26.04.2013 Views

apunts 15 - IES Guillem Cifre de Colonya

apunts 15 - IES Guillem Cifre de Colonya

apunts 15 - IES Guillem Cifre de Colonya

SHOW MORE
SHOW LESS

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!