Introducción a la ingeniería genética · 2016. 10. 17. · Tecnología del ADN recombinan-te e...

Introduccióna la ingenieríagenética

GUÍA DIDÁCTICA

1 Introducción 3

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2.1. Conceptos básicos de genética. 5

2.2. Tecnología del ADN recombinante e Ingeniería Genética. 6

Genética, introducción genéticay biotecnológica 4

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3.1. Aplicaciones industriales. 7

3.2. Aplicaciones agroalimentarias. 8

3.3. Aplicaciones al medio ambiente. 10

3.4. Aplicaciones en salud. 11

3.5. Clonación. 13

3.6. Aplicaciones en investigación. 13

3.7. Proyecto genoma humano. 13

3.8. Impacto de la tecnología del ADN. Consideraciones éticas y morales. 13

Biotecnología:aplicaciones de la ingeniería genética 7

44.1. Educación primaria. 15

4.2. Educación Secundaria Obligatoria. 17

Orientaciones didácticas 15


2GUÍA DIDÁCTICA

ÍNDICE

DIVULGA BIOTEC es un proyecto educativo que organiza FundaciónTelefónica, bajo la dirección científica del Centro Nacional de Biotecnología (CSIC), y que cuenta con lacolaboración del Ministerio de Educación y Ciencia. Se trata de una iniciativa específicamente dirigida a lapoblación docente, con edades comprendidas entre los 10 y los 16 años, y cuyos principales objetivos son:

Acercar la ciencia más puntera que se está llevando a cabo en nuestro país y contribuir a crear unacultura científica y a la generación de futuros investigadores

Difundir una serie de mensajes precisos sobre biotecnología y sus aplicaciones específicas enbiomedicina, agricultura, medio ambiente y alimentos

Evitar la confusión que se ha creado, en los últimos tiempos en la sociedad española, con falsasexpectativas, especialmente en el campo de la biomedicina y la aplicación de nuevas técnicas de medicinaregenerativa

Demostrar como las investigaciones en biotecnología pueden integrarse perfectamente en la vidacotidiana, y en muchos casos, contribuir a solucionar problemas relacionados con el medio ambiente,sanidad y aspectos sociales en países con problemas de desarrollo (alimentación, agricultura, generaciónde vacunas a partir de nuevas materias primas etc.)

DIVULGA BIOTEC se desarrolla principalmente en la escuela y consta de varias partes:

Vídeo divulgativo, en el que se explica qué es la biotecnología y cuales son sus aplicaciones. En estevídeo se han utilizado recursos de animación, con el fin de obtener un producto ameno y comprensiblepara todas las edades.

Guías Didácticas, específicas para profesorado y alumnos, y para cuya elaboración, Fundación Telefónicaha contado con la colaboración de la Fundación Gredos San Diego.

Materiales para alumnos, en los que se amplian los conceptos expuestos en el vídeo y se aportanelementos gráficos y escritos que permitan asimilar la información. Se han diseñado tres documentosespecíficamente adaptados para los ciclos de 5º y 6º de Primaria, 1º y 2º de ESO y 3º y 4º de ESOrespectivamente

Materiales para el profesorado, que incluye:

• Glosario y nociones básicas sobre Ingeniería Genética

• Bibliografía

• Propuesta de acciones pedagógicas en grupo

Acciones Complementarias

Organización del I Concurso Nacional DIVULGA BIOTEC en el que se premiará a los mejorestrabajos realizados por los estudiantes de todo el país

Organización de una Exposición Itinerante, que recorrerá diversas ciudcades españolas y queincluirá:

• Exposición didáctica sobre conceptos básicos de biotecnología, diseñada y dirigida por el Centro Nacionalde Biotecnología

• Proyección de Audiovisuales

• Área de Navegación en Internet especialmente dirigida a contenidos científicos y de aplicaciones prácticasde biotecnología


2GUÍA DIDÁCTICA

introducción1

La genética es la ciencia biológica que estudia laherencia biológica, es decir, la transmisión de los ca-racteres hereditarios a la descendencia, así como delas moléculas responsables de ésta.

El conjunto de métodos y técnicas que se em-plean para procesar, estudiar y modificar el ADNde los seres vivos (tecnología del ADN recombi-nante) y sus aplicaciones en distintos campos es loque se conoce como Ingeniería genética. Susaplicaciones son:

introducir nuevos genes en un genoma para daruna nueva característica

eliminar algunos genes existentes en un genomapara eliminar una característica indeseable

modificar la información contenida en un gendeterminado

cambiar las pautas de expresión génica

clonar seres vivos o alguno e sus órganos o teji-dos

creación de especies de animales y plantastransgénicos (OGM, organismos modificados ge-néticamente) para mejorar o aumentar la pro-ductividad agrícola o ganadera, utilización de se-res vivos como biorreactores, etc.

Hasta la última mitad del siglo XX la mejora genéticade plantas y animales se llevaba a cabo mediante

cruzamientos selectivos de distintas variedades deuna especie (hibridación) con la finalidad de conse-guir que dichos organismos presentaran característi-cas que mejoraran la producción.

Desde 1970 se han desarrollado las técnicas cono-cidas como técnicas de ingeniería genética o tecno-logía del ADN recombinante. Permiten manipular(procesar, modificar) el ADN de cualquier organis-mo: aislar fragmentos, secuenciarlos, modificarlos,combinarlos con otros de origen diferente, introdu-cirlos en otro ser vivo… Esto es posible gracias aque todos los seres vivos utilizan las mismas molé-culas para almacenar su información hereditaria,desde las bacterias hasta las células de los organis-mos animales y vegetales más complejos. Inclusolos virus, en la frontera entre la vida y la materiainerte, poseen el mismo lenguaje o código genético.

La Biotecnología consiste en la utilización de losseres vivos o sus productos para obtener o modifi-car otros productos o para dirigir un proceso. El tér-mino biotecnología fue aplicado por primera vez en1919 por Karl Ereky, ingeniero agrónomo húngaro.Actualmente implica el procesamiento deliberadodel material genético para la fabricación o modifica-ción de un producto, mejora de especies, desarrollarmicroorganismos con características definidas paraun uso concreto o para aplicación a la salud huma-na, por nombrar algunos ejemplos.

