apunts 15 - IES Guillem Cifre de Colonya
apunts 15 - IES Guillem Cifre de Colonya
apunts 15 - IES Guillem Cifre de Colonya
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>15</strong><br />
ENGINYERIA<br />
GENÉTICA I<br />
BIOTECNOLOGIA<br />
1. L’enginyeria genètica.<br />
1.1 Concepte<br />
1.2 Tècniques d’enginyeria genètica<br />
2. Biotecnologia. Concepte<br />
3. Biotecnologia industrial<br />
4. Biotecnologia en agricultural, rama<strong>de</strong>ria i<br />
alimentació<br />
4.1 Biotecnologia en plantes<br />
4.2 Biotecnologia en animals<br />
5. Biotecnologia en medicina<br />
5.1 Eines biotecnològiques per al<br />
diagnòstic<br />
5.2 Diagnòstic <strong>de</strong> malalties<br />
5.3 Aplicacions terapèutiques<br />
6. Biotecnologia en ètica i dret<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
1
2<br />
1 L’ENGINYERIA GENÈTICA<br />
1.1 CONCEPTE<br />
L’enginyeria genètica és una tècnica que consisteix en la introducció <strong>de</strong> gens al genoma d’un individu<br />
que n’està mancat.<br />
El 1971, un article <strong>de</strong> Kathleen Danna i Daniel Nathans va marcar l’inici <strong>de</strong> la tecnologia <strong>de</strong> l’ADN<br />
recombinant o engenyeria genètica. Larticle <strong>de</strong>scrivia l’aïllament d’un enzim bacterià<br />
endonucleasa <strong>de</strong> restricció, que és útil per a tallar l’ADN víric en regions en seqüències<br />
específiques.<br />
La tecnologia <strong>de</strong> l’ADN recombinant o engenyeria genètica, és un conjunt <strong>de</strong> tècniques que ens<br />
permeten localitzar, aïllar, sintetitzar, manipular, recombinar i transferir a les cèl.lules seqüències<br />
específiques d’ADN<br />
Les tècniques empra<strong>de</strong>s en la manipulació genètica han obert un camp molt ampli per a l’obtenció<br />
<strong>de</strong> substàncies, medicaments, per a la millora <strong>de</strong> rendiment d’animals i plantes etc.<br />
1.2 TÈCNIQUES D’ENGINYERIA GENÈTICA<br />
Fragmentació <strong>de</strong> l’ADN. Endonucleases <strong>de</strong> restricció.<br />
Una <strong>de</strong> les eines més útils en enginyeria genètica és l’us <strong>de</strong>ls<br />
anomenats enzims o endonucleases <strong>de</strong> restricció que són enzims<br />
aïllats <strong>de</strong> bacteris que són capaços <strong>de</strong> «tallar» l’ADN en uns punts<br />
concrets i així separar els segments que interessen.<br />
Són endonucleases (hidrolizen la molècula en el seu interior) que<br />
fragmenten l’ADN en nombrosos trossos, sempre en seqüències<br />
conegu<strong>de</strong>s d’entre 4 i 8 parell <strong>de</strong> bases, que són els anomenat<br />
fragments <strong>de</strong> restricció. Tallen les dues fibres <strong>de</strong>ixant cues en una<br />
sola fibra (extrems cohesius) que llavors serviran per a la unió, ja<br />
que són complementàries.<br />
Els fragments resultants po<strong>de</strong>n separar-se per electroforesis i així es<br />
coneixen les diferències entre les molècules d’ADN.<br />
S’han aïllat més <strong>de</strong> 800 endonucleases <strong>de</strong> resticció que reconeixen i<br />
tallen l’ADN en seqüències diferents.<br />
Separació i visualització <strong>de</strong>ls fragments d’ADN<br />
Després <strong>de</strong> la fragmentació d’una molècula d’ADN amb els enzims <strong>de</strong><br />
restricció, els fragments <strong>de</strong> restricció obtinguts es po<strong>de</strong>n separar per<br />
mitjà d’electroforesi en gel d’agarosa.<br />
Comparant el tamany <strong>de</strong>ls fragments <strong>de</strong> restricció formats a partir d’una regió gènica <strong>de</strong>terminada,<br />
<strong>de</strong>sprés <strong>de</strong>l seu tractament amb diverses restrictasses es pot elaborar un mapa <strong>de</strong> restricció.<br />
Aquesta tècnica permet comparar diferents regions d’ADN (comparant els mapes <strong>de</strong> restricció)<br />
sense haver <strong>de</strong> seqüenciar tot l’ADN. Ha resultat molt útil per a la localització exacta <strong>de</strong> gens i<br />
<strong>de</strong>terminar la i<strong>de</strong>ntitat o parentiu d’individus..<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova
Localització <strong>de</strong> seqüències d’ADN. Hibridació.<br />
El mèto<strong>de</strong> més emprat per localitzar una seqüència específica d’ADN consisteix en la hibridació <strong>de</strong> l’ADN, que<br />
es basa en el fet que dues molècules d’àcids nucleics <strong>de</strong> ca<strong>de</strong>na senzilla, amb seqüències complementàries <strong>de</strong><br />
nucleòtids, formen un híbrid <strong>de</strong> doble ca<strong>de</strong>na.<br />
Per localitzar una seqüència específica d’ADN per hibridació, es construeixen molècules d’ADN o ARN amb una<br />
seqüència <strong>de</strong> bases complementàries <strong>de</strong> la seqüència <strong>de</strong>l gen que volem localitzar i es marquen <strong>de</strong> manera<br />
fluorescent o radiactiva. Aquestes molècules s’utilitzen com a son<strong>de</strong>s que hibridaran <strong>de</strong> manera selectiva amb<br />
les seqüències d’ADN que cercam.<br />
Síntesi <strong>de</strong> molècules d’ADN recombinant<br />
Per a obtenir una molècula d’ADN recombinant a partir d’ADN<br />
d’organismes diferents, es tracten els ADN <strong>de</strong>ls dos organismes<br />
amb la mateixa endonucleasa <strong>de</strong> restricció. D’aquesta manera,<br />
s’obtenen fragments d’ADN amb extrems cohesius<br />
complementaris que es po<strong>de</strong>n associar entre sí.<br />
Una vegada associats, els fragments d’ADN s’uneixen per mitjà<br />
<strong>de</strong> l’enzim ADN ligasa<br />
Producció <strong>de</strong> còpies d’ADN. Reacció en ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> la polimerasa (PCR)<br />
Per a l’estudi <strong>de</strong> l’estructura <strong>de</strong> l’ADN se’n necessiten grans quantitats. En l’actualitat és possible clonar<br />
ADN sense necessitat <strong>de</strong> cel.lules vives.<br />
El 1983 Kary Mullis va <strong>de</strong>senvolupar una nova tècnica anomenada reacció en ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> la<br />
polimerasa (PCR) que permet amplificar un fragment d’ADN milers <strong>de</strong> milions <strong>de</strong> vega<strong>de</strong>s, en unes<br />
quantes hores, en un tub d’assaig i amb un mecanisme que és bàsicament el mateix que l’utilitzat per les<br />
cèl.lules en el procés <strong>de</strong> replicació.<br />
Aquesta tècnica es fonamenta amb l’ús <strong>de</strong> l’ADN polimerasa per replicar molècules monocatenàries<br />
d’ADN a les quals s’han unit petits fragments d’ADN monocatenari, anomenats encebadors, que tenen<br />
seqüències complementàries <strong>de</strong>ls dos extrems <strong>de</strong> la regió que volem amplificar. Aquests encebadors<br />
serveixen perquè l’ADN polimerasa iniciï la replicació en els punts <strong>de</strong> l’ADN que ens interessen.<br />
Per po<strong>de</strong>r dur a terme la PCR es necessiten els components següents:<br />
- El fragment d’ADN que es vol amplificar.<br />
- Els encebadors, amb seqüències complementàries <strong>de</strong><br />
cada un <strong>de</strong>ls extrems 3’ <strong>de</strong>l fragment d’ADN que es vol<br />
amplificar.<br />
- Un enzim ADN polimerasa resistent al calor, que<br />
s’aïlla <strong>de</strong> bacteris que viuen en ambients sotmesos a<br />
altes temperatures, entre 60 i 80 ºC (per exemple en<br />
fonts termals), com ara l’espècie Thermus aquaticus<br />
- Els quatre tipus <strong>de</strong> <strong>de</strong>soxirribonucleòtids trifosfat i<br />
altres cofactors <strong>de</strong> l’ADN polimerasa (ions monovalents i<br />
divalents) en un amortidor a<strong>de</strong>quat.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
3
Aquests reactius es mesclen en un tub d’assaig que s’introdueix en<br />
un aparell anomenat termociclador, que fa cicles <strong>de</strong> tres etapes:<br />
4<br />
1. Desnaturalització, en que s’eleva la temperatura a 90-<br />
