Ingeniería Genética y Biotecnología: Técnicas y Aplicaciones

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Biología. 2º Bachillerato Tema 14. Ingeniería genética y biotecnología. Técnicas La biotecnología es la disciplina basada en la aplicación de técnicas científicas para manipular células, seres vivos o alguno de sus componentes con fines prácticos; obtención de productos, bienes y servicios de distinto tipo. Las técnicas de biotecnología se utilizan en diferentes tipos de industrias y sectores económicos. Para facilitar su clasificación, se recurre a los colores de la biotecnología: Biotecnología roja: Aplicada a la medicina (biomedicina), se enfoca en el estudio y tratamiento de enfermedades y el desarrollo de nuevos fármacos.

Biotecnología verde: Relacionada con la agroalimentación, abarca la creación de nuevas variedades de plantas o animales de interés agropecuario, producción de biofertilizantes y biopesticidas, cultivo in vitro y clonación de vegetales. Biotecnología gris: Incluye aplicaciones directas de la biotecnología al medio ambiente. Biotecnología azul: Explota los recursos oceánicos para desarrollar productos y aplicaciones industriales. Biotecnología blanca: Asociada a procesos industriales, busca procesos y productos más eficientes y menos contaminantes, incluyendo el uso de microorganismos para producir productos químicos.

La biotecnología no es una disciplina reciente; desde la Antigüedad se aplican procesos como la fermentación para elaborar pan o bebidas alcohólicas, así como la selección artificial de animales y plantas por parte de agricultores y ganaderos. Sin embargo, a partir de los años 50, los avances en biología celular y genética molecular impulsaron nuevas líneas de investigación, destacando la ingeniería genética (subdisciplina) por su relevancia económica y aplicabilidad y, centrada en la manipulación genética a nivel molecular. Dado que todos los seres vivos comparten la misma estructura del ADN y el mismo código genético, es posible manipular y transferir genes entre organismos.

A continuación, se describen varias técnicas de ingeniería genética, entre las que destacan: 1. PCR Técnica in vitro que permite obtener rápidamente múltiples copias (amplificar) de un fragmento específico de ADN mediante su replicación en laboratorio. Procedimiento: El proceso se basa en ciclos de temperaturas: 1. Desnaturalización (95 °C): separación de las dos hebras de ADN (un fragmento) 2. Hibridación (55 °C): los cebadores específicos (secuencias cortas con extremo 3' libre) se alinean con las hebras molde. 3.

Extensión: al elevar ligeramente la temperatura, la ADN polimerasa (habitualmente se utiliza Taq polimerasa, de Thermus aquaticus*) sintetiza nuevas cadenas a partir de los cebadores, añadiendo desoxinucleótidos trifosfato (dATP, dGTP, dCTP, dTTP). Estos pasos se repiten múltiples veces en un termociclador, generando muchas copias del ADN deseado. Si se parte de ARN, este se convierte primero en ADN complementario (ADNc) mediante retrotranscripción. Aplicaciones: Estudios evolutivos o paleontológicos, en medicina forense (huella genética y pruebas de paternidad) y en diagnóstico molecular (detección de virus como VIH, SARS-CoV-2 o enfermedades genéticas). Biología. 2º Bachillerato 2.

MÉTODOS DE SECUENCIACIÓN DE ADN La secuenciación de ADN es un conjunto de métodos y técnicas bioquímicas cuyo objetivo es determinar el orden de los nucleótidos en una muestra de ADN. Hay múltiples técnicas y metodología: 2.1. Método de Sanger Motivo del premio Nobel en 19801 , consiste en separar las dos hebras del ADN (obtenido por PCR y purificado) y utilizar una de ellas como molde. Posteriormente, se añade un cebador, ADN polimerasa y los cuatro dNTP, junto con otros nucleótidos modificados (didesoxinucleótido trifosfato) y marcados radiactivamente o por fluorescencia (ddNTP*), que carecen del grupo 3'-hidroxilo y, por lo tanto, detienen la síntesis de cadenas de ADN.

La reacción se realiza en cuatro tubos distintos, cada uno con un tipo diferente de ddNTP. Como resultado, se obtienen fragmentos de diferentes longitudes, dependiendo de en qué punto se haya incorporado un ddNTP. Estos fragmentos se separan por electroforesis -en condiciones desnaturalizantes- de tal forma que, los fragmentos más pequeños se detienen primero (se mueven más rápido), mientras que los más largos después. Finalmente, mediante autorradiografía (o un cromatograma si se ha usado fluorescencia), se obtiene un patrón de bandas que permite interpretar la secuencia del fragmento analizado. 2.2.

