Title: Unidad 4
Course: Biología Cultiva 3 BGU

ADN e ingeniería genética

▲ ​ La ingeniería genética no solo permite solucionar ciertos problemas genéticos, sino también mejorar razas y variedades de organismos para obtener algún beneficio.

A lo largo de esta unidad recordaremos cómo se producen las mutaciones y de qué tipos existen. Ahondaremos en los factores que las producen, así como en sus consecuencias. Exploraremos algunas enfermedades genéticas comunes para nuestra especie, de qué manera se pueden determinar, cómo anticiparlas y, en algunos casos, incluso corregirlas. Hablaremos, además, del potencial de la ingeniería genética, no solo en los campos de la salud y la farmacéutica, sino también en lo que respecta al mejoramiento de la productividad de las especies (sobre la base de un interés comercial y del desarrollo económico).

Para concluir, le daremos sentido al estudio de la genética de poblaciones, al comprender cómo este campo aporta herramientas fundamentales para predecir y planificar el desarrollo de los grupos humanos.

   Objetivos

- O.CN.B.5.2. Desarrollar la curiosidad intelectual para comprender los principales conceptos, modelos, teorías y leyes relacionadas con los sistemas biológicos a diferentes escalas, desde los procesos subcelulares hasta la dinámica de los ecosistemas, y los procesos por los cuales los seres vivos persisten y cambian a lo largo del tiempo, para actuar con respeto hacia nosotros y la naturaleza.
- O.CN.B.5.3. Integrar los conceptos de las ciencias biológicas para comprender la interdependencia de los seres humanos con la biodiversidad, y evaluar de forma crítica y responsable la aplicación de los avances científicos y tecnológicos en un contexto histórico-social, para encontrar soluciones innovadoras a problemas contemporáneos relacionados, respetando nuestras culturas, valores y tradiciones.
- O.CN.B.5.7. Utilizar el lenguaje y la argumentación científica para debatir sobre los conceptos que manejan la tecnología y la sociedad acerca del cuidado del ambiente, la salud para armonizar lo físico y lo intelectual, las aplicaciones científicas y tecnológicas en diversas áreas del conocimiento, encaminado a las necesidades y potencialidades de nuestro país.

Cambios del ADN: alteraciones génicas, cromosómicas y genómicas I

CN.B.5.1.17. Investigar las causas de los cambios del ADN que producen alteraciones génicas, cromosómicas y genómicas, e identificar semejanzas y diferencias entre estas.

● Cambios del ADN: alteraciones génicas, cromosómicas y genómicas I

Saberes previos

¿Conoces personas con alteraciones hereditarias? ¿De qué tipo?

Desequilibrio cognitivo

La detección temprana de enfermedades genéticas lleva a plantearse varias opciones. ¿Cuáles son éticas y cuáles no? ¿Quién lo decide?

▲ El origen genético del síndrome de Down fue descubierto en 1959. Quienes lo presentan han tenido que  adaptarse a las diferentes reacciones de los demás frente a la diversidad.

Origen de las mutaciones

▲ Diferentes alelos, como los del color de las flores, se producen por mutaciones.

En las páginas 18 y 19, mientras hablábamos del proceso de duplicación del ADN, comentamos brevemente de qué se tratan las mutaciones y cómo se clasifican. Ahora conoceremos mejor este tema. Se sabe que las mutaciones se producen al azar, en una o varias células del cuerpo, a veces en los gametos, a veces en células somáticas. También su extensión varía, pues algunas mutaciones son tan pequeñas que alteran solamente un par de bases; otras involucran el cambio de juegos completos de cromosomas. Algunas son letales, y otras son silenciosas o latentes.

Las mutaciones pueden tener dos tipos de orígenes:

▲ Hay como 200 tipos del virus del papiloma humano. Algunos causan solamente verrugas, otros causan cáncer.

1. Mutaciones naturales: son aquellas que se producen espontáneamente durante la duplicación del ADN, cuando por ejemplo una base es reemplazada por otra. Recordemos que la enzima ADN polimerasa, además de alargar la molécula, detecta errores y los corrige. No obstante, algunas equivocaciones pueden pasársele por alto. También se producen mutaciones espontáneas al momento de la separación de los cromosomas, durante la meiosis, cuando los gametos pueden resultar con un número mayor o menor de la dotación genética normal (23 cromosomas diferentes).
2. Mutaciones inducidas: son las que se producen por acción de tres agentes. En primer lugar están los físicos, como por ejemplo los rayos X, la radiación ultravioleta o el ultrasonido, en cuya presencia la molécula de ADN sufre daños que no pueden ser reparados. Luego están los agentes químicos, como por ejemplo la nicotina, el ozono y ciertas drogas que reaccionan con el ADN.

TIC

Observa el siguiente resumen sobre agentes mutagénicos y responde de qué manera el comer embutidos o estar expuestos a dioxinas puede generar cáncer.

www.mayedu.ec/bio3/p109

Además están los agentes biológicos, como virus, que cortan a los cromosomas o los destrozan por completo.

