativamente gracias a la PCR. Cada uno de los genes prueba se pueden amplificar mediante sus correspondientes primers y posteriormente secuenciar para detectar la existencia de mutaciones.

Guerras de patentes

La técnica de la PCR fue patentada por Cetus Corporation, donde Mullis trabajaba cuando inventó la técnica en 1983. La enzima Taq polimerasa fue también cubierta de patentes. Tuvieron lugar varios pleitos relacionados con la técnica, incluyendo un pleito fracasado generado por DuPont. La compañía farmacéutica Hoffmann-La Roche adquirió los derechos de las patentes en 1992 y actualmente mantiene las que aún están protegidas.

LA TRANSGENIA

Los cultivos transgénicos son nuevas formas de vida creadas en el laboratorio con una técnica que permite insertar genes extraños de bacterias, plantas o animales a cultivos como el maíz y la soya.

Estas técnicas permiten a los científicos saltarse la selección natural y la evolución, al intercambiar genes entre especies que normalmente no se cruzan. Una vez que estas nuevas especies hechas por el ser humano son liberadas al medio ambiente y a la cadena alimenticia, no hay manera de revertir la situación ni se conocen los efectos a largo plazo que estos cultivos producirán sobre los ecosistemas y la salud humana.

"Todos los organismos vivos están constituidos por conjuntos de genes. Las diferentes composiciones de estos conjuntos determinan las características de cada organismo. Por la alteración de esta composición los científicos pueden cambiar las características de una planta o de un animal. El proceso consiste en la transferencia de un gen responsable de determinada característica en un organismo, hacia otro organismo al cual se pretende incorporar esta característica. En este tipo de tecnología es posible transferir genes de plantas o bacterias, o virus, hacia otras plantas, y además combinar genes de plantas con plantas, de plantas con animales, o de animales entre sí, superando por completo las barreras naturales que separan las especies".

ALIMENTOS TRANSGÉNICOS. ESTADO ACTUAL

Algunos enzimas y aditivos utilizados en el procesado de los alimentos se obtienen desde hace años mediante técnicas de ADN recombinante. La quimosina, por ejemplo, enzima empleada en la fabricación del queso y obtenida originalmente del estómago de terneros, se produce ahora utilizando microrganismos en los que se ha introducido el gen correspondiente.

Sin embargo, la era de los denominados “alimentos transgénicos" para el consumo humano directo se abrió el 18 de mayo de 1994, cuando la Food and Drug Administration de Estados Unidos autorizó la comercialización del primer alimento con un gen "extraño", el tomate "Flavr-



Savr", obtenido por la empresa Calgene. A partir de este momento, se han obtenido cerca del centenar de vegetales con genes ajenos insertados, que se encuentran en distintas etapas de su comercialización, desde los que representan ya un porcentaje importante de la producción total en algunos países hasta los que están pendientes de autorización.

Existen diferentes posibilidades de mejora vegetal mediante la utilización de la ingeniería genética. En el caso de los vegetales con genes antisentido, el gen insertado produce un ARNm que es complementario del RNAm de la enzima cuya síntesis se quiere inhibir. Al hibridarse ambos, RNAm de la enzima no produce su síntesis. En el caso de los tomates "Flavr -Savr" en enzima cuya síntesis se inhibe es la poligalacturonasa, responsable del ablandamiento y senescencia del fruto maduro. Al no ser activo, este proceso es muy lento, y los tomates pueden recogerse ya maduros y comercializarse directamente. Los tomates normales se recogen verdes y se

maduran artificialmente antes de su venta con etileno, por lo que su aroma y sabor son inferiores a los madurados de forma natural. En este caso, el alimento no contiene ninguna proteína nueva. La misma técnica se ha utilizado para conseguir una soja con un aceite con alto contenido en ácido oleico (80 % o más, frente al 24% de la soja normal), inhibiendo la síntesis de la enzima oleato desaturasa.

La inclusión de genes vegetales, animales o bacterianos da lugar a la síntesis de proteínas específicas. La soja resistente al herbicida glifosato, conocida con el nombre de "Roundup Ready" y producida por la empresa Monsanto contiene un gen bacteriano que codifica el enzima 5-enolpiruvil-shikimato-3-fosfato sintetasa. Este enzima participa en la síntesis de los aminoácidos aromáticos, y el propio del vegetal es inhibido por el glifosato; de ahí su acción herbicida. El bacteriano no es inhibido.

