Código PGF 03 R07
COLEGIO SAN FRANCISCO JAVIER
2009 08 V03 Estud iante:
Guía Nº:
5
Profesor:
Johana Villota Narváez. Ricardo Alonso Parada. C.
Grado:
Noveno
Asi gn atu ra:
Biología.
Sección:
ABCD
Tema:
Aplicaciones de la genética.
Fecha:
Ind. de logro:
Argumenta el im pacto de la ingeniería genética. APLICACIONES APLICACIONES DE LA GENETICA GENETICA
Todo organismo, aún el más simple, contiene una enorme cantidad de información. Esta información se encuentra almacenada en una macromolécula que se halla en todas las células: el ADN. Este ADN Este ADN está está dividido en gran cantidad de sub.-unidades (la cantidad varía de acuerdo con la especie) llamadas genes. Cada genes. Cada gen contiene la información necesaria para que la célula sintetice una proteína. Así, el genoma (y por consecuencia el proteoma), va a ser la responsable de las características del individuo. Los genes controlan todos los aspectos de la vida de cada organismo, incluyendo metabolismo, forma, desarrollo y reproducción. Por ejemplo, la síntesis una proteína X hará que en el individuo se manifieste el rasgo "pelo oscuro", mientras que la proteína Y determinará el rasgo "pelo claro". Vemos entonces que la carga genética de un determinado organismo no puede ser idéntica a la de otro, aunque se trate de la misma especie. Sin embargo, debe ser en rasgos generales similar para que la reproducción se pueda concretar. Y ADN, y gracias a la cual fue posible la evolución, es la de dividirse y es que una de las propiedades más importantes del ADN, y fusionarse con el ADN el ADN de otro individuo de la misma especie para lograr descendencia diversificada. Otra particularidad de esta molécula es su universalidad. No importa cuán diferente sean dos especies: el ADN que contengan será de la misma naturaleza: ácido nucleico. Siguiendo este razonamiento, y teniendo en cuenta el concepto de gen, surgen algunas incógnitas: ¿Son compatibles las cargas genéticas de especies distintas? ¿Puede el gen de una especie funcionar y manifestarse en otra completamente distinta? ¿Se puede aislar y manipular el ADN? La respuesta a todas estas preguntas se resume en dos palabras: Ingeniería Genética. Defini Defini ción de Ingeniería Genética Genética La Ingeniería Genética (en adelante IG) es una rama de la genética que se concentra en el estudio del ADN, ADN, pero con el fin su manipulación. En otras palabras, es la manipulación genética de organismos con un propósito predeterminado. La ingeniería genética es una nueva ciencia que se encarga del aislamiento, la multiplicación y modificación de genes para su estudio y aprovechamiento. Mediante técnicas usadas en ingeniería genética es posible: A. Localizar, extraer extraer y purificar purificar un gen. B. Clonarlo, es decir hacer un gran número de copias del gen. C. Transferirlo a un organismo de la m isma especie. especie. D. hacerlo funcionar para que produzca la proteína que codifica. 1. Explica que relación puede existir entre el ADN y la evolución. 2. Explica que Explica que significa que el ADN sea universal. 3. Menciona: Tres procedimi entos que se han logrado realizar con la ingeniería genética. 4. Menciona: Cuatro procedimientos que se han logrado realizar con la ingeniería genética. Apl ic acion aci ones es en l a sal ud. Se conocen unas 3.000 enfermedades genéticas en los humanos, relacionadas con la deficiencia o alteración de un solo gen. El 2% de los recién nacidos sufren alguna de estas estas enfermedades. Actualmente, Actualm ente, se investigan dos técnicas de ingeniería genética relacionadas con el tratamiento de estas enfermedades: la terapia génica génica y la fabricación de sustancias humanas humanas por otros organismos. A: Terapi a géni ca, l a med ic in a del fu tu ro La terapia génica consiste en la introducción de genes en las células de un individuo con el fin de curar, aliviar o prevenir el desarrollo de una enfermedad. En otras palabras, se trata de reemplazar el gen defectuoso por otro gen normal gracias a virus transportadores. La terapia génica puede aplicarse aplicars e a células somáticas o reproductoras.