Efecto de los transposones en las mutaciones

Estudios hechos por la científica Barbara McClintock con la herencia del maíz sudamericano, en la década de los 50 del siglo pasado, demostraron la existencia de los llamados genes saltarines o transposones. Estos consisten en secuencias de ADN que no se expresan en proteínas, pero que tienen la capacidad de saltar de un locus a otro, o de un cromosoma a otro de una misma célula, arrastrando consigo genes o interponiéndose en medio de algún gen. Nuestro genoma contiene cerca de un 30 % de estos transposones, los cuales saltan, excepcionalmente, durante la formación de los gametos o en las primeras etapas del desarrollo embrionario. La mayoría de veces, esos saltos los colocan en posiciones donde no hay consecuencias, pero a veces pueden causar mutaciones que producen ciertos tipos de hemofilia, leucemia y otros cánceres.

▲ McClintock, cuya genialidad no fue reconocida en su momento, descubrió que el maíz multicolor era el resultado de los transposones.

▲ Cariotipo de una  mujer con síndrome de Down. Se evidencia la trisomía del par 21, es decir, la aneuploidía en la que hay un cromosoma de más.

Nota curiosa. Hay compañías que se dedican a la producción de frutas sin semillas o de ostras que tienen buen sabor todo el año. Logran esto tras obtener organismos triploides, cruzando óvulos (n) con espermatozoides (2n) producidos por organismos tetraploides.

Extensión de las mutaciones

Recordemos que las mutaciones pueden ser puntuales (también llamadas génicas), pueden afectar a toda una región del cromosoma (cromosómicas) o incluso alterar el número cromosómico de un organismo (en cuyo caso se llaman genómicas). Dependiendo de esto, su afectación varía desde el pasar inadvertidas, hasta provocar que el embrión sea inviable y se produzcan abortos espontáneos.

Dentro de las mutaciones genómicas, aquellas en las que se ganan o pierden unos pocos cromosomas se llaman aneuploidías.  En contraste, aquellas que alteran todo un juego de cromosomas (haciendo que una célula que debería ser diploide en realidad sea haploide, o produciendo células triploides o tetraploides) se llaman euploidías o poliploidías.

Mecanismos de regulación de las mutaciones

▲ La mayoría de veces nuestros propios mecanismos reguladores nos protegen contra las mutaciones producidas por los rayos UV. Pero no siempre es así.

Además de la ADN polimerasa, hay otros mecanismos que reconocen dónde se han producido mutaciones e intentan repararlas. Algunos funcionan previniendo que se produzca el error, al detectar químicos peligrosos y hacerlos reaccionar, de modo que no produzcan daño. Un ejemplo es la enzima superóxido dismutasa, que capta radicales que favorecen las mutaciones y los convierte en peróxido de hidrógeno (agua oxigenada). Otra enzima, llamada catalasa, transforma el peligroso peróxido en agua y oxígeno, como se ve en la siguiente reacción:

También hay métodos para reparar daños ya producidos; un ejemplo son aquellos daños causados por los rayos ultravioleta que tienden a alterar el ADN, y que producen nucleótidos dobles de timina. La enzima fotoliasa reconoce estos dímeros (las moléculas dobles de timina), se une a ellos por la noche, de tal modo que, a la mañana siguiente, la luz solar los hace reaccionar y separarse.

Interdisciplinariedad

Genética e informática

El uso de computadoras más eficientes ha provocado un salto exponencial en la genética, pues permite comparar y detectar muchas anomalías en las secuencias de ADN, a nivel de especie y de individuo. Basta con una muestra de saliva para que se puedan analizar orígenes, mutaciones o la presencia de genes específicos en el genoma de cualquier persona.

Otros daños del ADN producidos por la radiación ultravioleta pueden ser detectados por la enzima endonucleasa uvrABC. Al detectar los dímeros de timina, esta enzima deja de transcribir, con lo que se produce un segmento del ADN de doble hebra. Luego, la enzima corta los nucléotidos equivocados, mientras la ADN polimerasa los reemplaza por los que son correctos. Posteriormente, una ligasa junta los fragmentos y el ADN queda listo para cumplir su función original. Este proceso se conoce con el nombre de “reparación por escisión”.

Cambios del ADN: alteraciones génicas, cromosómicas y genómicas II

CN.B.5.1.17. Investigar las causas de los cambios del ADN que producen alteraciones génicas, cromosómicas y genómicas, e identificar semejanzas y diferencias entre estas.

● Cambios del ADN: alteraciones génicas, cromosómicas y genómicas II

Saberes previos

¿Todos los trastornos genéticos se deben a mutaciones?

Desequilibrio cognitivo

¿Las mutaciones son necesariamente malas?

Trastornos genéticos en humanos

Ahora que conocemos cómo se producen las mutaciones y cuáles son sus tipos, es necesario revisar otras causas que contribuyen a las patologías genéticas, y que pueden remontarse a la formación de gametos, al momento de la fecundación, a problemas ocurridos durante la gestación e incluso a la combinación de la influencia de los genes y del ambiente en el transcurso de la vida.

En el primer caso, las anomalías producidas pueden ser aneuploidías y euploidías. A continuación veremos algunos ejemplos.

Consecuencias de las trisomías

▲ Los bebés que manifiestan alteraciones genéticas requieren de una supervisión constante.

