2020 - Thieman y Palladino - Introducción A La Biotecnología - Pearson (Traducido)

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introducción a

BIOTECNOLOGÍA

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introducción a

BIOTECNOLOGÍA CUARTA EDICIÓN EDICIÓN GLOBAL

Guillermo J. Thieman Ventura College, emérito

Michael A. Palladino Universidad de Monmouth

330 Hudson Street, Nueva York Nueva York 10013

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Courseware Manager: Michael Gillespie Director of Portfolio Management: Beth Wilbur Productora de contenido: Laura Perry Productora gerente: Mike Early Development Editora: Margot Otway Editora de adquisiciones, edición global: Moasenla Jamir Editora asociada de proyectos, edición global: Sulagna Dasgupta Courseware Asistente editorial: Summer Giles Rich Media Productor de contenido: Robert Johnson Gerente de producción de medios, edición global: Vikram Kumar Proveedor de servicio completo: Integra Software Services Corrector de estilo: Cenveo Publisher Services/Nesbitt Graphics, Inc./Joanne Boehme Gerente de diseño: Maria Guglielmo Walsh Diseñadora de interiores: Cenveo Publisher Services/Nesbitt Graphics, Inc./Jerilyn Bockorick Diseñadora de portadas, edición global: Lumina Datamatics Ilustradores: Cenveo Publisher Services/Nesbitt Graphics, Inc./ Jim Atherton Gerente de proyectos de derechos y permisos: Integra Publishing Services/Mike Lackey Gestión de derechos y permisos: Integra Servicios editoriales Investigador fotográfico: Integra Publishing Services/ LavKush Sharma Comprador de fabricación: Stacey Weinberger Controlador sénior de fabricación, edición global: Kay Holman Director de marketing de campo: Tim Galligan Director de marketing de productos: Allison Rona Gerente de marketing de campo: Kelly Galli

Créditos de las fotos de la portada (de arriba a la derecha): Jenoche / Shutterstock; Kateryna Kon/Shutterstock; Alex_Traksel/Shutterstock; Ranko Maras / Shutterstock; Fotografías CI/Shutterstock; Monika Wisniewska/Shutterstock Las atribuciones de contenido de terceros aparecen en la página C-1, que constituye una extensión de esta página de derechos de autor.

Pearson Educación limitada como dos ME GUSTA Parque

Harlow CM17 9SR Reino Unido y Empresas Asociadas en todo el mundo Visítenos en la World Wide Web en: www.pearsonglobaleditions.com © Pearson Education Limited 2020 Los derechos de William J. Thieman y Michael A. Palladino a ser identificados como los autores de este trabajo han sido afirmados por ellos de conformidad con la Ley de derechos de autor, diseños y patentes de 1988. Adaptación autorizada de la edición de los Estados Unidos, titulada Introducción a la biotecnología, cuarta edición, ISBN 978-0-134-65019-7 por William J. Thieman y Michael A. Palladino, publicado por Pearson Education © 2019. Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicación puede reproducirse, almacenarse en un sistema de recuperación o transmitirse de ninguna forma ni por ningún medio, ya sea electrónico, mecánico, fotocopiado, grabación o de otro tipo, sin el permiso previo por escrito del editor o una licencia que permita la copia restringida. en el Reino Unido emitido por Copyright Licensing Agency Ltd, Saffron House, 6–10 Kirby Street, London EC1N 8TS. A menos que se indique lo contrario en este documento, cualquier marca comercial de terceros que pueda aparecer en este trabajo es propiedad de sus respectivos dueños y cualquier referencia a marcas comerciales, logotipos u otras imágenes comerciales de terceros son solo para fines demostrativos o descriptivos. Dichas referencias no pretenden implicar ningún patrocinio, respaldo, autorización o promoción de los productos de Pearson por parte de los propietarios de dichas marcas, ni ninguna relación entre el propietario y Pearson Education, Inc. o sus afiliados, autores, licenciatarios o distribuidores. Este libro electrónico es un producto independiente y puede incluir o no todos los activos que formaban parte de la versión impresa. Tampoco proporciona acceso a otros productos digitales de Pearson como MyLab y Mastering. El editor se reserva el derecho de eliminar cualquier material de este libro electrónico en cualquier momento. Datos de catalogación en publicación de la Biblioteca Británica Un registro de catálogo para este libro está disponible en la Biblioteca Británica. ISBN 10: 1-292-26177-3 ISBN 13: 978-1-292-26177-5 Libro electrónico ISBN 13: 978-1-292-26179-9 Compuesto por Integra Software Services Private Limited

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A mi esposa, Billye, el amor de mi vida, ya los cientos de graduados en biotecnología que ahora hacen buena ciencia en empresas de biotecnología y disfrutan cada minuto. WJT

A mi “tía Ro”, Rosanne Hansen, quien fomentó en mí el amor y la pasión por la biología a una edad temprana. MAPA

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Sobre los autores

Autores Bill Thieman y Michael Palladino

William J. Thieman enseñó biología en Ventura College durante

Michael A. Palladino es vicerrector de estudios de posgrado,

40 años y biotecnología durante 11 años antes de retirarse de la

exdecano de la Facultad de Ciencias y profesor de biología en la

docencia a tiempo completo en 2005. Continúa sirviendo como

Universidad de Monmouth en West Long Branch, Nueva Jersey.

asesor del programa universitario de biotecnología. Recibió su

Recibió su BS en Biología de Trenton State College (ahora conocido

licenciatura en biología de la Universidad Estatal de California en

como The College of New Jersey) en 1987 y su Ph.D. en Anatomía

Northridge en 1966 y su maestría en zoología en 1969 en UCLA.

y Biología Celular de la Universidad de Virginia en 1994.

En 1995, inició el programa de biotecnología en Ventura College. En 1998, agregó el curso de habilidades de laboratorio y se articuló como un programa vocacional aprobado por el estado.

El Dr. Palladino ha impartido una amplia gama de cursos que incluyen anatomía y fisiología, biotecnología, biología celular y molecular, biología general, genética y endocrinología. Ha recibido

Identificó las habilidades técnicas necesarias para el programa

varios premios por investigación y enseñanza, incluido el Premio al

mientras realizaba tres pasantías de verano en Amgen, Biosource

Maestro Distinguido de la Universidad de Monmouth, el Premio

(ahora Invotrogen) y Biopool. Las pasantías brindaron la oportunidad

Caring Heart de la Asociación de Investigación Biomédica de Nueva

de aprender protocolos, interactuar con los directores de laboratorio

Jersey y el Premio Andrólogo Joven de la Sociedad Estadounidense

y consultar a los técnicos, centrándose en identificar las habilidades

de Andrología. Durante más de 15 años, dirigió un laboratorio de

necesarias en estas empresas de biotecnología. Rutinariamente

estudiantes investigadores de pregrado con el apoyo de fondos

contrató a sus contactos en estas empresas de biotecnología para

externos de los Institutos Nacionales de Salud, compañías

dirigir los protocolos de laboratorio y describir sus experiencias a

biofarmacéuticas y otras agencias. Él y sus estudiantes universitarios

sus clases. El Sr. Thieman ha impartido una amplia gama de cursos de pregrado, que incluyen biología general, humana y del cáncer.

estudiaron los mecanismos moleculares involucrados en la inmunidad innata y la homeostasis del oxígeno de los órganos reproductores masculinos de mamíferos.

Recibió el Premio a la Enseñanza Sobresaliente de la Asociación Nacional de Profesores de Biología en 1996 y el Premio al Éxito Estudiantil en 1997 y 2000 de la Oficina del Rector de los Colegios Comunitarios de California. La Asociación de Desarrollo Económico

El Dr. Palladino comenzó a escribir con Benjamin Cummings como coautor de BiologyLabs On-Line, una serie de laboratorios interactivos basados en Internet para estudiantes universitarios.

otorgó su Premio del Programa para el Desarrollo Económico de

Fue editor de la serie de folletos Temas especiales de biología de

1998 al programa de capacitación en biotecnología de Ventura

Benjamin Cummings y autor del primer folleto de la serie,

College por su trabajo con empresas locales de biotecnología. Su

Comprender el proyecto del genoma humano. El Dr. Palladino es coautor del equipo de redacción de WS Klug, MR Cummings, CA

éxito en la adquisición de subvenciones para apoyar el programa fue reconocido en la Conferencia de 2007 del Centro Nacional para

Spencer y DJ Killian de los libros de texto Concepts of Genetics y

el Desarrollo de Recursos.