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En el primer caso, sólo causarán efecto en el individuo que recibe el tratamiento. En el segundo caso, las modificaciones introducidas con los nuevos genes pasarían a la descendencia. Las principales líneas de investigación de la terapia génica van dirigidas a combatir enfermedades como el cáncer o el sida, o las que están producidas por un solo gen como la hemofilia o la talasemia. Las enfermedades que tienen una herencia compleja, en la que intervienen varios genes, tendrán que esperar otras fases de desarrollo de la terapia génica. Entre ellas están la diabetes, la obesidad o la arteriosclerosis. El principal ideal sería administrar la terapia génica por vía i ntravenosa y que la sangre condujera los virus transportadores hacia las células precisas en las cuales tienen que actuar. Para lograrlo, los virus transportadores llevarían en su superficie receptores específicos y sólo se unirían a las células blanco a las que van dirigidos. Actualmente, la terapia génica está en proceso de investigación pero implica varias dificultades técnicas que hacen que no se pueda practicar aún. Entre los problemas están que en la mayoría de los casos no se han identificado los genes responsables y en muy pocas enfermedades se dispone de un mecanismo para incorporar el gen correcto a las células afectadas. Con respecto a esta técnica consulta: 5. Qué es la terapia génica? 6. En qué tipo de células puede aplicarse? 7. A qué tipo de enfermedades va dirigida la terapia génica. Proponga ejemplos. 8. Explica un principio ideal para administrar la terapia génica a un paciente. 9. Qué dificultades puede presentar actualmente la terapia génica? B: Fabricación de sustancias humanas por otros organismos. Ante las dificultades que implica la terapia génica, muchas veces se opta por transferir un gen humano normal a una bacteria, obtener la sustancia requerida a partir de ella y luego inyectarla al enfermo. De esta forma, se puede fabricar proteínas que algunas personas no pueden sintetizar, con relativa facilidad y a bajo costo. El mecanismo es similar al de la terapia génica: se inserta los virus portadores, pero las células blanco son una colonia de bacterias en una caja de Petri y no las células del paciente, lo cual conlleva riesgos evidentemente menores. En la actualidad, se sintetizan de esta forma la i nsulina, la hormona de crecimiento y el factor de coagulación ausente en hemofílicos. Adicionalmente, se fabrica el interferón (IFN) que es de origen animal pero que se utiliza en humanos en el tratamiento de enfermedades víricas como hepatitis, gripe, herpes, rabia, e incluso en algunos casos de cáncer. Con respecto a esta técnica consu lta: 10 Qué opción aparece ante las dificultades que presenta la terapia génica? 11 Explica el mecanismo de aplicación de esta técnica. 12 Qué sustancias se sintetizan en la actualidad bajo esta técnica?. Apli caci ones en l a producci ón agrícola y animal Los organismos eucariotas desarrollados a partir de células modificadas genéticamente se denominan organismos transgénicos . La introducción de genes en organismos eucariotas es más difícil que en bacterias, dado que hay que utilizar formas de penetrar la membrana celular y la pared celular en caso de plantas y hongos. Dos técnicas utilizadas son la microinyección, en la cual se insertan el ADN con una microjeringa, y el uso de una pistola que dispara microbalas de metal recubiertas de ADN. En plantas también se utilizan bacterias parasíticas como vectores del gen. Con respecto a lo anterior 13 Define: Qué es un organismo transgénico? 