100º C per separar les ca<strong>de</strong>nes <strong>de</strong>l fragment d’ADN que<br />
es vol amplificar.<br />
2. Hibridació (o alineament), a una temperatura d’uns 50º C,<br />
que permet la hibridació <strong>de</strong>ls encebadors amb les<br />
seqüències complementàries en cada una <strong>de</strong> les ca<strong>de</strong>nes<br />
d’ADN.<br />
3. Elongació (o extensió) , a uns 70º C, <strong>de</strong> temperatura a la<br />
qual l’ADN polimerasa és activa i sintetitza les ca<strong>de</strong>nes<br />
noves d’ADN.<br />
Aplicacions <strong>de</strong> la PCR<br />
- Seqüenciació: Generació <strong>de</strong> suficient ADN.<br />
- Estudis d’expressió: Es pot utilitzar per a estudi d’ARNm. Serveix per conèixer quan s’expressen gens<br />
tumorals o vírics i, en conseqüència, si es efectiva, o no, una teràpia<br />
- Biologia evolutiva: Degut a que pot ampliar molt petites quantitats d’ADN permet analitzar teixits<br />
d’espècies extingi<strong>de</strong>s (mamut, humans primitius...) i construir arbres filogenètics. L’ADN mitocondrial ha<br />
estat emprats per a molt estudis evolutius<br />
- Mapes <strong>de</strong> cromosomes. Ha permès po<strong>de</strong>r realitzar el mapa <strong>de</strong>l genoma humà.<br />
- Diagnòstic: És el <strong>de</strong> major impacte. Tècnica i<strong>de</strong>al per a diagnòstic prenatal i d’enfermetats hereditàries<br />
(amniocentesi etc)<br />
- Medicina forense i proves <strong>de</strong> paternitat: Ha permès <strong>de</strong>terminar la i<strong>de</strong>ntitat d’una persona<br />
<strong>de</strong>sconeguda a partir d’un cabell, gota e sang, etc.<br />
Inserció <strong>de</strong> gens. Ús <strong>de</strong> vectors<br />
Per a la inserció <strong>de</strong> gens cal la utilització <strong>de</strong> vectors, entre els quals els més utilitzats són:<br />
El plasmidi bacterià<br />
Un plamidi és un petit ADN circular <strong>de</strong> doble hèlix <strong>de</strong>l qual hi<br />
pot haver uns quants exemplars (<strong>de</strong> 20 à 50) en un mateix<br />
bacteri. Són com minicromosomes que es dupliquen<br />
autònomament.<br />
Si gràcies a la lisi <strong>de</strong>ls bacteris que<strong>de</strong>n lliures al medi, po<strong>de</strong>n penetrar dins d'altres bacteris, procés<br />
anomenat transformació, especialment si les membranes es fan permeables a l'ADN per l'addició<br />
<strong>de</strong> clorur càlcic. Els bacteris receptors adquireixen així les propietats <strong>de</strong>ls gens que hi ha al<br />
plasmidi.<br />
Per saber quins bacteris han sofert aquesta transformació, s'afegeixen, a més d ' aquest ADN, gens<br />
que codifiquen proteïnes <strong>de</strong>gradadores d'antibiòtics als plasmidis que s ' utilitzen com a vectors d ' un<br />
ADN passatger. Aquesta circumstància <strong>de</strong>sprés permet seleccionar els bacteris que han integrat el<br />
plasmidi, ja que són les úniques que sobreviuen en un medi amb antibiòtics.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova
Els virus<br />
Els virus també s'utilitzen coma vectors. Quan un virus<br />
infecta un bacteri i s'inicia el cicle lític, <strong>de</strong>strueix l'ADN<br />
cel . lular, es replica l ' ADN víric i se sintetitzen les<br />
proteïnes <strong>de</strong> la càpsida.<br />
Posteriorment, els ADN vírics s'encapsulen i es formen<br />
nous virus. De vega<strong>de</strong>s, per error, s' encapsulen<br />
segments <strong>de</strong> l'ADN bacterià. Aquests virus <strong>de</strong>fectius<br />
po<strong>de</strong>n infectar un segon bacteri, i introduir un segment<br />
<strong>de</strong> l’ADN <strong>de</strong>l bacteri hoste anterior, procés que<br />
s’anomena transducció.<br />
El cosmidis<br />
Els cosmidis són un tipus <strong>de</strong> plasmidis que contenen els extrems complementaris <strong>de</strong>l genoma <strong>de</strong>l<br />
fag λ els anomenats extrems COS. Això els permet introduir-se en la càpsi<strong>de</strong> <strong>de</strong>l fag i així passar a<br />
l’interior <strong>de</strong>ls bacteris.<br />
Inserció <strong>de</strong> gens<br />
Com ja s’ha esmentat per a possibilitar la inserció <strong>de</strong> l'ADN passatger a l'ADN vector, és convenient<br />
tallar-los tots dos amb el mateix enzim <strong>de</strong> restricció. Aquests tallen en un punt <strong>de</strong>terminat, situat en<br />
unes seqüències (anomena<strong>de</strong>s palindròmiques) que són iguals en els dos filaments i que<br />
presenten simetria segons la complementarietat <strong>de</strong> les bases. D’aquesta manera els segments<br />
cohesius faciliten la formació d'ADN recombinants.<br />
Com que en els procariotes no hi ha procés <strong>de</strong> maduració <strong>de</strong> l' ARNm, si es vol intercalar un gen<br />
eucariòtic en un bacteri, no es pot introduir un segment d ' ADN amb introns i exons, sinó que s’ha<br />
d ' utilitzar un enzim d'origen víric, anomenat transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, per produir<br />
ADN a partir d ' un filament d' ARNm madur (molècula en la qual ja no hi ha introns).<br />
Posteriorment s'ha <strong>de</strong> duplicar perquè es formi ADN <strong>de</strong> doble hèlix anomenat ADN complementari<br />
(ADNc), i finalment introduir-lo en un vector (un virus o un plasmidi) perquè el transporti a l' interior <strong>de</strong>l<br />
bacteri.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
5
Els gens que s'han d ' introduir, l'anomenat ADN passatger pot provenir <strong>de</strong>ls elements següents:<br />
6<br />
- ADN d'una cèl . lula que ha estat fragmentat enzims <strong>de</strong> restricció.<br />
- ARNm aïllat, que s'utilitza com a motlle per fabricar un ADN (gràcies a la transcriptasa<br />
inversa)<br />
- ADN sintetitzat artificialment. Això permet introduir mutacions i elaborar nous enzims<br />
(enzims disseny).<br />
Els dos darrers processos permeten que un bacteri (organisme en el qual no hi ha maduració <strong>de</strong><br />
l’ARNm) pugui fabricar proteïnes <strong>de</strong> cel·lules euçariotes, els gens <strong>de</strong> les . quals solen presentar<br />
introns i exons.<br />
Seqüènciació. Tècnica Sanger<br />
Existeixen diverses tècniques <strong>de</strong> seqüènciació, la més emprada és la tècnica di<strong>de</strong>soxi o tècnica<br />
Sanger.<br />
Com a motlle s’utilitza una versió monocatenària <strong>de</strong> l’ADN<br />
que s’ha <strong>de</strong> seqüènciar. S’empra com a encebador per a<br />
iniciar la síntesi <strong>de</strong> l’ADN un curt oligonucleòtid<br />
complementari. La base <strong>de</strong> la tècnica està en la introducció<br />
<strong>de</strong> di<strong>de</strong>soxinucleòtids (ddNTP), és a dir nucleòtids<br />
modificats <strong>de</strong> manera que el grup –OH <strong>de</strong>l carboni 3’ està<br />
substituït per un –H. Una vegada units a una ca<strong>de</strong>na d’ADN,<br />
aquesta ja no pot crèixer ja que no té l’extrem –OH en<br />
posició 3’ (necessari per a l’addició <strong>de</strong> nucleòtids), així<br />
doncs la incorporació d’un ddNTP implica el final <strong>de</strong> la<br />
ca<strong>de</strong>na.<br />
Per a la realització d’aquesta tècnica es necesiten 4 tubs<br />
separats; cada tub conté els nucleòtids necessaris per a la síntesi d’ADN. Un d’ells, el que actua<br />
d’encebador, està marcat radiactivament. A més cada tub conté un <strong>de</strong>ls ddNTP per acabar la ca<strong>de</strong>na.<br />
D’aquesta manera, per exemple, al tub G, hi ha ddGTP que s’incorpora a les ca<strong>de</strong>nes que s’estan<br />
sintetitzant, i la bloquejaran, just quan l’ADN moncatenari que es vulgui seqüenciar hi hagi un nucleòtid<br />
<strong>de</strong> citosina (complementari a G).<br />
Posteriorment els fragments <strong>de</strong>ls quatre tubs, es passen a les plaques <strong>de</strong> gel I es radiografien per a<br />
obtenir les ban<strong>de</strong>s corresponents.<br />
Selecció <strong>de</strong> transformants amb ADN clonat. Hibridació <strong>de</strong> colònies<br />
