3. Biotecnología: concepto e
importancia
Es el uso a gran escala de microorganismos
vivos o de parte de ellos o de sus productos
en procesos industriales o ambientales.
Es una ciencia multidisciplinar en la que
intervienen la Microbiología, Bioquímica,
Biología Molecular, Genética, Inmunología
e Ingeniería Bioquímica y Química.
4. Biotecnología: concepto e
importancia
Los agentes biológicos empleados son
sobre todo, microorganismos
(bacterias, levaduras y mohos),
células animales y vegetales y
enzimas.
Se han utilizado estas técnicas desde
la antigüedad.
6. Desde el neolítico, con la agricultura y la ganadería,
el hombre ha manipulado genéticamente a las
especies domesticadas con la finalidad de obtener
variedades de plantas y animales (selección
artificial)
Por lo que se refiere a lo que nos interesa ahora que
son los microorganismos, comienza el arte de la
fermentación con levaduras, primero cerveza y vino
y, más tarde, pan.
Usos tradicionales
7. Siglo XIV se empieza a usar bacterias de ácido
acético para fabricar vinagre, bacterias de ácido
láctico para conservar la leche (yogur, por
ejemplo).
Desde finales del siglo XVIII, se utilizan las
vacunas utilizando virus y bacterias atenuados
para provocar la inmunidad frente a
enfermedades.
A principios del siglo XX se aísla el primer
antibiótico a partir de un hongo Penicillium
notatum
Usos tradicionales
8. Usos tradicionales
Hasta el siglo XX, la biotecnología a gran escala se
basa en cultivar microorganismos capaces de
producir sustancias útiles para el ser humano.
Se cultivan en fermentadores donde se controlan
las condiciones.
El objetivo suele ser la obtención de gran cantidad
de los propios microorganismos (para
alimentación por ser muy proteicos) o de
sustancias que producen (antibióticos)
9. Usos tradicionales
La biotecnología tradicional utiliza las siguientes
técnicas:
Selección de variedades con mutaciones aparecidas al
azar.
Cruces, para unir características que aparecen en dos
individuos.
Mejora de las condiciones físicoquímicas del cultivo
(pH, temperatura, etc.) para conseguir un mayor
rendimiento.
Perfeccionamiento de las técnicas de aislamiento y
purificación del producto que nos interesa
10. Usos modernos
A partir de los años 70 del siglo XX, a raíz del
conocimiento de los mecanismos de la genética
molecular, se ha podido manipular directamente
el genoma de las especies animales y vegetales de
interés económico y obtener así plantas y
animales transgénicos, también llamados OGM
(Organismos Genéticamente Modificados).
Esto es lo que se conoce como Ingeniería
genética
12. Industria alimentaria
Fermentación alcohólica es realizada principalmente por
las levaduras. La más importante es Saccharomyces
cerevisiae, que se emplea en la fabricación de vino,
cerveza, y pan.
Fermentación láctica es realizada por las bacterias
presentes de forma natural en la leche. El agriamiento
natural de la leche se ha usado para su conservación,
(queso, yogur, cuajada, etc.)
Fermentación acética. Las bacterias del ácido acético
(como Acetobacter y Gluconobacter) convierten el etanol
en ácido acético en la elaboración del vinagre.
13. Industria farmacéutica
Producción de antibióticos
Los antibióticos son sustancias producidas de
forma natural por ciertos microorganismos
(hongos y bacterias) que inhiben el crecimiento
de otros microorganismos.
Producción industrial de vacunas y sueros para
prevenir o combatir enfermedades (en el próximo
tema se hablará de ellos más en profundidad
15. Uso medioambiental
Tratamiento de residuos
En la depuración de aguas residuales se combinan procesos
físico-químicos con tratamientos microbianos para eliminar
la materia orgánica y las sustancias tóxicas presentes en el
agua antes de devolverla a los ríos.
Compostaje
es la descomposición biológica de residuos orgánicos
(urbanos o agrícolas) o de fangos resultantes de la
depuración de aguas residuales. En este proceso, las
bacterias descomponen los compuestos orgánicos y
producen un abono denominado compost.
