1 Principios de la Biologia Molecular y Genética
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1. Principios de la Biología
Molecular y Genética.
DESARROLLO HISTORICO EN EL
MUNDO DE LA BIOLOGIA
MOLECULAR
1750 a.C. Los sumerios fabrican cerveza.
1000 a.C. Los babilonios celebran con ritos
religiosos la polinización de las palmeras.
323 a.C. Aristóteles especula sobre la naturaleza
de la reproducción y la herencia.
100-300 Se escribe en la India textos metáforicos sobre
la naturaleza de la reproducción humana.
1590 Se inventa el microscopio.
1663 Robert Hooke describe por primera vez a la
célula.
1676 Se confirma la reproducción sexual en las plantas.
1677 Se contempla el esperma animal a través del
microscopio.
1802 Aparece por primera vez referida la palabra
biología.
1830 Se descubren las proteínas.
1833 Se aísla la primera enzima.
1838 Se descubre que todos los organismos vivos
están compuestos por células.
1859 Charles Darwin hace pública su teoría sobre la
evolución de las especies.
1866 Gregor Mendel describe, en los chícharos, las unidades
fundamentales de la herencia (que posteriormente recibirán el
nombre de genes).
1871 Se aísla el ADN en el núcleo de una célula.
1883 Francis Galton acuña el término eugenesia.
1887 Se descubre que las células reproductivas constituyen un
linaje continuo, diferentes de las otras célula del cuerpo.
1908 Se establecen modelos matamáticos de las
frecuencias génicas en poblaciones mendelianas.
1909 Las unidades fundamentales de la herencia
biológica reciben el nombre de genes.
1925 Se descubre que la actividad del gen está
relacionada con su posición en el cromosoma.
1927 Se descubre que los rayos X causan mutaciones
genéticas.
1943 Se identifica el ADN como la molécula genética.
1940-1950 Se descubre que cada gen codifica una única proteína.
1953 Se propone la estructura en doble hélice del ADN.
1956 Se identifican 23 pares de cromosomas en las células del
cuerpo humano.
1966 Se descifra el código genético completo del ADN.
1972 Se sintetiza la primera molécula de ADN recombinante en el
laboratorio.
1973 Tienen lugar los primeros experimentos de ingeniería
genética, en los que los genes de una especie se introducen en
organismos de otra especie y funcionan correctamente.
1975 La conferencia de Asilomar evalúa los riesgos
biológicos de las tecnologías de ADN recombinante y
aprueba una moratoria de los experimentos con estas
tecnologías.
1975 Se obtienen por primera vez los hibridomas que
producen anticuerpos monoclonales.
1976 Se funda en Estados Unidos Genentech, la
primera empresa de ingeniería genética.
1977 Mediante técnicas de ingeniería genética, se
fabrica con éxito una hormona humana en una
bacteria.
1977 Se desarrollan las primeras técnicas para
secuenciar con rapidez los mensajes químicos de las
moléculas de ADN.
1978 Se clona el gen de la insulina humana.
1980 El Tribunal Supremo de los Estados Unidos
dictamina que se pueden patentar los microbios
obtenidos mediante ingeniería genética.
1981 El primer diagnóstico prenatal de una enfermedad
humana por medio del análisis del ADN.
1982 Se genera el primer ratón transgénico ("super-ratón"), al
insertar el gen de la hormona del crecimiento de la rata en óvulos
de ratón hembra fecundados.
1982 Se produce insulina humana mediante técnicas de ADN
recombinante.
1983 Se desarrolla la técnica de reacción en cadena de la
polimerasa (PCR), que permite replicar (copiar) genes
específicos con gran rapidez.
1984 Producción de las primeras plantas transgénicas.
1985 Se inicia el uso de interferones en el tratamiento de
enfermedades víricas.
1985 Se utiliza por primera vez la "huella genética" en
una investigación judicial en Gran Bretaña.
1986 Se autorizan las pruebas clínicas de la vacuna
contra la hepatitis B obtenida mediante ingeniería
genética.
1987 Propuesta comercial para establecer la secuencia
completa del genoma humano (proyecto Genoma),
compuesto aproximadamente por 100000 genes.
1987 Comercialización del primer anticuerpo
monoclonal de uso terapéutico.
1988 Primera patente de un ser vivo producido mediante
ingeniería genética.