La selecció <strong>de</strong> cèl.lules transforma<strong>de</strong>s amb ADN clonat és una <strong>de</strong> les tècniques més dificultoses ja que<br />
es parteix d’un gran mombre <strong>de</strong> fragments d’ADN que es clonen en bacteris formant com una biblioteca<br />
genòmica, un reservori per a l’obtenció <strong>de</strong> gens.<br />
Es fa necessari, doncs, algun sistema per a “pescar” el clon que volem entre la resta <strong>de</strong> la biblioteca<br />
genòmica. Per això cal emprar una sonda que actui com a “ham”, específic.<br />
La tècnica consisteix en agafar un ARNm que codifica per a la proteïna que volem (per exemple insulina<br />
<strong>de</strong>l pàncreas) i mitjançant la transcriptassa inversa se sintetiza l’ADN corrresponent. Aquest ADNc és la<br />
sonda necessari per a extreure la seqüència o gen que interessa la biblioteca genòmica.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova
2 BIOTECNOLOGiA. CONCEPTE<br />
El terme biotecnologia va ser creat per l'enginyer hongarès Karl Ereky en 1917 per <strong>de</strong>scriure processos<br />
en els quals es formaven productes a partir <strong>de</strong> materials crus, amb l'ajuda <strong>de</strong> l'activitat metabòlica<br />
d'organismes vius.<br />
Avui el terme biotecnologia engloba tot tipus <strong>de</strong> producció industrial <strong>de</strong> "béns i serveis" per mitjà <strong>de</strong><br />
processos que utilitzen organismes, sistemes o processos biològics. Els processos industrials que<br />
utilitzen microorganismes per a l'obtenció <strong>de</strong>ls seus productes constitueix la anomenada biotecnologia<br />
microbiana<br />
3 LA BIOTECNOLOGIA A LA INDUSTRIA<br />
Producció d’aliments i begu<strong>de</strong>s<br />
La producció d'aliments i begu<strong>de</strong>s per fermentació constitueixen avui dia un sector molt important dins <strong>de</strong><br />
la indústria alimentària. Les fermentacions més rellevants són:<br />
La fermentació làctica, <strong>de</strong>staca l'elaboració <strong>de</strong>l iogurt (que es<br />
fabrica fermentant llet sencera amb dos bacteris làctics,<br />
Streptococcus thermophilus i Lactobacillus bulgaricus, i <strong>de</strong>l<br />
formatge format per bacteris que converteixen la lactosa <strong>de</strong> la llet<br />
en àcido làctico que acidifica la llet, la qual cosa provoca una<br />
coagulació i precipitació <strong>de</strong> les proteïnes làctiques, separàndose la<br />
quallada <strong>de</strong>l sèrum.<br />
L'art <strong>de</strong> fabricar formatges <strong>de</strong>pèn <strong>de</strong> la naturalesa <strong>de</strong>ls bacteris que<br />
s'empren com *iniciadores, les quals constitueixen un <strong>de</strong>ls factors<br />
que <strong>de</strong>terminen el tipus <strong>de</strong> formatge resultant. Altres factors són la<br />
presència o absència d'un flora bacteriana secundària i la temperatura <strong>de</strong> fabricació.<br />
La fermentació alcohòlica. Cal esmentar l'elaboració <strong>de</strong> begu<strong>de</strong>s alcohòliques, tals<br />
com el vi (fermentació <strong>de</strong>l raïm per l'acció <strong>de</strong> Saccharomyces ellipsoi<strong>de</strong>us), <strong>de</strong> la<br />
cervesa (S. Cerevisiae) i <strong>de</strong> les begu<strong>de</strong>s <strong>de</strong>stil·la<strong>de</strong>s.<br />
La fermentació acètica com la produïda pels bacteris <strong>de</strong>l gènere Acetobacter i<br />
Gluconobacter<br />
Cal <strong>de</strong>stacar també la producció d'aliments per a animals a força <strong>de</strong> proteïnes<br />
unicel.lulars o proteïnes microbianes, espècie <strong>de</strong> pinso elaborat amb cèl·lules<br />
senceres <strong>de</strong>sseca<strong>de</strong>s i premsa<strong>de</strong>s.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
7
Elaboració <strong>de</strong> productes químics industrials i combustibles<br />
Els microorganismes fabriquen multitud <strong>de</strong> productes químics d'ús industrial que s'empren com a<br />
dissolvents, combustibles, lubrificants, adhesius, acidulantes, extractors, plàstics, explosius, propulsors,<br />
pestici<strong>de</strong>s, colorants, cosmètics, aromatizantes, etc. Entre elles figuren, com més importants <strong>de</strong>s d'un<br />
punt <strong>de</strong> vista econòmic, les següents:<br />
- Enzims, que s'exploten principalment com a <strong>de</strong>scomponedors <strong>de</strong> grans molècules, com les proteasas<br />
que <strong>de</strong>gra<strong>de</strong>n proteïnes i s'utilitzen com a agents <strong>de</strong> neteja en <strong>de</strong>tergents i com a coadjuvants <strong>de</strong> la<br />
digestió en pinsos per a animals. Les amilases trenquen el midó per produir glucosa.<br />
- Compostos orgànicos alifàticos com dissolvents (etanol, acetona i glicerol), àcidos orgànicos<br />
industrials (acètic, cítric i làctic)<br />
- Aminoàcidos. Recordam que <strong>de</strong>ls 20 aminoàcids que formen les proteïnes, vuit no els sintetitza el<br />
nostre cos; d'aquests, la lisina i la metionina es fabriquen per enriquir pinsos. L’àcido glutàmico (en forma<br />
<strong>de</strong> glutamoato monosòdic) s'usa com a potenciador <strong>de</strong>l sabor.<br />
Producció <strong>de</strong> fàrmacs<br />
L'aplicació <strong>de</strong> la microbiologia en la indústria farmacèutica, va suposar una autèntica revolució. Els<br />
avanços obtinguts en el coneixement <strong>de</strong>ls microorganismes i en les tècniques <strong>de</strong> la seva manipulació<br />
genètica troben avui la seva aplicació rutinària en la i<strong>de</strong>ntificació <strong>de</strong> noves substàncies terapèutiques.<br />
Entre els productes d'interès per a la indústria farmacèutica tenim:<br />
- Agents antiinfecciosos (antibiòtics d'ampli i mig espectre, sulfonamidas, vacunes, drogues<br />
antifúngicas, etc.), Des d'una perspectiva comercial clínica, els antibiòtics constitueixen la base més<br />
importants <strong>de</strong> fàrmacs que s'obté <strong>de</strong>ls microbis. Són metabòlits secundaris, <strong>de</strong> manera que la seva<br />
acumulació es produeix <strong>de</strong>sprés <strong>de</strong>l creixement <strong>de</strong> les cèl·lules que els síntetizan.<br />
- Enzims, vitamines i esteroi<strong>de</strong>s. Una fita en la producció <strong>de</strong> fàrmacs per microorganismes va ser la<br />
síntesi d'un pèptid humà, la somatostatina, per una cèl·lula bacteriana. Gràcies a les tècniques <strong>de</strong> l'ADN<br />
recombinant es va aconseguir fabricar el gen <strong>de</strong> la somatostatina coneixent la seqüència <strong>de</strong> aminoàcidos<br />
que codifica. El pèptid s'elabora en el hipotalamo humà per regular la síntesi <strong>de</strong> l'hormona <strong>de</strong>l creixement<br />
i <strong>de</strong> la insulina.<br />
8<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova
Altres substàncies fabrica<strong>de</strong>s posteriorment per enginyeria genètica són:<br />
La insulina<br />
L'hormona <strong>de</strong>l creixement.<br />
L’interferó que actua com a agent antitumoral i contra malalties víriques.<br />
La vacuna contra l'hepatitis B<br />
El factor VIII <strong>de</strong> la coagulació <strong>de</strong> la sang, (que falta en els hemofílicos)<br />
Aplicacions minerals<br />
En l’àmbit <strong>de</strong> la mineria, s'usen microorganismes per a l'extracció <strong>de</strong> metalls pesats, metalls preciosos,<br />
urani...<br />
En els mèto<strong>de</strong>s <strong>de</strong> recuperació <strong>de</strong> petroleo s'afegeixen <strong>de</strong>termina<strong>de</strong>s substàncies produï<strong>de</strong>s per<br />
microorganismes, a l'aigua en els pous <strong>de</strong> petroli, para per fer-la mes viscosa i que sigui més fàcil <strong>de</strong><br />
bombar.<br />
En la mineria, els jaciments amb baixes concentracions <strong>de</strong> menes no po<strong>de</strong>n explotar-se <strong>de</strong> forma<br />