14 Expli ca: Dos técnicas utilizadas para introducir un gen foráneo en una célula receptora. En animales, se trabaja sobre todo con peces transgénicos, dado que su fecundación externa facilita la manipulación genética. Los principales logros han sido en carpas y salmones transgénicos con una tasa mayor de crecimiento o mayor resistencia al frío. En mamíferos, se ha trabajado con ratones transgénicos a los cuales se les ha añadido varias veces el gen de la hormona de crecimiento, lo cual ha resultado en tamaños mucho mayores. Esto puede tener gran interés en la producción animal. Futuros avances en las técnicas permitirán logros importantes en la agricultura y la ganadería. Algunos de los campos en los que se trabaja más activamente son: Obtención de variedades de plantas que produzcan sus propios fertilizantes, lo que evitaría el enorme gasto en abonos. Actualmente, se trabaja en la inserción en plantas superiores del gen responsable de la fi jación de nitrógeno atmosférico por parte de algunas bacterias y cianobacteri as. De esta forma, las plantas no tendrían que depender del nitrógeno orgánico presente en el suelo, que normalmente es escaso. Frutos con maduraci ón controlada que duren más tiempo en los mercados. Ya se ha comercializado en Estados Unidos una variedad de tomate que se conserva más tiempo. Vegetales con composición de grasas o de azúcares modificada a voluntad. Ya existen variedades transgénicas de trigo más nutritivas. Plantas resistentes a heladas, como algunas variedades de maíz transgénico existentes que fueron fabricadas con genes de peces resistentes al frío. Plantas resistentes a las plagas o a los tratamientos con herbicidas. Variedades de cultivos que puedan desarrollarse en suelos secos o salinos. Sustancias que aumenten la velocidad de desarrollo de los animales de granja. Animales más resistentes a las infecciones y a las vacunas contra enfermedades del ganado. 2
Animales de experimentación portadores de genes humanos. Microorganismos capaces de transformar biológicamente residuos para ser usados en la depuración de aguas y vertidos industriales. 15 Consulta: Seis campos en los que trabaja activamente la IG con respecto a las plantas. 16 Consul ta: Cuatro campos en los que trabaja activamente la I G con respecto a los animales. El Proyecto del Genoma Humano. El proyecto Genoma Humano comenzó en 1990 con el objetivo de conocer la función y localización de los más de 30.000 genes que posee cada ser humano. Su finalidad es conseguir un mapa de los cromosom as humanos, en el cual se indique dónde comienza y acaba cada gen y para qué sirve. Este estudio permitirá conocer el cómo y el porqué de las enfermedades hereditarias y explicar muchas otras incógnitas de la anatomía y fisiología del hombre. Paralelamente, investiga el genoma de otros organismos: la bacteria intestinal Escherichia coli, la mosca de la fruta Drosophila melonogaster y el ratón de laboratorio. El proyecto general tiene implicaciones en diversas áreas como la medicina molecular, la microbiología, la evolución o la medicina forense. El ADN humano analizado en el proyecto proviene de muestras de sangre o de semen de diferentes personas de todo el mundo, hombres y mujeres de muchas razas y etnias diferentes. Una vía de trabajo ha sido conocer en qué orden están los genes y qué distancia hay entre ellos, lo cual se denomina el mapa génico humano . Otra vía es descifrar por medio de computadores la secuencia de nucleótidos de cada gen, proceso llamado secuenciación . A continuación se presenta parte de la información que el proyecto ha logrado arrojar sobre el genoma hasta el momento: El genoma humano contiene 3.167,4 millones (3.167.400.000) de pares de bases. El número total de genes se estima entre 30.000 y 35.000, repartidos entre zonas de alta densidad génica, o centros urbanos, y zona de muy bajo densidad génica, o desiertos . El cromosoma 1 es el que mayor número de genes contiene, 2.968, mientras que el cromosoma Y es el que menos contiene, 231. Las secuencias repetidas que no codifican para proteínas, o ADN basura, comprenden al menos el 50% del genoma humano. El 99,9% de la secuencia de bases es idéntico para todos los humanos. Existen cerca de 1,4 millones (1.400.000) de posiciones en el genoma donde ocurren cambios de una sola base entre individuos, lo cual se asocia con mutaciones. Esta información promete revolucionar la localización de secuencias asociadas