1989 Comercialización de las primeras máquinas automáticas de
secuenciación del ADN.
1990 Primer tratamiento con éxito mediante terapia génica en
niños con trastornos inmunitarios ("niños burbuja"). Se ponen en
marcha numerosos procedimientos experimentales de
terapiagénica para intentar curar enfermedades cancerosas y
metabólicas.
1994 Se comercializa en California el primer vegetal modificado
genéticamente (un tomate) y se autoriza en Holanda la
reproducción del primer toro transgénico.
1995 Se completan las primeras secuencias de
genomas de seres vivos: se trata de las bacterias
Haemophilus influenzae y Mycoplasma genitalium.
1996 Por primera vez se completa la secuencia del
genoma de un eucarionte, la levadura de la cerveza
"Saccharomyces cerevisiae". Por otra parte, el catálogo
de genes humanos que Víctor McKusick y
colaboradores de la Universidad Johns Hopkins
actualizan cada semana contiene ya más de 5000 genes
conocidos. El Proyecto Genoma Humano, coordinado
por HUGO (Human Genome Organization), avanza a
buen ritmo.
1997 Clonación del primer mamífero, una oveja
llamada "Dolly".
1999 Se completa la secuenciación del genoma (175
Mb) de Drosophila melanogaster (mosca de la fruta).
2000 Se termina la primera versión del genoma
humano (3200 Mb) y se completa la secuencia de
Arabidopsis thaliana (157 Mb).
2002 Presentación del genoma humano por Celera
Genomics y el grupo de colaboradores de laboratorios
financiados por fundaciones públicas.
2007 Primer "transplante" de un genoma completo de una
bacteria a otra. Se publica como "transmutación de una especie
biológica en otra" en Science el 28 de junio de 2007.
2010 Inserción y replicación del primer cromosoma artificial en
un laboratorio.
Biología molecular. Fundamentos y aplicaciones. 2009.
Carlos Beas, Daniel Ortuño, Juan Armendáriz. McGraw-
Hill.
El desarrollo de la Biología Molecular
LA BIOLOGÍA MOLECULAR ES UNA CIENCIA CUYO
OBJETIVO FUNDAMENTAL ES LA COMPRENSIÓN
DE TODOS AQUELLOS PROCESOS CELULARES
QUE CONTRIBUYEN A QUE LA INFORMACIÓN
GENÉTICA SE TRANSMITA EFICIENTEMENTE DE
UNOS SERES A OTROS Y SE EXPRESE EN LOS
NUEVOS INDIVIDUOS.
Biología Molecular
ESTE CONOCIMIENTO HA PERMITIDO CRUZAR
BARRERAS NATURALES ENTRE ESPECIES Y
COLOCAR GENES DE CUALQUIER ORGANISMO EN
UN ORGANISMO HOSPEDADOR NO RELACIONADO
MEDIANTE EL EMPLEO DE TÉCNICAS DE
INGENIERÍA GENÉTICA.
El descubrimiento del
principio transformante.
EVIDENCIAS QUE DEMOSTRARON QUE
EL ADN ES EL MATERIAL GENETICO
LA IDEA DE QUE EL MATERIAL GENETICO ESTA
COMPUESTO POR ACIDOS NUCLEICOS TIENE
SU ORIGEN EN EL DESCUBRIMIENTO DE LA
TRANSFORMACION EN 1928
LOS EXPERIMENTOS DE:
Oswald T. Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty,
en 1944.
Alfred D. Hershey y Martha Chase, en 1952,
CONSTITUYERON UN HITO EN EL CONOCIMIENTO
DEL MATERIAL GENETICO A ESCALA MOLECULAR
EXPERIMENTO DE Avery, MacLeod y McCarty
(1944)
BACTERIA
Pneumococcus
PROVOCA MUERTE
DE LOS RATONES
POR NEUMONIA
VIRULENCIA DADA
POR POLISACARIDOS
LOCALIZADOS EN SU
SUPERFICIE
TIPOS DE
NEUMOCOCOS
I
II
II
TIENEN
SUPERFICIE
LISA (S)
PUEDEN DAR
LUGAR A
VARIANTES QUE
LES CONFIERE UNA
SUPERFICIE
RUGOSA (R)
BACTERIAS CON
SUPERFICIE LISA
BACTERIAS CON
SUPERFICIE
RUGOSA
VIRULENTA
NO
VIRULENTA
En 1953, James Watson y Francis Crick, futuros
ganadores del Premio Nobel, descubrieron la
estructura de doble hélice del ácido
desoxirribonucléico, conocido vulgarmente como
ADN. Las proteínas están formadas por cadenas de
aminoácidos. El número, orden y tipo de aminoácido
determinan las propiedades de cada proteína. El ADN
contiene la información necesaria para ordenar los
aminoácidos correctamente. El ADN transmite esta
información hereditaria de una a otra generación.