convencional pel seu alt cost us <strong>de</strong> mines <strong>de</strong> molts països es estan recolzant en la utilització <strong>de</strong><br />
microorganismes que extreuen i concentren els metalls valuosos.<br />
Aplicacions medioambientals<br />
Els microorganismes po<strong>de</strong>n servir-nos <strong>de</strong> gran ajuda davant diferents problemes mediambientals,<br />
mitjançant diferents tècniques <strong>de</strong> biorremediació, com per exemple:<br />
La contaminació <strong>de</strong> les aigües utilitza<strong>de</strong>s per les indústries i als domicilis, és a dir, les aigües residuals.<br />
Les plantes <strong>de</strong> tractament requereixen <strong>de</strong> sistemes <strong>de</strong> biorremediación mitjançant bacteris que eliminen<br />
metalls pesats que acumulen en el seu citoplasma (alguns Thiobacillus), urani (Pseudomonas<br />
aeruginosa), hidrocarburs (certes Pseudomonas) i tota una <strong>de</strong> productes contaminants.<br />
Les marees negres i els rentats <strong>de</strong>ls tancs <strong>de</strong>ls petroliers Per a això s’empren diferents ceps <strong>de</strong><br />
Pseudomonas que po<strong>de</strong>n consumir diferents hidrocarburs.<br />
Altres problemes que s'estan intentant solucionar amb l'ajuda <strong>de</strong> microorganismes són: els residus<br />
sòlids urbans (la seva part orgànica pot usar-se per obtenir compost o metà), olis <strong>de</strong> cotxes usats, purins<br />
<strong>de</strong> porcs i vaques...<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
9
Un protoplast és una cèl·lula vegetal <strong>de</strong>sproveïda <strong>de</strong> la seva paret cel·lular. La fusió <strong>de</strong> protoplastos,<br />
que pot aconseguir-se mitjançant fusógenos, proporciona la transferència <strong>de</strong> tot el genoma d'una<br />
cèl·lula vegetal a una altra cèl·lula vegetal <strong>de</strong> diferent espècie.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
10<br />
4<br />
LA BIOTECNOLOGIA EN AGRICULTURA,<br />
RAMADERIA I ALIMENTACIÓ<br />
4.1 BIOTECNOLOGIA EN PLANTES<br />
Plantes transgèniques<br />
Les plantes transgèniques són aquelles el genoma <strong>de</strong> les quals ha estat modificat per enginyeria<br />
genètica, per introduir-hi un o diversos gens nous o per modificar la funció d’un gen propi que permeti<br />
canviar alguna <strong>de</strong> les característiques, com també el nou gen es transmeti a la <strong>de</strong>scendència.<br />
En les plantes transgèniques la modificació genètica es fa <strong>de</strong> manera dirigida i afecta a un nombre reduït<br />
<strong>de</strong> gens, per això les varietats transgèniques no difereixen gaire <strong>de</strong> les no trnasgèniques.<br />
La producció d’una planta transgència es basa en dues etapes:<br />
- La transformació, es a dir, la inserció d’un gen (transgèn) en el genoma d’una cèl.lula <strong>de</strong> la planta.<br />
- La regeneració. Consisteix en l’obtenció d’una planta completa a partir d’aquesta cèl.lula vegetal<br />
transformada.<br />
Tècniques més empra<strong>de</strong>s en biotecnologia en plantes<br />
Tècniques <strong>de</strong> manipulació <strong>de</strong> cultius cel.lulars<br />
Plantes senceres, part d'elles i fins i tot cèl·lules úniques po<strong>de</strong>n fer-se créixer en cultius estèrils líquids,<br />
que continguin mitjans nutritius a<strong>de</strong>quats. Es coneixen diferents tècniques <strong>de</strong> cultiu:<br />
- La micropopagació, permet clonar en poc temps gran nombre <strong>de</strong> plantes. Es fa per exemple a partir<br />
<strong>de</strong> cultius meristemàtics, obtinguts <strong>de</strong> gemmes, o cultius <strong>de</strong> cèl·lules aïlla<strong>de</strong>s per disgregació.<br />
- La manipulació <strong>de</strong> la ploidía o producció d'haploi<strong>de</strong>s consisteix en la producció <strong>de</strong> plantes<br />
haploi<strong>de</strong>s mitjançant el cultiu d'anteres i d'ovaris.<br />
- Les plantes haploi<strong>de</strong>s són especialment útils en producció <strong>de</strong> línies homocigóticas, és a dir línies pures<br />
per a futurs hibridacions i per a <strong>de</strong>tecció i selecció <strong>de</strong> mutants recessius.<br />
Técniques <strong>de</strong> modificació genètica <strong>de</strong> cultius cel.lulars<br />
Les cèl·lules cultiva<strong>de</strong>s po<strong>de</strong>n sotmetre's a tractaments que modifiquin el seu patrimoni genètic.<br />
- La transformació <strong>de</strong> cèl·lules intervinguda per Agrobacterium tumefaciens.<br />
Aquest bacteri, present en el sòl, és patògena <strong>de</strong> plantes dicotiledònies, a les quals els produeix un<br />
tumor<br />
Aquest fenomen natural és emprat per utilitzar al bacteri com a vector <strong>de</strong> gens que es <strong>de</strong>sitgin introduir<br />
en una cèl·lula vegetal.<br />
- La fusió <strong>de</strong> protoplasts
- Una altra tècnica és la electrofusión, que consisteix a aplicar un pols elèctric <strong>de</strong> curta durada amb la<br />
qual cosa es formen porus en la membrana i es fusionen els protoplasts. Així s'ha pogut per exemple<br />
hibridar patata comercial amb patata silvestre molt més resistent a l'atac <strong>de</strong> virus.<br />
- La selecció <strong>de</strong> mutants permet obtenir plantes amb alguna característica que interessi, com a<br />
resistència a herbici<strong>de</strong>s, a plagues, o la fabricació d'alguna substància d'interès.<br />
Els mutants es produeixen mitjançant el tractament amb mutagens químics com etilmetilsulfonat (EMS),<br />
o mutagens físics (rajos gamma, X i ultraviolada)<br />
- La transferència directa <strong>de</strong> gens permet introduir un gen <strong>de</strong> qualsevol espècie <strong>de</strong> cèl·lula vegetal,<br />
que <strong>de</strong>sprés regenerarà una planta transgènica. La transferència directa d'ADN estrany s'aconsegueix<br />
mitjançant:<br />
Mèto<strong>de</strong>s químics, com l'ús <strong>de</strong> polietilenglicol (fusógeno)<br />
Electroporació; la microinjecció usant pipetes d'injecció especials; i mitjançant l'ús <strong>de</strong> liposomes,<br />
vesícules que transporten en el seu interior un fragment d'ADN.<br />
La transformació biolística o perdigonada. Aquesta tècnica es basa a bombar<strong>de</strong>jar cèl·lules<br />
vegetals partícules <strong>de</strong> tungstè o d'or (perdigons) en la superfície <strong>de</strong>ls quals van feri<strong>de</strong>s molècules<br />
d'ADN amb els gens que interessin. Així s'han aconseguit plantes transgèniques <strong>de</strong> cereals com a<br />
blat i blat <strong>de</strong> moro.<br />
Utilitats <strong>de</strong> les plantes transgèniques<br />
La producció <strong>de</strong> plantes transgènciques permet obtenier varietats <strong>de</strong> cultius amb noves característiques<br />
d’interès, coma ara:<br />
- Millorés <strong>de</strong> processos bàsics <strong>de</strong> les plantes com la fotosíntesi i la fixació <strong>de</strong> nitrogen<br />
atmosfèric.<br />
- Fabricació <strong>de</strong> metabòlits secundaris <strong>de</strong> plantes d'interès farmacèutic: fàrmacas, essències,<br />
perfums, pigments i plaguici<strong>de</strong>s.<br />
- Conservació d'espècies i varietats vegetals en perill d'extinció.<br />
- Resistència a herbici<strong>de</strong>s, patògens i factors d'estrès (com a calor, fred, salinitat, sequera,<br />
inundació, etc)<br />
Per exemple s'han clonat plantes <strong>de</strong> tabac en les quals s'ha introduït una toxina proteïca d'un<br />
bacteri (Bacillus thuringiensis) enfront <strong>de</strong>l <strong>de</strong>senvolupament <strong>de</strong> larves <strong>de</strong> lepidòpters i<br />
<strong>de</strong>mosquitos.<br />
- Productes agrícoles <strong>de</strong> millor qualitat i durada per a un millor almacenamiento, millor sabor etc<br />
Els avantatges fonamentals <strong>de</strong> les plantes transgèniques són:<br />