En la página 109 se observa la imagen de un cariotipo con tres cromosomas en lugar de dos, como es lo normal en cualquier célula diploide. En muchos casos, estas trisomías (mutaciones genómicas) se forman al momento de la meiosis o de la fecundación, por errores en la separación de los cromosomas durante la anafase 1 o 2. Sus consecuencias dependen del cromosoma triplicado: cuando se produce en el cromosoma número 21, se da el síndrome de Down, cuyas características fenotípicas son: cabeza redondeada, ojos rasgados, extremidades cortas, manos y dedos de los pies gruesos, escaso desarrollo mental, talla corta, peso mayor que lo esperado para su edad; además, deficiencias cardiacas, ojos desviados de su eje (estrabismo) y problemas dentales. Personas con este síndrome, sin embargo, pueden alcanzar grandes logros personales y de aporte para su comunidad si hay una estimulación adecuada.

▲ Las madres sobre los 35 años de edad tienen mayores probabilidades de tener hijos con síndrome de Down.

Otro ejemplo de una trisomía es la que se produce en el cromosoma 18, que puede manifestarse en todas las células o solo en parte de ellas, en un fenómeno que se conoce como células en mosaico. Los bebés con esta patología, denominada síndrome de Edwards, suelen vivir poco tiempo. Sus manifestaciones visibles son: bajo peso al nacer, cabeza y mandíbulas pequeñas, frente pequeña, orejas con malformaciones. La caja torácica está deformada, hay bajo desarrollo de la inteligencia, y algunos órganos presentan disfunción. Este síndrome suele ser tres veces más frecuente en niñas que en niños.

▲ El cariotipo de una persona con síndrome de Turner se representa como XO, por la falta del segundo cromosoma sexual.

Las monosomías

Existe una mutación de tipo genómica, que puede producirse cuando uno de los gametos carece de un cromosoma, originando lo que se conoce como monosomía y que generalmente termina con un aborto espontáneo. Una excepción bien documentada es el llamado síndrome de Turner, en el cual solo se presenta un cromosoma X. Este síndrome permite llevar una vida relativamente normal, a excepción de las manifestaciones fenotípicas y la esterilidad de las mujeres que lo presentan. Su apariencia es la de niñas que nunca llegarán a desarrollar los caracteres sexuales secundarios. También pueden presentar un ensanchamiento característico en el cuello y manos, y pies hinchados.

En cuanto a las euploidías en humanos, todas son letales.

▲ A nivel mundial, se hacen muchas campañas para divulgar el peligro del consumo de alcohol durante el embarazo.

Daños genéticos durante la gestación

La mayoría se produce por exposición a mutágenos químicos que pueden provocar abortos, partos prematuros o malformaciones congénitas. Una mención especial corresponde al consumo de alcohol, sobre todo durante los primeros meses del desarrollo, lo que provoca el síndrome alcohólico fetal, el cual produce alteraciones del sistema nervioso, retraso mental, poca coordinación, alteraciones del aprendizaje y de conducta. Por otro lado, entre los rasgos físicos están una talla y peso menor, cabeza pequeña, sordera o deficiencia mental y, con frecuencia, malformaciones. El problema se presenta porque el alcohol se difunde directamente hacia el embrión desde la sangre materna.

De igual manera, el consumo de tabaco, o la exposición a su humo durante el embarazo, ocasiona daños como: labio leporino, paladar hendido, malformaciones del corazón; alteraciones de talla, de peso y en el desarrollo cerebral. También se dan el síndrome de abstinencia a la nicotina, peligro de muerte súbita y constantes infecciones respiratorias. Aún pequeñas cantidades de nicotina tienen efectos graves en el suministro de oxígeno que recibe el feto y en la cantidad de sangre que le lleva nutrientes y otras sustancias necesarias para su supervivencia. El tabaquismo también puede causar un parto prematuro.

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Observa el siguiente reportaje del programa Día a Día sobre bebés afectados por la droga H.

​www.mayedu.ec/bio3/p113

Responde: ¿por qué es importante el contacto piel a piel para lograr la rehabilitación de los bebés?

▲ A menudo, las cardiopatías congénitas involucran daños en una o más de las válvulas que regulan el flujo sanguíneo.

▲ Las ecosonografías pueden detectar rápidamente si algo no va bien durante la gestación de un bebé.

El problema se presenta porque cualquier sustancia que circule por la sangre de la madre se difundirá rápidamente, a través de la placenta, al torrente sanguíneo del bebé. Por eso es importante que durante el embarazo no se ingiera cualquier sustancia que no tenga prescripción médica y que haya una asistencia regular a los controles prenatales.

Obviamente, ninguna droga recreacional es permitida, tanto por sus consecuencias teratogénicas como por el riesgo de las consecuencias posteriores al nacimiento.

Otros peligros para el correcto desarrollo embrionario son la falta de nutrientes adecuados, la deficiencia de ácido fólico (que previene problemas en el sistema nervioso) o el contagio de enfermedades virales como la rubéola, la varicela o el zika. Durante el embarazo, es importante evitar la exposición a radiaciones o que la temperatura corporal se eleve.

Influencia del ambiente sobre la expresión genética

▲ Cada vez es mayor el número de mujeres que, sin considerar el rol de la epigenética, se extirpan los senos o el útero porque saben que tienen el gen que predispone al cáncer de estos órganos.