Métodos de secuenciación masiva Conjunto de técnicas que permiten secuenciar genomas completos o todos los genomas presentes en una comunidad (metagenomas). Un método destacado es el desarrollado por Craig Venter, que consiste en: fragmentar aleatoriamente el ADN genómico, posteriormente clonar esos fragmentos en plásmidos, se crea una genoteca, se secuencian los fragmentos usando cebadores marcados con fluoróforos, se da una alineación de las secuencias obtenidas mediante software especializado. Este enfoque se utilizó en el Proyecto Genoma Humano.

2.3 Técnicas modernas Secuenciación de nueva generación (NGS): Permite secuenciar millones de fragmentos de ADN en paralelo, con alta velocidad y bajo coste por base. Secuenciación por nanoporos: El ADN pasa a través de un nanoporo y las bases se identifican midiendo cambios en la corriente eléctrica. Permite lecturas ultralargas, es portátil y ofrece análisis en tiempo real, aunque con menor precisión. SMRT (Single Molecule Real-Time): Observa la síntesis del ADN en tiempo real a nivel de una sola molécula. Utiliza nanoceldas con ADN polimerasa y nucleótidos fluorescentes. Produce lecturas muy largas con alta fidelidad.

Ideal para genomas complejos, variaciones estructurales y estudios epigenéticos. 1 Sanger obtuvo otro Nobel en 1958 debido a determinar la estructura dela insulina. Biología. 2º Bachillerato Una de las principales aplicaciones de esta técnica fue el Proyecto Genoma Humano (PGH), un proyecto internacional -participaron más de 20 universidades e institutos tanto públicos como empresas privadas- comenzó en 1990 con el objetivo de determinar toda la información contenida en el genoma humano, es decir, identificar todos los genes y su localización.

En 1999 se publicó la secuencia completa del primer cromosoma humano (el cromosoma 22), y entre 2003-2004 se presentaron los resultados finales, en los que la bioinformática desempeñó un papel fundamental. Algunos de los principales hallazgos del PGH fueron: 1. El ser humano posee entre 20,000 y 25,000 genes y aproximadamente 3,200 millones de pares de bases (nucleótidos). 2. Los humanos comparten el 99.9 % de su genoma entre sí y un 98 % con el chimpancé. 3. Solo alrededor del 10 % del genoma es codificante; el 90 % restante no codifica proteínas y su función aún no se conoce con exactitud. 4. Un solo gen puede dar lugar a más de una proteína mediante mecanismos como el splicing alternativo.

3. HIBRIDACIÓN DE ÁCIDOS NUCLEICOS Es una técnica utilizada para identificar secuencias complementarias de ADN o ARN mediante el emparejamiento de bases entre la secuencia complementaria, si estuviese en la muestra, y una sonda marcada que se une a la secuencia complementaria si está presente. Tanto la muestra como la sonda, se preparan con diversas técnicas antes de la hibridación. Existen diferentes tipos de hibridación: Southern blot: sonda de ADN para estudiar la estructura del ADN o identificar mutaciones. Northern blot: sonda de ARN para analizar la expresión génica y el procesamiento de ARN. Dot blot: Permite cuantificar la presencia de secuencias específicas de ADN o ARN.

Microarrays de ADN: Permiten la detección simultánea de miles de secuencias de ADN, útiles para análisis de expresión génica, genotipado y diagnóstico de enfermedades. 4. MUTAGÉNESIS DIRIGIDA Es una técnica utilizada para introducir cambios específicos en el ADN de un organismo con el fin de estudiar mutaciones concretas2 o diseñar organismos con características deseadas, gracias a obtener proteínas modificadas en puntos concretos. Consiste en sintetizar un oligonucleótido (cadena corta de 10 y 40 nucleótidos) con las modificaciones deseadas.

Este se hibrida con el ADN monocatenario del gen objetivo completo para, posteriormente, ser replicado por la ADN polimerasa incorporando las mutaciones. Finalmente, la copia modificada se emplea para transformar y clonar células hospedadoras, que presentan la proteína mutada. Esta técnica se utiliza para valorar la resistencia o sensibilidad a un producto químico o físico. 2 Recordatorio:las mutaciones tienen distintas consecuencias:no generar cambios,modificar un fenotipo o, incluso,provocar l a pérdida de función de una proteína. Biología. 2º Bachillerato 5.

ADN RECOMBINANTE Consiste en insertar secuencias de ADN exógenas (diferentes orígenes) en vectores de clonación (plásmidos, genomas virales; bacteriófagos y cromosomas artificiales: cósmidos, BACs, YACs, etc) para crear nuevas combinaciones genéticas que luego se introducen en un organismo hospedador distinto al original para que puedan ser expresadas. A estos organismos se le denomina transgénico u organismo genéticamente modificado (OGM), y el gen introducido se llama transgén. El proceso que sigue esta técnica es el siguiente: 1.