El maíz resistente al ataque de insectos contienen un gen que codifica una proteína del Bacillus thuringiensis, que tiene acción insecticida al ser capaz de unirse a receptores específicos en el tubo digestivo de determinados insectos, interfiriendo con su proceso de alimentación y causando su muerte. La toxina no tiene ningún efecto sobre las personas ni sobre otros animales. La utilización de plantas con genes de resistencia a insectos y herbicidas permite reducir la utilización de plaguicidas y conseguir un mayor rendimiento. También se ha obtenido una colza con un aceite de elevado contenido en ácido laúrico, mediante la inserción del gen que codifica una tioesterasa de cierta especie de laurel. Los vegetales resistentes a virus se consiguen haciendo que síntetizen una proteína vírica que interfiere con la propagación



normal del agente infecioso. Estos vegetales contienen proteína vírica, pero menos de la que contienen los normales cuando están severamente infectados.

Los vegetales transgénicos más importantes para la industria alimentaria son, por el momento, la soja resistente al herbicida glifosato y el maíz resistente al taladro, un insecto. Aunque se utilice en algunos casos la harina], la utilización fundamental del maíz en relación con la alimentación humana es la obtención del almidón, y a partir de este de glucosa y de fructosa. La soja está destinada a la producción de aceite, lecitina y proteína.

Puesto que la harina de maíz, la proteína de soja y los productos elaborados con ellas contienen DNA y proteínas diferentes a la de las otras variedades de maíz, en la Unión Europea (no en los Estados Unidos) existe la obligación de mencionar su presencia en el etiquetado de los alimentos. Aunque no se ha detectado ningún caso, sería concebible la existencia de personas alérgicas a las nuevas proteínas. No obstante, en el caso de la proteína de B. thuringiensis, su amplio uso como plaguicida en agricultura ecológica permite asegurar su falta de alergenicidad.

El aceite de soja transgénica y la glucosa y la fructosa obtenidas del almidón de maíz transgénico no contienen ningún material distintinto a los que contienen cuando se obtienen a partir de los vegetales convencionales. En la mayoría de los casos, ni siquiera las técnicas de PCR, que como se sabe tienen una sensibilidad extrema, son capaces de detectar material genético extraño, por lo que no existe ninguna obligación de etiquetado diferencial.

En el caso de los alimentos completos, o de partes que incluyan la proteína extraña, como podría ser la proteína de soja o la harina de maíz, hay que considerar el riesgo de la aparición de alergias a la nueva proteína. Este es el caso de la soja a la que se le había introducido el gen de una proteína de la nuez del brasil para aumentar el contenido de aminoácidos azufrados de sus proteínas y por ende su valor nutricional. La nueva proteína resulto ser alergénica, y esta soja no ha llegado a salir al mercado. Sin embargo, esto es absotutamente excepcional, y no existe ninguna evidencia de que las proteínas introducidas por medio de la ingeniería genética sean más alergénicas que las naturales.

En el caso de la utilización de materiales procesados exentos de proteínas, como el aceite de soja o la glucosa obtenida a partir del almidón del maíz, no existe ningún material que no se encuentre en el producto convencional, y consecuentemente no existe ningún riesgo, ni siquiera hipotético, atribuible a la manipulación genética. Incluso en los casos en que existe alergia a una proteína de la semilla oleaginosa (convencional o transgénica), un aceite procesado no produce respuesta.

¿Para que se obtienen vegetales transgénicos?

Actualmente existen, comercializados o en proceso avanzado de desarrollo, vegetales modificados para:

o Que tengan una vida comercial más larga. o Resistan condiciones ambientales agresivas, como heladas, sequías y suelos salinos. o Resistan herbicidas. o Resistan plagas de insectos. o Resistan enfermedades. o Tengan mejores cualidades nutritivas.

La modificación más interesante en animales sería conseguir vacas que incluyeran en la leche proteínas de la leche humana con efecto protector, como la lactoferrina



MICROORGANISMOS TRANSGÉNICOS

Los microorganismos se caracterizan por ser demasiado pequeños para poder ser observados a simple vista, siendo necesario emplear el microscopio para visualizarlos. Son microorganismos las bacterias, levaduras, protozoos, algas multicelulares, etc.

La introducción de ADN foráneo en un microorganismo da lugar a los microorganismos transgénicos. La mayoría de microorganimos transgénicos son bacterias unicelulares o levaduras.

Las bacterias y levaduras transgénicas se usan principalmente en la industria alimentaria, en la producción de aditivos alimentarios, aminoácidos, péptidos, ácidos orgánicos, polisacáridos y vitaminas. También se han aplicado en procesos de bioremediación y, en medicina, se emplean ampliamente para producir proteínas de interés como por ejemplo, la insulina.

o Desarrollo de un microorganismo transgénico

Fabricar un transgénico unicelular es más fácil que producir una planta o animal transgénico, ya que en éstos hay que asegurar la presencia del nuevo ADN en todas las células del organismo.