Pese a que los recién nacidos puedan heredar los genes que los predispongan a una enfermedad hereditaria como, por ejemplo, la diabetes o el cáncer de mama, eso no quiere decir que necesariamente van a presentarla. La presencia de la enfermedad dependerá de factores ambientales como, por ejemplo, su alimentación, estilo de vida o la exposición a ciertos factores que hacen que la expresión de estos genes se manifieste o no. Los cambios en la expresión de los genes que no están regidos por mutaciones hacen parte del campo de la epigenética. Esta rama de la biología se encarga de estudiar cómo el ambiente es capaz de influir en la constitución del ADN y de qué manera la cromatina se organiza en el núcleo para regular qué genes se activan o no. Por lo tanto, el desarrollo de enfermedades hereditarias depende de la genética y de la epigenética.

Interdisciplinariedad

Epigenética y evolución

“De la misma forma que un director de orquesta controla la dinámica de una interpretación sinfónica, los factores epigenéticos dirigen la interpretación del ADN dentro de cada célula viviente”, por lo que su comprensión tendrá repercusiones inmensas en el estudio de la evolución o para fines productivos (McVittie, s/f).

Ingeniería genética: producción de alimentos y fármacos I

CN.B.5.5.8. Indagar las aplicaciones de la ingeniería genética en la producción de alimentos y fármacos, sus implicaciones en la vida actual, y explicar el efecto de la terapia génica en el tratamiento de enfermedades humanas, considerando los cuestionamientos éticos y sociales.

● Ingeniería genética: producción de alimentos y fármacos I

Saberes previos

¿Se puede cambiar el genoma de un organismo?

Desequilibrio cognitivo

¿Para qué aspectos de la sociedad te parece positiva la experimentación genética? ¿En qué casos es negativa?

La biotecnología y sus múltiples campos

Según la definición dada por J. L. Marx (1989), la biotecnología se encarga de la obtención de productos de interés para el ser humano, a partir del uso de seres vivos, o de sustancias que provienen de ellos. Tiene, por tanto, un campo de aplicación amplísimo, que contempla ámbitos alimenticios, medicinales, energéticos, ambientales o recreativos, por nombrar algunos. Esta ciencia investigativa se nutre de la bioquímica, la biología y la microbiología, y ha logrado desarrollarse más con la bioinformática. Una mención aparte, por el gran impulso de las últimas décadas, son las técnicas de manipulación molecular del ADN, aportadas por la ingeniería genética.

▲ Virus y bacterias son microorganismos a los que les debemos mucho de nuestro avance científico actual

▲ El uso de levaduras para hacer pan, cerveza o vino, la obtención de quesos o yogurt son ejemplos ancestrales de biotecnología.

Al contrario de lo que se piensa, la biotecnología es una ciencia tan antigua como la historia del ser humano sedentario, pues desde el momento en que se empezó a usar sistemáticamente a seres domesticados, o se empezó a fermentar jugos para obtener alcoholes, ya se hizo biotecnología.

En la actualidad, la biotecnología requiere también de destrezas matemáticas y de planificación estratégica, pues sus objetivos involucran la producción a gran escala, por lo que se requiere el manejo de la ingeniería.

La creciente demanda de alimentos

▲ Los monocultivos no son un sistema de producción sostenible.

A mediados del siglo XX se vio la inminente necesidad de producir de forma rápida mayor cantidad de alimentos para satisfacer las necesidades de la creciente población mundial. Se buscó la solución con la llamada “revolución verde” que se basó en la producción agrícola a gran escala de extensos monocultivos de maíz, arroz y trigo de rápida productividad. La finalidad era alimentar no solo a las personas, sino también a las granjas de animales que se crían por su carne. El problema con este esquema de producción es que al tener concentrada una gran cantidad de la misma especie agrícola, las plagas también prosperan y los nutrientes del suelo se agotan prontamente debido a la gran competencia que se genera por este recurso.

▲ Muchas veces los pesticidas tóxicos se aplican sin las mínimas medidas de protección.

Por ello, se hizo necesario el uso de agroquímicos que, si bien combaten en ese momento la deficiencia de nutrientes, eliminan la maleza o las plagas, a la larga causan erosión, contaminan el suelo, el aire y el agua, además de enfermar a los trabajadores de las plantaciones y a las personas que consumen los productos contaminados.

▲ Las poblaciones de polinizadores han sido diezmadas por la contaminación con agroquímicos.

La biotecnología busca brindar soluciones a este tipo de problema, básicamente desde dos enfoques: el primero es el mejoramiento de los agroquímicos, buscando su elaboración a partir de productos orgánicos, que no sean tóxicos o perjudiciales para el ambiente. El segundo enfoque es la aplicación de la ingeniería genética para desarrollar especies que sean resistentes a las plagas, a los herbicidas, a las condiciones ambientales adversas, que tengan un mejor contenido nutricional y que produzcan mayor cantidad en el menor tiempo. Otros objetivos de la biotecnología aplicada a la producción agrícola son la producción de híbridos para obtener mejores características, el cultivo in vitro de plantas y también el uso de moléculas marcadoras que ayuden a identificar si una característica deseada está presente o no en un cultivo mejorado.

Producción de organismos modificados genéticamente

Los transgénicos u organismos modificados genéticamente (OMG) son producto de técnicas que permiten la incorporación de uno o más genes que transmiten características deseadas de una especie a otra, que no las tiene naturalmente. Un ejemplo es el arroz dorado,
una variedad del arroz normal que ha sido modificado con la inserción de genes clonados de una bacteria (Erwinia uredovora) y del narciso (Narcissus sp.), para incluir los beta-carotenos que ayudan a sintetizar la vitamina A, deficiente en la dieta de las personas con pocos recursos de varios países del Asia.