Corte del ADN (enzimas de restricción) Endonucleasas de restricción: de origen bacteriano, reconocen secuencias específicas de ADN y las cortan, generando fragmentos con extremos cohesivos (solo pueden unirse a otros cortados con la misma enzima). También es posible obtener ADN a partir de ARN utilizando transcriptasa inversa, generando ADN complementario. 1.1 Amplificación por PCR (opcional) y separación por electroforesis del fragmento de ADN. 2. Inserción en el vector de clonación (tratado con la misma enzima). Estos son de pequeño tamaño y tienen la capacidad de autoreplicarse en células hospedadores. 3. Unión con ligasa para formar el ADN recombinante.

ADN ligasas: unen los fragmentos de ADN por sus extremos cohesivos, funcionando como "pegamento" del ADN recombinante. 4. Introducción en una célula huésped 3 donde se replica utilizando su maquinaria celular, generando clones del ADN insertado. 6. CLONACIÓN Técnica utilizada para obtener copias genéticamente idénticas de un gen o fragmento de ADN. El material copiado, que tiene la misma composición genética que el original, se denomina clon. Para ello, se utilizan vectores (iguales que en el ejemplo anterior), y los cuales se introduce en un huésped. Las etapas del proceso de clonación son: 1. Obtención del fragmento de ADN que contiene el gen de interés y elección del vector. 2.

Formación del vector recombinante (técnica de ADN recombinante). 3. Incorporación del vector al huésped: o En células procariotas, el proceso de incorporación se denomina transformación. Se usa un marcador de selección 4 para identificar las células que han integrado el vector. o En células eucariotas, el gen se inserta* en los cromosomas de la célula hospedadora. Los métodos de introducción del gen pueden ser; microinyección en el núcleo, electroporación (impulsos eléctricos para hacer permeable la membrana celular), pistola de genes (microproyectiles recubiertos con ADN) 3 Debe ser de crecimiento rápido, no patógenas/peligrosas y presentar mecanismos decaptación de ADN externo.

4 Generalmenteuna sonda radiactiva; sedetecta con autoradiografía. Biología. 2º Bachillerato y liposomas con ADN (fusionan con la membrana celular para liberar el ADN).4. Clonación de organismos vivos, que puede ser: 4.1 Disgregación celular: Se separan las células embrionarias en las primeras fases de desarrollo para que cada célula se comporte como un cigoto independiente, generando nuevos individuos. 4.2 Transferencia nuclear: Se inserta el núcleo de una célula somática en un ovocito enucleado (sin núcleo), siendo este gestado por una hembra. Un ejemplo famoso es la oveja Dolly, clonada en 1996 por Ian Wilmut.

La clonación no solo permite duplicar ADN, sino también producir productos derivados de genes clonados, como proteínas terapéuticas. 7. SISTEMA CRISPR-Cas9 Esta tecnología CRISPR/Cas9 (CRISPR: repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente espaciadas, y Cas9: proteínas, principalmente nucleasas) es una herramienta molecular utilizada para editar y corregir el genoma de cualquier célula de manera precisa, específica, eficiente y controlada. Esta técnica fue descubierta en 2005 por el español Francisco J.

Martínez Mojica, quien identificó en una especie de arqueas una región del genoma llena de repeticiones palindrómicas separadas por secuencias o "espaciadores" procedentes de ADN viral y de plásmidos. Junto a estas repeticiones, se encuentran los genes Cas que codifican proteínas nucleasas. Este sistema actúa naturalmente como un mecanismo de defensa inmunitaria adaptativa. Primero, la arquea, tras una infección, identifica el ADN exógeno y lo incluye en su "batería" de espaciadores. Luego, corta el ADN exógeno, creando un "protoespaciador" que se modifica y reemplaza por fragmentos de ADN sano, lo cual se hereda al estar integrado en la secuencia CRISPR.

Si ocurre una nueva infección, la célula detecta el ADN del virus, sintetiza múltiples cadenas de ARN guía (ARNcr) que se asocian a proteínas Cas y se unen al ADN viral, interfiriendo en su replicación, ya que las proteínas Cas (endonucleasas) cortan el ADN exógeno, evitando la infección. Basándose en este conocimiento, las científicas Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna desarrollaron dicha herramienta de edición genética artificial, lo que les valió el Premio Nobel de Química en 2020. Feng Zhang también fue parte del equipo.