- Els gens que s’incorporen po<strong>de</strong>n ser <strong>de</strong> qualsevol procedència i no és necessari que es trobin<br />
en plantes que puguin ser hibrida<strong>de</strong>s entres si.<br />
- En la planta transgènica es pot introduir un únic gen nou, amb la qual cosa es preserven en la<br />
seva <strong>de</strong>scendència els altres gens <strong>de</strong> la planta original.<br />
- El procés es duu a terme en molt menys temps.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
11
12<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova
4.2 LA BIOTECNOLOGÍA EN ANIMALS<br />
Igual que les plantes, en els animals es po<strong>de</strong>n aplicar tècniques <strong>de</strong> reproducció in vitro, cultiu <strong>de</strong><br />
cèl·lules i teixits cel·lulars i manipulació <strong>de</strong>l material genètic.<br />
Transgènesis en animals<br />
La transgènesis es pot <strong>de</strong>finir com la introducció d'ADN en un genoma, <strong>de</strong> manera que es mantingui<br />
estable <strong>de</strong> forma hereditària i afecti a totes les cèl·lules en els organismes multicel.lulars.<br />
Generalment, en animals, l'ADN estrany, anomenat transgén, s'introdueix en zigots, i els embrions<br />
que hagin integrat l'ADN estrany en el seu genoma, prèviament a la primera divisió cel·lular,<br />
produiran un organisme transgènic; <strong>de</strong> manera que el transgén passés a les següents generacions a<br />
través <strong>de</strong> la línia germinal (gàmetes).<br />
Les aplicacions <strong>de</strong>ls animals transgènics són múltiples:<br />
Estudiar a nivell molecular el <strong>de</strong>senvolupament embrionari i la seva regulació.<br />
Manipular <strong>de</strong> forma específica l'expressió gènica in vivo.<br />
Estudiar la funció <strong>de</strong> gens específics.<br />
L'ús <strong>de</strong> mamífers com biorreactores per a la producció <strong>de</strong> proteïnes humanes.<br />
La correcció d'errors innats <strong>de</strong> metabolisme mitjançant teràpia gènica.<br />
La transgènesis pot efectuar-se seguint dues estratègies:<br />
- Transgénesis per microinjecció <strong>de</strong> zigots.<br />
Des que en 1982 s'obtingués un ratolí transgènic, la producció d'animals transgènics es fa cada<br />
vegada més quotidiana, existint ja exemplars transgènics <strong>de</strong> les següents espècies: ratolí, rata,<br />
conill, porc, vaca, cabra i ovella.<br />
- Transgénesis per manipulació <strong>de</strong> cèl·lules embrionàries.<br />
Una estratègia molt més po<strong>de</strong>rosa per a la<br />
transgènesis implica la introducció d'ADN<br />
estrany en cèl·lules embrionària totipotentes<br />
(cèl·lules ÉS) o cèl·lules embrionàries mare<br />
(cél EM).<br />
Es prenen <strong>de</strong> l'interior <strong>de</strong>l blastocist (blàstula)<br />
en <strong>de</strong>senvolupament i són passa<strong>de</strong>s a un<br />
mitjà que conté una substància amb activitat<br />
inhibidora <strong>de</strong> la diferenciació, mantenint el<br />
seu estat embrionari<br />
L'ADN estrany pot introduir-se en les cèl·lules<br />
ÉS mitjançant diverses tècniques com<br />
electroporació, transfecció o microinjecció;<br />
posteriorment, les cèl·lules transfectadas són<br />
reintroducidas en un blastocisto i es<br />
reimplanta en una femella pseudoprenada.<br />
Amb aquesta tècnica els nounats són<br />
quimeres, però mitjançant l'encreuament<br />
d'aquestes s'aconsegueixen animals<br />
transgènics a partir d'aquelles quimeres que<br />
hagen incorporat el transgen en el seu línia<br />
germinal.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
13
Clonació d'animals<br />
El principi <strong>de</strong> la clonació està l'obtenció d'organismes idèntics genèticament, i per tant morfologicament i<br />
fisiològicament, com el són dos bessons univitelins. Aconseguir clons d'animals se solen utilitzar dos<br />
mèto<strong>de</strong>s:<br />
- Per disgregació <strong>de</strong> cèl·lules embrionàries<br />
Es basa en el mateix principi pel qual naixen bessons <strong>de</strong><br />
forma natural. Els investigadors separen les cèl·lules d'un<br />
embrió en diferents estats <strong>de</strong> <strong>de</strong>senvolupament, <strong>de</strong>s <strong>de</strong> l'estat<br />
<strong>de</strong> 2 cèl·lules fins a l'estat <strong>de</strong> mòrula. Cada cèl·lula separada<br />
pot funcionar com un zigot que inicia <strong>de</strong> nou tot el procés <strong>de</strong><br />
diferenciació <strong>de</strong>s <strong>de</strong>l principi.<br />
- Per transferència nuclear<br />
Per a això es prenen cèl·lules<br />
embrionàries en fase <strong>de</strong> mòrula o blàstula<br />
per disgregació, es cultiven in vitro i, a<br />
continuació, es transfereixen a ovòcits<br />
enucleats (als quals se'ls ha retirat el seu<br />
nucli). Es provoca la fusió <strong>de</strong> les dues<br />
cèl·lules animals <strong>de</strong> manera que el nucli<br />
<strong>de</strong> la cèl·lula embrionària diploi<strong>de</strong> quedi a<br />
l'interior <strong>de</strong> l'ovòcit, po<strong>de</strong>nt aquest<br />
començar a funcionar com un zigot.<br />
Com més diferencia<strong>de</strong>s estiguen les<br />
cèl·lules donants <strong>de</strong> material genètic, més<br />
difícil és aconseguir la reprogramació<br />
d'aquest material genètic, perquè puga<br />
iniciar la diferenciació <strong>de</strong> la cèl·lula<br />
receptora.<br />
En l'actualitat és possible obtenir clons <strong>de</strong><br />
cèl·lules totalment diferencia<strong>de</strong>s d'un<br />
animal adult que actuen com a donants<br />
<strong>de</strong>l seu material genètic, com va ocórrer<br />
en el cas <strong>de</strong> l'ovella Dolly.<br />
14<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova
5 LA BIOTECNOLOGIA EN MEDICINA<br />
5.1 EINES BIOTECNOLÒGIQUES PER AL DIAGNÒSTIC CLÍNIC<br />
Els biosensors<br />
Un biosensor és un dispositiu d’anàlisi, sensor, que utilitza un ésser viu o un producte <strong>de</strong>rivat d’un ésser<br />
viu, com són els anticossos o enzims. Els més freqüents fan servir enzims, que permeten modificar <strong>de</strong><br />
manera específica una substància continguda en una mescla complexa com ara la sang o l’orina.<br />
Els sensors enzimàtics més fàcils d’utilitzar i els que donen resultats més precisos contenen un enzim<br />
directament unit a un element electrònic, per exemple, un elèctro<strong>de</strong>, que mesura la intensitat <strong>de</strong> la<br />
reacció enzimàtica i, d’aquesta manera, <strong>de</strong>termina la concentració <strong>de</strong>l compost que es vol analitzar:<br />
sang, orina, aigües residuals, etc<br />
Els bioxips<br />
Un bioxip és un suport sòlid, generalment vidre, en el qual es dipositen milers <strong>de</strong> minúscules taques <strong>de</strong><br />
molècules d’ADN <strong>de</strong> ca<strong>de</strong>na senzilla. Hi ha diferents tipus <strong>de</strong> xips <strong>de</strong>penent <strong>de</strong> si utilitzen oligonucleòtids<br />
o fragments d’ADN<br />
La utilitat d’aquests xips d’ADN es basa en la capacitat <strong>de</strong>ls àcids nucleics <strong>de</strong> ca<strong>de</strong>na senzilla per<br />
reconèixer altres molècules <strong>de</strong> ca<strong>de</strong>na senzilla que continguin una seqüència complementària i<br />
aparrellar-s’hi (hibridar). Gràcies a aquesta propietat, els bioxips s’utilitzen per i<strong>de</strong>ntificar molècules<br />
d’ARN o d’ADN contingu<strong>de</strong>s en una mostra <strong>de</strong>terminada, com pot ser un teixit d’un tumor, per al<br />
diagnòstic clínic i ent erapèutica.<br />
A mesura que sigui possible i<strong>de</strong>ntificar els gens implicats en les malalties o en la resposta als fàrmacs,<br />
els bioxips d’ADN seran molt útils per i<strong>de</strong>ntificar els individus amb un risc més elevat <strong>de</strong> <strong>de</strong>senvolupar<br />
una malaltia, com també per escollir el tractament personalitzat més indicat.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