Actualmente hay una gran variedad de OMG producidos con fines alimenticios e industriales, por ejemplo: maíz, soya, arroz, trigo, papa, tomate, fréjol, caña de azúcar y colza.

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Ingresa al siguiente enlace y observa el reportaje que se llama “Archivo histórico- Informe sobre la clonación de la oveja Dolly” (1997).

www.mayedu.ec/bio3/p118

Responde. ¿Cuáles fueron las preocupaciones éticas que planteó esta técnica y cuáles han sido sus implicaciones para el avance de la biotecnología?

▲ El arroz dorado fue fruto de una investigación universitaria, y se empezó a cultivar en Asia a principios de este siglo.

El cultivo de OMG empezó en 1996, y desde entonces ha generado una ola de opiniones a favor y en contra, que suelen perder de vista lo principal: el hambre en el mundo, con factores asociados como la sobrepoblación, la desigual repartición de recursos, el consumismo, el desperdicio, la erosión, la contaminación, el cambio climático y la falta de solidaridad. Estos son problemas que pocas personas se han comprometido a solucionar. Por el contrario, han buscado paliativos, los cuales, por supuesto, dejan muy buenos réditos comerciales.

Interdisciplinariedad

Biología y química

Los marcadores moleculares son cualquier molécula que sea característica de un organismo o de un proceso y que sirve para identificar si la reproducción o herencia de un rasgo ha sido efectivo, o si un proceso se ha desarrollado exitosamente.

La clonación, parte I

Una de las técnicas que más ha favorecido el desarrollo de la biotecnología es la clonación de ADN recombinante para obtener en masa algún gen o producto deseado

Pese a que la investigación en este campo empezó a desarrollarse poco antes de la Primera Guerra Mundial, el resultado más mediático fue el de la oveja Dolly, el primer clon proveniente de una célula de adulto, que tenía la ventaja de que su fenotipo ya se había desarrollado completamente, a diferencia de ensayos anteriores que lograron clonación a partir de células de embriones. La técnica se describe a continuación: se tomó la célula de la ubre de una oveja adulta y se extrajo su núcleo. Por otro lado, se tomó el óvulo de otra oveja con características distintas a la primera y también se retiró su núcleo. Por estimulación de shocks eléctricos, se introdujo el núcleo de la donante en el óvulo de la otra oveja para simular una fecundación. Se controlaron in vitro las primeras etapas de la segmentación y luego se implantó el embrión en el útero de una madre subrogante, donde se desarrolló normalmente hasta su nacimiento. Dolly vivió menos tiempo de lo normal, pero marcó un hito importantísimo para la ingeniería genética.

Ingeniería genética: producción de alimentos y fármacos II

CN.B.5.5.8. Indagar las aplicaciones de la ingeniería genética en la producción de alimentos y fármacos, sus implicaciones en la vida actual, y explicar el efecto de la terapia génica en el tratamiento de enfermedades humanas, considerando los cuestionamientos éticos y sociales.

● Ingeniería genética: producción de alimentos y fármacos II

Saberes previos

¿En qué desarrollos la ingeniería genética debería enfocarse con más fuerza?

Desequilibrio cognitivo

¿Podrá la ingeniería genética fabricar en algún momento medicinas más efectivas y sin efectos secundarios para las enfermedades catastróficas?

La clonación de ADN

La clonación de ADN en bacterias es menos publicitada y conocida, pero sumamente útil para la rápida y masiva obtención de productos, tales como genes necesarios para fabricar OMG o para la producción de medicamentos.

Antes de explicar esta técnica, recordemos algunos conceptos importantes: las bacterias son seres procariotas, cuyo material genético se encuentra en el citoplasma, y forma un único cromosoma de estructura circular. Muchas de las bacterias contienen uno o varios plásmidos que son cadenas más cortas de ADN, que no tienen información genética esencial de la especie, pero que sí ayudan a que la bacteria se adapte fácilmente a los cambios del medio en el que se desarrolla.

▲ La expectativa de vida a principios del siglo XX era de 60 años, como promedio. Hoy es de 71, gracias a los avances médicos, entre otros factores.

▲ En el esquema se ven cuatro plásmidos, que pueden portar información para que la bacteria se vuelva resistente a algún antibiótico.

▲ Cultivo de bacterias en laboratorio.

Los plásmidos son los mejores aliados al momento de investigar por tres razones: la primera es que, al ser pequeños, se hace fácil conocer su composición genética, investigar sus genes, ver mutaciones o determinar cuál es el fenotipo que producen; la segunda razón es que pueden incorporar moléculas marcadoras o antibióticos que permiten distinguir a la bacteria con la que se trabaja de otras que pudieran contaminar el medio; la tercera razón es que pueden multiplicarse fácilmente, permitiendo que se obtenga gran cantidad de la sustancia que se quiere producir.

Por otro lado, las bacterias se reproducen por fisión binaria, un proceso que copia exactamente el contenido genético de la célula original.

ADN recombinante en bacterias

La técnica del ADN recombinante supone la mezcla del ADN de dos organismos diferentes. Como resultado tendremos un OMG que servirá con un propósito definido (por ejemplo: la obtención de alguna proteína).