Essen tials of Genetics, ambos publicados por Pearson Education.

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PREFACIO

Es difícil imaginar un momento más emocionante para estudiar yo biotecnología. Comenzamos el prefacio con esta declaración en la primera

edición de Introducción a la biotecnología y esto sigue siendo cierto hoy en día. Los avances se están produciendo a un ritmo vertiginoso y la

En nuestro esfuerzo por introducir a los estudiantes en las técnicas y aplicaciones de vanguardia de la biotecnología, hemos dedicado capítulos específicos a áreas que emergen constantemente, como la biotecnología microbiana (Capítulo 5), la biotecnología agrícola (Capítulo 6), la biotecnología

biotecnología ha tenido un impacto en muchos aspectos de nuestra vida

animal (Capítulo 7), la ciencia forense biotecnología (Capítulo 8), biorremediación

cotidiana. Ahora en su cuarta edición, Introducción a la biotecnología sigue

(Capítulo 9), biotecnología acuática (Capítulo 10) y biotecnología médica

siendo el primer libro de texto de biotecnología escrito específicamente para

(Capítulo 11).

los diversos antecedentes de los estudiantes de pregrado. Introducción a la Biotecnología

En el Capítulo 12 se analizan las numerosas agencias reguladoras y las cuestiones que afectan a la industria de la biotecnología. Además de las

proporciona a los estudiantes las herramientas para el éxito práctico en la

cuestiones éticas incluidas en cada capítulo como recuadros de Usted Decide ,

industria de la biotecnología a través de su cobertura equilibrada de una

se dedica un capítulo separado (Capítulo 13) a la ética y la biotecnología.

variedad de disciplinas científicas, detalles sobre técnicas y aplicaciones contemporáneas, el negocio de la biotecnología, integración de cuestiones éticas, cobertura de importantes consideraciones reglamentarias y orientación profesional .

Nuevo en la Cuarta Edición

Introducción a la Biotecnología fue diseñada con sev objetivos principales generales en mente. El texto pretende proporcionar:

La cuarta edición de Introducción a la Biotecnología está completamente actualizada e incluye varias características nuevas:

ÿÿ Una narración atractiva y fácil de entender que es apropiado para una audiencia diversa de estudiantes con diferentes niveles de conocimiento científico. ÿÿ Asistencia a los instructores que enseñan todas las áreas principales de la biotecnología y ayuda a los estudiantes a aprender los conceptos científicos fundamentales sin detalles abrumadores ni excesivos.

ÿÿ Estudios de casos: nuevo en esta edición, cada conjunto de preguntas de final de capítulo, excepto el capítulo 1, ahora concluye con un Estudio de casos. Presentamos un ejemplo de investigación actual e interesante o un descubrimiento reciente relacionado con el contenido del capítulo, brindamos un breve resumen y pedimos a los estudiantes que consideren preguntas relevantes. Dos objetivos de la característica son (1) involucrar a los estudiantes con la investigación

ÿÿ Una descripción general de las aplicaciones históricas mientras se enfatizan las áreas modernas, de vanguardia y emergentes de la

contemporánea y (2) hacer preguntas de orden superior que requieran que los estudiantes piensen críticamente.

biotecnología. ÿÿ Información sobre cómo las aplicaciones de la biotecnología pueden proporcionar algunas de las herramientas para resolver importantes problemas científicos y sociales en beneficio de la humanidad y el medio ambiente.

ÿÿ Conjuntos ampliados de preguntas y actividades al final del capítulo, incluidos más ejercicios basados en Internet. Cada capítulo ahora tiene 20 preguntas y actividades para proporcionar una gama más amplia de opciones de evaluación para ayudar a los

ÿÿ Inspiración para que los estudiantes consideren las muchas cuestiones éticas asociadas con la biotecnología. Introducción a la biotecnología brinda una amplia cobertura de temas

estudiantes a aprender. ÿÿ Se han añadido nuevas entradas Tú Decides a estimular el interés de los estudiantes y el pensamiento crítico sobre

que incluyen biología celular y molecular, bioquímica, bioinformática, genética,

áreas controvertidas de la biotecnología relacionadas con cuestiones

genómica, proteómica y otros. Nos hemos esforzado por brindar a los

legales, éticas y sociales. Hemos ampliado de 29 a 37 cajas en total Tú

estudiantes las herramientas y el conocimiento que necesitan para comprender

Decides integradas a lo largo de los capítulos. Dieciocho son nuevos y

las áreas variadas y diversas de la biotecnología.

cubren temas como el etiquetado

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de alimentos modificados genéticamente (Capítulo 6),

cambio de estas tecnologías y un mayor uso de la

detección genética para mejorar la prevención del cáncer de

secuenciación y otras aplicaciones. El contenido actualizado

mama (Capítulo 8), consumo humano de salmón transgénico

sobre el Proyecto Genoma Humano incluye contenido reestructurado sobre "Después del Proyecto Genoma

(Capítulo 10), edición de embriones humanos y líneas germinales (Capítulo 11), regulación de la biotecnología más

Humano", que se centra en ENCODE y la genómica personal,

allá de los entornos tradicionales (Capítulo 12), y la posible

la secuenciación del exoma completo y la secuenciación de

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aprobación por la vía rápida del trigo modificado genéticamente

células individuales. Se han realizado importantes actualizaciones

para ayudar a los seres humanos que sufren de intolerancia al

de contenido a las tecnologías de secuenciación de ADN,

gluten (Capítulo 13).

incluida una nueva sección y figura sobre "secuenciación de

ÿÿ Casi 70 figuras nuevas y 40 fotos nuevas

tercera generación". El nuevo contenido adicional incluye

ayudar a simplificar y explicar temas complejos en

secuenciación de ARN; analizar la función génica a través de

biotecnología.

la expresión de proteínas, mutagénesis génica y ARNi; edición

ÿÿ Perfiles profesionales: se han desarrollado nuevos perfiles para todos los capítulos y han sido aportados por

de genes a través de transgénicos, knock out y CRISPR; y una nueva sección sobre biología de sistemas y biología sintética.

profesionales que trabajan en biotecnología. Estos perfiles están diseñados para ayudar a los estudiantes a apreciar la amplia gama de carreras disponibles en la industria de la

ÿÿ Capítulo 4: Proteínas como productos. explica por qué los fármacos proteicos producidos por organismos

biotecnología, con consejos y perspectivas de expertos que

vivos creados mediante ingeniería genética han suplantado en

realizan el trabajo. Los perfiles profesionales están disponibles

gran medida a los métodos de producción farmacéutica;

en el sitio web complementario donde podemos mantener la

descubrimientos de enfermedades que se han hecho utilizando

información actualizada. Cada perfil incluye una foto y

nuevas tecnologías de cancelación de genes; mejoras en la

antecedentes de la persona para ayudar a personalizar las

instrumentación para la purificación e identificación de

historias de su carrera.

proteínas; detección de interacciones proteína-proteína significativas; progreso en la identificación de biomarcadores

Además, cada capítulo se revisó y actualizó minuciosamente para proporcionar a los estudiantes información actualizada en todas las áreas de la biotecnología. Cabe destacar los siguientes cambios:

de proteínas que pueden detectar enfermedades en etapas más tempranas; y el análisis de un estudio contemporáneo de la interacción entre proteínas. ÿÿ Capítulo 5: Biotecnología microbiana. Incluye contenido

ÿÿ Capítulo 1: El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral. Incluye una descripción general actualizada de los

nuevo sobre la secuenciación del genoma completo; metagenómica y el Proyecto Microbioma Humano; desarrollo

temas clave que se discutirán en el libro, organizados por

de vacunas y objetivos principales para nuevas vacunas;

capítulo; el estado actual y las tendencias de la industria

genomas sintéticos; y una nueva sección sobre terapia de

biotecnológica y su fuerza laboral; ingresos de empresas

fagos, que incluye una figura sobre la edición CRISPR-Cas

biotecnológicas y farmacéuticas; fuentes de financiación para iniciar una empresa de biotecnología; tendencias en el desarrollo

para tratar microbios resistentes a los antibióticos. Además, hay un nuevo cuadro de You Decide titulado: "Experimentos

de fármacos; y un breve ejemplo futuro de medicina de precisión.

de 'ganancia de función' e ingeniería de patógenos virales".