La técnica se basa en diseñar ARN-CRISPR (ARN guía) complementario a una secuencia de ADN de un gen diana (el cual se desea editar o silenciar) y usar las proteínas Cas, que, al no ser específicas, se unen al ARN guía y cortan la secuencia de ADN objetivo. Tras describir las técnicas de modificación genética, se abordan las aplicaciones de la biotecnología. Antes de detallar estas áreas, es esencial destacar el papel de los microorganismos, organismos microscópicos, incluyen procariotas (Arqueas y Bacterias), eucariotas (Chromistas, Protozoos, Hongos) y formas acelualres (virus, priones, viriones, entre otros).

Aunque se usan desde la antigüedad, fue en el siglo XIX con Pasteur cuando surgió la microbiología industrial, rama de la biotecnología con gran relevancia económica y social. Biología. 2º Bachillerato El uso de microorganismos se debe a las siguientes cualidades de los mismos: 1. Crecer rápidamente en medios líquidos y a temperaturas moderadas. 2. Producir sustancias de interés a gran escala y en el menor tiempo posible. 3. Mantenerse en cultivos puros largo tiempo. 4. Ser genéticamente estables. 5. Ser aptos para la manipulación genética. 6. No ser patógenos.

A continuación, se describen las aplicaciones de cada tipo de biotecnología: Biotecnología industrial (blanca) El proceso más destacado en este sector es la fermentación. El desarrollo de una fermentación industrial incluye una serie de procesos que se agrupan en dos partes: 1. Selección y preparacióndel microorganismo, preparación del medio de cultivo y,posteriormente,se lleva a cabo lareacción deseada (incluya o no una auténtica reacción de fermentación). A nivel industrial,se utilizan cubas de acero inoxidable, llamados fermentadores o biorreactores. 2. Recogida y purificación del producto y el tratamiento de los residuos de la reacción.

Gracias a las fermentaciones, disponemos de un gran número de productos de uso cotidiano, que se engloban en diferentes ámbitos: 1. Industria alimentaria Incluye los procesos industriales biotecnológicos relacionados con la producción de alimentos. 1.1. Fabricación de bebidas alcohólicas La fabricación del vino, la cerveza o bebidas destiladas (whisky, ron,..) es llevada a cabo primero por la glucolisis de azúcares del zumo de uva o de cereales, seguida de la fermentación alcohólica produciendo CO2 y etanol (alcohol). Los microorganismos fundamentales en este proceso son las levaduras, principalmente de genero Saccharomyces sp. (por ejemplo, S. cerevisiae; anaerobia facultativa).

En el caso de la cerveza, se somete el cereal a un proceso de malteado (cebada germinada). La malta se tuesta y se lleva a una cuba donde, a partir del almidón, se generan azúcares fermentables por actividad enzimática. Posteriormente, se añade el lúpulo (sabor agrio) y produce la fermentación llevada a cabo por la levadura. 1.2 Fabricación del pan El pan se fabrica con ayuda de la levadura Saccharomyces cerevisiae que degrada los glúcidos de la harina (almidón) siguiendo la vía primero de la glucolisis y luego de la fermentación alcohólica, produciendo CO2 (por este motivo aumenta de tamaño la masa) y etanol (se evapora durante la cocción). 1.3 Fabricación del vinagre Biología.

2º Bachillerato El vinagre se produce gracias a un proceso aeróbico de fermentación acética realizado por bacterias del género Acetobacter y Gluconobacter (aerobias estrictas) que producen ácido acético (vinagre) a partir de etanol (del vino, sidra, cerveza o arroz fermentado). Hay diversos métodos de producción: Orleans (artesanal), de goteo y de burbujeo (en fermentadores).

1.4 Fabricación de productos lácteos Las bacterias lácticas (Lactobacillus bulgaricus o Streptococcus sp., entre otras) de la leche catabolizan los azúcares (monosacáridos de la lactosa) siguiendo la vía de la glucolisis,seguida de la fermentación láctica cuyo producto final es el ácido láctico (da acidez e impide el crecimiento de otros microorganismos), permitiendo elaborar productos derivados como queso, yogur, kéfir o requesón. En el caso del queso, primeramente se coagulan las proteínas de la leche (bacterias) y se añade renina, enzima más conocida como cuajo.

Para fabricar algunas variedades de queso también intervienen hongos, como el Penicillium roquefort responsable del color, olor y sabor característicos de este queso. Todos siguen diferentes procesos de maduración. 1.5 Producción de aminoácidos5 , vitaminas, prebióticos y probióticos Son utilizados como complementos alimenticios o potenciadores de sabor. Uno de los ejemplos más destacados es la producción de ácido glutámico, potenciador de sabor y complemento nutritivo, se lleva a cabo con mutantes de Corynebacterium glutamicum. Este mismo microorganismo sintetiza la lisina, suplemento habitual en los cereales o el pan.