Para desarrollar una bacteria transgénica, el gen de interés se incorpora en un plásmido (ADN circular extracromosómico capaz de autoreplicarse) y se incuba junto con la bacteria bajo condiciones específicas que favorecen la entrada del plásmido en el interior de la bacteria. Si la bacteria retiene el plasmido y la proteína que expresa el gen de interés no resulta tóxica para su desarrollo, se obtiene una bacteria transgénica, con nuevas características determinadas por el gen introducido. La bacteria más utilizada es la Escherichia coli (o E. Coli).



No obstante y a pesar que su fácil manipulación, las bacterias no son siempre la mejor elección para producir proteínas humanas. Algunas de éstas no son funcionales si no están glicosiladas, es decir, si no se añaden azúcares a la cadena de aminoácidos, y este proceso no lo pueden llevar a cabo las bacterias. En estos casos se utilizan levaduras transgénicas, que sí son capaces de glicosilar. La producción de levaduras transgénicas implica también el empleo de plásmidos, siendo la levadura Saccharomyces cerevisiae (responsable, entre otros procesos, de la fermentación del pan) la especie más empleada.

o Aplicaciones de los microorganismos transgénicos

1. Investigación

Los microorganismos transgénicos son una herramienta de fundamental importancia en investigación. La introducción en bacterias de plásmidos que contienen un gen concreto a estudiar se realiza de forma rutinaria en los laboratorios, ya sea con el objeto de tener un stock de dicho gen (mediante el crecimiento de colonias que permiten tener gran cantidad de células que lo contienen) o para expresar una proteína de interés. Estas bacterias transgénicas ayudan a los científicos a entender mejor algunos procesos bioquímicos, la regulación de genes y su función.

2. Producción de proteínas en medicina

Como ya se ha comentado, se han desarrollado bacterias E.coli capaces de producir insulina humana, imprescindible para pacientes diábeticos. Antes del empleo de bacterias transgénicas, la insulina se obtenía de vacas y cerdos, pero, como su estructura difería ligeramente de la variedad humana, en algunos casos provocaba una reacción alérgica. Las bacterias transgénicas han eliminado este problema. Asimismo, la levadura Saccharomyces cerevisiae se ha modificado genéticamente para obtener insulina humana.

También se han desarrollado bacterias transgénicas para producir la hormona del crecimiento, que se emplea para tratar a niños con enanismo. Otros usos en medicina de los microorganismos transgénicos son la producción de vacunas, anticuerpos, etc

3. Bioremediación

Existen microorganismos capaces de utilizar como nutrientes compuestos tóxicos o peligrosos, como hidrocarburos, detergentes, bifenilos policlorados, etc, de forma que su metabolismo los convierte en productos inocuos para el medio ambiente. El empleo de organismos vivos para degradar residuos se conoce como bioremediación. La mayoría de aplicaciones biotecnológicas aplicadas al medio ambiente utilizan microorganismos naturales, pero se están desarrollando microorganimos transgénicos para eliminar materiales difíciles de degradar. Por ejemplo, bacterias Pseudomonas



transgénicas son capaces de degradar compuestos polihalogenados. La investigación en este campo busca los enzimas presentes en microorganismos naturales que son eficientes en el tratamiento de compuestos tóxicos y determinar como pueden mejorarse mediante ingeniería genética.

4. Industria alimentaria

Los microorganismos modificados genéticamente se emplean en la industria alimentaria para producir aditivos alimentarios como edulcorantes artificales y aminoácidos con el proposito de incrementar la eficiencia y reducir su coste. Otros productos de estos microorganismos son enzimas recombinantes que se emplean en panadería,

producción de cerveza, producción de queso (por ejemplo, quimosina). También se aplican en procesos de fermentación, como por ejemplo el empleo de levaduras transgénicas para desarrollar el sabor y aroma en la industria de la cerveza. ANIMALES TRANSGENICOS

Los animales transgénicos son aquellos que poseen un gen que no les pertenece La forma más sencilla para generar un animal transgénico es la que involucra el aislamiento del gen que se quiere introducir (al que llamaremos transgén), su clonación y manipulación para que pueda ser expresado por el organismo blanco, y su inserción en el organismo. Para lograr que todas las células del organismo expresen este nuevo gen, incorporamos dicho gen en un embrión en estadio de cigoto. Una vez seguros que el embrión incorporó el transgén, implantamos el embrión en un animal receptivo, que actúa como madre (en un procedimiento similar al de fertilización in vitro).

Cabras transgénicas portadoras de un gen humano. La técnica para producir un animal transgénico consta de varios pasos: a) se produce un transgén, b) se realiza una fertilización in vitro, c) se inyecta el gen transgénico en el cigoto, d) se implanta el embrión en una madre sustituta. De esta manera se han producido conejos, cabras, ovejas y chanchos transgénicos.