Hemos agregado una nueva cobertura de biotecnología Hágalo usted mismo, una introducción a la biotecnología industrial, una introducción a la edición del genoma por CRISPR; y varias figuras nuevas.

ÿÿ Capítulo 6: Biotecnología Vegetal. Reconoce el impacto de la biotecnología en la producción agrícola en el mundo; explica brevemente los métodos contemporáneos utilizados para producir nuevos productos vegetales; discute métodos para

ÿÿ Capítulo 2: Introducción a los genes y genomas Incluye contenido simplificado, una nueva sección

usar vectores de genes diseñados que pueden transferir genes

sobre ARN no codificantes y una nueva sección titulada "El

una lista actual de plantas modificadas genéticamente, incluido

mecanismo de respuesta inmunitaria en procariotas da como

su mecanismo de acción; analiza el uso cada vez mayor de

resultado una nueva tecnología extraordinaria para editar

cultivos transgénicos en los países en desarrollo; describe

genes in vitro e in vivo", que proporciona una introducción a

cultivos recientemente aprobados que usan tecnología de

para nuevos productos y resistencia a insectos; proporciona

la edición del genoma mediante CRISPR-Cas y su papel en

silenciamiento de genes y el efecto que ha tenido en el proceso

la biotecnología.

de aprobación del USDA; discute

ÿÿ Capítulo 3: Tecnología y genómica del ADN recombinante. Incluye contenido condensado sobre

los detalles del nuevo etiquetado de alimentos GM; y

diferentes tipos de vectores, así como cobertura simplificada

proporciona un análisis de un estudio contemporáneo de un método alternativo para la resistencia a los insectos. Hay

o eliminada de bibliotecas, mapeo, transferencia Southern y

dos nuevos recuadros de Tú Decides: “Etiquetado de

microarrays que reflejan un

Alimentos GM” y “¿Es el Roundup Tóxico para el Medio Ambiente?”

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Prefacio

ÿÿ Capítulo 7: Biotecnología Animal. Incluye un cambio de dirección de medicamentos a vacunas para humanos de todas las edades y la razón detrás de esto; la importancia de las pruebas en animales de fármacos para el tratamiento de enfermedades animales; los beneficios de las pruebas de cultivo celular antes de las pruebas con animales para la aprobación regulatoria; la primera aprobación de un fármaco producido en una cabra transgénica para tratar un tipo de ictus; nuevo método para crear animales con knockouts y knock-ins de genes; y la importancia de un proyecto nacional para determinar la función de todos los genes en una rata mediante tecnología knock out. Se incluyen dos nuevos recuadros de You Decide: "¿Puede la edición de genes en pollos prevenir la transferencia de la gripe aviar a los humanos?" y “De humanos a mascotas a humanos: ¿Aceptará el público este tipo de experimentación con animales?”

ÿÿ Capítulo 8: Huellas dactilares de ADN y Análisis forense. Incluye el proceso de comparación de perfiles de ADN con los nuevos marcadores CODIS; el proceso de exclusión para la eliminación de sospechosos humanos utilizando ejemplos de perfil; mejoras en los métodos de análisis de “ADN táctil”; el progreso en la utilización de marcadores de secuencias de ADN personales como precursores del diagnóstico; nuevos ejemplos de secuencias de ADN para identificar productos certificados; y el análisis de un ejemplo contemporáneo de contaminación de ADN humano en un perfil de ADN de ratón. Se incluyen dos nuevos recuadros de Tú Decides: “¿Podría la detección genética mejorar la prevención del cáncer de mama?” y “¿Ayudarán las fuerzas del orden las pruebas rápidas de ADN en la escena del crimen?”

ÿÿ Capítulo 9: Biorremediación. Incluye contenido actualizado sobre genómica y especies GM para la biorremediación, actualizaciones sobre los efectos de la biorremediación en el derrame de petróleo de Deepwater Horizon en el Golfo de México, nuevo contenido y figura sobre disruptores endocrinos, y una nueva sección sobre contaminación del océano por macro y microplásticos. ÿÿ Capítulo 10: Biotecnología acuática. Incluye contenido nuevo y revisado sobre acuicultura, cobertura del salmón AquAdvantage como el primer animal GM aprobado por la FDA de EE. UU. para consumo humano, bioprospección y nuevos medicamentos recientemente aprobados de especies acuáticas, nuevas herramientas comerciales sobre eDNA y monitoreo ambiental , y un nuevo recuadro Tú Decides: “Salmón Transgénico para Consumo Humano: ¿Seguro o No?”

ÿÿ Capítulo 11: Biotecnología Médica. Debido al rápido ritmo de cambio y progreso en este campo, la biotecnología médica ha sido objeto de la revisión más importante de todos los capítulos de

el libro. Esto incluye contenido reorganizado y revisado sobre detección y diagnóstico de enfermedades humanas, incluido contenido nuevo sobre biomarcadores y ADN libre de células; pruebas genéticas de pronóstico y diagnóstico; actualizaciones sobre enfoques para pruebas genéticas, incluida una nueva sección sobre análisis de secuencias de genomas individuales que explora el impacto de la secuenciación del genoma completo, incluida la secuenciación de exones, secuenciación y detección de genes fetales del torrente sanguíneo materno, y pruebas previas a la concepción; actualizaciones sobre genómica personal para incluir secuenciación de ARN y secuenciación de células individuales; y una nueva sección y figura sobre el análisis de asociación del genoma completo. El capítulo incluye una sección renombrada y revisada, Medicina de Precisión y Biotecnología; nuevo contenido sobre la Iniciativa de Medicina de Precisión y ejemplos de enfoques de vanguardia, incluida la nanomedicina; y una nueva sección sobre inmunoterapias, incluidas las inmunoterapias recientemente aprobadas por la FDA que utilizan células CAR-T que han tenido un gran éxito. También incluye contenido revisado y nuevo sobre enfoques de terapia génica, incluidos CRISPR-Cas y ensayos recientes con ARN terapéutico; y contenido nuevo y actualizado sobre medicina regenerativa, incluidas nuevas secciones sobre bioimpresión 3D de tejidos, organoides y órganos diseñados, y actualizaciones sobre tecnologías y regulaciones de células madre. Nueve nuevas figuras acompañan estos cambios junto con dos nuevos cuadros de Tú Decides: "Pruebas genéticas: ¿Pruebas de destino?" y "Edición de embriones humanos y líneas germinales".

ÿÿ Capítulo 12: Reglamentos de Biotecnología. Incluye una descripción general de las reglamentaciones internacionales; describe cómo la FAO, la OMS y la OIE contribuir a la regulación de productos biotecnológicos; explica cómo el Protocolo de Cartagena supervisa la manipulación, transferencia y uso seguros de organismos vivos modificados; describe cómo ocurre la distribución justa y equitativa de los recursos fitogenéticos para la alimentación y la agricultura; y explica cómo se protegen las patentes de productos biotecnológicos en virtud de las normas internacionales. Dos nuevos recuadros de Tú Decides preguntan: “¿Cómo debemos regular la biotecnología más allá de los entornos tradicionales?” y "¿Debería haber una prohibición global de la edición del genoma humano?"