2Introduccióna la ingenieríagenética

4GUÍA DIDÁCTICA

Genética, Ingeniería genética y Biotecnología

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Macromolécula de forma globular o fibrilar, cuyas unidades básicas denominadas aminoácidos forman cadenas.Cada proteína posee una función determinada en los organismos y se diferencian unas de otras en el númerode aminoácidos y su secuencia (orden de estos), la cual está determinada por la información contenida en unoo varios genes. Un sólo cambio en la secuencia podría variar la función de la proteína en un organismo.

Aminoácido: Moléculas simples constituidas por C, H, O, N y S. Existen 20 aminoácidos distintos que formen proteínas. Cada aminoáci-do posee unas características químicas que influyen en la estructura y función de la proteína de la que forman parte.

Las proteínas llevan a cabo múltiples funciones en las células: crean estructuras celulares (citoesqueleto, proteí-nas de membrana) o de los tejidos (colágeno); forman las fibras musculares (contráctiles); intervienen acele-rando las reacciones químicas necesarias para la vida (enzimas); activan funciones en numerosos órganos(hormonas); intervienen en los procesos de defensa del organismo frente a las infecciones (anticuerpos); pro-ducen toxicidad a algunos organismos (toxinas, como Bt); algunos dan color a ciertas estructuras (pigmentos);transportan sustancias como oxígeno (hemoglobina) o grasas (lipoproteínas).

Proteína

Estructura observable en las células eucariotas du-rante el proceso de división celular. Está formadopor ADN unido a proteínas encargadas de darlesoporte y de colaborar en su expresión.

CromosomaGen

Macromolécula de menor tamaño que el ADN, formada por ribonucleótidos de adenina (A), citosina (C), guani-na (G) y uracilo (U), que sustituye a la timina (T). Copia la información del un gen del ADN utilizándolo comomolde. Traslada la información del ADN a los ribosomas, donde se fabrican las proteínas.

ARN: Ácido ribonucleico

Macromolécula formada por C, H, O, N y P, que se encuentra en el interior de lascélulas. Determina las características de una célula, como su estructura, la produc-ción de insulina, de pigmentos, toxinas, etc. y dirige su formación. Las característi-cas del ADN, y de las proteínas que se pueden formar a partir de él, se heredande los progenitores.

El ADN está constituido por unas unidades sencillas llamadas desoxirribonucleótidos. Hay cuatro ti-pos distintos que únicamente difieren en la base nitrogenada que poseen: adenina (A), guanina(G), citosina (C) y timina (T). Una molécula de ADN puede tener millones de nucleótidos formandodos hebras que se unen entre sí de forma complementaria (A con G y C con T), retorciéndose enforma de doble hélice. La secuencia de éstos constituye la información genética.

El ADN es transmitido de generación en generación gracias a su capacidad de autoduplicarse (re-plicación). Cada molécula de ADN es capaz de copiarse a sí misma. Cada célula hija recibe unacopia idéntica de dicha molécula.

ADN: Ácido desoxirribonucleico

2.1. Conceptos básicos de genética.


5GUÍA DIDÁCTICA

Porción de ADN con informaciónpara la elaboración de una proteínao la regulación de este proceso.

2.2. Tecnología del ADN recombinan-te e Ingeniería Genética.

Se conoce como tecnología del ADN recombinantea una serie de técnicas que permiten cortar, aislar,pegar, multiplicar y secuenciar fragmentos específi-cos del ADN de cualquier organismo. A continuaciónmencionamos las más importantes.

2.2.1. Secuenciación del ADN.

Permiten conocer la secuencia de nucleótidos delADN, es decir el orden en que se encuentran en lamolécula (representados por sus bases nitrogena-das A, C, G, T).

Una vez secuenciado se pueden identificar las re-giones con información para la síntesis de proteí-nas, las regiones que regulan su expresión y de-ducir la secuencia de aminoácidos de la proteínaa la que da lugar.

2.2.2. Síntesis de moléculas de ADN recombinante.

El ADN recombinante es una molécula de ADN forma-da por la unión de un gen elegido por producir una ca-racterística de interés y una molécula de ADN que ac-túa como transportadora (vector). Las herramientasbásicas para esta técnica son las enzimas de restric-ción, que cortan el ADN en lugares conocidos, y las li-gasas de ADN, que unen sus extremos. Las enzimasde restricción actúan como tijeras que cortan la molé-cula de ADN por lugares específicos, mientras que lasligasas son como el pegamento que permite volver aunir fragmentos a los extremos rotos.

El proceso está explicado con más detalle en unatransparencia.

2.2.3. Síntesis de ADN complementario (ADNc).

Permite obtener una molécula de ADN sintetizada arti-ficialmente usando como molde un ARN mensajero(ARNm) mediante la enzima transcriptasa inversa.Es útil para obtener genes de células eucariotas (ani-males, vegetales, levaduras…) que suelen estar inte-rrumpidos porfragmentos deADN que notienen informa-ción para la sín-tesis de la pro-teína (intrones).Así se puedenconseguir genessin interrupcionespara ser incluidosen microorganis-mos y que sean éstos los que fabriquen el producto,como es el caso de las bacterias productoras de insuli-na humana.

2.2.4. Síntesis de ADN sintético o artificial.

Obtención de pequeños ADN de secuencia conoci-da mediante un proceso escalonado de adición denucleótidos. Se realiza automáticamente en sinteti-zadores de ADN que producen cadenas de unos100 nucleótidos. Permite “diseñar” moléculas deADN (por ejemplo, los cebadores para la síntesis deADN en la PCR). La secuencia de nucleótidos se co-noce a partir de la secuencia de aminoácidos de laproteína cuyo gen se quiere obtener.