La vitamina B12 es sintetizada por bacterias del género Propionibacterium o Streptomyces griseus y la riboflavina (vit B2) especialmente por la bacteria Bacillus subtilis o el hongo Ashbya gossypii. Los probióticos son cepas específicas de microorganismos vivos seleccionados o modificados genéticamente con el fin de mejorar la salud intestinal, integrándose en la microbiota. Por otro lado, los prebióticos son compuestos, como fibras vegetales, no digeribles, que sirven de alimento para estos microorganismos, estimulando el crecimiento de bacterias beneficiosas.

Se obtienen por fermentación microbiana, el uso de enzimas específicas o la modificación de polisacáridos de origen vegetal para crear compuestos funcionales como inulina, FOS o GOS. 2. Industria química Elaboración de productos químicos con diversos usos; disolventes, potenciadores de sabor, etc. 2.1 Producción de ácidos orgánicos Se obtienen por la acción del hongo Aspergillus niger: El ácido cítrico se obtiene en condiciones de deficiencia de hierro, a partir de sustratos azucarados (almidón, melaza, remolacha, entre otros). Uso: conservante. 5 En el libro vienecomo aplicación dela industriaquímica,no alimentaria Biología.

2º Bachillerato El ácido glucónico, utilizado en detergentes, como potenciador en alimentos o para individuos con falta de Ca (gluconatos de Ca y Fe), se obtiene a partir de la glucosa (glucosa oxidasa) del licor de maíz, también por el hongo Aspergillus niger. 2.2 Producción de enzimas Diversos tipos de industrias utilizan enzimas de origen microbiano (alimentaria, farmacéutica, química y textil), principalmente hongos, bacterias y arqueas. Ejemplo de ello es la fabricación de detergentes (bioactivos: proteasas, amilasas y lipasas) o de edulcorantes (la fructosa; la amilasas y glucoamilasas producen glucosa a partir de almidón y la glucosa isomerasa la transforma).

También se producen enzimas de procariotas hipertermófilos, como arqueas, que presentan su máxima actividad a elevadas temperaturas y se utilizan en industria alimentaria o en productos de lavandería o renina (queso). Estas enzimas son inmovilizadoras, es decir, no se desnaturalizan, son estables.

2.3 Fabricación de biocombustibles, como; hidrógeno, metano o etanol, principalmente por parte de microalgas (Chlorella sp., Spirulina sp.) y bacterias (Escherichia coli OGM, Clostridium thermocellum ; etanol, Bacillus subtilis; a partir de residuos agrícolas, entre otras) y productos químicos tales como alcoholes, disolventes (acetona), lípidos o productos base para la producción de plásticos, entre otros (Candida spp; productos químicos orgánicos, Escherichia coli; alcohols, ácido acético…o Cyanobacteria; alcoholes u otros productos químicos a través de la fotosíntesis). B. Biotecnología agrícola y ganadera (verde) 1.

Alimentos transgénicos Son alimentos o productos derivados de los mismos que se han modificado genéticamente (técnicas anteriormente descritas). Pueden tener ventajas potenciales, como la mejora en el rendimiento en las cosechas, puesto que suelen ser más resistentes a enfermedades o sequías, pero existen riesgos como el aumento de las alergias y posibles efectos a largo plazo, aunque a día de hoy esto sigue en investigación. En las técnicas de manipulación generalmente se utiliza un plásmido de la bacteria Agrobacterium tumefaciens. En España, solo se permite OMG de maíz, soja y tomates. 2.

Biofertilizantes e insecticidas biológicos Los compuestos químicos tradicionales (fertilizantes y biocidas), ricos en P y N, generan un gran impacto al medio (contaminación de agua, suelo, atmosfera y bioacumulación). Una alternativa sostenibles es el uso de fertilizantes de origen biológico (bacterias fijadoras de nitrógeno como Azotobacter, Azospirillum o Rizobium) o bioinsecticidas (proteínas de Bacillus thuringiensis que mata a las larvas). C. Biotecnología aplicada a medicina (roja) Incluye un amplio abanico de aplicaciones médicas entre las que destacan: 1. Obtención de productos farmacéuticos Biología.

2º Bachillerato 1.1 Producción de vacunas6 Las primeras vacunas se fabricaron con virus atenuados (virus vivos que han perdido su virulencia), sin embargo, dado su riesgo, en 1924 comenzaron a utilizarse inactivados (7 virus muertos por formaldehido u otros). Otro tipo son los toxoides; toxinas producidas por microorganismos, inactivadas, que activan la respuesta inmune. Actualmente, se sintetizan vacunas recombinantes: 1. De antígenos: síntesis de péptidos artificiales que representan uno o varios de los determinantes antigénicos del patógeno. 2.