ÿÿ Capítulo 13: Ética y Biotecnología. Incluye contenido reorganizado y un formato de capítulo abreviado que comienza con Ejemplos de ética y biotecnología que incluye contenido nuevo sobre la terapia de reemplazo mitocondrial y los llamados "bebés de tres padres". Hay nueva información sobre la edición del genoma y la modificación de la línea germinal,

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nuevos contenidos sobre cuestiones éticas relacionadas con patentes genéticas y CRISPR-Cas, y seis nuevos Tú Decides

reserve en el sitio web complementario donde podemos actualizar los

recuadros: “¿Debería el trigo transgénico (para quienes padecen gluten)

profesionales relevantes. Recomendamos encarecidamente a los

perfiles para proporcionar contenido actual y vincular a otros recursos

¿Se aprobará rápidamente?”, “¿Cuál sería el efecto de

estudiantes que consulten estos perfiles si están interesados en

prohibir los organismos GM?”, “¿Cuánto retorno de la

aprender más sobre carreras en la industria.

inversión?”, “Aceptación de órganos animales”, “Medicina regenerativa: ¿solo para los ricos?” y “Hackers del genoma y

Tú decides

los genomas 'anónimos' identifican a los donantes individuales de ADN”.

Desde los alimentos genéticamente modificados hasta la investigación con células madre, hay un sinfín de temas en

Funciones recurrentes Introducción a la biotecnología está diseñado específicamente para

biotecnología que suscitan fuertes interrogantes y dilemas éticos, legales y sociales. Los recuadros Tú decides estimulan la discusión en cada capítulo al presentar a los

proporcionar varios elementos clave que ayudarán a los estudiantes a

estudiantes información relacionada con las implicaciones sociales y

disfrutar aprendiendo sobre biotecnología y prepararlos para una

éticas de la biotecnología, seguida de una serie de preguntas para que

carrera en biotecnología.

las consideren. El objetivo de estos recuadros es ayudarlos a

Objetivos de aprendizaje

comprender cómo considerar cuestiones éticas y formular sus propias decisiones informadas. Hay 37 Tú Decides integrados a lo largo de los capítulos, 18 de los cuales son nuevos en la cuarta edición.

Cada capítulo comienza con una breve lista de objetivos de aprendizaje que presentan conceptos clave que los estudiantes deben comprender después de estudiar el capítulo.

Abundantes ilustraciones

Herramientas del oficio

Aproximadamente 200 figuras y fotografías brindan una cobertura

La biotecnología se basa en la aplicación de

integral para respaldar el contenido del capítulo.

diversas técnicas o herramientas de laboratorio

Las ilustraciones, los diagramas instructivos, las tablas y los diagramas

en biología molecular, bioquímica, bioinformática,

de flujo presentan explicaciones paso a paso que brindan a los

genética, matemáticas, ingeniería, informática,

estudiantes ayuda visual para aprender sobre las técnicas de laboratorio

química y otras disciplinas. Los cuadros de

y los procesos complejos que son importantes en biotecnología. La

Herramientas del oficio en capítulos seleccionados

nueva edición se ve reforzada por cerca de 70 figuras nuevas y 40

presentan técnicas y tecnologías modernas o históricamente importantes

fotos nuevas.

relacionadas con el contenido del capítulo para ayudar a los estudiantes a aprender sobre las técnicas y métodos de laboratorio que son la

ÿÿ Pronosticar el futuro al comienzo de cada capítulo destaca

esencia de la biotecnología.

brevemente nuevas y emocionantes áreas de la biotecnología que los autores predicen que valdrá la pena observar en el futuro.

Preguntas y actividades ÿÿ Marcar la diferencia al final de cada capítulo destaca aspectos especialmente beneficiosos de las aplicaciones de la

Se incluyen preguntas al final de cada capítulo para reforzar la

biotecnología que han tenido un gran impacto en la mejora de la

comprensión de los conceptos por parte de los estudiantes. Para la cuarta edición, ampliamos el conjunto de preguntas de cada capítulo a

calidad de vida.

por lo menos 20 preguntas y actividades.

Perfiles de carrera

Actualizamos las preguntas existentes, agregamos muchas nuevas y

Una característica favorita de Introducción a la

tareas de Internet que piden a los estudiantes que exploren un tema

agregamos estudios de casos. Las actividades incluyen con frecuencia

biotecnología, Career Profiles presenta a los

de vanguardia. Las respuestas a estas preguntas se proporcionan en

estudiantes diferentes opciones de trabajo y

el Apéndice 1 al final del texto.

carreras en la industria de la biotecnología y brinda consejos e información sobre funciones laborales, salarios, orientación para prepararse para ingresar a la fuerza laboral y otros recursos. Los Nuevos Perfiles

Glosario

de Carrera fueron elaborados por diferentes expertos que trabajan

Como cualquier disciplina técnica, la biotecnología tiene un léxico de

actualmente en la industria biotecnológica. Para la cuarta edición, todos los Perfiles de Carrera han pasado del

términos y definiciones que se usan de forma rutinaria en la discusión de procesos, conceptos y aplicaciones. los

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los términos más importantes se muestran en negrita a lo largo del libro y se definen tal como aparecen en el texto. Las

Agradecemos la ayuda de muchas personas talentosas en Pearson Education, particularmente el personal editorial. Agradecemos al Editor

definiciones de estos términos clave se incluyen en un glosario al final

Ejecutivo de Adquisiciones Michael Gillespie, un placer trabajar con él y

del libro.

un defensor entusiasta del proyecto y la misión del libro que brinda información clave y orientación para mejorar el texto. Agradecemos a la

Ayudas de aprendizaje suplementarias

productora de contenido Laura Perry por mantenernos a tiempo y por su atención a los detalles, paciencia, entusiasmo, sugerencias editoriales y gran energía para el proyecto. Summer Giles, asistente editorial, ayudó

Sitio web complementario de Introducción a la biotecnología El sitio web complementario, disponible en www.pearson globaleditions.com, está diseñado para ayudar a los estudiantes a estudiar para sus exámenes y profundizar su comprensión de la

a asegurar y brindar retroalimentación a los revisores, lo cual es esencial para escribir un libro de texto claro y actual. Margot Otway proporcionó una edición de desarrollo invaluable y contribuyó en gran medida al proyecto.

biotecnología. Cada capítulo contiene objetivos de aprendizaje, preguntas de cuestionarios, tarjetas didácticas, herramientas de estudio, referencias bibliográficas e Internet e información sobre carreras en biotecnología. Para la cuarta edición, Career Profiles se ha trasladado del libro al sitio web, proporcionando descripciones atractivas de varias carreras escritas por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

Agradecemos a la Supervisora de Producción Rose Kernan, Gerente de Producción de Cenveo Publisher Services, por guiarnos con habilidad y calma a través del proceso de producción. Agradecemos al artista Jim Atherton, a la correctora de estilo Joanne Boehme, al corrector de pruebas Chris Feldman y a la indexadora Mau reen Johnson por su trabajo experto en la creación de figuras claras, precisas e informativas sobre temas complejos. Jeri lyn Bockorick entregó

Centro de recursos para instructores (IRC) El Centro de Recursos para Instructores, www.pearsonglobaleditions. com, está diseñado para apoyar a los instructores que enseñan biotecnología. El IRC es un recurso en línea que apoya y aumenta el material del libro de texto. Los suplementos revisados para instructores disponibles para descargar incluyen: ÿÿ Banco de pruebas computarizado: de 10 a 20 preguntas de prueba de opción múltiple por capítulo ÿÿ Archivos de arte JPEG: archivos electrónicos de todas las tablas de texto,

dibujos lineales y fotos ÿÿ Esquemas de conferencias en PowerPoint: un conjunto de presentaciones de PowerPoint que consisten en esquemas de conferencias para cada capítulo aumentados con ilustraciones de texto clave

un diseño de portada fresco e innovador y apreciamos su creatividad mientras trabajábamos en diferentes opciones de diseño. Los estudiantes de pregrado de la Universidad de Monmouth leyeron muchos borradores del manuscrito de cada una de las tres primeras ediciones y criticaron los fragmentos de arte en busca de claridad y contenido. Agradecemos a los ex alumnos de BY 201— Introducción a la biotecnología por sus revisiones honestas, búsqueda de errores y sugerencias desde la perspectiva de un estudiante. Estudiantes de la Universidad de Monmouth Fares Ani, April Baresi, Faith Blamon, Crystal Diaz, Briana Gayarum, Brad Henderson, Megan Hoges, Nikki Keefe, Andrew Langille, Mitchell E. Parker, Ashmi A. Patel, Priyal Patel, Stephanie Puwaslki, Joe Schuld, Danielle Trancucci, Ling Wong y la estudiante de la Escuela Secundaria de Biotecnología Sanja Akula merecen una mención especial por hacer contribuciones para mejorar esta edición. Nuestros estudiantes nos inspiran a luchar por mejores

Los instructores que utilicen Introducción a la biotecnología pueden crear una cuenta de usuario para acceder al Centro de recursos para instructores.

formas de enseñar y ayudarlos a comprender las maravillas de la biotecnología. Lo aplaudimos por su ayuda en la creación de lo que esperamos que los futuros estudiantes consideren un libro de texto amigable para los estudiantes.