Se ut i l iza una molécula deADN que se quiere secuenciary se procede a obtener variascopias de distinto tamaño deesa molécula. Se utilizan mez-clas de nucleótidos normales ynucleótidos modificados (que in-terrumpen la síntesis de la molé-cula), más cebadores marcadosradiactivamente; los fragmentos

obtenidos se separan mediante electroforesis en gel. Se revelanen una película de rayos X y se observan los fragmentos ordena-dos por tamaños, permitiendo “leer” el orden en el que estándispuestos los nucleótidos.

La enzima transcriptasa inversa es de origenvírico y supone la excepción al dogma de labiología molecular que explica el flujo de la in-formación genética desde el ADN al ARNm yde éste a las proteínas. Los retrovirus puedenobtener un ADN en la célula infectada partirdel ARN del genoma vírico y así dirigir la ma-quinaria celular para la fabricación de múlti-ples copias de dicho virus. Los virus de lagripe son retrovirus.

ADN ARN m Proteína1 2

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1. Transcripción: síntesis de ARNm

2. Traducción: síntesis de proteínas

3. Transcripción inversa (virus): síntesis de ADN a partir de lainformación contenida en el ARN vírico.


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2.2.5. Hibridación de ácidos nucleicos.

Para encontrar la localización de un gen en uncromosoma se añade una sonda (fragmento deADNc monocatenario o ARN) marcada radiactiva-mente con la secuencia complementaria del genque queremos identificar. El aumento de tempe-ratura puede desnaturalizar el ADN (se separanlas hebras de la doble hélice) y al disminuirla serenaturaliza (se vuelven a unir). Si la sonda seune a una hebra complementaria, al revelar la“radiografía” se observa el lugar (locus) donde seencuentra el gen en el cromosoma. Permite larealización de mapas cromosómicos e identificarla localización de los genes que producen enfer-medades o cualquier otra característica.

2.2.6. Clonación de ADN.

El proceso de clonación del ADN consiste en la ob-tención de muchas copias idénticas de dicho frag-mento. Etapas en la clonación de un gen:

1. Aislamiento y obtención del gen: digestión conendonucleasas de restricción, separación defragmentos por electroforesis e identificación delgen mediante hibridación. También se puedenobtener mediante la síntesis de ADNc o de ADNsintético a partir de la secuencia de aminoácidosde la proteína cuyo gen se desea clonar.

2. Selección del vector de clonación. Depende deltamaño del gen que se quiere clonar y de la cé-lula donde se quiere introducir, normalmente labacteria Escherichia coli. Puede ser un plásmi-do, un virus bacteriófago o cromosomas artificia-les de bacterias (BAC) o de levaduras (YAC).

3. Formación del ADN recombinante por el proce-

dimiento descrito.

4. Inclusión del ADN recombinante en una célula

hospedadora. En bacterias, mediante el proceso

de transformación bacteriana (captación de mo-léculas de ADN presentes en el medio de culti-vo) o transducción (utilizando un virus bacterió-fago lisogénico). En eucariotas, muchas célulasvegetales pueden recibir ADN externo mediantela bacteria Agrobacterium tumefaciens portado-ra del plásmido Ti. Es frecuente utilizar levadu-ras, cuyo genoma está bien estudiado y son fá-ciles de cultivar (Saccharomyces cerevisiae) oen células animales en cultivo mediante mi-croinyección o usando «pistolas de genes» quedisparan proyectiles recubiertos de ADN.

5. Comprobación de la expresión del gen clonadoy selección de las células hospedadoras que lollevan. Además del gen clonado, suelen llevargenes marcadores, como genes de resistencia aantibióticos (sólo sobrevive en el cultivo las bac-terias transformadas) o mediante sondas radiac-tivas complementarias al gen clonado.

2.2.7. Librerías o genotecas de ADN.

Colección de fragmentos de ADN (genes) de un or-ganismo, aislados e identificados, incluidos individual-mente en bacterias con el fin de preservarlos y queesté disponibles para su utilización. Cada clon de bac-terias almacena uno de los genes de ese ser vivo.

2.2.8. Reacción en cadena de la polimerasa (PCR:polymerase chain reaction)

Técnica (y máquina) que permite obtener múltiplescopias de un fragmento de ADN (amplificación).Fue desarrollada por Kary Mullis en 1985. Es el pasoprevio a cualquier aplicación de dicha molécula: es-tudio de ADN de restos arqueológicos o fósiles(ADN antiguo), criminología, medicina forense, in-vestigación, biotecnología…


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Ya hemos definido con anterioridad qué es y qué beneficios aporta la biotecnología. La mejor manera de abor-dar este enorme campo es ofrecer al docente ejemplos concretos, que, seguro, atraigan más la atención y el in-terés de los discentes.

En la mayoría de las aplicaciones biotecnológicas se utilizan microorganismos. El papel de la ingeniería genéticaes mejorar las características de éstos para optimizar los procesos.

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Hoy en día las enzimas forman parte de los procesos industriales y de las actividades domésticas. Por ejem-plo, al lavar la ropa las enzimas son las que hacen el trabajo sucio de sacar las manchas.

Efectivamente, el detergente en polvo tiene enzimas que remueven selectivamente las manchas de aceites,proteínas o almidones de la ropa. Las enzimas son biocatalizadores, proteínas que aceleran los procesos dedegradación, transformación o fabricación de sustancias.

Las enzimas que se usan industrialmente son producidas en grandes cantidades por bacterias y hongosque se cultivan en tanques fermentadores. Estas enzimas se vienen usando desde hace más de 40 añoscon el objetivo de reemplazar a los compuestos sintéticos, minimizar el uso del agua y el consumo deenergía, ya que antes las manchas sólo podían ser eliminadas con blanqueadores y altas temperaturas. Lamayoría de las enzimas que están hoy en el mercado han sido mejoradas por técnicas de ingeniería deproteínas o provienen de microorganismos genéticamente modificados para optimizar su proceso de fa-bricación. Muchas de estas enzimas proceden de bacterias adaptadas a vivir a pH básico (9 a 10) y ter-mófilas, capaces de alcanzar su máxima actividad a temperaturas superiores a 60ºC.