De ADN o ARN: identificación del ADN o ARNm de interés, posteriormente se introduce en un vector recombinante, se cultiva en un hospedador y se extrae y purifica la proteína. Este es el caso de la vacuna contra la hepatitis B o SARS-Cov-2. 1.2 Antibióticos Se conocen cerca de 800 antibióticos, destacando los siguientes grupos: -La penicilina se obtiene del hongo Penicillium chrysogenum, cultivado en fermentadores industriales (factores muy controlados; productividad de la cepa, tª, pH, nutrientes, entre otros). Transcurrido el tiempo de producción, se separa, se filtra el micelio y se purifica y cristaliza el antibiótico.

En la actualidad es semisintética, son derivados de la penicilina G que se modifica químicamente. -De modo similar se obtienen las cefalosporinas, producidas a partir del hongo Cephalosporium acremonium, la estreptomicina, por la bacteria Streptomyces griseus o la eritromicina, por Saccharopolyspora erythraea. La actividad que presenta un antibiótico frente a una cepa bacteriana se conoce mediante la técnica del antibiograma.8 Se somete a los microorganismos a distintas concentraciones del antibiótico y distintos antibióticos frente a cada una de las cepas patógenas.

1.3 Hormonas La insulina (primera proteína humana obtenida por ingeniería genética), el interferón9, la hormona del crecimiento o el factor VIII de la coagulación son ejemplos de proteínas que se producen mediante la ingeniería genética. Los genes necesarios para fabricar estas proteínas se introducen en microorganismos, generalmente en bacterias (por ejemplo, para la insulina Escherichia coli). También se producen hormonas esteroideas, como los corticosteroides (antiinflamatorios) o los andrógenos (control de fertilidad) se fabrican mediante procesos de bioconversión (hongo Rizhopues nigricans) o biotransformación. 2.

Investigación policial y medicina forense Permiten la extracción y análisis de ADN de muestras biológicas, identificar perfiles genéticos, secuenciar ADN para identificar mutaciones genéticas, determinar la identidad de microorganismos presentes en muestras biológicas o caracterizar patrones genéticos. Para ello, se emplean biomarcadores o señales genéticas específicas, así como la amplificación gracias a la técnica PCR.

6 Importante para el tema 15 7 Siguen en uso,es el caso de la vacuna dela difteria,la tuberculosis,el sarampión o la poliomielitis 8 Uno de los métodos más utilizados es el de Kirby-Bauer 9 Los interferones son un grupo de proteínas señalizadoras producidas y secretadas por las células anfitrionas como respuesta a la presencia de diversos patógenos e incluso de células tumorales. Biología. 2º Bachillerato 3.

Técnicas moleculares de diagnóstico de enfermedades genéticas e infecciosas Para ello, hay diversas técnicas, pero generalmente, en primer lugar se realiza PCR, acompañada de técnicas de detección en microscopía de fluorescencia o confocal con sondas de ADN o ARN, hibridación y secuenciación de ácidos nucleicos, entre otros. Estas nos permiten identificar material genético alterado o de patógenos, haciendo diagnósticos rápidos y fiables. Otras de las técnicas son los microarrays (también conocidos como biochips): herramienta de laboratorio que permite estudiar la expresión de miles de genes al mismo tiempo.

Consiste en una superficie sólida (microplaca) sobre la cual se inmovilizan secuencias específicas de ADN (sondas), organizadas en una cuadrícula, las cuales se hibridan con ARN marcado (extraído de muestras biológicas). Tras escanear la placa, la intensidad de la señal fluorescente indica la cantidad de ARN presente y se utiliza para analizar la expresión génica. Además de utilizarse en el diagnóstico de enfermedades; infecciosas (meningitis, infecciones respiratorias o digestivas) y, genéticas (fibrosis quística o distrofia muscular de Duchenne).

También, existen sondas específicas para la identificación de un gran número de patógenos (bacterias como la Salmonella, virus como Hepatitis B/C, coronavirus/gripe y parásitos). Otros usos son estudio de la expresión génica, comparar tejidos sanos vs. Enfermos, predisposición a padecer una enfermedad (ej; cáncer o Alzheimer) y detectar mutaciones o variaciones. Estos avances han permitido el desarrollo de la medicina personalizada que intenta comprender la base molecular de la enfermedad en cada paciente. Además, son técnicas rápidas al no tener que aislar y cultivar los mo. 4.

Terapia génica La terapia génica permite eliminar enfermedades genéticas, detectadas a través de técnicas como la mencionada anteriormente. En humanos, consiste en insertar un gen funcional en las células del paciente, bien para corregir un defecto genético o bien para dotar a las células de una nueva función. Actualmente esto se consigue gracias a la técnica de CRISPR/Cas (aplicable in vivo). Otras técnicas, como la clonación o ARN recombinante, permite la modificación in vivo de las células de un paciente. Por ejemplo, en casos de cáncer se suprime el tumor porque se induce un suicido celular.