Expresiones de gratitud

Un agradecimiento especial se extiende a nuestros colegas en una variedad de áreas de biotecnología que han contribuido con su tiempo y

Un libro de texto es el resultado colaborativo del arduo trabajo de muchas personas dedicadas, incluidos estudiantes, colegas, editores y personal

experiencia para desarrollar nuevas entradas de Perfil de carrera para el sitio web. Estos incluyen a los ex alumnos de Monmouth University

editorial, expertos en gráficos y muchos otros. Primero, agradecemos a

Carissa Maurin, Lawrence Perruzza y Robert Sexton, junto con Vicki

nuestra familia y amigos por su apoyo y aliento mientras dedicamos

Gaddy, Anne Mueller, Dean Pavlick, Richard Purcell, Daniel Rudolph,

incontables horas a este proyecto. Completar cada nueva edición trae

Joseph Saccente, Renee Tate y Michiel Ultee, todos destacados

consigo una gran sensación de logro y cierto grado de fatiga, eclipsada

profesionales, altamente capacitados y con experiencia en la industria de

por la pasión que tenemos por ayudar a los profesores a enseñar y a los

la biotecnología que comparten la pasión por ayudar a los estudiantes y

estudiantes a aprender biotecnología. Sin su comprensión y paciencia,

brindaron generosamente su tiempo y experiencia para contribuir con los

este libro no hubiera sido posible.

perfiles profesionales de esta edición. Estamos agradecidos

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a usted por compartir sus ideas y consejos para ayudar a los

Chang SUNY Genesco

estudiantes a ingresar a la industria de la biotecnología.

Jim Cheaney Universidad Estatal de Iowa

Finalmente, Introducción a la Biotecnología se ha beneficiado enormemente de los valiosos aportes de los colegas de la facultad que

Wesley Chun Universidad de Idaho Mary Colavito Santa Monica College

nos ayudaron a alcanzar los más altos niveles de precisión científica,

Colegio Comunitario James Crowder Brookdale

claridad y conocimiento pedagógico, ofreciendo sugerencias para

Universidad Peter Eden Marywood

mejorar cada capítulo. Los numerosos profesores que han desarrollado

Mary A. Farwell Universidad de Carolina del Este

cursos y programas de biotecnología y que enseñan con entusiasmo

Craig Fenn Housatonic Community College

sobre biotecnología a estudiantes de especialización y no especialistas,

Timothy S. Finco Colegio Agnes Scott Colegio

proporcionaron revisiones del texto y el arte que han sido invaluables

Mark Flood Fairmont State College

para dar forma a este libro de texto desde su creación. Su crítica

Kathryn Paxton George Universidad de Idaho

constructiva nos ayudó a revisar los borradores de cada capítulo y sus

Joseph Gindhart Universidad de Massachusetts, Boston John Goudie Área de Kalamazoo Matemáticas y Ciencias

palabras de elogio nos ayudaron a inspirarnos para seguir adelante. Todos los errores u omisiones en el texto son de nuestra responsabilidad.

Centro Colegio Jean Hardwick Ithaca

Les agradecemos a todos y esperamos sus continuos comentarios.

George Hegeman Universidad de Indiana, Bloomington

Agradecemos su ayuda.

Colegio Anne Helmsley Antelope Valley

Los revisores de Introducción a la biotecnología incluyen: Para la cuarta edición:

Colegio Comunitario James Hewlett Finger Lakes

Universidad Mahmoud-Abdel Aziz Rey Faisal Samer Al-Zoubi Universidad de la Reina de Belfast Eric Anderson Universidad de Carolina del Este Colegio Técnico Barry Bates Atlanta

David Hildebrand Universidad de Kentucky Universidad Paul Horgen de Toronto en Mississauga Facultad de Artes Aplicadas y Tecnología James Humphreys Seneca Universidad James T. Hsu Lehigh Tom Ingebritsen Universidad Estatal de Iowa

Universidad Jonathon D. Bennett Towson

Lisa Johansen Universidad de Colorado, Denver

Colegio María Colavito Santa Mónica

Ken Kubo American River College Kevin

Universidad Jonah Coombs Adelphi

Lampe Comunidad del condado de Montgomery

Matthew Escobar Universidad Estatal de California San marcos

Colega

Kenneth Feldmann Universidad de Arizona

Universidad Michael Lawton Rutgers Theodore Lee SUNY Fredonia

James Jacob Tompkins Colegio Comunitario de Cortland

Colegio Comunitario Melanie Lenahan Raritan Valley

Colegio David Koetje Calvin

Edith Leonhardt San Francisco City College Lisa

Katherine Krueger Universidad de Santa Clara

Lorenzen Dahl Universidad Estatal de Iowa Caroline

Universidad Marcie Lehman Shippensburg

Mackintosh Universidad de Saint Mary Toby Mapes AB

Colegio Alfredo León Miami Dade

Tech Community College Keith McKenney Universidad

Linda Rehfuss Colegio Comunitario del Condado de Bucks Universidad Melissa Rowland-Goldsmith Chapman Katie Ruggieri Colegio Comunitario de Bristol Universidad Internacional Paul Sharp Florida Colegio Comunitario de la Costa Norte de Christie Spadafora Mary Ann Wagner-Graham Universidad de Filadelfia Universidad Larry Wimmers Towson Lianna Wong Universidad de Santa Clara Revisores de ediciones anteriores:

George Mason Timothy Metz Universidad Campbell Universidad Estatal Stan Metzenberg de California, Northridge Patricia Phelps Austin Community College Robert Pinette Universidad de Maine Universidad Ronald Raab James Madison Colegio Comunitario Técnico Lisa Rapp Springfield Melody Ricci Colegio Victor Valley Melissa Rowland-Goldsmith Universidad Chapman

D. Derek Aday Universidad Estatal de Ohio

Stephen Rood Fairmont State College Bill

Universidad Marcie Baer Shippensburg

Sciarrapa Universidad de Rutgers

Joan Barber Instituto Tecnológico y Comunitario de Delaware

Sesiones de Alice Colegio Comunitario de Austin

Universidad Theresa Beaty LeMoyne

Carl Sillman Universidad Estatal de Pennsylvania

Steve Benson Universidad Estatal de California East Bay Peta

Teresa Singleton Universidad Estatal de Delaware

Bonham-Smith Universidad de Saskatchewan Krista Broten

Salvatore A. Sparace Universidad Clemson Sharon

Universidad de Saskatchewan Heather

Thoma Edgewood College Danielle Tilley Colegio Comunitario de Seattle

Universidad Charles Sturt de Cavenagh Ming-Mei

Janice Toyoshima Colegio Evergreen Valley Universidad Jagan Valluri Marshall

13

Machine Translated by Google 14

Prefacio

Dennis Walsh Colegio Comunitario de la Bahía de Massachusetts

Colegio Comunitario Lisa Werner Pima Dave Westenberg Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri Angela Wheeler Colegio Comunitario de Austin Lianna Wong Universidad de Santa Clara Colegio Brooke Yool Ohlone Mike Zeller Universidad Estatal de Iowa Ya sea estudiante o instructor, le invitamos a que nos envíe sus comentarios y sugerencias para mejorar la próxima edición de Introducción a la Biotecnología. Escríbanos a las siguientes direcciones o comuníquese con nosotros por correo electrónico a [email protected]. Bill Thieman Colegio Ventura Departamento de Biología 4667 telégrafo Ventura, CA 93003 [email protected]