Producción de enzimas para detergentes: lipasas y proteasas

Los microorganismos más utilizados son las levaduras pertenecientes a la especie Saccha-romyces cerevisiae. Se usan en la fabricación del pan, la elaboración del vino y la cerveza;también para el enriquecimiento proteico de piensos y como complemento dietético, es-pecialmente la levadura de cerveza, aunque también se emplean algas del género Spiru-lina y hongos del género Fusarium.

De la levadura Saccharomyces cerevisiae se está explotando su potencial biotecnológi-co por su poder fermentador, para desarrollar el sabor y aroma en la industria de la cer-veza o de la panadería.

Industrias alimentarias: levaduras

3.1. Aplicaciones industriales


7GUÍA DIDÁCTICA

Biotecnología:Aplicaciones de la ingeniería genética

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En la industria alimentaria se han secuenciado los genomas de varias bacterias responsa-bles de la producción de derivados lácteos como Lactococcus lactis, Lactobacillus acido-philus, Lactobacillus bulgaricus o Streptococcus thermophilus, o probióticos como Bifido-bacterium breve o Bifidobacterium longum. Muchos de estos proyectos han servidopara determinar qué genes son importantes para llevar a cabo los procesos metabólicosde interés industrial o para producir aditivos alimentarios como edulcorantes artificialesy aminoácidos con el propósito de incrementar la eficiencia y reducir su coste.

Mejora genética de microorganismos

3.2. Aplicaciones agroalimentarias

Se han iniciado estudios paraver la viabi l idad de obtenercaucho por ingeniería genética,a partir de genes de la plantaproductora Hevea brasiliensis.

Obtención de caucho

Las melaninas, usadas para bronceadores, protectores solares de plásticos,etc., se suelen obtener de modo químico o por procedimientos ineficien-tes de extracción de organismos. Se han localizado y aislado los genes desíntesis de melanina en la bacteria del suelo Streptomyces antibioticus, yse han transferido a otras bacterias más fáciles de manejar, lográndoseen ellas su expresión.

Obtención de melaninas

Se están intentando producir adhesivos biológicos por ingeniería genética.Por ejemplo, se aisló el gen de una proteína adhesiva del mejillón (Mytilusedulis), y se ha logrado expresar en microorganismos. Se espera que detener éxito, esta proteína adhesiva pueda emplearse en adhesivos paradentistas y médicos.

Producción de adhesivos

La bacteria Xanthomonas campestris produce el xantán, con múltiples aplicaciones industriales como agen-te emulsificante y espesante. Para hacer más rentable el proceso de producción industrial, se están dise-ñando cepas manipuladas de esta bacteria para que pueda usar como fuente de carbono desechos de in-dustrias, como el suero láctico procedente de las queserías.

Producción de espesantes: xantán

Enzima que facilita el proceso de blanqueado de la pasta de papel por la eliminación delignina. Se consiguen con cultivos de cepas de hongos modificados, a través de la fermen-tación por Trichoderma reesei hongo que sintetiza celulasas y hemicelulasas (Xilanasas)disminuyendo así la utilización de blanqueadores químicos contaminantes.

Producción de enzimas para fabricación de papel: Xilanasa


8GUÍA DIDÁCTICA

Para mejorar la capacidad biosintética de vegetales se utilizan microorganismos fijadores de nitrógeno comoalternativa al uso de nitratos. Se enriquecen los suelos con Rhizobium (bacteria simbionte en las raíces de le-guminosas, donde forma nódulos) y bacterias nitrificantes para aumentar la producción vegetal y disminuir lacontaminación producida por los fertilizantes convencionales. Se están intentando conseguir la formación denódulos simbiontes en otros cultivos mediante la introducción de los genes implicados en el proceso de fija-ción de nitrógeno en otras plantas que no pertenecen a la familia de las leguminosas

Biofertilizantes

El Arroz Dorado es un arroz modificado genéticamente para acumular en su embrión betacaroteno y otroscarotenos, que son precursores de la vitamina A. Este betacaroteno extra es el que le otorga un característi-co y peculiar color dorado, y da origen a su nombre. Este arroz acumula 1,6 mg/kg de provitamina A.

El Arroz Dorado pretende aportar vitamina A extra a las poblaciones que no consumen la suficiente canti-dad de esta vitamina imprescindible en su dieta diaria. De este modo, el Arroz Dorado contribuirá paliar laavitaminosis en los países en vías de desarrollo.

Arroz dotado con vitamina A

El Bacillus thuringiensis es una bacteria natural del suelo, produce una toxina (proteína Bt) tóxica para cier-tos insectos que ocasionan plagas en los cultivos, como el escarabajo barrenador del maíz (Ostrinia nubila-lis) o el escarabajo colorado de la patata. Ha sido utilizada durante años como bioinsecticida al ser inofensi-va para otros insectos, animales y humanos.

con información para sintetizar la proteína Bt al genoma de la semilla del maíz, produciéndose plantas re-sistentes a ciertas larvas de insectos.

secticida, al ser rociados los cultivos con ellas. Cuando los insectos se alimentan de las plantas ingierenlas bacterias y las toxinas.

Insecticidas naturales: maíz transgénico

Ya hemos mencionado el ejemplo del maíz resistente a plagas de insectos. En otros cultivos también se ob-tienen nuevas características por ingeniería genética para mejorar su producción: algodón resistente a lepi-dópteros; retraso de maduración en el melón y en el tomate; soja, acelgas, trigo y alfalfa resistente aherbicidas… En muchos de los casos se emplea para su modificación el plásmido Ti de la bacteria Agro-bacterium tumefaciens.