16. Uso medioambiental
Eliminación de mareas negras y otros contaminantes
Existen diversos microorganismos, entre los que
podemos destacar las bacterias del género
Pseudomonas, que son capaces de descomponer el
petróleo por lo que pueden ser empleados en la
eliminación de mareas negras. Existen
microorganismos capaces de degradar otras muchas
sustancias tóxicas contaminantes.
17. Uso medioambiental
Producción de compuestos biodegradables
Algunas bacterias almacenan sus reservas
de carbono en forma de compuestos que
son realmente plásticos (bioplásticos), con
la ventaja de que, a diferencia de los
plásticos obtenidos a partir del petróleo,
son biodegradables.
18. Actividades agropecuarias
Proteína unicelular o PUC
Proteína unicelular es un concepto que se refiere a
microorganismos tales como bacterias, levaduras, algas
y hongos filamentosos, que son empleados para
alimentación humana o animal, principalmente por su
alto contenido en proteínas
Durante la primera guerra mundial se emplearon
microorganismos para consumo humano.
En la actualidad se emplea para enriquecer los piensos
para el ganado.
19. Actividades agropecuarias
Uso para insecticidas.
Los insecticidas químicos tradicionales tienen el
inconveniente de que pueden acumularse en los
vegetales y ser ingeridos posteriormente por el
hombre con los consiguientes perjuicios para su
salud.
Algunas bacterias (Bacillus thuringiensis) producen
una proteína, no tóxica para el hombre, que
funciona como insecticida natural (insecticida
biológico).
21. Concepto
La ingeniería genética es una parte de la Biotecnología
desarrollada en los años 70 del pasado siglo.
Se llama también tecnología del ADN recombinante y es el
conjunto de técnicas que permiten manipular el genoma
de un ser vivo.
Consiste en introducir en los seres vivos genes que les
proporcionan características que nos interesa que tengan.
El ADN con el gen que nos interesa se recombina con el
ADN propio del individuo.
22. Concepto
Los microorganismos intervienen:
Puede ser el individuo que queremos que tenga la
característica (una bacteria que tiene el gen de la insulina
humana y que al ser cultivada, produce enormes
cantidades de insulina)
Puede ser el vector del que nos servimos para introducir el
gen en el individuo, es decir, para “infectar” el individuo
con el gen que queremos. Se usan virus o plásmidos de
bacterias.
Por ejemplo, para introducir en una vaca el gen para que
fabrique hormona de crecimiento humano y la segregue
con la leche.
23. Herramientas
La tecnología del ADN recombinante requiere:
Enzimas de restricción: cortan el ADN donde
interesa.
Se usan para:
Cortar y separar el gen que queremos de su
cromosoma.
Cortar el ADN donde lo vamos a insertar
Ligasas: unen el gen de ADN que nos interesa con el
ADN donde lo vamos a insertar.
24. Herramientas
Vectores: trasladan el ADN donde interesa tenerlo.
Son fragmentos de ADN recombinados con el gen de
interés.
Puede usarse:
Un plásmido en el que se ha integrado el gen que
así pasa de una bacteria a otra.
Un virus cuyo genoma se ha sustituido por el gen
de interés. En este caso sería para “infectar” células
animales, vegetales o bacterias (en este caso, el
virus será un fago)
25. ADN recombinante
Sitio de corte
Vector: plásmido o virus
ADN con el gen de interés
Sitio de corte
único
Enzima
de restricción
Enzima
de restricción
26. ADN recombinante
Fragmentos de ADN
no ligado
Moléculas del vector
no ligado ADN recombinante con
el gen de interés
Enzima
ligasa
El gen de interés se pega a una molécula de ADN de un virus o de un
plásmido.
Ese ADN recibe el nombre de ADN recombinante y se puede:
cultivar industrialmente (dejar que se duplique en depósitos y se
fabrique la proteína que queremos) en cuyo caso se suelen utilizar
bacterias.
introducirlo en un individuo para que sea el propio individuo el que
fabrique la proteína, en este caso se utilizan virus.
27. Plásmido
ADN donante
Enzimas de restricción
Fragmento de ADN
que se quiere insertar
Reasociación
Adn recombinante
ADN recombinante
Ligasa
30. Terapia en enfermedades humanas
Hay en los humanos numerosas enfermedades de
carácter hereditario o relacionadas con alteraciones
genéticas.