Si, en cambio, no nos interesa que todo el animal contenga el transgén, sino sólo determinadas células, realizamos un procedimiento similar al descripto, pero en vez de inyectar el transgén en un cigoto, lo inyectamos en un embrión ya formado. Esto da como resultado un organismo con células normales y otras con el transgén.

Un ejemplo del empleo de esta técnica es la producción de ovejas o cabras transgénicas. Estas se crean inyectando el gen que codifica la proteína deseada en un óvulo fecundado, que se implanta a una oveja o cabra madre. Luego, se analiza la presencia del gen deseado en la descendencia y aquellas cabras que lo tengan son inducidas a producir leche.



En la Argentina se han creado vacas transgénicas, llamadas vacas Pampa, que producen en su leche hormona de crecimiento humano. Este emprendimiento fue llevado a cabo mediante una colaboración entre docentes de la Universidad de Buenos Aires y la empresa BioSIDUS. Este es un desarrollo de avanzada para la región ya que, en primer lugar, se logró obtener un clon viable (la vaca Pampita), y luego se logró insertar el transgén en animales de diferente sexo (la vaca Pampa Mansa, y el toro Pampero). Estos fueron los primeros animales transgénicos en el mundo capaces de tener una progenie que mantuviera el transgén por apareamiento tradicional.

La creación de animales transgénicos presenta nuevas oportunidades, pero también crea nuevos desafíos. Entre las primeras está la posibilidad de estudiar la función de ciertas proteínas, incluidas algunas causantes de enfermedades humanas. Uno de los mayores problemas es la inserción al azar de los genes deseados.

TERAPIA GENICA

La TERAPIA GÉNICA es un tratamiento médico que consiste en manipular la información genética de células enfermas para corregir un defecto genético o para dotar a las células de una nueva función que les permita superar una alteración.

Con la ayuda de vectores adecuados, que son generalmente virus, se introduce el gen correcto y se integra en el ADN de la célula enferma mediante técnicas de recombinación genética.

En principio existen tres formas de tratar enfermedades con estas terapias:

o Sustituir genes alterados.

Se pueden corregir mutaciones mediante cirugía génica, sustituyendo el gen defectuoso o reparando la secuencia mutada.

o Inhibir o contrarrestar efectos dañinos.

Se lleva a cabo mediante la inhibición dirigida de la expresión génica. Este proceso se desarrolla

bloqueando promotores, interfiriendo con los mecanismos de expresión génica mediante RNAs anti-sentido que son complementarios de RNA-m y se unen a ellos bloqueándolos, o, más recientemente, mediante siRNA ("small interferents RNA", "RNAs pequeños interferentes"), que bloquean secuencias específicas de RNA, por lo que pueden inhibir cualquier gen bloqueando sus RNA-m.

o Insertar genes nuevos.

Se realiza por supresión dirigida de células específicas. Se insertan genes suicidas que destruyen a la propia célula que los aloja o genes estimuladores de la respuesta inmune. También se puede introducir una copia de un gen normal para sustituir la función de un gen mutante que no fabrica una proteína correcta.

Por ejemplo, en el tratamiento de los cánceres que se realiza hoy día, una de las principales vías de investigación es la de marcar genéticamente a las células tumorales de un cáncer para



que el organismo las reconozca como extrañas y pueda luchar contra ellas, estimulando la respuesta inmune. Otras estrategias que se siguen en la actualidad contra el cáncer son:

- Inactivar oncogenes.

- Introducir genes supresores de tumores.

- Introducir genes suicidas.

- Introducir genes que aumenten sensibilidad a fármacos.

EL PROCESO DE LA CLONACION

El proceso de clonación a partir de células adultas ya diferenciadas ha sido el resultado de mínimo 40 años de investigación en diferentes áreas del conocimiento, como la genética y la biología reproductiva. El sincronizar tanto la célula donante como la receptora permitió el éxito final de un procedimiento que se creía imposible. Este avance científico abrirá nuevos horizontes especialmente en el campo de la biotecnología, pero es precisamente su aplicación lo que tiene hoy al mundo, tanto científico como político, en reflexión y legislando al respecto.

La clonación (derivado del griego: κλων, que significa "retoño") es el proceso de crear una copia genética idéntica de otro organismo original. La clonación en el sentido biológico resulta en una molécula, una célula e incluso un organismo multicelular idéntico al original. A veces este término puede utilizarse a los clones "naturales", por ejemplo los gemelos monocigóticos, o cuando un organismo se reproduce

asexualmente como en el caso de especies monosexuales y organismos hermafroditas, aunque la mayoría de las veces se refiere a un clon creado intencionalmente.