Se han conseguido plantas transgénicas con distintas capacidades: resistencia a plagas, retraso en la madu-ración del fruto, vegetales enriquecidos con proteínas animales (arroz dorado) o productores de moléculasde interés industrial (Arabidopsis thaliana produce polímeros plásticos biodegradables)

Las principales plantas transgénicas son: soja, maíz, algodón, arroz, colza, patata, tomate, tabaco, cla-vel. Algunas de sus modificaciones se nombran en la película: claveles azules, patata con vacunacontra el cólera…

Plantas transgénicas


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3.3. Aplicaciones al medio ambiente

Ciertas bacterias como Ralstonia eutropha producen unos gránulos de reserva a base de sustancias quemuestran notables propiedades termoplásticas y elásticas. Otro ejemplo de bacteria utilizada para la produc-ción de estos bioplásticos es Alcaligenes eutrophus. Se han diseñado cepas de bacterias con los genes debiosíntesis de estas sustancias, y ya hay empresas que fabrican estos plásticos biodegradables para fabrica-ción de envases transparentes como el cristal, fabricar tejidos, o para usos especiales, como dispositivosmédicos. Es posible que en un futuro los precios sean competitivos y que se puedan ir sustituyendo losplásticos sintéticos y contaminantes por los bioplásticos, biodegradables y dependientes de biomasa y re-cursos naturales renovables

Biodegradación: Producción de plásticos biodegradables

Los organismos hidrocarburoclásticos son bacterias y hongos capaces de degradar petróleo utilizán-dolo como método de subsistencia, la ingeniería genética trabaja en la mejora de sus procesos me-tabólicos de degradación. Siendo muy útiles para la eliminación de petróleo en caso de desastresecológicos o en la limpieza de tanques en refinerías de petróleo. Algunas especies importantes enel proceso de biorremediación causado por hidrocarburos son: Pseudomonas, Nocardia, Acineto-bacter, Aspergillus o Mucor.

Se utilizan también microorganismos tradicionales o mejorados genéticamente, como las bacterias del gé-nero Pseudomonas, para la eliminación de pesticidas xenobióticos (que no existen de forma natural), demetales pesados procedentes de la minería y la industria y de residuos industriales.

Biorremedación

Estos biocombustibles (etanol, metanol, biodiésel, metano, hidrógeno) se obtienen a partir de la bio-masa, es decir, de la materia de origen animal o vegetal, y se emplean como combustibles para ve-hículos a motor o para producir electricidad (centrales térmicas de ciclo combinado). El etanol seobtiene por fermentación de los hidratos de carbono contenidos en el maíz o la patata. El biodiéselse obtiene a partir de los aceites producidos por algas o plantas como la soja, en muchos casosmodificada genéticamente.

Biocombustibles: biogás y biodiésel

Se utilizan bacterias mejoradas genéticamente para optimizar los procesos de compostaje en el que los mi-croorganismos degradan la materia orgánica de los residuos o de la basura mediante fermentaciones y seobtiene el compost, un producto utilizable como sustrato para cultivos vegetales.

Eliminación de residuos humanos: depuración de aguas


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3.4. Aplicaciones en salud

Se utilizan sondas de ADN, que son fragmentos de ADNc marcados, complementarios de una de las he-bras del gen buscado. Se utilizan para la prevención y diagnóstico del cáncer o para detectar la presenciade patógenos.

Diagnóstico clínico

La terapia génica es una forma de combatir una enfermedad de origen genético mediante la prevención, tra-tamiento y curación por medio de la inserción de genes no causantes de la enfermedad o que modifiquenla expresión de los genes patógenos. Enfermedades como el cáncer, el Alzheimer, el Parkinson o la diabetesson objetivos en la investigación en terapia génica.

El científico español Bernat Soria ha conseguido células secretoras de insulina a partir de un cultivo de célulasembrionarias de ratón. Esta aplicación podría suponer un importante avance en la lucha contra la diabetes.

Otro ejemplo es la inserción de genes supresores de tumores, como el p53, que codifica una proteína re-guladora del crecimiento celular y aparece mutado en la mayor parte de los cánceres.

Existen dos formas de aplicar terapia génica. Ex vivo: se extrayen células del paciente, se modifican median-te un gen clonado y se implantan las células transgénicas en el órgano afectado para que se multipliquen ydesarrollen de forma normal su función. In vivo, se inyecta en sangre el gen terapéutico para que alcancelas células afectadas o, incluso, introduciéndolo directamente en el tejido afectado.

Terapia génica: tratamiento contra el cáncer

Insulina humana: La insulina es una hormonaproteica constituida por 51 aminoácidos. La insulinaes el primer caso de proteína producida por inge-niería genética, aprobada para uso en humanosdesde 1982. En la actualidad, varios laboratoriosfarmacéuticos producen insulina humana, tanto apartir de bacterias (Escherichia coli) como de leva-duras (Saccharomyces cerevisiae), y sin ningúnriesgo para la salud. Actualmente se está estudian-do su obtención a partir de páncreas de vacas ocerdos mediante ingeniería genética.

Obtención de proteínas de mamíferos insulina.Organismos transgénicos: hormona crecimiento

Hormona del crecimiento: En un campo ar-gentino, ya pasta la segunda generación de vacasclones y transgénicas. Son dos terneras, copias deuna vaca llamada Pampa Mansa, que había naci-do en agosto de 2002. Tienen en su interior ungen que, al expresarse, hará que los animales pro-duzcan en su leche la hormona de crecimientohumano (STH o GH), que serviría para tratar elenanismo hipofisiario.


11GUÍA DIDÁCTICA

En los transplantes de órganos procedentes de animales, como en el de corazón, se está investigando en laproducción de cerdos transgénicos, cuyas características inmunitarias hayan sido alteradas para evitar el re-chazo, principal problema que aparece en el postoperatorio.

Otro caso interesante es el de la producción de animales «knockout», cuya característica es que han sidomodificados para introducirles un alelo mutante que no es funcional. De esta forma se puede investigar losefectos de la falta de expresión del gen no mutado y de terapias para rectificar su defecto. Un caso fre-cuente es el de los ratones con el gen p53 inactivado, gen supresor de tumores.

Obtención de órganos. Cerdos transgénicos y ratones «knockout»

Recientemente se está empleando la tecnología de ingeniería genética para la producción de animalestransgénicos (ratas, cerdos) que puedan sintetizar Hb humana, lo que se logra a través de la introducciónde genes de Hb humana en los cigotos inmediatamente después de la fertilización. En estudios en cerdostransgénicos se ha observado que la Hb producida es estable y su producción se transmite a la próxima ge-neración. A partir de la sangre del cerdo puede separarse la Hb humana de la animal de forma fácil portécnicas de cromatografía.