▲ El costo y el modo de producción hacían de la insulina porcina una medicina cara y poco eficiente.

Un ejemplo es la producción de insulina médica. La diabetes es una enfermedad muy común, que en muchos de los casos requiere la inyección diaria de insulina, fabricada en laboratorios. Anteriormente, la insulina se obtenía a partir del suero sanguíneo de cerdos, pero esta técnica tenía inconvenientes, como su elevado tiempo de producción y costo, la cantidad de insulina producida versus el espacio y trabajo necesarios para el mantenimiento de los cerdos. A esto se sumaba el riesgo de alergias que pudieran generarse o de que algún virus no detectado se transfiriera a través de la insulina porcina.

En 1978 se desarrolló un método para obtener insulina mediante la recombinación del gen humano que produce la insulina en el plásmido de la bacteria Escherichia coli. Esta es una de las bacterias que más se ha investigado. Su genoma es perfectamente conocido y es fácil de cultivar en laboratorio. Es una especie que vive normalmente en nuestro tracto digestivo, siendo, por lo general, inocua. El éxito de esta técnica permitió la obtención de insulina en grandes cantidades, a bajo costo y con condiciones más controladas, para evitar efectos secundarios.

El gráfico adjunto permite entender el proceso que se emplea en la producción de insulina.

El primer paso es la obtención del gen humano necesario para producir la proteína que queremos. Para ello se emplean unas enzimas de restricción cuya función es cortar, en la molécula de ADN, unos nucleótidos antes y otros después del lugar en el que está el gen. Las enzimas más utilizadas se llaman EcoRI porque son obtenidas a partir de E. coli. Por otra parte, se identifica un plásmido de la bacteria en el que se haya encontrado un gen de resistencia a algún antibiótico. También se usa EcoRI para cortar el plásmido en el sitio en el que queremos insertar el gen.

▲ Las células resistentes al antibiótico son las que crecen fuera de su radio de acción.

Luego se emplean enzimas ligasas para cerrar el plásmido y terminar la inserción. Ya se tiene el ADN recombinante en diferentes plásmidos, y el siguiente paso será introducirlo en las bacterias. Para ello se usan estrategias como la exposición de las células a soluciones con iones de metales o a cambios bruscos de temperatura, lo que rompe su pared celular y permite que los plásmidos entren.

Este proceso se llama transformación bacteriana y como no es 100 % eficiente, quedarán algunas bacterias que no hayan logrado incorporar los plásmidos, por lo que habrá que seleccionar los individuos útiles y aislarlos. Esta identificación se logra gracias a la resistencia al antibiótico que también está dentro del plásmido.

▲ Una vez debilitada la pared celular, los plásmidos entran a la bacteria anfitriona.

▲ Vacunas producidas por antígenos recombinantes pueden disminuir significativamente los efectos secundarios de las vacunas que se usan actualmente.

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Ingresa al siguiente enlace sobre medicamentos biotecnológicos:

www.mayedu.ec/bio3/p122

Responde. ¿Cuáles son los pasos que tiene que cumplir un medicamento producido por biotecnología antes de salir al mercado?

Aquellas bacterias que crezcan en medios que contienen el antibiótico serán las que lograron incorporar el plásmido. Con ellas se hará el cultivo en masa, necesario para obtener la sustancia que se quiere producir en grandes cantidades.

El siguiente paso es destruir las células bacterianas y emplear alguno de los varios métodos que ayudan a aislar la insulina del resto de sus componentes, purificarla, envasarla y comercializarla.

Este proceso, con más o menos variantes, es el más usado en biotecnología para la elaboración de medicinas que provienen de las proteínas de algún ser vivo. Entre ellas podemos citar la hormona del crecimiento o los antígenos con los que se pueden fabricar vacunas, como, por ejemplo, contra la hepatitis B o contra el virus del papiloma humano.

Interdisciplinariedad

Microbiología y cosmética

Hoy en día es común escuchar que tal o cual persona se aplicó bótox, pero ¿sabemos de qué se trata esta sustancia? Es una neurotoxina producida por la bacteria que causa el tétanos (Clostridium botulinum). Aplicarse bótox causa una parálisis celular irreversible que quita las arrugas y los gestos faciales.

Avances tecnológicos y necesidades humanas

CN.B.5.5.11. Planificar y ejecutar una investigación sobre los diferentes avances tecnológicos que cubren las necesidades de la creciente población humana, con un enfoque de desarrollo sostenible.

● Avances tecnológicos y necesidades humanas

Saberes previos

¿Puede la ingeniería genética producir alimentos y medicinas más eficientes?

Desequilibrio cognitivo

¿Puedes citar alguna tecnología que por si sola haya logrado solucionar un problema social?

La meta del desarrollo sostenible

Sin duda, los siete mil millones de personas que viven en este planeta demandan alimento, vivienda, vestido, energía, comunicación, transporte y tecnología, entre muchas otras cosas, y por ello ejercen una presión que la Tierra está lejos de poder mantener.

Ya para 1987, se preveía la incompatibilidad de un modelo de desarrollo basado en la extracción de recursos no renovables, una expansión industrial alimentada por la energía de los combustibles fósiles, como el carbón y el petróleo, y una producción agrícola basada en monocultivos que destruyen el suelo. Otros problemas ambientales –como la contaminación de suelos, agua y aire, la destrucción y fragmentación de hábitats, la concentración humana en centros urbanos, la desertificación y el desigual acceso a los recursos– crean una presión social que solo agrava dichos problemas.