<strong>15</strong>
5.2 DIAGNOSIS DE MALALT<strong>IES</strong><br />
Diagnosis <strong>de</strong> malalties congènites<br />
La utilització <strong>de</strong> tècniques <strong>de</strong> diagnòstic molecular en individus amb risc elevat <strong>de</strong> ser portadors <strong>de</strong><br />
malalties genètiques (per exemple, amb antece<strong>de</strong>nts familiars) permet aplicar tractaments preventius o<br />
modificar els hàbits o les dietes que po<strong>de</strong>n retardar el <strong>de</strong>senvolupament d’algunes patologies genètiques.<br />
El diagnòstic molecular també és<br />
útil per a la <strong>de</strong>tecció prenatal <strong>de</strong><br />
malalties que afecten a pocs<br />
nucleòtids ja que la <strong>de</strong>tecció <strong>de</strong><br />
mutacions genètiques és fàcil si<br />
es tracta <strong>de</strong> grans alteracions<br />
com <strong>de</strong>lecciones o insercions<br />
gèniques, però requereix <strong>de</strong><br />
tècniques precises quan els<br />
canvis afecten a pocs nucleòtids.<br />
Així, una malaltia greu com la<br />
distròfia muscular <strong>de</strong> Duchene,<br />
que provoca una profunda<br />
<strong>de</strong>bilitat en homes, és produïda<br />
per una <strong>de</strong>lección <strong>de</strong> part <strong>de</strong>l gen<br />
<strong>de</strong> la distrofina situat en el<br />
cromosoma X. Aquesta <strong>de</strong>lección<br />
i altres similars són <strong>de</strong>tecta<strong>de</strong>s en<br />
observar l'absència <strong>de</strong> fragments<br />
<strong>de</strong> restricció en una anàlisi<br />
Southern d'ADN genómic, o<br />
mitjançant la PCR.<br />
Diagnòstic i tractament <strong>de</strong>l càncer<br />
L’anatomia patològica molecular permet <strong>de</strong>tectar el càncer per les seves característiques patogèniques<br />
<strong>de</strong>gu<strong>de</strong>s a les alteracions genètiques i bioquímiques, en lloc <strong>de</strong> fer-ho per la morfologia <strong>de</strong>l tumor, tal com<br />
ho feia l’anatomia patològica clàssica.<br />
Aquesta tècnica permet <strong>de</strong>tectar i classificar el càncer <strong>de</strong> manera molt precoç, la qual cosa facilita la seva<br />
erradicació. L’ús <strong>de</strong> la PCR i <strong>de</strong> tècniques d’anticossos monoclonals resulten molt útils per a aquesta<br />
finalitat.<br />
Per altra part se sap que algunes persones presenten una predisposició congènita a <strong>de</strong>senvolupar càncer,<br />
a causa <strong>de</strong> la mutació <strong>de</strong> gens concrets <strong>de</strong>ls seus progenitors. La seqüènciaació d’aquests i altres gens<br />
relacionats amb el càncer permet <strong>de</strong>terminar les alteracions i i<strong>de</strong>ntificar les persones amb risc molt elevat a<br />
<strong>de</strong>senvolupar càncer.<br />
En un futur proper la biotecnologia permetrà, per mitjà <strong>de</strong> l’ús <strong>de</strong> xips d’ADN, <strong>de</strong>terminar exactament les<br />
alteracions genètiques i bioquímiques <strong>de</strong> les cèl.lules que componen un tumor i aplicar teràpies<br />
dissenya<strong>de</strong>s especialment per a a cada pacient.<br />
16<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova
5.3 APLICACIONS TERAPÈUTIQUES<br />
Vacunació y manipulació genètica<br />
La vacunació contra les malalties infeccioses ha sigut un<br />
<strong>de</strong>ls grans èxits <strong>de</strong> la medicina humana i veterinària.<br />
L'exemple més significatiu és l'eradicació <strong>de</strong> la pigota.<br />
Existeixen dues estratègies clàssiques <strong>de</strong> vacunació:<br />
- Una consisteix en la vacunació <strong>de</strong> patògens morts o amb<br />
parts (Subunitats) d'aqueixos patògens;<br />
- Una altra que utilitza virus o bacteris patògens vius però<br />
atenua<strong>de</strong>s (menor po<strong>de</strong>r virulent), que no causen la<br />
malaltia.<br />
Les tendències actuals són les d'usar vacunes amb subunitats amb po<strong>de</strong>r inmunógeno i que puguen ser<br />
produï<strong>de</strong>s en gran quantitat per microorganismes o en cultius cel·lulars eucariotes.<br />
La producció <strong>de</strong> noves vacunes passa per la i<strong>de</strong>ntificació <strong>de</strong> l'antigen potencial inmunògen, la localització<br />
<strong>de</strong>l gen responsable <strong>de</strong> la formació d’aquest antigen, el clonat <strong>de</strong>l gen i la seua transferència mitjançant<br />
les tècniques ADN recombinant a organismes o a cultius cel·lulars que siguen capaços fabricar-ho en<br />
quantitat.<br />
Anticossos monoclonales<br />
Els anticossos són produïts pels limfòcits B,<br />
(ja ho estudiarem més endavant).<br />
Els anticossos, a més <strong>de</strong> servir per a la nostra<br />
<strong>de</strong>fensa autònoma contra infeccions i<br />
substàncies estranyes, són eines molt<br />
valuoses en la curació <strong>de</strong> malalts que no són<br />
capaços <strong>de</strong> produir-los i per a l'estudi <strong>de</strong><br />
molècules biològiques.<br />
La tècnica <strong>de</strong>ls anticossos monoclonales va<br />
permetre preparar quantitats il·limita<strong>de</strong>s<br />
d'anticossos homogenis. Està basada en el fet<br />
que cada limfòcit B forma solament un únic i<br />
Específic anticòs<br />
L'essència d'aquesta tècnica consisteix a<br />
immortalitzar les cèl·lules madures<br />
responsables <strong>de</strong> la producció d'anticossos<br />
(cèl·lules plasmàticas, producte madur<br />
obtingut per activació <strong>de</strong> limfòcits B),<br />
aconseguint que es multipliquen<br />
in<strong>de</strong>finidament. Aquesta immortalitat<br />
s'aconsegueix hibridant les cèl·lules<br />
plasmàticas i cèl·lules tumorals, com les <strong>de</strong>ls<br />
mielomes, amb capacitat <strong>de</strong> multiplicació<br />
in<strong>de</strong>finida. Les cèl·lules filles resultants es<br />
<strong>de</strong>nominen hibridomes<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
17
Teràpia gènica<br />
.<br />
Moltes malalties <strong>de</strong> l’espècie humana tenen el seu origen en <strong>de</strong>fectes d’enzims o altres proteïnes<br />
codifica<strong>de</strong>s per gens mutats. Un cop i<strong>de</strong>ntifica<strong>de</strong>s les mutacions responsables d’aquestes malalties<br />
genètiques, és possible, per mitjà <strong>de</strong> tècniques <strong>de</strong> l’ADN, <strong>de</strong>tectar-les i reparar-les.<br />
Es creu que la teràpia gènica constituirà la quarta revolució en la medicina (Després <strong>de</strong> les mesures <strong>de</strong><br />
salut pública, l'anestèsia i la introducció d'antibiòtics). La teràpia gènica pot aplicar-se seguint dues<br />
estratègies:<br />
- Inserir una còpia sana d'un gen en les cèl·lules <strong>de</strong>l pacient, per a compensar l'efecte d'un gen<br />
<strong>de</strong>fectuós. .<br />
- Produir un gen especialment dissenyat perquè subministre una propietat a les cèl·lules. Per<br />
exemple, introduir en limfòcits un que produïsca un inhibidor <strong>de</strong> la replicació <strong>de</strong>l virus <strong>de</strong> la SIDA.<br />
Fins ara la teràpia gènica només es realitza sobre cèl·lules somàticas, pels problema ètics que es<br />
plantegen en fer-ho en cèl·lules germinals, posat les modificacions es transmetrien a la <strong>de</strong>scendència.<br />
Tècniques<br />
a) Teràpia ex vivo (fóra <strong>de</strong>l cos): s'extrauen<br />
cèl·lules amb gens <strong>de</strong>fectuosos fóra <strong>de</strong>l cos i<br />
li les introdueix amb vectors a<strong>de</strong>quats, còpies<br />
normals d'aquests gens. Ara s'intenta fer en<br />
cèl·lules mare per a tractar problemes<br />
sanguinis.<br />
b) Teràpia in situ (en el mateix lloc)<br />
s'introdueixen portadors o vectors (virus,<br />
liposomes...) <strong>de</strong> gens correctors directament<br />
en els teixits on es necessiten els gens.<br />