Reconocimientos para el Global Edición Pearson quisiera agradecer a las siguientes personas por sus contribuciones a la edición global de este libro: Colaboradores Susan Barker Universidad de Australia Occidental Paula Braun Universidad de Ciencias Aplicadas de Múnich Muhammad Nasir Khan Khattak Universidad de Sharjah Yan Ling Joy Pang Instituto de Tecnología de Singapur Catherine Anne Rhodes Universidad de Cambridge y St. colegio de catarina Wei-Qin Zhuang Universidad de Auckland Revisores

Posgrado

Susan Barker Universidad de Australia Occidental Paula Braun Universidad de Ciencias Aplicadas de Múnich Universidad Paul Broady de Canterbury Universidad Nacional Jianzhong He de Singapur Liwen Jiang Universidad China de Hong Kong Juan Pablo Labrador Trinity College Dublín Rosa Laura López Marques Universidad de Copenhague Francisco Ramos Morales Universidad de Sevilla

400 cedro avenida

Universidad Kareem Mosa de Sharjah

Universidad Michael Palladino Monmouth Vicerrectoría de Estudios de

West Long Branch, NJ 07764 [email protected] https://mpalladi.wixsite.com/michaelpalladino Como estudiantes, nosotros también continuamos aprendiendo sobre biotecnología todos los días. ¡Le deseamos mucho éxito en sus exploraciones de biotecnología!

WJT MAPA

Machine Translated by Google

Contenido Sobre los autores 7 Prefacio 8

2.2 La molécula de la vida 53 Estructura del ADN 53 ¿Qué es un gen? 56

EL CAPÍTULO ES 1

El siglo de la biotecnología y

2.3 Estructura cromosómica, replicación del ADN y Genomas 56 Estructura cromosómica 56

Su Fuerza Laboral 21

2.4 Síntesis de ARN y proteínas 61 1.1 ¿Qué es la biotecnología y qué significa para usted? 22

Copiando el Código: Transcripción 61 Traduciendo el Código: Síntesis de Proteínas 64

Una breve historia de la biotecnología 22 El movimiento de biotecnología hágalo usted mismo 25 Biotecnología: una ciencia de muchas disciplinas 26 Productos de la Biotecnología Moderna 26 Ética y Biotecnología 28

2.5 Regulación de la expresión génica 68 Regulación transcripcional de la expresión génica 68 ARN no codificantes y sus funciones en la regulación Expresión génica 70

1.2 Tipos de Biotecnología 30 Biotecnología Microbiana 30

Las bacterias usan operones para regular genes expresión 71

Biotecnología Agrícola 30 Biotecnología Animal 31 Biotecnología Forense 33 Biorremediación 34 Biotecnología Acuática 35 Biotecnología Médica 35

2.6 Mutaciones: causas y consecuencias 72 Tipos de mutaciones 73 Las mutaciones son la base de la variación en los genomas y una causa de las enfermedades genéticas humanas 74

2.7 Revelando el epigenoma 76

Reglamento de biotecnología 37 El “panorama general” de la biotecnología 37

1.3 ¿Cómo será el nuevo siglo de la biotecnología? Un ejemplo de biotecnología médica 37

2.8 El mecanismo de respuesta inmunitaria en procariotas da como resultado una nueva tecnología extraordinaria para editar genes in vitro e in vivo 77 Preguntas y actividades 78

Un Escenario en el Futuro: ¿Cómo Podríamos Beneficiarnos del Proyecto Genoma Humano? 38

Estudio de caso Pérdida de ARN circular Impactos miARN Degradación y función cerebral 79

1.4 La fuerza laboral de biotecnología 40 El negocio de la biotecnología 41 Principales regiones para trabajos en biotecnología 41

EL CAPÍTULO ES 3

¿Qué es una empresa de biotecnología? 42

Tecnología y genómica del ADN recombinante

Empleos en Biotecnología 44

80

Salarios en Biotecnología 46 Tendencias de contratación en la industria de la biotecnología 46

3.1 Introducción a la tecnología de ADN recombinante y la clonación de ADN 81

Preguntas y actividades 47

EL CAPÍTULO ES 2

Introducción a los genes y Genomas 49

2.1 Una revisión de la estructura celular 50 Células procarióticas 50

Enzimas de restricción y vectores de ADN plasmídico 81 Transformación de células bacterianas y selección de antibióticos de bacterias recombinantes 86 Introducción a la clonación de genes humanos y la expresión de proteínas para aplicaciones biotecnológicas 88 ¿Qué hace un buen vector? 88

3.2 ¿Cómo identifica y clona un gen de interés? 90

Células Eucariotas 50 Bibliotecas de ADN: colecciones de genes clonados 91

15

Machine Translated by Google dieciséis

Contenido

3.3 Técnicas de laboratorio y aplicaciones de Tecnología de ADN recombinante 95

Verificación 142 Conservando Proteínas 143

Electroforesis en gel de agarosa 95

Ampliación de la purificación de proteínas 143

Mapeo de restricciones 97

Métodos de análisis de pospurificación 144

Secuenciación de ADN 97

4.4 Proteómica 144

Secuenciación de próxima generación (NGS) 98 Tecnología de secuenciación de tercera generación 100 Fluorescencia In Situ Hibridación 102 Transferencia del Sur 102

Preguntas y actividades 146 Estudio de caso Interacción de la proteína Tau-Tau en Estudio de la enfermedad de Alzheimer 148

Estudiando la Expresión Génica 104 Análisis de la función génica 107

3.4 Genómica y bioinformática: lo más candente EL CAPÍTULO ES 5

Disciplinas en la Historia de la Biotecnología 109

Secuenciación del genoma completo 109

Microbiano

Bioinformática: fusionando la biología molecular con

Biotecnología 150

Tecnología informática 110

5.1 La estructura de los microbios 151

Ejemplos de Bioinformática en Acción 111 Un esfuerzo de clonación del genoma de proporciones épicas: el Proyecto Genoma Humano 112 ¿Qué hemos aprendido del ser humano? genoma? 113

Acceder a la información del genoma humano a través del internet 114 El Proyecto Genoma Humano inició una “Omics” Revolución 114

Después del PGH: ¿Qué sigue? 118

3.5 Biología de sistemas y biología sintética 120 Preguntas y actividades 123 Estudio de caso La base de datos PANTHER 124

Las levaduras también son microbios importantes 152 5.2 Los microorganismos como herramientas 153

Enzimas microbianas 153 Transformación bacteriana 154 Técnicas de clonación y expresión 156

5.3 Uso de microbios para una variedad de aplicaciones cotidianas 158 Productos alimenticios 158 Proteínas Terapéuticas 160 Uso de microbios contra otros microbios 161

5.4 Vacunas 165 Introducción a los anticuerpos 166 Tipos de vacunas: ¿Cómo se fabrican las vacunas? 168

EL CAPÍTULO ES 4

Proteínas como Productos 125

4.1 Proteínas como productos biotecnológicos 126 Medicamentos biotecnológicos y otros medicamentos

Aplicaciones 127 Biorremediación: Tratamiento de la contaminación con Proteínas 129

4.2 Estructuras de proteínas 129 Disposición Estructural 130 Mapa de interacción proteína-proteína creado 131 Plegamiento de Proteínas 131

Modificaciones postraduccionales de proteínas 131 Ingeniería de Proteínas por Molecular Dirigida Evolución 132

Objetivos principales para el desarrollo de vacunas 169

5.5 Genómica microbiana 171 ¿Por qué secuenciar genomas microbianos? 171 Estudios metagenómicos Secuenciación de genomas de comunidades microbianas 173 Genómica viral 175 Creación de genomas sintéticos 175

5.6 Diagnóstico microbiano 177 Detección y seguimiento de enfermedades que causan

Microorganismos 177

5.7 Lucha contra el bioterrorismo 179 Microbios como armas biológicas 180 Blancos del Bioterrorismo 181 Uso de la biotecnología contra las armas biológicas 181