Producción de hemoglobina humana en cerdos

Se ha conseguido unir al gen de la b ca-seína de la leche un gen anticoagulante(Atryn) para conseguir un fármaco fácilde obtener en la leche de cabra. Eltransgén se incorpora por microinyec-ción a un embrión de cabra. Posterior-mente se inplanta en el útero de la ca-bra nodr iza . Los an imales que seobtienen son seleccionadas para obte-ner descendencia de cabras producto-ras del anticoagulante en su leche

Producción de anticoagulante en leche: cabras transgénicas

+

Gen codificador de la caseínade la leche

Gen codificadordel anticoagulante

Transgén

Embrión inyectadocon el transgén Cabra productora de

leche con elanticoagulante

Leche con elanticoagulante

Fue la primera vacuna obtenida por recombinación. La causa fue la aparicióndel virus VIH, causante del SIDA, que eliminó la posibilidad de utilizar el plas-ma de enfermos de hepatitis para obtener la vacuna contra el virus de la he-patitis B. Una vez clonado el virus VHB se obtuvo el gen por técnicas de re-combinación. Se utilizan levaduras para clonar dicho ADN recombinante yextraer y purificar los antígenos responsables de la inmunidad frente al virus.

Fue autorizado su empleo en 1986 y su eficacia es igual a la vacuna obteni-da a partir de plasma humano.

Obtención de vacunas: hepatitis B


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3.5. Clonación

La clonación consiste en la obtención de copias idén-ticas de una molécula o de un ser vivo. Se puedenclonar genes (paso imprescindible en cualquier apli-cación de ingeniería genética), células (para cultivoscelulares), tejidos, órganos e, incluso, seres vivos.

En biotecnología aplicada a la agricultura, se puedenproducir plantas completas a partir de una célulamodificada genéticamente. En aplicaciones indus-triales es muy frecuente la clonación de levaduras.La clonación de células animales permite realizarcultivos de tejidos en el laboratorio. Es de mucho in-terés el cultivo de células madre, especialmentede células madre embrionarias que, al no estar aúndiferenciadas, tienen activados todos sus genes y,por tanto, son totipotentes.

La obtención de organismos clónicos se inaugurócon la creación de la oveja Dolly, en 1996, por unequipo de investigadores del Instituto Roslin deEdimburgo. En su caso se utilizó una técnica detransferencia nuclear de células de glándula mama-ria cultivadas in vitro a un ovocito no fecundado cu-yo núcleo había sido extraído.

Actualmente se obtienen animales clónicos mediantedos técnicas. Por disgregación de células embriona-rias (de manera semejante a la que da lugar a los ge-melos idénticos) y por transferencia del núcleo desdeuna célula embrionaria a un ovocito enucleado, de talforma que al fusionarse ambas células, el clon secomporta como si fuera un cigoto que, al desarrollar-se, dará lugar a un nuevo individuo. De esta forma seobtienen actualmente terneros clónicos.

3.6. Aplicaciones en investigación.

Las huellas genéticas de ADN permiten la aplicaciónde las técnicas de ingeniería genética en medicinaforense de gran utilidad en investigación policial, larealización de pruebas de paternidad, etc. a partir depequeñas muestras de tejido, sangre, pelos…

También es importante su aplicación para estudiosevolutivos (estudio de ADN antiguo, presente en canti-dades muy pequeñas en restos fósiles), estudios demigración, estudios arqueológicos, mutagénesis dirigi-da (la fabricación de organismos mutantes para estu-diar rutas metabólicas, por ejemplo), obtención deARN en grandes cantidades (transcripción in vitro) parainvestigación en biología molecular, etc.

3.8. Proyecto genoma humano.

Este programa, iniciado por la empresa Celera Ge-nomics en 1990, tenía la finalidad de secuenciar elgenoma completo de la especie humana. Las técni-cas de ingeniería genética han permitido completardicha secuencia en el año 2003. La secuencia con-tiene unos 3.000 millones de nucleótidos, y se creeque existen aproximadamente unos 40.000 genes.El conocimiento de los genes humanos, su estructu-ra y localización, abre una inmensa puerta a la in-vestigación de enfermedades, del envejecimiento,de la interacción entre genes, descubrir e identificarnuevos genes…

3.9. Impacto de la tecnología del ADN.Consideraciones éticas y morales.

Los avances alcanzados tanto en investigación comoen las aplicaciones de la tecnología del ADN hanabierto una puerta a la esperanza a la humanidad:diagnóstico, prevención y curación de enfermeda-des, eliminación del hambre y la malnutrición en elmundo, corrección de los daños producidos al me-dio ambiente, aumento de la producción de alimen-tos con reducción del impacto ambiental que supo-ne l a eno rme ex tens ión de cu l t i vos a n i ve lplanetario y el empleo de fitosanitarios, obtenciónde combustibles alternativos a los tradicionales, eli-minación de residuos…

Sin embargo, se plantean un gran número de interro-gantes de difícil respuesta. En primer lugar, porqueaún no existen estudios concluyentes que demues-


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tren los supuestos efectos negativos, ni mucho me-nos los que podrían aparecer a largo plazo (recorda-mos que la ingeniería genética y sus aplicacionesarrancan en la década de los 70 en el pasado sigloXX). En segundo lugar, porque existen intereses multi-millonarios que se encuentran en manos de unas po-cas empresas biotecnológicas y la legislación aún esvaga, especialmente en algunos países en que llega aser inexistente. ¿Quién pone límites a las prácticas deestas empresas? ¿Quién legitima sus investigacionesy actuaciones? La respuesta no es sencilla, pues bus-carla corresponde a la sociedad entera.

La bioética puede ayudarnos a indagar en los pro-blemas éticos planteados por la investigación bio-médica y la biotecnología cuando éstos influyen yafectan a la propia vida, la humana y la del restode seres vivos.

Como profesores, será muy interesante fomentar eldiálogo y el espíritu crítico de nuestros alumnos sisomos capaces de suministrar la suficiente informa-ción, desde todos los puntos de vista y desde todoslos agentes implicados, como para establecer deba-tes en el aula que completen y doten de significadolos contenidos relacionados con la ingeniería genéti-ca y la biotecnología.