▲ Las consecuencias del cambio climático sobre los antes productivos arrecifes de coral, y ahora desiertos marinos, son incalculables.

Una comisión internacional, encargada por la Organización de las Naciones Unidas (ONU), elaboró en 1987 un informe en el que se acuñó el término “desarrollo sostenible” como el objetivo primario por cumplir para permitir el desarrollo de la vida en el planeta.

El desarrollo sostenible se define como el uso de los recursos, de tal manera que satisfagan las necesidades de las generaciones presentes, pero también de las futuras. Establece que la única manera para lograr este fin es buscar el equilibrio entre los factores económicos, sociales y ambientales.

▲ Hay días en que la población de Pekín (China) debe permanecer bajo techo y con filtros de aire para evitar los efectos del esmog.

▲ Cualquier desigualdad entre estos factores genera presiones sobre el ambiente e impide el desarrollo sostenible.

Biotecnología y ambiente

▲ Una fábrica de biocombustible, en cuya producción se observan gases contaminantes.

La biotecnología declara como uno de sus mayores empeños el encontrar soluciones a los desafíos que presenta la búsqueda del desarrollo sostenible. A continuación analizaremos algunos ejemplos.

Alternativas al uso de combustibles fósiles

En este campo se busca la producción eficiente de biocombustibles, ya sea al conseguir OMG para los cultivos tradicionales que producen el bioetanol (la caña de azúcar, la remolacha y el sorgo), por la transformación de basura orgánica en los biodigestores, o por el cultivo de bacterias que producen biogás. Estas alternativas no están libres de controversia, pues para obtener resultados rentables se necesita establecer grandes monocultivos que, además de los problemas ya mencionados, tienen también el inconveniente de ocupar suelos productivos en otro fin que no es la alimentación prioritaria, con la consiguiente destrucción de hábitats para establecer esos cultivos.

Por su parte, la producción de biogás no elimina el problema de la producción de gases de efecto invernadero que causan el calentamiento global, tras su combustión. Es evidente que en estos casos prima el interés económico ante el social y el ambiental.

La biorremediación

▲ Campos de la Amazonía ecuatoriana contaminados por derrames petroleros, y biorremediados por la acción de bacterias.

Busca solucionar diferentes tipos de contaminación del agua, aire y suelo, usando microorganismos (bacterias), especies silvestres de la zona afectada (hongos y plantas) o sus productos. Se ha aplicado con buenos resultados para recuperar, parcialmente, suelos y aguas contaminadas por derrames petroleros, lugares con alta radiación, suelos afectados por agroquímicos y aguas residuales de la industria.

Los microorganismos son colectados, estudiados en laboratorio, se potencia su capacidad de metabolizar y digerir las moléculas contaminantes, y luego se los resiembra en el lugar que se desea restaurar. Sus ventajas sobre otros métodos son: su costo a largo plazo, la facilidad de llegar a lugares inaccesibles y la viabilidad del monitoreo de los resultados.

Laboratorio casero

Vamos a elaborar biofertilizante líquido. Necesitarás un balde de un volumen de 10 litros, 3 kilos de frutas maduras y sanas (excepto cítricos), 3 litros de melaza y 1 tela para tapar el borde del balde. Diluye la melaza en 1 litro de agua; luego pica la fruta (con cáscara) en pedazos pequeños.

Alterna una capa de fruta bañada por la melaza hasta acabar los ingredientes. Luego, pon algo pesado (como una piedra) sobre la fruta y tapa el balde con la tela. Deja fermentar en un lugar cálido y oscuro durante al menos 15 días o hasta que el biol muestre un olor agradable y produzca burbujas. Para aplicar en el suelo que se quiera fertilizar, diluye una parte de biol por 10 partes de agua.

▲ El diseño del tren bala del Japón se inspiró en la forma del pico del martín pescador (Alcedo atthis) para minimizar el ruido al atravesar la barrera del sonido.

▲ Compostera que aprovecha los desechos orgánicos familiares para transformarlos en humus de lombriz.

Producción de abonos orgánicos

Con la finalidad de recuperar suelos degradados, se fabrican abonos orgánicos, y se aprovecha así la capacidad de algunos microorganismos de fermentar azúcares que se encuentran en la materia orgánica en descomposición y que, con métodos fáciles y al alcance de todos, logran reutilizar la basura doméstica para convertirla en algo útil.

Pueden producirse biofertilizantes líquidos por medio de la fermentación, como en el ejemplo del laboratorio casero, o haciendo compost con lombrices para obtener humus. Al poco tiempo, se logra reemplazar los agroquímicos cuyo uso no es sostenible.

TIC

Entra al siguiente enlace y observa la charla “Janine Benyus: la biomimética en acción”:

www.mayedu.ec/bio3/p126

Responde. ¿Qué tipo de respuestas puede darnos la naturaleza?

Biomímesis, una nueva tendencia

A diferencia de la biotecnología –que, como hemos visto, es muy cuestionada sobre todo cuando se basa en la manipulación genética de los organismos–, la reciente biomímesis se basa en la imitación (no en el uso) de la naturaleza, para buscar soluciones eficientes a las necesidades humanas. Su impulsora es la bióloga estadounidense Janine Benyus (1958), quien ya ha colaborado en el diseño de varias innovaciones tecnológicas que aportan al desarrollo sostenible.