5.8 Microbios para producir biocombustibles 183 4.3 Producción de proteínas 134 Expresión de proteínas: procesamiento aguas arriba 134 Métodos de purificación de proteínas: aguas abajo Procesamiento 136

Preguntas y actividades 184 Estudio de caso Los microbios de diseño confían en los sintéticos Aminoácidos 186

Machine Translated by Google Contenido

17

7.3 Animales transgénicos 211 EL CAPÍTULO ES 6

Planta Biotecnología 187

Técnicas Transgénicas 212 Animales GM para la Industria Agrícola 212 Animales transgénicos como biorreactores 214 Kidney on a Chip determina la dosificación de fármacos 215

6.1 Usos de la biotecnología para mejorar la cría

Tecnologías de edición de genes en animales 216

selectiva 189 Selección asistida por marcador 189

Cría de mutaciones 189 Fusión de protoplastos 189

6.2 Ingeniería genética de plantas 190 Uso de Agrobacterium para insertar genes 190

7.4 Producción de anticuerpos humanos en animales 216 Anticuerpos monoclonales 216 Preguntas y actividades 218 Estudio de caso sobre el uso del pez cebra como enfermedad cardíaca

Modelo 219

La técnica del fragmento de hoja 190 Armas genéticas 191

Ingeniería de Cloroplastos 191 Inactivación de genes usando la tecnología CRISPR-Cas 192 Tecnología antisentido 193

EL CAPÍTULO ES 8

Huellas dactilares de ADN y Análisis forense 220

Apilamiento de genes 194

8.1 ¿Qué es una huella dactilar de ADN? 221 6.3 Aplicaciones prácticas 195 Protección de las plantas contra los virus 195 Pesticidas genéticos 195

¿Cómo se realiza la tipificación de ADN? 221 8.2 Preparación de una huella dactilar de ADN 223

Resistencia a herbicidas 196

Colección de especímenes 223

Nutrición Mejorada 196

Extracción de ADN para análisis 224

“Biofarmacia” 197

Análisis PCR y STR 224

Eliminación diseñada de promotores de genes en lugar de que los genes 198

Análisis de RTS 225

8.3 Uso del ADN 225 6.4 Inquietudes sobre la salud y el medio ambiente 198 Preocupaciones sobre la salud humana 198

El caso del asesinato de Narborough Village condujo a un nuevo método de separación de ADN 225 ¿Qué

Preocupaciones por el Medio Ambiente 198

importancia tiene la contaminación? 226 Los

Reglamento 200

acontecimientos mundiales conducen al desarrollo de

Preguntas y actividades 201 Estudio de caso ¿Puede la interferencia del ARN silenciar genes en una plaga de cítricos? 202

nuevas tecnologías 227

8.4 AND y las Reglas de Prueba 228 Huellas dactilares de ADN y la cadena de Evidencia 229 Error humano y fuentes de

EL CAPÍTULO ES 7

contaminación 229 Análisis forense de ADN de "Touch DNA" 230

Animal Biotecnología 203

8.5 Relaciones familiares y perfiles de ADN 230 Análisis de ADN mitocondrial 231

7.1 Animales en investigación 204

Análisis del cromosoma Y 231

¿Por qué utilizar animales en la investigación? 204 Tipos de animales utilizados en la investigación

8.6 Análisis de ADN no humano 232

205 Regulaciones en la investigación con animales 206 Alternativas al uso de animales 206

Identificación de plantas a través del ADN 232

Reglamento de Investigación Animal 207

Análisis de ADN animal 234

Medicina Veterinaria: Beneficios para Humanos y animales 208

El análisis de proteínas podría unirse al análisis forense de ADN 233

Fraude alimentario: análisis forense de ADN reciente

Aplicación 234 Pruebas de organismos genéticamente modificados (OGM) 235

7.2 Clonación 208 Preguntas y actividades 235

Creación de Dolly: un gran avance en la clonación 208 Límites de la clonación 209 Desarrollo de órganos humanos en

Identificación de contaminación de línea celular de ratón de estudio de caso

animales GM 210

Uso de análisis forense de ADN 236

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Contenido

Mejora de las cepas para la acuicultura 274 EL CAPÍTULO ES 9

Biorremediación 239

Mejorar la calidad y la seguridad de Mariscos 274 Barreras y Limitaciones a la Acuicultura 275

9.1 ¿Qué es la biorremediación? 240 ¿Por qué es importante la biorremediación? 240 9.2 Conceptos básicos de biorremediación 241

¿Qué necesita ser limpiado? 241 Sustancias químicas en el medio ambiente 242 Fundamentos de las reacciones de limpieza 244 Los jugadores: metabolizando microbios 245 Programas de Biorremediación Genómica 246

9.3 Sitios y estrategias de limpieza 248 Limpieza del suelo 249 Biorremediación del Agua 250

10.3 Tecnologías genéticas y organismos acuáticos 277 Análisis de nuevos genes de especies acuáticas Especies 277 Manipulaciones genéticas de peces y Mariscos 282

10.4 Aplicaciones médicas del agua Biotecnología 286 Bioprospección para Aislar Medicamentos del Mar 287

10.5 Productos no médicos 290 Un popurrí de productos 290 Biomasa Acuática y Bioprocesamiento

9.4 Convertir desechos en energía 254 9.5 Aplicación de cepas modificadas genéticamente para limpiar Arriba el Medio Ambiente 255 Bacterias que comen petróleo 255 Microbios de ingeniería para limpiar pesados Metales 255 Plantas Genéticamente Modificadas y Fitorremediación 256 Biosensores 256

Aplicaciones 291

10.6 Aplicaciones ambientales de la biotecnología acuática 291 Agentes antiincrustantes 292 Biosensores 292 Remediación Ambiental 293 Preguntas y actividades 294 Estudio de caso Escape masivo de peces pone en peligro nuevo Salmonera 296

9.6 Desastres ambientales: estudios de caso en Biorremediación 257 El derrame de petróleo de Exxon Valdez 257

EL CAPÍTULO ES 1 1

Campos petrolíferos de Kuwait 259 El derrame de petróleo de Deepwater Horizon 259

Médico Biotecnología 297

9.7 Desafíos para la biorremediación 261 Recuperación de metales valiosos 262 Biorremediación de Residuos Radiactivos 262 Degradación de macro y microplásticos en el Medio Ambiente 263

11.1 Modelos animales de enfermedades humanas 298 11.2 Detección y diagnóstico de enfermedades humanas Condiciones 299 Biomarcadores para la detección de enfermedades 299

Preguntas y actividades 264 Estudio de caso ¿Convertir letrinas en faros? 266

El proyecto del genoma humano reveló la enfermedad Genes en todos los cromosomas humanos 300 Pruebas genéticas: detección de cromosomas Anomalías y genes defectuosos 300

11.3 Análisis de secuencia de genomas individuales 306 EL CAPÍTULO ES 1 0

Acuático Biotecnología 267

Secuenciación del exoma completo 307 Análisis genómico de células individuales por ADN y Secuenciación de ARN 308 Los estudios de asociación de todo el genoma identifican

10.1 Introducción a la biotecnología acuática 268 10.2 Acuicultura: aumento del suministro mundial de alimentos a través de la biotecnología 268 La economía de la acuicultura 269 Prácticas de piscicultura 271

Variaciones del genoma en poblaciones 308

11.4 Medicina de precisión y biotecnología 310 ¿Qué es la Iniciativa de Medicina de Precisión? 310 Aprovechar el sistema inmunológico para el tratamiento Enfermedad: anticuerpos e inmunoterapia 314

Machine Translated by Google Contenido

11.5 Terapia génica 319 ¿Cómo se hace? 319

Enfoques de edición del genoma para Gene

12.8 Papel de los científicos en el desarrollo de

Regulaciones Internacionales 360 Preguntas y actividades 360

Terapia 323 Curar enfermedades genéticas: dianas para el gen Terapia 326

Estudio de caso ¿Cómo se debe garantizar el transporte seguro de sustancias infecciosas? 362

Desafíos que enfrenta la terapia génica 328 Desafíos futuros a abordar 328 EL CAPÍTULO ES 1 3

11.6 El potencial de la medicina regenerativa 329

Ética y

Trasplante de células y tejidos 329 Ingeniería de tejidos 332 Células madre 333

Biotecnología 363 13.1 ¿Qué es la ética? 364

Clonación 340 Clonación Terapéutica y Reproductiva Clonación 341 Reglamento de Células Madre Embrionarias y Clonación terapéutica en los Estados Unidos 343

Preguntas y actividades 345 Estudio de caso La genómica personal ayuda a Elizabeth Davis camina de nuevo 347

EL CAPÍTULO ES 1 2

Biotecnología Internacional Reglamento 348 12.1 Descripción general de las reglamentaciones internacionales 350

12.2 Protección de seres humanos, animales y plantas

Enfoques para la toma de decisiones éticas 365 Ejercicio ético Calentamiento 366 13.2 Ejemplos de ética y biotecnología 367 Células y Productos 367

Cultivos GM: ¿Eres lo que comes? 368 ¿Cría de animales o retoques de animales? 371 Genomas sintéticos y biología sintética 372 Ensayos farmacológicos con pacientes humanos 372 ¿Qué significa ser humano? 373

Embriones de repuesto para investigación versus creación de embriones para investigación 375 ¿Deberían clonarse humanos y otros animales?