También, se emplean vectores virales que portan el gen sano y se inoculan en la sangre del paciente o mediante aerosoles y son reconocidos por células diana específicas. Del mismo modo, se puede aplicar ex vivo en el laboratorio, se extraen células afectadas del paciente, se cultivan, se modifican y se reintroducen. Esta técnica se ha utilizado para tratar la anemia falciforme, leucemia o hemofilia. 5. Terapia regenerativa celular Se basa en cultivos de células madre (clonación) para regenerar tejidos y órganos. 6.

Xenotrasplantes Utilizar animales transgénicos (cerdo, principalmente) que llevan genes humanos para fabricar órganos que puedan ser trasplantados en humanos con el menor rechazo posible. Biología. 2º Bachillerato D. Biotecnología ambiental (gris) Recordad que la contaminación es la presencia o introducción de sustancias nocivas en el medio ambiente que alteran su equilibrio natural y afectan negativamente a los seres vivos.

Hay diversas fuentes de contaminación (origen urbano, industrial, agrícola y ganadero, transporte, etc), pudiendo clasificar los contaminantes en físicos (mecánica o térmica), químicos (sustancias orgánicas o inorgánicas; pueden generar eutrofización o ser gases de efecto invernadero) o biológicos (organismos patógenos eliminados a través de las heces o secreciones al medio).

Para poder valorar su gestión y tratamiento a partir de aplicaciones biotecnológicas, hay que tener en cuenta la biodegradabilidad (posibilidad de ser degradados 10 por la actividad metabólica de seres vivos), persistencia (tiempo que tarda en ser degradado y permanece en el ambiente), toxicidad (posibilidad de causar daños en los seres vivos), bioacumulación (posibilidad de acumulación en los seres vivos), bioamplificación (aumento de su concentración al pasar por las cadenas tróficas) y el transporte a largas distancias (semivolátiles). Los microorganismos también son útiles para resolver problemas medioambientales: 1.

Biorremediación Tipo de biotecnología cuyo objetivo es la prevención y/o la solución de los problemas ambientales surgidos de la contaminación, ocasionada fundamentalmente por la actividad humana11 . Para ello, se utilizan seres vivos, principalmente microorganismos o vegetales (fitorremediación). Esta descontaminación puede llevarse a cabo en el lugar de origen (in situ) o trasladar el medio contaminado instalaciones especializadas (ex situ). *No confundir biorremediación con depuración (eliminación, ya seapormétodosfísicos, químicosobiológicos,de un contaminante antes de que éste alcance el medio ambiente). La biorremediación se precisa cuando ya se ha deteriorado el ecosistema.

La manipulación de microorganismos ha permitido obtener cepas capaces de degradar compuestos. Las estrategias de biorremediación dependen del tipo de contaminante. Las más utilizadas son: -Biodegradación mediante la actividad metabólica de microorganismos. Se degrada la sustancia orgánica12 (si se produce completamente se habla de mineralización) transformándolas (biotransformación) en productos finales inocuos (CO2 y H2O, por ejemplo). -Detoxificación: inactivación de contaminante por almacenamiento en compartimentos celulares o por unión a proteínas. Se consiguen sustancias menos tóxicas o inocuas para el medio ambiente. Muy utilizada con metales pesados.

-Bioadsorción: inmovilización del contaminante gracias a estructuras externas, como tejidos de seres vivos 13 (paredes celualres, mucosidad…). No transforman el contaminante, pero lo retiran del medio. -Bioprecipitación: transforma de contaminantes en compuestos insolubles al combinarse con otras sustancias, los cuales precipitan fuera de la solución acuosa. Reduce la biodisponibilidad y toxicidad del contaminante. 10 A los difícilmente degradables se les conoce como recalcitrantes 11 Hidrocarburos, compuestos organofosforados, materia orgánica, P y N, metales pesados, plásticos, entre otros. Provienen del petróleo, insecticidas,herbicidas,residuosurbanos,detergentes, industria,etc.

12 Derivados del petróleo, insecticidas,pinturas,entre otros 13 Los hongos son los más utilizados Biología. 2º Bachillerato 2. Gestión de residuos sólidos y líquidos 2.1 Tratamiento de residuos sólidos Los residuos sólidos (basuras) se tratan principalmente en tres tipos de tratamientos: -Incineradoras: procesos de combustión controlada de residuos sólidos. Generan dioxinas contaminantes que no deberían llegar al ambiente (filtros de carbono activo). -Vertederos: Terrenos excavados para depositar capas de basuras. Debe controlarse la impermeabilización del terreno, recogida de lixiviados y control de gases.