El descubrimiento del código
genético
El código genético se descifró completamente el
año 1965, gracias al descubrimiento y desarrollo
de distintos procesos moleculares dejando al
descubierto que el código actual es una de las
más elegantes creaciones de la evolución.
Ya que se encuentran veinte aminoácidos
conformando las proteínas, pero sólo cuatro bases
en el ADN, se estableció que un grupo de tres
bases codifica para cada aminoácido, además que
el código no es del tipo sobrelapado y que la
secuencia de las bases es leída desde un punto de
partida fijo. Además se mostró la degeneración y
universalidad de éste.
La evidencia provista por el esfuerzo y la
creatividad científica a partir de los años 50s ha
establecido que la secuencia de aminoácidos en
la cadena polipeptídica de una proteína está
determinada por la secuencia de bases en el
material genético.
El modelo del operón
El funcionamiento del operón lac fue propuesto por
Jacob y Monod. Por este trabajo recibieron el Premio
Nobel de Fisiología y Medicina en 1965.
La bacteria E. coli puede utilizar lactosa como
fuente de carbono, pero para ello necesita
expresar una serie de enzimas clave.
El operon lac engloba los genes estructurales y
reguladores que permiten producir estos enzimas
sólo cuando hay lactosa presente en el medio de
cultivo.
El operon lac consta de tres genes estructurales:
1. lacZ
2. lacY
3. lacA)
Que codifican enzimas metabólicos implicados
en la utilización de la lactosa como fuente de
carbono:
• Una β-galactosidasa (que degrada la lactosa a
galactosa y glucosa)
• Una permeasa (que introduce la lactosa en la
célula)
• Una transacetilasa (sin función asignada en el
metabolismo de la lactosa).
La expresión de los tres genes origina un mRNA
a partir de un único promotor, donde se une la
RNA polimerasa para comenzar la transcripción.
La transcripción de estos genes estructurales se
regula mediante una secuencia, contigua a la
secuencia promotora, denominada operador. Una
proteína represora, codificada por el gen
regulador lacI se une o no al operador en función
de los niveles de lactosa en el medio, controlando
así el paso de la RNA polimerasa a los genes lacZ,
lacY y lacA.
En ausencia de lactosa la proteína represora se
une al operador impidiendo el paso de la RNA
polimerasa y, por la tanto la transcripción de los
genes estructurales. En la actualidad se conoce la
estructura del represor lac, así como su modo de
unión a la secuencia del operador en forma de
tetrámeros.
En presencia de lactosa, la alolactosa (un
isómero de la lactosa) se une a la proteína
represora, cambiándole su conformación e
impidiendo su unión al operador, lo que posibilita
que la RNA polimerasa transcriba los genes
estructurales destinados a la utilización
metabólica de la lactosa.
Perspectivas futuras de la Biología
Molecular
INDUSTRIAL
LAS TECNOLOGÍAS DE ADN OFRECEN MUCHAS
POSIBILIDADES EN EL USO INDUSTRIAL DE LOS
MICROORGANISMOS CON APLICACIONES QUE VAN
DESDE PRODUCCIÓN (A TRAVÉS DE PROCESOS
INDUSTRIALES Y AGRO PROCESOS) DE VACUNAS
RECOMBINANTES Y MEDICINAS TALES COMO
INSULINA, HORMONAS DE CRECIMIENTO E
INTERFERON, ENZIMAS Y PRODUCCIÓN DE
PROTEÍNAS ESPECIALES.