Si nos referimos al ámbito de la Ingeniería Genética, clonar es aislar y multiplicar en tubo de ensayo un determinado gen o, en general, un trozo de ADN. Sin embargo, Dolly no es producto de Ingeniería Genética. En el contexto a que nos referimos, clonar significa obtener un individuo a partir de una célula o de un núcleo de otro individuo.

En los animales superiores, la única forma de reproducción es la sexual, por la que dos células germinales (óvulo y espermatozoide) se unen, formando un cigoto (o huevo), que se desarrollará hasta dar el individuo adulto. La reproducción sexual fue un invento evolutivo (del que quedaron excluidas las bacterias y muchos organismos unicelulares), que garantiza que en cada generación de una especie van a aparecer nuevas combinaciones de genes en la descendencia, que posteriormente será sometida a la dura prueba de la selección y otros mecanismos evolutivos. Las células de un animal proceden en última instancia de la división repetida y diferenciación del cigoto. Las células somáticas, que constituyen los tejidos del animal adulto, han recorrido un largo camino "sin retorno", de modo que, a diferencia de las células de las primeras fases del embrión, han perdido la capacidad de generar nuevos individuos y cada tipo se ha especializado en una función distinta (a pesar de que, salvo excepciones, contienen el mismo material genético).



No es extraño pues el revuelo científico cuando el equipo de Ian Wilmut, del Instituto Roslin de Edimburgo comunicó que habían logrado una oveja por clonación a partir de una célula diferenciada de un adulto. Esencialmente el método (que aún presenta una alta tasa de fracasos) consiste en obtener un óvulo de oveja, eliminarle su núcleo, sustituirlo por un núcleo de célula de oveja adulta (en este caso, de las mamas), e implantarlo en una tercera oveja que sirve como "madre de alquiler" para llevar el embarazo. Así pues, Dolly carece de padre y es el producto de tres "madres": la donadora del óvulo contribuye con el citoplasma (que contiene, además mitocondrias que llevan un poco de material genético), la donadora del núcleo (que es la que aporta la inmensa mayoría del ADN), y la que parió, que genéticamente no aporta nada. Científicamente se trata de un logro muy interesante, ya que demuestra que, al menos bajo determinadas circunstancias es posible "reprogramar" el material genético nuclear de una célula diferenciada (algo así como volver a poner a cero su reloj, de modo que se comporta como el de un zigoto). De este modo, este núcleo comienza a "dialogar" adecuadamente con el citoplasma del óvulo y desencadena todo el complejo proceso del desarrollo intrauterino.

Dolly no es una copia idéntica de la "madre" que donó el núcleo (no se olvide que el óvulo contiene ese pequeño ADN de la mitocondria). Aunque ambas comparten el mismo ADN nuclear, las instrucciones genéticas de Dolly no experimentaron exactamente el mismo tipo y combinación de estímulos que los de su "madre nuclear". Esto se debe a los fenómenos de epigénesis, complejas series de interacciones entre los genes y el entorno, y aquí entendemos por entorno desde los factores presentes en el citoplasma del óvulo, pasando por los procesos de formación del embrión/feto, a su vez sometidos al peculiar ambiente uterino, y alcanzando a la vida extrauterina (estímulos al nacer, periodo de lactancia, relaciones con la madre, interacciones "sociales" con otros individuos de la especie, etc). En resumidas cuentas, el ADN no contiene un programa unívoco de instrucciones, sino que es flexible, y la expresión genética en cada individuo queda matizada por multitud de factores, quedando "abierta" con una finalidad adaptativa clara.

¿Para qué serviría la clonación en animales?

Como suele ocurrir con muchos avances científicos de vanguardia, aquí puede que también se hayan exagerado las posibles derivaciones prácticas inmediatas, aunque no cabe duda que a medio y largo plazo, cuando la técnica se vaya perfeccionando, podría encontrar numerosos campos de aplicación. (Dejamos aparte el ámbito de la biología fundamental, que tendrá que "hincar el diente" en los fascinantes interrogantes básicos abiertos, sobre todo relativos al ciclo celular y al control de la diferenciación).

Como suele ocurrir con muchos avances científicos de vanguardia, aquí puede que también se hayan exagerado las posibles derivaciones prácticas inmediatas, aunque no cabe duda que a medio y largo plazo, cuando la técnica se vaya perfeccionando, podría encontrar numerosos campos de aplicación. (Dejamos aparte el ámbito de la biología fundamental, que tendrá que "hincar el diente" en los fascinantes interrogantes básicos abiertos, sobre todo relativos al ciclo celular y al control de la diferenciación).