En la mayoría de los casos, ni siquiera se han
identificado los genes responsables y en muy pocos
casos se dispone del mecanismo para incorporar el
gen correcto a las células del individuo afectado.
La terapia se puede hacer de diferentes maneras:
31. Terapia en enfermedades humanas
Transferir un gen humano normal a una
bacteria u otro ser, obteniendo de él la
sustancia que codifica el gen para luego
inocularla en el enfermo. Se utiliza como
tratamiento para la enfermedad (diapositivas
33-36).
Introducción de un gen correcto en células
humanas para sustituir un gen deficiente. Se
produciría la curación total y puede ser:
32. Terapia de células somáticas. Consiste en
transferir el gen correcto a las células
somáticas de una persona que lo tiene alterado
(Insulina en células del páncreas) Diapositiva
38.
Terapia de células germinales (no legal): Si el
gen se hiciera llegar a un óvulo, un
espermatozoide o el propio cigoto, el individuo
nacería sano ya que todas sus células tendrían
el gen normal.
Terapia en enfermedades humanas
33. Terapia en enfermedades humanas
Sustancias humanas producidas por bacterias.
Mediante la introducción de genes humanos en
bacterias se consigue que las bacterias produzcan la
sustancia en gran cantidad.
Insulina.
Hormona del crecimiento.
Interferón. (fue el primer medicamento obtenido
por ingeniería genética en 1980)
Algunas vacunas como la de la hepatitis B.
34. Terapia: ejemplo
La insulina es una hormona formada por dos
péptidos. El péptido A (21 aminoácidos) y el péptido
B (30 aminoácidos).
Los genes que codifican ambos péptidos se aíslan de
células humanas y se introducen en estirpes
bacterianas diferentes
Cada clon sintetiza uno de los polipéptidos. Éstos se
aíslan, se purifican, se activan los grupos –SH, para
que se unan los dos péptidos, y obtendremos la
insulina humana.
35. Terapia: ejemplo
En el dibujo se ve la
técnica para
producir uno de los
polipéptidos.
De la misma manera
se produciría el otro.
Posteriormente, se
unirán en el
laboratorio.
36. Terapia en enfermedades humanas
También se pueden introducir los genes en
animales para producir las sustancias útiles.
La idea es obtener un animal transgénico que
produzca la sustancia deseada (por ejemplo,
ovejas o vacas que en su leche secretan
sustancias terapéuticas [como hormona del
crecimiento] determinadas por un gen
introducido previamente)
40. Producción agrícola
La aplicación en la agricultura permite obtener:
Variedades transgénicas del maíz que:
Resisten heladas.-incorporación de un gen
de un pez resistente al frío.
Resisten plagas.-incorporación de un gen
del trigo.
Resisten herbicidas.-incorporación de un
gen bacteriano.
41. Producción agrícola
Variedades transgénicas del trigo que:
Son más nutritivas.
Resistentes a plagas y herbicidas.
Variedades de tomate que:
maduran más lentamente.
Plantas de tabaco transgénicas capaces de
aprovechar el N2 atmosférico.
42. Agricultura: ejemplo
Bacillus thuringiensis es una bacteria que se
encuentra naturalmente en el suelo en todo el
mundo.
La característica exclusiva de esta bacteria es la
producción de un cristal proteico que mata en
forma selectiva un grupo específico de insectos.
Estos cristales proteicos (proteínas Cry) son
tóxicos para el aparato digestivo de los insectos
sensibles.
44. Agricultura: ejemplo
La inserción en el maíz
del gen procedente de
Bacillus thuringiensis,
que codifica esta
proteína tóxica para el
insecto hace que esta
planta se vuelva
resistente al insecto.
45. Producción animal
La aplicación en la ganadería permite obtener:
Carpas transgénicas que crecen de un 20% a
un 40% más rápido. –introducción del gen
de la hormona del crecimiento de la trucha
arco iris.
Salmones transgénicos que resisten mejor las
temperaturas bajas. -incorporación de un
gen de una especie de platija del ártico.
46. Producción animal
En mamíferos se han conseguido ratones que
carecían de la hormona del crecimiento por
mutación del gen productor de la misma
Se ha introducido en el zigoto de estos ratones
el gen de la hormona del crecimiento de la rata.
Los ratones transgénicos conseguidos producen
800 veces más hormona que los normales.