VEGETAL
CON LAS TÉCNICAS DE LA BIOTECNOLOGÍA
MODERNA, ES POSIBLE PRODUCIR MÁS
RÁPIDAMENTE QUE ANTES NUEVAS VARIEDADES
DE PLANTAS CON CARACTERÍSTICAS MEJORADAS
•MAYOR PRODUCCIÓN,
•TOLERANCIA A CONDICIONES ADVERSAS
• RESISTENCIA A HERBICIDAS ESPECÍFICOS
• RESISTENCIA A ENFERMEDADES
• PROPAGACION EN MASA DE CLONES VEGETALES
• DESARROLLO DE INSECTICIDAS BIOLÓGICOS
• MODIFICACIONDE PLANTAS PARA MEJORAR
CARACTERISTICAS NUTRICIONALES
AMBIENTAL
LA BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL
SE REFIERE A LA APLICACIÓN DE
LOS PROCESOS BIOLÓGICOS
MODERNOS PARA LA
PROTECCIÓN Y RESTAURACIÓN
DE LA CALIDAD DEL AMBIENTE.
LA BIORREMEDIACIÓN ES EL USO DE SISTEMAS
BIOLÓGICOS PARA LA REDUCCIÓN DE LA POLUCIÓN
DEL AIRE O DE LOS SISTEMAS ACUÁTICOS Y
TERRESTRES.
LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS UTILIZADOS SON
MICROORGANISMOS Y PLANTAS.
• RECUPERACIÓN BIOLÓGICA DE METALES
PESADOS Y DESECHOS DE MINERIA Y OTROS
DE ORIGEN INDUSTRIAL
• RECUPERACION BIOLÓGICA DEL SUELO Y EL
AGUA CONTAMINADA CON QUIMICOS
TÓXICOS
• TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES Y
DESECHOS ORGANICOS
ALIMENTARIA
• PRODUCCION DE LEVADURA PARA PANADERIA,
QUESOS, YOGHURT Y PRODUCTOS
FERMENTADOS COMO EL VINAGRE Y LA SALSA
DE SOYA
• FABRICACION DE CERVEZA Y VINO
• PRODUCCION DE AGENTES COLORANTES Y
SABORIZANTES
MEDICINA
• DESARROLLO DE NUEVAS
MOLÉCULAS
TERAPÉUTICAS PARA
TRATAMIENTOS MEDICOS
• SISTEMAS PARA LA
ADMINISTRACIÓN DE
DROGAS
• INGENIERIA TISULAR
PARA REMPLAZO DE
ÓRGANOS
• TERAPIA GENICA
• VACUNAS
ADMINISTRADAS EN
ALIMENTOS
VETERINARIA
• PRODUCION DE VACUNAS
•CONTROL DE LA FERTILIDAD
•CRIA DE GANADO
OBTENCIÓN DE VACUNAS
OBTENCIÓN DE VACUNAS
RECOMBINANTES
DIAGNÓTICO DE ENFERMEDADES DE ORIGEN
GENÉTICO
Conociendo la
secuencia de
nucleótidos de un
gen responsable de
una cierta anomalía,
se puede
diagnosticar si este
gen anómalo está
presente en un
determinado
individuo.
PLANTAS TRANSGÉNICAS
TRANSFERENCIA
NUCLEAR
OBTENCIÓN DE UNA CERDA
TRANSGÉNICA
Un gen híbrido que contiene el
gen humano que codifica la
síntesis de una proteína de
interés biológico junto con el
promotor del gen que codifica
una proteína de la leche de rata,
se introducen por
microinyección en un óvulo de
cerda fecundado.
Da lugar a un animal transgénico
que tiene en todas sus células el
gen híbrido. Se expresa en la
glándula mamaria de la cerda
induciendo la producción de la
proteina humana en la leche
PROYECTO GENOMA HUMANO
El 26 de junio de 2000 es ya una fecha para la historia
de la humanidad. Tras 10 años de intensa investigación,
el genoma humano, considerado el auténtico libro de la
vida, ha sido descifrado en sus partes esenciales.
Este logro, que abre una nueva era en la lucha contra
las enfermedades, fue anunciado consecutivamente
en China, Japón, Francia, Alemania, el Reino Unido y
Estados Unidos. Para conseguir este hito, que corona
un siglo de investigación biológica
Mapas genéticos
Estos mapas simplemente indican la posición relativa
de los diferentes genes.
Mapas físicos
De mayor resolución, pues muestra la secuencia de
nucleótidos en la molécula de ADN que constituye
el cromosoma.