Uno de los objetivos buscados por el grupo de Wilmut (en alianza con una empresa) es unir la técnica de la clonación con la de Ingeniería genética de mamíferos con objeto de producir medicamentos o sustancias útiles comercialmente. La idea es que una vez que se haya obtenido un animal transgénico interesante (por ejemplo, ovejas o vacas que en su leche secretan sustancias terapéuticas determinadas por un gen introducido previamente), ese individuo serviría de "molde" para generar varios ejemplares clónicos.



Otra aplicación (más en la línea de la ganadería tradicional) sería asegurar copias de un ejemplar que haya mostrado buenos rendimientos (en carne, en leche, etc.). La clonación evitaría que su buena combinación de genes (su genotipo) se "diluyera" al cruzarlo sexualmente con otro. Sin embargo, mientras el coste de la técnica sea elevado, no estará al alcance de las explotaciones ganaderas convencionales. Pero además habría que tener mucha precaución con la amenaza de pérdida de diversidad genética de la cabaña ganadera, ya que si se impusiera este método, se tendería a la uniformidad (una tendencia ya presente en la agricultura y ganadería actuales). Recordemos que la biodiversidad es un recurso valioso también en los "ecosistemas agropecuarios", ya que supone una reserva de recursos genéticos adaptados a diversas condiciones ambientales y a diversos contextos socioeconómicos.

Se ha hablado igualmente de que la clonación podría representar la salvación "in extremis" de ciertas especies silvestres amenazadas de extinción y difíciles de criar en cautividad. Pero si se llega a este caso, sería el triste reconocimiento de nuestro fracaso de conservarlas por medios más simples y naturales. Además, lo más probable es que, debido a que la clonación no aporta diversidad genética, la especie estuviera abocada de todas formas a la "muerte genética", condenada quizás a vivir en zoológicos o en condiciones altamente artificiales, casi como piezas de un museo viviente.

LA CLONACION HUMANA

La publicación de la existencia de Dolly levantó inmediatamente un debate sobre la posibilidad de clonar personas. La proximidad biológica hace pensar que la clonación humana sería posible desde un punto de vista técnico, aunque haya factores limitantes (principalmente el número de óvulos necesarios: hicieron falta más de 400 para conseguir a Dolly). El debate, por tanto, se sitúa en un contexto ético, no en si es posible llevarla a cabo, sino en si es conveniente, si debe aprobarse.

Son muchas las consideraciones éticas que pueden hacerse en torno a la clonación humana. Una aproximación sería considerar el fin de la clonación:

o Obtener un nuevo ser desarrollado (clonación con fines reproductivos).

o Obtener un embrión que será destruido para proporcionar células o tejidos (clonación humana con fines terapéuticos).

Existe entre la comunidad científica una actitud bastante generalizada de rechazo hacia la clonación humana con fines reproductivos, aunque sólo sea por consideraciones prácticas: bajo porcentaje de éxitos, alto número de óvulos requerido, posibilidad de alteraciones o enfermedades en los clones... Estas objeciones, que se centran en las consecuencias negativas, no parecen tener suficiente fundamento, y con frecuencia se oye a investigadores afirmar que si hubiese un motivo realmente importante para clonar seres humanos no verían inconvenientes en que se hiciera. Los argumentos con un fundamento de tipo antropológico, y por tanto más sólido, podrían resumirse del siguiente modo:



o La clonación, incluso si no conllevara la muerte de embriones y tuviese un 100% de éxito dando lugar a un ser humano sin fallos, supone un atentado a la persona así generada, que sufriría una manipulación difícil de superar:

o El clonado sería seleccionado positivamente por otros, que han decidido cuál va a ser su dotación genética y sus características biológicas.

o El clonado sería generado con un fin: emular a alguien cuyas características interesan por algún motivo: un hijo fallecido al que se pretende sustituir, un genio cuyas habilidades interesa mantener, etc. Las consecuencias psicológicas de esa presión serían imprevisibles.

o El clonado carecería de las relaciones elementales de familia: no tendría en absoluto padre, ni propiamente hablando madre: tendría un hermano gemelo mayor, una madre ovular (¿citoplásmica?) y una madre de alquiler.

Se puede formular positivamente lo expuesto diciendo que, cualquier ser humano tiene derecho a que:

o Ningún tercero decida su componente genético.

o Ser querido por sí mismo y no para conseguir un fin, como emular o reemplazar a alguien (planteamiento que supone, además, un desconocimiento total de cómo son los seres humanos).

o Tener un padre y una madre de los que procede, también

biológicamente y que son responsables de él.