47. Producción animal: clonación
Este proceso se basa en la creación de una copia
genéticamente idéntica a una copia actual o anterior
de un animal.
Es técnicamente posible, pues se ha conseguido en
animales, aunque tiene ciertos problemas (el clon
crece mucho más, que el animal original, el clon
envejece antes).
Este tipo de clonación está absolutamente prohibido en
humanos, pues no tiene ningún sentido terapéutico,
aparte de que al no ser una técnica perfeccionada,
pueden morir los embriones humanos en el proceso.
48. Producción animal: clonación
En 1996, fue clonada la oveja Dolly.
Fue el primer mamífero clonado a partir del ADN
derivado de un adulto en vez de ser utilizado el ADN
de un embrión.
Aunque Dolly tenía una apariencia saludable,
envejeció muy pronto ya que la madre trasmitió su
edad celular al clon.
Dolly tenía una edad genética de seis años, la misma
edad de la oveja de la cual fue clonada.
Una base para esta idea fue el hallazgo de sus
telómeros cortos, que son generalmente el resultado del
proceso de envejecimiento.
49. Producción animal: clonación
Aplicaciones:
Uno de los objetivos es unir la técnica de la clonación con
la de Ingeniería genética de mamíferos con objeto de
producir medicamentos o sustancias útiles
comercialmente.
Una vez que se haya obtenido un animal transgénico
interesante (por ejemplo, ovejas o vacas que en su leche
secretan sustancias terapéuticas determinadas por un
gen introducido previamente), ese individuo serviría de
"molde" para generar ejemplares clónicos.
50. Producción animal: clonación
Asegurar copias de un ejemplar que haya mostrado buenos
rendimientos.
La clonación evitaría que su buena combinación de genes (su
genotipo) se "diluyera" al cruzarlo sexualmente con otro.
Habría que tener mucha precaución con la amenaza de
pérdida de diversidad genética de la cabaña ganadera, ya que
se tendería a la uniformidad.
Recordemos que la biodiversidad es un recurso valioso
también en los "ecosistemas agropecuarios", ya que supone
una reserva de recursos genéticos adaptados a diversas
condiciones ambientales y a diversos contextos
socioeconómicos.
51. Producción animal: clonación
Utilizar la clonación para la salvación "in extremis" de ciertas
especies silvestres amenazadas de extinción y difíciles de criar
en cautividad.
Sería el triste reconocimiento de nuestro fracaso de
conservarlas por medios más simples y naturales.
Además, lo más probable es que, debido a que la clonación
no aporta diversidad genética, la especie estuviera abocada
de todas formas a la "muerte genética", condenada quizás a
vivir en zoológicos o en condiciones altamente artificiales,
casi como piezas de un museo viviente
52. Ingeniería genética en
Biorremediación
Aplicaciones para la conservación del Medio
Ambiente:
Como comentamos antes, algunas bacterias utilizadas
en biorremediación se pueden obtener mediante la
modificación de su genoma:
Se aplica para obtener:
bacterias degradadoras de petróleo
bacterias que recuperan suelos con altos contenidos
en metales pesados.
bacterias productoras de plásticos biodegradables.
54. Estudio de Microorganismos
Para estudiar los microorganismos no basta con obtener
un individuo, sino que se necesitan poblaciones de
muchos de ellos, por eso hay que cultivarlos para
obtener colonias.
La fuente de donde se extrae el microbio puede ser muy
variada: suelo, agua, alimentos, el cuerpo o los fluidos
de otros seres vivos, etc.
Pero en estos medios se encuentran mezclas de seres
vivos que viven en condiciones similares.
55. Estudio de Microorganismos
Para el estudio se requiere:
Una población en crecimiento activo (cultivo)
Un medio de cultivo con los nutrientes necesarios.
Es necesario que ese cultivo esté formado por individuos
genéticamente homogéneos (cultivo axénico, clónico o
puro)
Para ello hay que aislar las células que por proliferación
nos proporcionarán ese cultivo clónico.
Para todo ello se necesitan condiciones de asepsia por lo
que habrá que esterilizar todos los materiales.
56. Materiales
Para el cultivo y aislamiento:
Placas de Petri, matraces, tubos de ensayo, asas de
siembra, pipeta, aguja, asa de Digralsky (vidrio).