c) Teràpia in vivo (dins <strong>de</strong>l cos): S'injecta en<br />
la sang vectors a manera <strong>de</strong> taxis<br />
(generalment virus) que contenen els gens<br />
<strong>de</strong>sitjats, aquests interactuan sol en les<br />
segelles diana i els transfereixen el seu<br />
contingut<br />
Encara que, en principi, moltes malalties es<br />
podrien tractar amb aquestes teràpies, el<br />
<strong>de</strong>senvolupament <strong>de</strong> la tecnologia no és prou<br />
avançat. Una <strong>de</strong> les principals dificultats és<br />
introduir el gen normal i que aquest s’expressi<br />
corectament en els pacients afectats.<br />
Les malalties hereditàries provoca<strong>de</strong>s per la<br />
mancaça d’un enzim o proteïna són les més<br />
idònies per a la teràpia gènica. Un exemple és<br />
el cas <strong>de</strong> la immuno<strong>de</strong>ficiència ADA (“nins<br />
bombolla”) causada per la manca <strong>de</strong> l’enzim<br />
a<strong>de</strong>nosina-<strong>de</strong>saminasa. La introducció <strong>de</strong>l<br />
gen funcional que codifica aquest enzim en<br />
algunes cel.lules extretes als malalts, que<br />
posteriorment són reinseri<strong>de</strong>s, està essent<br />
eficaç pel seu tractament.<br />
18<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova
Les cèl.lules mare<br />
Una cèl·lula mare és aquella que té les següents característiques:<br />
Capacitat <strong>de</strong> dividir-se originant noves còpies <strong>de</strong> si mateixa.<br />
Capacitat per diferenciar-se en altres tipus i llinatges cel.lulars quan se li proporcionen<br />
<strong>de</strong>termina<strong>de</strong>s condicions fisiològiques o experimentals.<br />
-Capacitat per originar teixits i òrgans.<br />
S’anomenen cèl.lules totipotents les que donen lloc a tots els teixits i òrgans. L’exemple més significatiu<br />
és el zigot. A mesura que avança el <strong>de</strong>senvolupament embrionari i fetal, les cèl·lules mare van per<strong>de</strong>nt<br />
les propietats inicials i reben successivament els noms <strong>de</strong>: toti-, pluri-, multi- i, finalment unipotents.<br />
Segons el seu origen i les seves propietats, les<br />
cèl.lules mares es classifiquen en:<br />
Cèl·lules mare embrionàries (ESC,<br />
embryonic stem cells). Proce<strong>de</strong>nts<br />
especialment <strong>de</strong> la massa cel·lular interna <strong>de</strong>l<br />
blàstòcit.<br />
Cèl·lules mare adultes (adult stem cells), que<br />
proce<strong>de</strong>ixen <strong>de</strong> teixits adults. Les seves<br />
funcions són la reparació <strong>de</strong>ls teixits danyats i<br />
la renovació cel.lular fisiològica.<br />
Altres tipus cel·lulars Són les cèl·lules fetals,<br />
les germinals i les cèl·lules mare proce<strong>de</strong>nts<br />
<strong>de</strong>l cordó umbilical i actualment es treballa<br />
en el potencial <strong>de</strong> les cèl·lules proce<strong>de</strong>nts <strong>de</strong>l<br />
líquid amniòtic.<br />
Mèto<strong>de</strong>s d’obtenció <strong>de</strong> cèl.lules mare<br />
Clonatge terapèutic, que es<br />
limita a l’obtenció d’embrions, a<br />
partir <strong>de</strong>l qual s’obtenen<br />
cèl.lules mare embrionàries per<br />
tractar malalties. Aquesta<br />
tècnica suposa una línia<br />
esperançadora per a<br />
l’eliminació <strong>de</strong>ls<br />
transplantaments i la cura <strong>de</strong><br />
malalties <strong>de</strong>generatives com<br />
ara l’Alzheimer i el Parkinson.<br />
Reprogramació cel.lular, és<br />
una <strong>de</strong> les línies actuals més<br />
esperançadores per a po<strong>de</strong>r<br />
evitar, juntament amb el<br />
clonatge cel.lular, els<br />
problemes <strong>de</strong>l rebuig en els<br />
trasplantaments.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
19
Usos potencials<br />
Les aplicacions potencials, en vistes al futur, són:<br />
- Teràpia cel.lular per a la regeneració i la reparació <strong>de</strong> teixits danyats.<br />
- Teràpia cel.lular i modificació genètica, en què, a més <strong>de</strong> reconstruir un teixit danyat, per mitjà<br />
d’enginyeria molecular es pot millorar l’expressió d’algun factor que ajudi al pacient.<br />
Teràpia cel·lular<br />
A partir <strong>de</strong> cèl·lules mare embrionàries es po<strong>de</strong>n generar altres tipus cèl.lulars (endotelials,<br />
hematopoètiques, musculars, etc) Tenen l’avantatge que creixen més fàcilment, encara que, en mo<strong>de</strong>ls<br />
d’animals, po<strong>de</strong>n generar tumors.<br />
Les cèl.lules mare adultes es po<strong>de</strong>n obtenir directament d’un gran nombre <strong>de</strong> teixits adults. Tanmateix el<br />
seu cultiu in vitro és més lent i pot originar <strong>de</strong>generació cromosòmica. A més, la seva plasticitat i la seva<br />
pluripotència són més restringi<strong>de</strong>s.<br />
La teràpia cel.lular s’ha emprat enb animals per curar malalties com ara el càncer, Parkinson,<br />
cardiopaties, traumes <strong>de</strong> medul,.la espinal, tot i que encara no s’han aconseguit els resultats <strong>de</strong>sitjats<br />
amb assaigs en persones ja que les patologies són més complexes i estan influencia<strong>de</strong>s per factors com<br />
l’edat, dieta, hàbits <strong>de</strong> vida...<br />
20<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova
Biotecnologia en la ciència forense<br />
Els exàmens forenses segueixen el principi que pot haver-hi una transferència d'evidències entre el<br />
criminal i l'escena <strong>de</strong>l crim. La comesa <strong>de</strong>l biòleg forense se centra en l'anàlisi <strong>de</strong> mostres tals com a<br />
sang, saliva i pèls, trobats en casos <strong>de</strong> mort, violació i altres tipus d'agressions.<br />
Perfilat <strong>de</strong> l’ADN o i<strong>de</strong>ntificació <strong>de</strong> la petjada genètica (fingerprinting)<br />
La tècnica <strong>de</strong>l perfilat d'ADN o prova <strong>de</strong> l'ADN permet <strong>de</strong>tectar la «petjada genètica» d'una persona<br />
amb un grau <strong>de</strong> certesa <strong>de</strong>l 99,96 %, impossible d'aconseguir amb les tècniques anteriors. També<br />
s'aplica en la i<strong>de</strong>ntificació <strong>de</strong> restes <strong>de</strong> persones <strong>de</strong>saparegu<strong>de</strong>s, en persones amb <strong>de</strong>manda <strong>de</strong><br />
paternitat, etc.<br />
En 1986, va començar el <strong>de</strong>senvolupament d'aquesta tècnica, gràcies a Alec Jeffreys, inicialment va<br />
<strong>de</strong>nominar petja<strong>de</strong>s d'ADN. En el seu article <strong>de</strong>scrivia region ADN no codificants <strong>de</strong>nomina<strong>de</strong>s<br />
minisatèlits o VNTR (el nomve <strong>de</strong> la repetició en tan<strong>de</strong>m) que consisteixen en moltes repeticions <strong>de</strong><br />
petita seqüència. EI nombre exacte <strong>de</strong> les repeticions varia en mesura en cada individu; pel que, les<br />
longituds <strong>de</strong>ls minisatélites diferents en persones diferents.<br />
El genoma haploi<strong>de</strong> humà conté<br />
uns tres mil milions <strong>de</strong> parells <strong>de</strong><br />
bases (3 • 10 9 pb).<br />
Aproximadament el 10 % codifica<br />
proteïnes, i en les regions no<br />
codificants es troben els<br />
minisatèlits.<br />
El mèto<strong>de</strong> que s'empra<br />
actualment es <strong>de</strong>nomina <strong>de</strong><br />
locus únic (SLP) per la seua<br />
simplicitat i major sensibilitat, en<br />
el qual s'utilitzen vàries son<strong>de</strong>s<br />
(oligonucleótidos marcats<br />
radioactivament) en sèrie, <strong>de</strong><br />
manera que cada sonda <strong>de</strong>tecta<br />
un sol minisatèlit.<br />
És molt similar a un anàlisis<br />
Southern blot i pot emprar-se<br />
amb diversos materials biològics,<br />
tals com a sang (s'usen els<br />
leucòcits com a font d'ADN),<br />
semen (els espermatozoi<strong>de</strong>s),<br />
saliva <strong>de</strong>ixada en un cigarret<br />