Sugerimos, pues, la consulta en la bibliografía queaportamos y la visita a las páginas web de las em-presas biotecnológicas, las asociaciones ecologistasy de defensa de los derechos del ciudadano y delos consumidores, así como las de los organismosde investigación y administrativos. Basta escribir encualquier buscador términos tan sencillos comotransgénico, biotecnología, agricultura, ADN recombi-nante, clonación…

Estas y otras muchas preguntas tendrán una respuestamuy distinta según quien las conteste.

Las patentes de los genes modificados, ¿sonpatrimonio de la humanidad? ¿son los meca-nismos que permiten a las empresas finan-ciar sus carísimas investigaciones?

¿Provocarán los monocultivos transgénicospérdida de biodiversidad?

Los organismos modificados genéticamente(transgénicos), ¿pueden afectar al medio am-biente? ¿con qué fin son diseñados?

La tecnología terminator, que produce semi-llas estériles, ¿produce dependencia de lasmultinacionales de semillas?

¿Qué fines de la clonación, la investigacióncon células madres, la selección de embrio-nes, pueden considerarse éticos?

¿Es respetable la idea de la eugenesia?


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SUGERENCIAS

44.1. Educación Primaria

Este proyecto se puede encuadrar dentro del área de Conocimiento del Medio, área en la que confluyenvarias disciplinas (Ciencias Naturales, Ciencias Sociales, Antropología, Sociología, etc), por lo tanto, estaasignatura en Primaria tiene un carácter integrador globalizador, mientras que en Secundaria tiene un en-foque más analítico.

Si atendemos a los diferentes principios en los que se basan las experiencias de aprendizaje de losalumnos en esta etapa educativa, podremos observar, entre otros, estos puntos:

La facilidad de trabajar rigurosamente con el lenguaje de los símbolos sin necesidadde referencias empíricas, en un espacio y un tiempo cada vez más objetivos.

La aplicación de un nivel del lenguaje más rico y preciso.

La generalización de aprendizajes adquiridos relacionándolos con situaciones ajenasa su realidad

Los objetivos esenciales del currículo en los cuales podríamos encuadrar este proyecto seríanlos siguientes:

Identificar, plantearse y resolver interrogantes y problemas en relación con los elementossignificativos de su entorno social y natural, utilizando estrategias progresivamente mássistemáticas y complejas, de búsqueda, almacenamiento y tratamiento de la información,de formulación de conjeturas, de puesta a prueba de estas, de exploración de solucionesalternativas y de reflexión sobre hechos de la vida diaria, manteniendo una actitud críticaante los medios de información.

Identificar algunos objetos y recursos tecnológicos en el medio y evaluar críticamente sucontribución a la satisfacción de determinadas necesidades humanas, adoptando posicio-nes favorables a que el desarrollo tecnológico se oriente hacia usos pacíficos y una mejo-ra de la calidad de vida, mejorando la situación ambiental del planeta Tierra, sin menos-cabo de la dignidad humana.


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Orientaciones didácticas

PRINCIPIOS

OBJETIVOS

2

Este proyecto es una herramienta de gran utilidad para el docente, ya que la Biotecnología es un tema degran actualidad y abarca varios campos de investigación y trabajo (alimentación, industria, biorremedia-ción, etc), y además se podría enlazar con diversos contenidos del currículo de Conocimiento del Mediodel tercer ciclo de Educación Primaria, como por ejemplo

El Cuerpo Humano y su Relación con la Salud: el estado actual de la ciencia nos obliga adar un nuevo enfoque a todos los avances conseguidos en medicina gracias a la ingenieríagenética, avances que repercuten en el bienestar del individuo.

Los Seres Vivos: la transmisión de información genética. Las fronteras de la genética, elavance de la ciencia y los principios éticos (alimentos transgénicos).

El Medio Físico: a través de la biorremediación podemos eliminar los agentes contaminan-tes que degradan el medio ambiente.

Los objetivos esenciales del currículo en los cuales podríamos encuadrar este proyecto seríanlos siguientes:

Identificar, plantearse y resolver interrogantes y problemas en relación con los elementossignificativos de su entorno social y natural, utilizando estrategias progresivamente mássistemáticas y complejas, de búsqueda, almacenamiento y tratamiento de la información,de formulación de conjeturas, de puesta a prueba de estas, de exploración de solucionesalternativas y de reflexión sobre hechos de la vida diaria, manteniendo una actitud críticaante los medios de información.

Identificar algunos objetos y recursos tecnológicos en el medio y evaluar críticamente sucontribución a la satisfacción de determinadas necesidades humanas, adoptando posicio-nes favorables a que el desarrollo tecnológico se oriente hacia usos pacíficos y una mejo-ra de la calidad de vida, mejorando la situación ambiental del planeta Tierra, sin menos-cabo de la dignidad humana.

Todo ello llevará a nuestro alumnado a relacionar los avancescientíficos y tecnológicos valorando los mismosdesde una perspectiva ética, distinguiendoentre aportaciones beneficiosasy perjudiciales.


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CONTENIDOS

OBJETIVOS

4.2. Educación Secundaria Obligatoria.

Relación con el currículo

III. La Tierra y los seres vivos.

1. La Tierra, un planeta habitado. factores que hacen posible la vida en un planeta. Los elementos bioquímicos. Elcarbono: propiedades. Características y funciones de los seres vivos. La teoría celular.

2. Clasificación de los seres vivos. Los cinco reinos. Introducción a la taxonomía. Virus, bacterias y organismos uni-celulares eucarióticos. Hongos. El reino vegetal. Principales troncos. El reino animal. Principales troncos.

3. La diversidad de los seres vivos: ambientes, tamaños, formas y modos de alimentarse. La vida en el agua. Dife-rentes medios acuáticos. Vegetales de medios acuáticos: las algas. Invertebrados y vertebrados acuáticos. Laconquista de las tierras emergidas. Diferentes medios terrestres. Vegetales terrestres: musgos, helechos y fane-rógamas. Invertebrados y vertebrados terrestres. La especie humana.