Para la esterilización:
Autoclaves, hornos, filtros, mecheros.
Asa de siembra
Placa Petri
Aguja enmangada Matra
z
Pipetas
Asa de Digralsky
58. Cultivo
Un medio de cultivo es una mezcla de
sustancias nutritivas que permiten el
crecimiento de los microorganismos.
Se pueden clasificar desde distintos puntos de
vista:
Según su finalidad.
Según su estado físico.
Según su origen.
59. Según finalidad
Según su finalidad se pueden distinguir:
Generales: aportan todos los nutrientes que precisan la
mayoría de los microorganismos. Se usan para cultivar
cualquier tipo de microorganismos y dentro de ellos están
también:
Medios de enriquecimiento: son medios enriquecidos que
se usan para incrementar el crecimiento cuando es muy
lento.
Mínimos: contienen la mínima cantidad de nutrientes
posible que permite el crecimiento microorganismos y se
usan para pruebas sencillas de laboratorio, en que se
necesita tener cualquier microorganismo en no mucha
cantidad
60. Según su utilidad
Selectivos. Permiten el crecimiento de unas especies y
no el de otras. Se usan para estudiar especies concretas
y pueden ser:
De aislamiento: permiten el crecimiento de una
especie e inhiben el del resto. Por ejemplo, medios
salinos para especies del género Staphilococcus que
son las únicas que los aguantan o con antibióticos
para algunas especies del género Pseudomonas que
los soportan.
61. Según su utilidad
De diferenciación: en un cultivo mixto permiten separar
unas especies de otras. Para ello se pone un sustrato
específico sobre el que alguna especie reacciona y otras
no. Así Escherichia coli, que fermenta lactosa, en un
medio con lactosa y rojo fenol, adquiere color rojo y se
diferencia de otras especies que no fermentan lactosa.
No se destruye el resto de las especies como en el cultivo
anterior (aislamiento), sino que se diferencian unas de
otras.
62. Según su estado físico se distinguen:
Líquidos: Son nutrientes disueltos en agua. El principal
componente es el agua.
Se detectan los microorganismos por la aparición de
turbidez.
Sólidos: Se les añade una sustancia para que solidifique.
Generalmente, agar agar (polisacárido extraído de algas
marinas) que no es degradado por los microorganismos y
permanece sólido a 45 oC.
Se usa para observar la morfología de bacterias que
aparecen en ellos. Se disponen en Placas Petri.
Según su estado físico
64. Según su origen
Según su origen se distinguen:
Naturales: son los preparados a partir de sustancias
naturales de origen animal o vegetal como extractos de
tejidos o infusiones y cuya composición química no se
conoce exactamente.
Sintéticos: contienen una composición química definida
cualitativamente y cuantitativamente. Su composición se
puede reproducir puesto que se conoce perfectamente.
Semisintéticos: son los sintéticos a los que se les añaden
factores de crecimiento bajo una forma de un extracto
orgánico natural, como por ejemplo extracto de levadura.
66. Esterilización
Esterilizar es, en sentido estricto, eliminar todo
microrganismo vivo de un medio que puede ser
alimento, material de laboratorio o medio de cultivo.
A la hora de estudiar microorganismos se esterilizan
primero los materiales para que no se contaminen con
microrganismos que no interesan.
Una vez realizada la esterilización se dice que el medio
es estéril.
67. Esterilización
La esterilización se puede hacer por tres
medios diferentes:
Calor.
Radiaciones.
Filtración.
Productos químicos.
Pasteurización.
68. Calor
El calor destruye irreversiblemente la proteínas por lo que
destruye la estructura de los microorganismos.
Puede ser:
Calor seco. Se lleva a cabo en un horno Pasteur que utiliza
calor. Puede funcionar con temperaturas comprendidas
entre 50 y 300 °C
Calor húmedo. Coagula las proteínas por rotura de puentes
de hidrógeno con agua caliente. La ebullición lo consigue,
pero es mejor el autoclave donde se consiguen
temperaturas aún mayores y elevadas presiones.
70. Radiaciones
Consiste en someter el material a radiaciones que destruyen
los microorganismos al alterar su ADN:
Radiaciones gamma. Es la más utilizada por su gran
poder de penetración ya que penetra incluso envolturas
de utensilios y recipientes. Como su manejo es peligroso
y caro solo se utiliza en industrias farmacéutica y
alimentaria.