con enfermedades genéticas y el trazado de linajes de la historia humana. La tasa de mutaciones en los gametos humanos, espermatozoides y óvulos, es dos veces mayor en hombres que en mujeres. Una de las razones para esto es probablemente la mayor cantidad de divisiones necesarias para crear los espermatozoides, comparado con las divisiones necesarias para crear óvulos. El proyecto promete aún dilucidar muchas más incógnit as que tenemos acerca de nuestro genoma. Sin embargo, con el rápido desarrollo tecnológico, el tiempo estimado para resolver nuestras dudas se reduce cada vez más. Se calcula que en el transcurso de los próximos años, salgan a la luz muchas respuestas a las preguntas formuladas por el proyecto. Con respecto a este proyecto 17 investiga: Cuál es la finalidad de esta investigación. Que permitirá conocer el proyecto genoma humano? En qué áreas del conocimiento tiene aplicación el proyecto genoma humano. Como se realiza y que significa el mapa génico humano y la secuenciación? Menciona Siete alcances que ya se ha logrado con respecto a esta investigación. BIOTECNOLOGIA. (Lectura complementaria) A nivel básico la biotecnología se puede definir como una técnica que utiliza células vivas, cultivo de tejidos o m oléculas derivadas de un organismo como las enzimas para obtener o modificar un producto, mejorar una planta o animal o desarrollar un microorganismo para utilizarlo con un propósito específico. Según esta definición, la fabricación, entre otros, de pan y cerveza que se basa en el empleo de células de levadura es un proceso biotecnológico. La diferencia aportada por la biotecnología moderna es que actualmente el hombre no sólo sabe cómo usar las células u organismos que le ofrece la naturaleza, sino que ha aprendido a modificarlos y manipularlos en función de sus necesidades. La biotecnología tal como la conocemos actualmente empezó en los años 50 con el descubrimiento por James Watson y Francis Crick de la estructura de la molécula de ADN* (ácido desoxirribonucleico) que es donde se almacena la información genética (la herencia) en todos los seres vivos. En contra de lo que pueda parecer, la Biotecnología no es un campo nuevo de actividad empresarial, su desarrollo puede remontarse a varios miles de años atrás cuando el hombre aprendió a producir pan y otros productos como el queso, la cerveza y el vino. El hombre lleva varios miles de años modificando los vegetales que utiliza como alimento. Por ejemplo, las repollitos de Bruselas, la coli flor y el brócoli son variedades artificiales de la m isma planta (aunque no lo parezcan). Lo mismo se puede decir de las decenas de variedades de manzanas, maíz, papas, trigo, entre otros. Los antecedentes salvajes de muchas de estas plantas, cuando existen, son tan poco parecidas que no serían reconocidos como tales por alguien que no fuera experto. En cuanto a la "mezcla de especies", el triticale, un híbrido de trigo y centeno, lleva décadas prosperando en terrenos de mala calidad (útiles para centeno, pero no para trigo), pero con algunas buenas propiedades del trigo, lo que lo hace mucho más valioso para alim entación humana. 3
Sin embargo, la ingeniería genética permite ahora llevar a cabo, en pocos años y de forma controlada, lo que antes podía costar décadas o siglos, o conseguir efectos que sólo estaban en los sueños de los agricultores, pero que eran imposibles con las viejas técnicas de cruce y selección. La ingeniería genética se utilizó inicialmente (por su alto coste) para producir sustancias de usos farmacéutico, como la insulina, modificando genéticamente microorganismos. Con los posteriores desarrollos, se obtuvieron también enzimas para uso industrial, como la quimosina recombinante, utilizada, al igual que la obtenida de estómagos de terneros jóvenes (su fuente original, el "cuajo"), para elaborar el queso. Posteriormente se han obtenido vegetales (y animales) modificados genéticamente para mejorar sus propiedades. Los productos de la biotecnología están alrededor nuestro. El