Dicho de otro modo: la clonación reproductiva atenta a la libertad del clon, fija sus condiciones biológicas según el criterio de otros, y en ese sentido es un ejemplo difícilmente superable de manipulación del hombre por la técnica (manejada por terceros).

La clonación humana con “fines terapéuticos”: el descubrimiento de las células madre embrionarias.

En el campo de la aplicación terapéutica de los embriones se encuentra el verdadero debate que zarandea actualmente la opinión pública y a la comunidad científica. Para describir con detalle en qué consistirían esas posibles aplicaciones hay que hacer referencia a algunos descubrimientos o avances recientes, que no están directamente relacionados con la clonación. Concretamente:

o La posibilidad de curar enfermedades llevando a cabo transplantes no con órganos completos, sino con células, mediante la llamada terapia celular. Esto parece una buena alternativa para determinadas enfermedades que son el resultado del mal funcionamiento de una población bien definida de células. Consistiría en reemplazar las células enfermas por otras sanas, sin necesidad de transplantar el órgano entero.

o La posibilidad de obtener células madre embrionarias. En el año 1998 dos grupos de Estados Unidos publicaron la obtención de células madre embrionarias a partir de embriones humanos que procedían de la fecundación in vitro. Esos embriones estaban



en la fase llamada de blastocisto. Los blatocistos son embriones de 5-6 días y que tienen un aspecto esférico con una cavidad interna. Se diferencian en ellos lo que es propiamente el embrión (un grupo de células llamado masa celular interna), de las células que darán lugar a la placenta (llamadas trofoblasto). Los “logros” de estos grupos fueron de tipo técnico: tomaron masas celulares internas de varios blastocistos (destruyéndolos en el proceso) y las pusieron en cultivo. Consiguieron por un lado que esas células, llamadas células madre embrionarias, viviesen y se dividieran activamente en cultivo; y por otro lograron una especialización dirigida de esas células: tratándolas con diferentes factores consiguieron que dieran lugar a células tipo piel (ectodermo), tipo tubo digestivo (endodermo) o tipo músculo (mesodermo).

¿En qué consiste entonces la propuesta de clonación humana con fines terapéuticos?

Consistiría en combinar la técnica de clonación con la de obtención de células madre embrionarias, para curar a adultos que tuviesen una enfermedad que pudiera resolverse mediante transplante celular. Esto se haría de la siguiente manera:

1. Mediante la técnica empleada en Dolly se generaría un embrión a partir de células diferenciadas de la persona que se quiere curar.

2. El embrión obtenido por clonación se destruiría a los 6 días para obtener a partir de él células madre embrionarias.

3. Esas células se especializarían hacia el tipo celular necesario para curar a la persona en cuestión.

4. Se implantarían esas células para curar a la persona. Al proceder de un embrión idéntico a la persona de partida, las células no provocarían rechazo al ser implantadas y además la posibilidad de mantener congelados los cultivos celulares proporcionaría una fuente casi ilimitada de tejidos. Hay que indicar que desde el punto de vista técnico este proceso es aún una mera posibilidad y haría falta mucha investigación para ponerlo en marcha: no se han conseguido todavía tipos celulares bien definidos a partir de células madre embrionarias y hay pocas evidencias de que de hecho puedan curar enfermedades.

Algunas alternativas a la clonación humana con fines terapéuticos

Existen alternativas a la clonación humana con fines terapéuticos que no presentan objeciones éticas tan serias. La más interesante es la posibilidad de conseguir células madre de origen no embrionario.

o En el cuerpo humano existen células madre de adulto que son precursoras de otros tipos celulares: células menos especializadas que podrían dar lugar a varios tipos de células. En los últimos años se ha descubierto que estas células son mucho más versátiles de lo que



se pensaba. Si se ponen en cultivo y se tratan con diversos factores puede hacerse que se diferencien hacia tipos celulares muy diferentes de aquellos a los que habitualmente dan lugar en el cuerpo. Por ejemplo, a partir de células de médula ósea se han conseguido células de músculo, hueso, células nerviosas, hepatocitos, etc...Las células madre se encuentran en el adulto en la médula ósea, el sistema nervioso y órganos diversos.

o También pueden obtenerse células madre del cordón umbilical y de la placenta del recién nacido. Como ya hemos indicado, placenta y cordón umbilical proceden del embrión y sus células tampoco provocarían rechazo.