Rayos ultravioleta y radiaciones ionizantes. Son métodos
menos caros y menos peligrosos por lo que son más
utilizados, aunque son menos efectivos.
71. Filtración
Se utiliza para esterilizar líquidos cuando contienen
sustancias delicadas que se estropearían por el
calor (vitaminas, enzimas, etc)
Se hace pasar el líquido por filtros con el poro lo
suficientemente pequeño para retener
microorganismos.
Los filtros más utilizados son los de membrana de
celulosa que, una vez usados, se pueden esterilizar
a su vez con calor seco o húmedo.
72. Productos químicos
Se utilizan productos químicos llamados antisépticos que
eliminan los microorganismos totalmente al impedir su
crecimiento.
Según la dosis pueden funcionar como:
Microbicidas: matan todos los organismos.
Microbiostáticos: no los matan, pero impiden que
germinen y crezcan.
Se utiliza mucho para esterilizar alimentos que de esta
manera no se alteran y duran más tiempo.
73. Pasteurización.
Se eliminan microorganismos vivos (formas vegetativas)
por choque térmico (calor húmedo y presión normal
atmosférica).
Se trata de mantener aplicar calor moderado (unos 70
grados) durante unos segundos.
Las esporas y otras formas de resistencia permanecen por
lo que los productos así tratados hay que mantenerlos en
frío para que no germinen las formas de resistencias que
no se han eliminado.
Se hace sobre todo con alimentos (leche) para que no se
alteren con otros procesos más agresivos.
75. Siembra y Aislamiento
Una vez esterilizados los materiales, se
procederá a sembrar y aislar los
microorganismos.
Se llama siembra a la introducción de
microbios en un medio de cultivo.
Si el medio es líquido se emplea un asa de
siembra para sembrar una muestra sólida, o
una pipeta si vamos a sembrar una muestra
líquida.
76. Siembra y Aislamiento
Si el medio es sólido se puede mezclar:
En profundidad. En este caso, la siembra se
realiza en el fondo de un tubo de ensayo
introduciendo el asa a través del agar (que
constituye el medio sólido).
En superficie. Se hace sobre la superficie del
agar en una placa de Petri.
77. Siembra y Aislamiento
Por estrías. Con el asa de siembra esterilizada a la
llama, se coge un poco de la muestra y se pasa en
zigzag sobre una esquina del medio sólido de la placa
de Petri haciendo estrías con cuidado de no dañar el
agar-agar
Se esteriliza y se hace otra siembra en otra esquina,
pasando por la esquina primera y se repite el proceso
varias veces.
Conforme se van haciendo estrías en zigzag con el
asa, cada vez se van depositando en la superficie del
medio menos microorganismo.
Cada una de las colonias finales derivará de una única
célula
79. Aislamiento
Para microorganismos grandes como algas y
protozoos se utiliza el método llamado directo.
Es el más sencillo, pero solo sirve para
microorganismos grandes, nunca para bacterias.
Se aíslan directamente con una pipeta Pasteur bajo
una lupa binocular.
Pipeta Pasteur
81. Identificación
Consiste en estudiar los microorganismos cultivados para
proceder a su identificación.
Hay varios métodos:
Microscopía. Se visualizan los microorganismos para
identificarlos por su forma o la de sus colonias.
Utilizando tinciones diferenciales identificaremos los
dos grandes grupos de bacterias: Gram+ y Gram-.
En otros microorganismos miraremos si hay esporas,
hifas tabicadas o no, etc.
82. identificación
Bioquímica. Se emplean las llamadas galerías de
identificación, pequeñas cubetas sobre una placa,
cada una con distintas sustancias. Se echa una
porción de muestra en cada una y dará colores
distintos para cada microorganismo
83. identificación
Biología molecular, se aplica en el diagnóstico de
enfermedades infecciosas (también para
diagnosticar tumores). Ni siquiera requieren
cultivo. Se basa en reconocer secuencias
concretas de ADN. Se utilizan sondas que son
fragmentos de ADN complementario de la
secuencia concreta que identifica al microbio. Si
ese microbio está presente, habrá hibridación
con la sonda.