Interdisciplinariedad

Biología e industria textil

“Las respuestas a nuestras interrogantes están en todos lados; solo necesitamos cambiar los lentes con los que vemos el mundo”. Así dice Janine Benyus, quien inspiró uno de los diseños más eficientes para evitar la proliferación de bacterias. Se trata de una tela que imita la rugosa piel del tiburón y que ya tiene su marca registrada (Sharklet®).

Laboratorio 4

Laboratorio 4

Resistencia de las bacterias a los antibióticos

Materiales

- Cajas Petri estériles, con medios de cultivo de agar nutritivo
- Asas bacteriológicas
- Mechero Bunsen
- Diferentes antibióticos en pastilla
- Agua corriente
- Jabón
- Incubadora
- Lápices para marcar vidrio
- Placas y portaobjetos
- Azul de metileno
- Microscopio compuesto
- Palillos de dientes

Objetivo

Comprender cómo se realizan los cultivos de bacterias y cómo se determina a qué antibióticos son sensibles y a cuáles son resistentes.

Introducción

Las bacterias, con el paso del tiempo, han conseguido resistir la presencia de antibióticos que la industria farmacéutica ha desarrollado para combatirlas. Esta resistencia es producto de genes, que generalmente se ubican en los plásmidos. Si bien, desde el punto de vista médico, este es un grave problema que aboca a la ciencia a encontrar nuevas alternativas para evitar las infecciones bacterianas, desde el punto de vista de la ingeniería genética es una buena noticia. La resistencia a determinados fármacos es una herramienta con la que se logra identificar y aislar a los individuos que han sido modificados genéticamente.

El propósito de este laboratorio es conocer las técnicas básicas que se usan para obtener colonias de bacterias e identificar su sensibilidad a los antibióticos. Tendrá que realizarse en dos fases, la primera en la que se hace el cultivo de las bacterias, y la segunda, tres días después, para observar los resultados.

Procedimiento

Primera parte: siembra de colonias bacterianas

1. Lávense las manos de la siguiente manera: mójense bien y luego pónganse abundante jabón. Frótense las manos durante al menos 60 segundos, recordando refregarse bien entre los dedos y bajo las uñas.
2. No toquen nada y sacúdanse las manos en el aire hasta secarse.
3. Prendan el mechero e introduzcan la punta del asa bacteriológica en el lugar donde hay mayor temperatura, que es justamente en el límite entre la llama azul y la amarilla. Manténganlo ahí hasta que esté al rojo vivo (Imagen 1).

▲ Imagen 1. Desinfección del asa bacteriológica.

▲ Imagen 2. Siembra de bacterias en medio de cultivo de agar nutritivo.

1. Retiren el asa de la llama para que se enfríe, pero sin alejarla demasiado de la influencia del fuego para evitar que se contamine.
2. Cuando estén seguros de que el asa se ha enfriado lo suficiente, frótenla en su piel o en el interior de su boca, con la finalidad de tomar una muestra de las bacterias que normalmente están en estos sitios.
3. Trabajando siempre cerca del fuego, retiren parcialmente la tapa de uno de los medios de cultivo y rápidamente, pero con mucha delicadeza y sin romper la superficie del agar, rocen el medio de cultivo en forma de zigzag para sembrar las bacterias que fueron recogidas con el asa (Imagen 2).
4. Rotulen la caja Petri con un número asignado a su grupo de trabajo y llévenla a la incubadora, a 25 grados centígrados. Si no tienen una incubadora, se puede poner la caja, bien tapada, dentro de un recipiente que la mantenga abrigada.

Segunda parte: prueba de sensibilidad a los antibióticos

1. Tomen otro medio de cultivo estéril, destápenlo y coloquen tres pastillas de algún antibiótico en lugares equidistantes.
2. Dejen el medio destapado durante 5 minutos.
3. Tapen, rotulen el nombre del antibiótico y guarden el medio de cultivo en la incubadora.
4. Asegúrense de que sus compañeros y compañeras utilicen otros antibióticos para poder comparar resultados.

Tercera parte: observación de los resultados

1. Luego de tres días de incubación, retiren los cultivos y observen cómo crecieron sus bacterias. Tomen fotos y hagan los dibujos correspondientes.
2. Destapen las cajas Petri y tomen una delgada muestra de una de las colonias de bacterias, con la ayuda de un palillo de dientes.
3. Froten con la muestra del palillo un portaobjetos, de tal manera que formen una capa muy delgada, donde las bacterias estén bien distribuidas.
4. Coloquen una gota de azul de metileno en el portaobjetos. Luego inclinen la placa y enjuáguenla con agua corriente, cuidando de no perder la muestra.
5. Tapen con un cubreobjetos y observen la muestra a través del microscopio.
6. Hagan los dibujos correspondientes, recordando poner el aumento con el que hicieron las observaciones.

Resultados

Pongan en el informe los dibujos de lo que observaron con el microscopio. ¿Alrededor de qué antibiótico crecieron bacterias y alrededor de cuál no?

Conclusiones

Expliquen los resultados que obtuvieron y si se cumplió el objetivo.

Bibliografía

Anoten la bibliografía de las fuentes que consultaron. Apliquen el formato APA.