Universidad Católica Los Ángeles de Chimbote

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA Y FARMACIA

SECCIÓN DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

ASIGNATURA

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR

Contenido: • CAPITULO CUATRO : “GENÉTICA, BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA GENÉTICA”

o Genética: Conceptos básicos y genética mendeliana o Genética póstmendeliana. Citogenética general y humana o Biotecnología e ingeniería genética



CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN

CAPÍTULO CUATRO

1. PROBLEMA 01.- En las plantas de guisante, el alelo “L”, que indica semillas lisas, es dominante sobre el alelo “l”, que indica semillas rugosas, y el alelo “A” que indica color amarillo, es dominante sobre el alelo “a”, que indica color verde. Si se cruza una variedad pura lisa de color amarillo con una variedad pura rugosa de color verde. ¿Cuál es el genotipo y el fenotipo de la primera generación filial (F1)?. ¿Indicar los fenotipos de la segunda generación (F2) y la proporción de cada uno de ellos que resulta de la autofecundación de las plantas F1?

2. PROBLEMA 02.- En el guisante, los caracteres tallo largo y flor roja dominan sobre tallo enano y flor blanca. ¿Cuál será la proporción de plantas doble homocigóticas que cabe esperar en la F2 obtenida a partir de un cruzamiento entre dos líneas puras, una de tallo largo y flor blanca con otra de tallo enano y flor roja?. Indicar el genotipo de todas las plantas homocigóticas que pueden aparecer en la F2. Razonar la respuesta.

3. Si a partir de una secuencia de DNA se producen 16,384 copias por la técnica del PCR. ¿Cuántos ciclos se han producidos y cuanto tiempo ha transcurrido?

4. Con respecto al genotipo AaBBCcDDEe (02 puntos): A. ¿Cuántos gametos se pueden establecer? B. ¿Cuántos genes debe de tener cada gameto? C. ¿Cuántos heterocigotos existen en el genotipo? D. ¿Cuál es la fórmula que se debe aplicar para hallar el número de gamentos?

5. Si se cruzan plantas altas que tienen semillas amarillas (doble homocigoto dominante), con plantas bajas con semillas verdes (doble homocigoto recesivo), en la segunda generación o F:2. A. ¿Fenotípicamente que porcentaje de las plantas son altas con semillas amarillas? B. ¿Qué porcentaje de las plantas tienen el siguiente genotipo: AaBB? C. ¿Si se producen 128 plantas, cuántas de ellas serán doble homocigóticas? D. ¿Si se producen 128 plantas, que porcentaje de ellas serán doble heterocigotos?

6. Si un hombre de grupo sanguíneo A (genotípicamente homocigótico), se casa con una mujer de grupo sanguíneo B (genotípicamente heterocigótica). A. ¿Uno de sus hijos puede tener grupo sanguíneo “O”? B. ¿Cuál es la probabilidad de que sus hijos sean de grupo sanguíneo “A” (genotípicamente

homocigótico)? C. ¿Cuál es la probabilidad de que uno de sus hijos sea de grupo sanguíneo “AB”? D. ¿Si uno de sus hijos se casa con una persona de grupo sanguíneo “O”, es posible que uno de

sus nietos tenga grupo sanguíneo “AB”?

7. En la técnica del PCR, para que se produzca el alargamiento de las cadenas a 72ºC por 2 minutos en un termociclador. ¿Qué elementos específicos se necesitan para que se lleve a cabo dicho proceso? (03 puntos):

8. Con respecto a los plásmidos (02 puntos): A. ¿Cuál es la función natural de ellos en una bacteria? B. ¿Para que los utiliza el hombre en la técnica del PCR?

9. Con respecto a las ENZIMAS DE RESTRICCIÓN: A. Escriba las iniciales de dos enzimas de restricción (investigadas por Ud.) y nombre científico de

las bacterias de donde provienen. B. Cuál es la función natural que cumplen las enzimas de restricción en una bacteria.

NOTA.- En este capítulo no se mostrarán las respuestas de cada una de las interrogantes, por lo cual usted deberá desarrollar cada una de ella apoyándose de sus conocimeintos teóricos.



REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y WEBGRAFÍAS

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Molecular de la Célula. 2da edición. ediciones Omega, S.A. Barcelona – España. o Asociación Educativa ADUNI. 2004. Biología Una perspectiva Evolutiva. 2da. Edición.

Lumbreras Editores, Lima – Perú.

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o De Robertis, E. y E. De Robertis 1997. Biología Celular y Molecular. 12ava edición.

Editorial El Ateneo. Buenos Aires – Argentina. o Gardner, E. Principios de Genética. 5ta Edición. Editorial Limusa S.A. de C.V. México

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o Villee, C. Biología. 7ma edición. Nueva Editorial Interamericana, S.A., México D.F. 1995.

o Aula virtual de Biología: Universidad de Murcia. Departamento de Biología

http://www.um.es/molecula/indice.htm

o Facultad de Ciencias Biológicas. Introducción a la Biología. http://www.uc.cl/.../bio100/html/portadaMIval2.6.1.html

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