IV. Técnicas de trabajo.

4. Técnicas de trabajo. Realización de actividades prácticas y experiencias con métodos propios de la actividadcientífica y elaboración de informes sencillos referidos a las mismas. Búsqueda de información en documentoscientíficos sencillos.

Aplicaciones en el aula de contenidos relacionados con la biotecnología.

Biodiversidad. Relaciones filogenéticas. Evolución.

Los virus: importancia de los virus.

Reino Moneras: importancia de las bacterias. Fermentaciones. Bacterias del suelo. Biorremediación y biode-gradación. Metodos de estudio de las bacterias: cultivos bacterianos, etc.

Reino Hongos: importancia de los hongos. Fermentaciones.

Reino Vegetal: importancia de las plantas para el ser humano. Las plantas en la alimentación:el maíz. Plantas transgénicas.

Reino Animal: importancia de los animales para el ser humano. Los animales enla alimentación. Animales transgénicos.


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PRIMER CURSO DE E.S.O

III. La energía y los seres vivos.

1. Las funciones de los seres vivos y el consumo de energía. Características funcionales de las biomoléculas orgá-nicas: glúcidos, lípidos y proteínas. El mantenimiento de la vida. Nutrición autótrofa y heterótrofa. Fotosíntesis,respiración y nutrición celular. La energía consumida por los seres vivos: crecimiento, calor, movimiento. Elmantenimiento de la especie. La reproducción animal y vegetal: analogías y diferencias. Coordinación, relacióny adaptación.

2. El tránsito de energía en los ecosistemas. Conceptos de biosfera, ecosfera y ecosistema. Productores, consumi-dores y descomponedores. Cadenas, redes y pirámides tróficas. Productos químicos de la descomposición delos seres vivos. La biomasa como fuente de energía.

IV. Conservación de la Naturaleza.

3. Introducción a la conservación de la Naturaleza. Las figuras de protección de espacios naturales. Estudio y aná-lisis de un espacio natural de la comunidad de Madrid.

IV. Técnicas de trabajo.

4. Técnicas de trabajo. Realización de actividades prácticas y experiencias con métodos propios de la actividadcientífica y elaboración de informes sencillos referidos a las mismas. Búsqueda de información en documentoscientíficos sencillos.


Las moléculas de la vida. Importancia del ADN y las proteínas.

Biotecnología aplicada al medio ambiente.


18GUÍA DIDÁCTICA

SEGUNDO CURSO DE E.S.O

II. Anatomía y fisiología humana.

1. El hombre como animal pluricelular. La célula. Morfología. Tipos. Estructura. Propiedades de la membrana:ejemplos. Tejidos, órganos, aparatos y sistemas. El concepto de organismo pluricelular. El concepto de enfer-medades infecciosas. Principales agentes causantes de enfermedades infecciosas. La lucha contra dichas en-fermedades: medidas preventivas y sociales. Enfermedades no infecciosas. Causas, remedios y prevención. Eltransplante de órganos. Implicaciones éticas y sociales.

2. Nutrición y salud. Concepto de nutrición. composición de los alimentos. La fibra en los alimentos. Dietas salu-dables y equilibradas. Prevención de las enfermedades provocadas por la malnutrición. Trastornos de la ali-mentación. Obesidad, anorexia y bulimia. La conservación, manipulación y comercialización de los alimentos.Aditivos alimentarios. Las personas y el consumo de alimentos. Los alimentos transgénicos.

3. Aparatos que intervienen en la nutrición. El aparato digestivo: estructura y función. Hábitos saludables y medi-das de prevención: Enfermedades más frecuentes. El aparato respiratorio: estructura y función. Hábitos saluda-bles y medidas de prevención. Enfermedades más frecuentes. El aparato circulatorio: estructura y función. Há-bitos saludables y medidas de prevención. enfermedades más frecuentes. El aparato excretor: estructura yfunción. Hábitos saludables y medidas de prevención. Enfermedades más frecuentes.

4. Relación y coordinación. El sistema nervioso. Conceptos básicos. Procesos degenerativos. del cerebro y del sis-tema nervioso: la enfermedad de Alzheimer. Los receptores sensitivos: estructura y tipos. Los distintos nivelesde integración nerviosa. Los efectores motores. El aparato locomotor: músculos y huesos. Los actos involunta-rios. Los actos voluntarios. Factores que repercuten en la salud mental en la sociedad actual. Las sustanciasadictivas y sus repercusiones en el comportamiento y la salud. Medidas de prevención. El sistema endocrino.El control interno del organismo. Glándulas y principales hormonas. El equilibrio hormonal. Enfermedades másfrecuentes. Medidas de prevención.

5. La reproducción humana. El aparato reproductor: estructura y función. El ciclo menstrual. Relación con la fe-cundidad. Menarquia y climaterio. Fecundación, embarazo y parto. Métodos anticonceptivos. Nuevas técnicasde reproducción. La reproducción asistida. Valoración ética y social. Hábitos saludables de higiene sexual. Lasenfermedades de transmisión sexual. Medidas de prevención.

III. Técnicas de trabajo.

6. Técnicas de trabajo. Realización de actividades prácticas y experiencias con métodos propios de la actividadcientífica y elaboración de informes referidos a las mismas. Utilización de diferentes fuentes de información, in-cluidas las tecnologías de la información y la comunicación, sobre cuestiones científicas y tecnológicas.


Las moléculas de la vida. Importancia del ADN y las proteínas.

Aplicaciones de la biotecnología a la obtención de alimentos: producción de alimentos, industria láctea, fabri-cación de pan, calidad de los alimentos, alimentos ecológicos, alimentos de origen transgénico, etiquetado ycomercialización de los alimentos transgénicos, riesgos para la salud.

Salud y enfermedad: diagnóstico y tratamiento de enfermedades, producción de medicamentos, vacunas,anticuerpos, clonación de células, investigación en células madre, terapia génica, regeneración de tejidos,


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TERCER CURSO DE E.S.O

Introducción a la ingeniería genética · 2016. 10. 17. · Tecnología del ADN recombinan-te e...

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