-Compostaje: Tratamiento de basura orgánica para obtener compost (reutilizado como abono), gracias a digestores anaerobios, en los que se adicionan inóculos microbianos14 . Pueden ser bacterias aeróbicas (Bacillus, Pseudomonas y Thermus), hongos, que descomponen materia orgánica más resistente, como la lignina y la celulosa (Aspergillus, Penicillium y Trichoderma), actinomicetos (Streptomyces y Actinomyces), levaduras, protozoos y nematodos.

2.2 Depuración de aguas residuales En la estación de depuración de aguas residuales (EDAR), se produce la eliminación de materia orgánica, nutrientes (N y P) y otros contaminantes mediante la actividad de comunidades microbianas complejas en reactores biológicos. Este proceso se lleva a cabo en dos fases: 1. Línea de aguas: el agua residual que proviene de la red de alcantarillado pasa por una serie de tratamientos para la eliminación de sólidos de gran tamaño, arenas y grasas (pretratamiento) y sólidos de tamaño mediano por decantación (tratamiento primario), antes de ser vertida en un sistema receptor o ser reutilizada.

Posteriormente, el tratamiento secundario es biológico; los microorganismos pueden encontrarse en suspensión en forma de flóculos o formando biopelículas, cuya finalidad es eliminar biológicamente nitrógeno y fósforo. Por último, el tratamiento terciario, son procesos físico-químicos de desinfección, intercambio iónico, filtración, entre otros. 2. Línea de fangos: se recoge el exceso de biomasa en forma de fangos y se tratan para eliminar la materia orgánica y los nutrientes gracias a comunidades bacterianas (tratamiento biológico), las cuales establecen complejas redes tróficas.

Además, los chromistas ciliados y protozoos (Paramecium sp), se encargan de eliminan bacterias patógenas y contribuyen a la recirculación de la materia. En muchos casos los fangos se someten a digestión anaeróbica (se produce biogás y fangos reutilizables como abono). Algún ejemplo de microorganismos utilizados son aerobacterias heterotróficas (Pseudomonas, Acinetobacter, Aeromonas), nitrificantes (Nitrobacter sp.), desnitrificantes (Paracoccus denitrificans, Pseudomonas denitrificans), Acinetobacter, entre otros. 3.

Obtención de recursos mineros y energéticos 3.1 Minería Los recursos mineros han disminuido progresivamente, por lo que en la industria minera se han desarrollado nuevas tecnologías para el aprovechamiento de menas de baja concentración o restos de las minas. Son procesos biotecnológicos en los que intervienen microorganismos: 14 Concentración de microorganismos utilizados para un cultivo Biología. 2º Bachillerato Bacterias lixiviantes capaces de disolver minerales metálicos; Acidithiobacillus ferrooxidans (calcopirita), Acidithiobacillus thiooxidans (oro y plata) Bacterias reductoras de hierro (extracción de metales como el hierro y el manganeso): géneros Geobacter y Shewanella.

Hongos lixiviantes para disolver minerales metálicos; Aspergillus niger y Penicillium spp. Actualmente, se están detectando microorganismos que habitan en la propia mina, para utilizarlos en el proceso de separación del mineral de los desechos. Del mismo modo, se emplean microorganismos para aminonar (bioremediación) el impacto ambiental que genera la minera. 3.2 Producción microbiana de compuestos biodegradables Los residuos plásticos constituyen un problema ecológico por su escasa o nula biodegradabilidad. Por este motivo, se han buscado nuevas tecnologías que permiten la producción de bioplásticos.

Se emplean, por ejemplo, la bacteria Cupriavidus necátor para producir polihidroxialcanoatos (PHA), un tipo de bioplástico biodegradable, a partir de sustratos como azúcares, aceites vegetales o residuos orgánicos. También, la bacteria Escherichia coli ha sido modificada genéticamente para producir bioplásticos como el polihidroxibutirato (PHB). El hongo Rhodotorula glutinis es capaz de producir ácido polihidroxialcanoico (PHA), otro tipo de bioplástico, a partir de sustratos como glucosa o glicerol. Por el momento, el coste de producción es superior, pero es más rentable desde el punto de vista medioambiental.

Para la biodegradación de plásticos se utilizan bacterias como, por ejemplo, Ideonella sakaiensis (descompone el polietileno tereftalato, presente en botellas) o Pseudomonas spp (degradación de polietileno y poliestireno). 3.3 Obtención de recursos energéticos Para evitar el uso de combustibles fósiles, altamente contaminantes, se ha propuesto su sustitución progresiva como recurso energético por el biodiésel o el biogás, ambos son producidos por industrias biotecnológica. Punto 2.3*