yogurt, la cerveza, el vino y el queso de nuestra heladera son productos de la biotecnología. Los pickles, el pan, y el vinagre de nuestra cocina también lo son. Cientos de años atrás, la gente fue descubriendo, casi por accidente, cómo hacer uso de los procesos biológicos que ocurren dentro de las células vivientes. Sin entender los procesos, podían ver los resultados. Descubrieron, por ejemplo, que ciertos microorganismos, como las bacterias y los hongos podían producir vinagre, cerveza o vino cuando crecían en grandes tinas. Estos procesos fueron llamados fermentación. A través de prueba y error, aprendieron el control de estos procesos y a producir grandes cantidades de un amplio rango de productos. Los científicos actualmente comprenden muchos de estos procesos biológicos y cómo estos ocurren. Esto les ha permitido desarrollar nuevas técnicas para alterar o copiar algunos de estos procesos naturales y por lo tanto lograr una amplia variedad de productos. Algunos, como el queso, son los mismos productos hechos utilizando la biotecnología tradicional, pero con los nuevos métodos son más rápidos, económicos y más confiables. Otros, como algunos de los nuevos productos farmacéuticos no pueden ser fabricados con los métodos antiguos. ¿Cuáles son los benefic ios de la Biot ecnología? La biotecnología ofrece los medios para producir alimentos de mejor calidad, en forma más eficiente y segura para la salud y el medio ambiente. Desde el punto de vista productivo, el uso de estas nuevas tecnologías, permite aumentar la competitividad de países agroexportadores como la Argentina, aumentando los rendimientos, disminuyendo los costos y aumentando la seguridad de la cosecha. Una de las promesas de la biotecnología es generar innovaciones y mejoras en los alimentos conduciendo a prácticas agrícolas más ecológicas, contribuyendo a una agricultura sustentable, que utiliza con respeto los recursos del medio ambiente y sin hipotecar generaciones futuras. ¿Es necesaria la Biotecnol ogía para alimentar al m undo? Sí, porque puede y debe ayudar a cultivar más en medios ambientes que ya no pueden sostener una mayor carga de producción. Se dice que hoy en día hay suficiente alimento pero, sin embargo, todavía un octavo de la población mundial (2.000 millones de seres humanos) vive crónicamente desnutrida. El escenario de los próximos 20 años será sumamente complicado: la demografía pronostica para este período la duplicación de la actual población mundial, lo que supone que para mantener constante la producción de alimentos, ésta no debería duplicarse sino "triplicarse" mientras la tierra cultivable, su capacidad de producción y los recursos hídricos están ya en el límite; es decir que las actuales prácticas agrícolas sólo están contribuyendo a destruir la fertilidad de los suelos. Es por eso que, en los últimos años, el fenómeno de la desertificación se convirtió en uno de los temas centrales de las agendas gubernamentales. La biotecnología puede y debe jugar un rol importante en el desarrollo de nuevos productos agrícolas, pero otros factores, incluyendo tecnologías tradicionales de reproducción y el mejoramiento de las infraestructuras agrícola-ganaderas no serán menos importantes .Una vez más, Norman Borlaug, el padre de la Revolución Verde y Premio Nóbel de la Paz, lo explica de este modo: "Cada año, 90 millones de personas se suman a la demanda de alimentos del planeta. Para hacer frente a estos requerimientos, necesitamos rápidamente aplicar la mayor tecnología posible a la agricultura. Y la biotecnología resulta la menos ofensiva. A diferencia de la naturaleza, es tremendamente rápida y precisa en la incorporación de genes que interesan para el mejoramiento de los cultivos. No estoy interesado en distribuir equitativamente el hambre. A pesar de las reservas existentes, según la FAO hay 800 millones de personas en el planeta que no reciben el alimento suficiente. La resolución de esta situación debe ser prioritaria".
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