(cèl·lules epitelials <strong>de</strong> la mucosa<br />
bucal), pèls (cèl·lules <strong>de</strong> les<br />
arrels, <strong>de</strong>l pèl) etc.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
21
22<br />
6<br />
RISCOS I IMPLICACIONS ÈTIQUES DE<br />
LA ENGINYERIA GENÈTICA<br />
Davant els avanços <strong>de</strong> l’enginyeria genètica el 1974, onze biòlegs van <strong>de</strong>manar l'establiment <strong>de</strong><br />
normes per regular els possibles perills <strong>de</strong>ls treballs amb ADN recombinant i van <strong>de</strong>manar una moratòria<br />
respecte d'experiments amb gens productors <strong>de</strong> càncer o substàncies tòxiques. El 1976 es van<br />
establir les normes per a aquest tipus d'experiments.<br />
En una primera etapa, les qüestions sobre enginyeria genètica es van centrar en la qualitat, la<br />
seguretat i l'eficàcia <strong>de</strong>ls productes.<br />
En una segona etapa, la discussió ha versat sobre qüestions ètiques i la relació amb els processos<br />
legislatius. Per donar resposta a aquestes qüestions s'han creat diverses organitzacions, entre les<br />
quals <strong>de</strong>staca el Comitè Internacional <strong>de</strong> Bioètica <strong>de</strong> la Unesco, constituït per uns cinquanta científics<br />
d'uns 35 països, fundat per l'espanyol F. Mayor Zaragoza el 1993.<br />
L'objectiu d'aquests comitès <strong>de</strong> bioètica és evitar aspectes <strong>de</strong>l progrés que atemptin contra la dignitat<br />
humana, que ciència no sigui i<strong>de</strong>ntificada com a parcialment sospitosa, i que les seves possibilitats<br />
no generin perillositat per falta <strong>de</strong> <strong>de</strong>finicions ètiques. Els criteris bàsics establerts són:<br />
Límits per motius ecològics i <strong>de</strong> sanitat. Es consi<strong>de</strong>ra que hi ha d'haver controls molt<br />
estrictes en la producció d'organismes transgènics quan aquests puguin causar <strong>de</strong>sastres<br />
ecològics, com ara l ' extinció d'espècies naturals a causa <strong>de</strong> l ' increment <strong>de</strong> la competitivitat,<br />
causar malalties en l'espècie humana (per exemple, infeccions <strong>de</strong>gu<strong>de</strong>s als nous virus o<br />
nous bacteris) o causar contaminacions, sobretot <strong>de</strong> les aigües, a causa <strong>de</strong>ls nous processos<br />
metabòlics in<strong>de</strong>sitjables.<br />
Límits per motius ètics i morals. Es consi<strong>de</strong>ra que moltes aplicacions que són totalment lícites<br />
en espècies animals i vegetals no ho són en l ' espècie humana a causa <strong>de</strong> la dignitat <strong>de</strong><br />
la persona. L'ús d'enginyeria genètica amb la intenció <strong>de</strong> guarir una malaltia humana (teràpia<br />
gènica) és moralment <strong>de</strong>sitjable, sempre que es respecti la integritat <strong>de</strong> l'individu i no<br />
l'exposi a riscos <strong>de</strong>sproporcionats. En el cas <strong>de</strong>ls embrions, cal el consentiment <strong>de</strong>ls pares.<br />
Com que la intenció curativa <strong>de</strong> l'individu no és aplicable a les cèl . lules reproductores (no<br />
són individus), no es consi<strong>de</strong>ra èticament correcta l'aplicació d'aquestes tècniques als<br />
gàmetes humans. També es prohibeix treballar amb embrions humans amb finalitats <strong>de</strong> simple<br />
experimentació.<br />
Límits per motius socials. Es consi<strong>de</strong>ra que hi ha d'haver límits legals, basats en el dret a<br />
la intimitat, que impe<strong>de</strong>ixin l'exigència d'un son<strong>de</strong>ig gènic per accedir a un lloc <strong>de</strong> treball, a<br />
una plaça ' en un centre educatiu, a una assistència sanitària, a la firma d ' una pòlissa<br />
d ' assegurances, etc.<br />
Límits per motius polítics. Es consi<strong>de</strong>ra que les aplicacions <strong>de</strong> l'enginyeria genètica en la<br />
producció vegetal i animal han d'afavorir a tots els humans i no tan sols els grups que<br />
dominen aquestes tècniques. Hi podria haver perjudicis econòmics greus si, amb<br />
l ' establiment <strong>de</strong> patents d'organismes transgènics, s'augmentessin les diferències entre els<br />
països pobres i els països rics.<br />
Hi ha controvèrsia entre els científics sobre la licitud <strong>de</strong> patentar les seqüències <strong>de</strong>l genoma<br />
humà que es vagin <strong>de</strong>scobrint. Uns consi<strong>de</strong>ren que no s'haurien <strong>de</strong> patentar mai, sinó posar-les<br />
al servei <strong>de</strong> tots els països. D ' altres diuen que és lògic que els laboratoris vulguin recuperar les<br />
inversions fetes, tal com passa en la indústria farmacèutica, ja que si aquesta investigació la<br />
paguessin els governs, comportaria un augment <strong>de</strong>ls impostos que no semblen disposats a assumir;<br />
i que si no es permet obtenir beneficis, és possible que no es comuniquin els avanços per<br />
por que es prohibeixi patentar-los.<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova
ACTIVITATS.<br />
ACTIVITATS.<br />
Tema Tema <strong>15</strong>: <strong>15</strong>: Enginyeria Enginyeria Enginyeria ggenética<br />
g enética i biotecnologia<br />
biotecnologia<br />
1) Defineix bioremediació.<br />
2) Posa alguns exemples <strong>de</strong> microorganismes que s’empren en biotecnología industrial<br />
3) Què són els organismes transgènics? Posa alguns exemples.<br />
4) Què són els enzims <strong>de</strong> restricció (endonucleases)?<br />
5) Quina funció fa la transcriptasa inversa?<br />
6) Què són els plàsmids recombinants?<br />
7) Per què en enginyeria genètica és un avantatge utlitzar com a vector <strong>de</strong> gens un plasmidi que<br />
tingui informació sobre resistència a <strong>de</strong>terminats antibiòtics?<br />
8) Explica la tècnica <strong>de</strong> l’ADN recombinant.<br />
9) Un pleontòleg recull una mínima quantitat <strong>de</strong> matèria orgànica <strong>de</strong> les restes d’un ocell<br />
fòssil. Vol comparar aquest fragment amb una mostra d’ADN d’ocells vius <strong>de</strong> la mateixa<br />
espècie, però necessita una quantitat més gan <strong>de</strong> la mosta d’ADN antic. Com la podria<br />
aconseguir? Quins passos segueix la tècnica necessària per fer-ho?.<br />
10) Cerca informació <strong>de</strong> com es va clonar l’ovella Dolly y quins problemes varen sorgir, perquè<br />
va morir jove?<br />
11) Dissenya un mèto<strong>de</strong> per a produir tiroxina humana mitjançant engenyeria genètica per<br />
tal <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r curar els malalts que tenen mancança d’aquesta hormona.<br />
12) Qués és un bioxip? Quines aplicacions té?<br />
13) Explica la tècnica <strong>de</strong>l Southern Blot i la seva utilitat.<br />
14) Explica la tècnica <strong>de</strong>l microarray<br />
<strong>15</strong>) Defineix:<br />
– Cèl lules totipotents<br />
– Cèl lules mare embrionaries<br />
– Cèl lules mare adultes<br />
16) Per què és més fàcil aplicar l’enginyeria genètica als peixos que als mamífers.<br />
17) Quins perills respecte <strong>de</strong> l’equilibri ecològic i respecte <strong>de</strong> la salut humana es po<strong>de</strong>n <strong>de</strong>rivar <strong>de</strong><br />
l’enginyeria genètica?<br />
18) Creus que hi ha d’haver límits per a <strong>de</strong>termina<strong>de</strong>s pràctiques científiques? És responsable el<br />
científic <strong>de</strong>l mal ús que posteriorment es pugui fer <strong>de</strong>ls seus <strong>de</strong>scobriments?<br />
19) Creus que l’elecció d’embrions, la clonació <strong>de</strong> noves espècies i la producció d’organismes<br />
transgèncis... èticament es po<strong>de</strong>n dur a terme en humans?<br />
<strong>IES</strong> <strong>Guillem</strong> <strong>Cifre</strong> <strong>de</strong> <strong>Colonya</strong>. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Tomeu Vilanova<br />
23