¿por alguna razon? 376 Terapia de reemplazo mitocondrial 377 Derechos del paciente y materiales biológicos 378 Información genética y privacidad genética 378

Salud 352

¿Más o menos humanos? 380

Biotecnología para el control, la vigilancia y la respuesta a

Edición del genoma y modificaciones genéticas de la línea germinal 380

enfermedades 352 Manejo seguro, transferencia y uso de productos biológicos Materiales 352

13.3 Economía, el papel de la ciencia y

Comunicación 381

Seguridad Alimentaria 353

Preguntas y actividades 384 12.3 Conservación de la biodiversidad y el Protocolo de Cartagena sobre Bioseguridad 354

Estudio de caso El proyecto GTEx, cadáveres y Derechos de la familia 385

12.4 Gestión de recursos genéticos 354

Derechos soberanos del Estado 355 El Protocolo de Nagoya 355 Tratado Internacional sobre Recursos Fitogenéticos para la Alimentación y la Agricultura 355

La preparación para la influenza pandémica Marco 356

Apéndice 1: Respuestas a preguntas y Actividades A-1 Apéndice 2: Los 20 aminoácidos de las proteínas A-13

Créditos C-1 Glosario G-1

12.5 Derechos comerciales y de propiedad intelectual 356

Comercio de productos biotecnológicos 356 Derechos de propiedad intelectual 357 Derechos de obtenciones vegetales 358

12.6 Derechos humanos 358 12.7 Prevención del uso hostil de la biotecnología 359

Índice I-1

19

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CAPÍTULO UNO

El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿÿ Definir biotecnología y describir las muchas disciplinas científicas que contribuyen a la biotecnología. ÿÿ Proporcionar ejemplos de aplicaciones históricas y actuales de la biotecnología.

ÿÿ Apreciar la gama de diferentes temas que constituyen la biotecnología moderna y cómo éstos influyen en la vida cotidiana.

ÿÿ Discutir cómo es el diagnóstico médico

Como aprenderá en este capítulo, la industria de la biotecnología presenta una amplia gama de emocionantes oportunidades profesionales para los estudiantes, desde puestos de científico investigador en el laboratorio o en el campo hasta puestos en ventas, marketing, comunicaciones y otras disciplinas.

están cambiando como resultado de la biotecnología y brindan ejemplos de cómo se utilizan los datos del genoma para diagnosticar y tratar enfermedades humanas. ÿÿ Dé un ejemplo de una nueva planta

cultivo biotecnológico que llegó al mercado recientemente y tener un conocimiento básico de las controversias asociadas con los organismos genéticamente modificados. ÿÿ Comprender los conceptos básicos de cómo un

empresa de biotecnología se inicia, financia y valora, y describe la estructura organizativa de una empresa de biotecnología típica. ÿÿ Describir las oportunidades profesionales y

opciones en biotecnología y formas de explorarlas.

21

Machine Translated by Google 22

Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

la comida es abundante para todos el medio ambiente ¿Puedes imaginar un mundo libre de yenfermedades, donde está libre de contaminación? Estos escenarios son exactamente lo que muchas personas en la industria de la biotecnología imaginan mientras dedican sus vidas a esta apasionante ciencia. Este capítulo fue diseñado para brindarle una introducción básica a la increíble variedad de temas de biotecnología sobre los que leerá en este libro. Como verá, la biotecnología es una ciencia multidisciplinaria con un gran potencial para descubrimientos futuros y muchas aplicaciones y productos poderosos. En este capítulo, presentamos una breve introducción y una descripción general de muchos temas que analizamos con mayor detalle a lo largo del libro. Comenzamos definiendo la biotecnología y esbozando las disciplinas científicas que contribuyen a este increíble campo. Destacamos las aplicaciones históricas y modernas y describimos los diferentes tipos de biotecnología que estudiará en este libro. Al final del capítulo, analizamos los aspectos de la fuerza laboral biotecnológica y las habilidades requeridas para trabajar en la industria.

no ha experimentado ninguno de los escenarios de la primera lista, al menos uno de los elementos de la segunda lista debe ser familiar para usted. Si es así, usted ha experimentado los beneficios de la biotecnología de primera mano. La biotecnología se define ampliamente como la ciencia del uso de organismos vivos, o los productos de organismos vivos, para beneficio humano (o para beneficiar el entorno humano), es decir, para fabricar un producto o resolver un problema. Recuerda esta definición. A medida que aprenda más sobre la biotecnología, ampliaremos y refinaremos esta definición con ejemplos históricos y aplicaciones modernas de la vida cotidiana y miraremos hacia el futuro de la biotecnología. Estaría en lo correcto si pensara que la biotecnología es una disciplina relativamente nueva que solo recientemente está recibiendo más atención; sin embargo, puede que le sorprenda saber que la biotecnología implica varias prácticas antiguas. Como discutimos en la siguiente sección, los enfoques antiguos y nuevos de la biotecnología hacen de este campo una de las áreas científicas más emocionantes y que cambian rápidamente. Afecta nuestra vida cotidiana y será aún más importante durante este siglo, lo que algunos han llamado el “siglo de la biotecnología”.

PRONÓSTICO DEL FUTURO El descubrimiento y la creación de nuevos medicamentos es costoso y difícil. En los últimos 40 años, miles de pequeñas empresas de biotecnología han intentado demostrar que pueden hacer esto mejor y menos costoso que las empresas farmacéuticas tradicionales. Hoy en día, las empresas de biotecnología generan ingresos globales de $163 mil millones. Esto representa alrededor del 20 por ciento de los ingresos generados por el mercado farmacéutico. La tasa de crecimiento anual actual de las empresas de biotecnología es superior al 8 por ciento, que es el doble que la de las empresas farmacéuticas convencionales. Es probable que esta tasa de crecimiento continúe en el futuro previsible. Esto significa que las empresas de biotecnología y los enfoques que utilizan para desarrollar fármacos seguirán atrayendo a investigadores e inversores.

1.1 ¿Qué es la biotecnología y qué significa para usted? ¿Alguna vez ha comido una manzana o una patata que no le cause moretones, ha recibido un tratamiento con un anticuerpo monoclonal, ha recibido tejido cultivado a partir de células madre embrionarias o ha visto un ratón "knockout"? ¿Alguna vez ha comido frituras de maíz, crema agria, yogur o queso; tenía una vacuna contra la gripe; conoce a una persona con diabetes que requiere inyecciones de insulina; hecho una prueba de embarazo casera; usó un antibiótico para tratar una infección bacteriana; bebió un vaso de vino o leche; o hizo pan (Figura 1.1)? Aunque puedes

Una breve historia de la biotecnología Si le pidiera a sus amigos y familiares que definieran la biotecnología, sus respuestas podrían sorprenderlo. Es posible que no tengan idea de lo que es la biotecnología. Tal vez podrían especular que la biotecnología involucra a científicos de aspecto serio con batas blancas de laboratorio que secretamente llevan a cabo sofisticados experimentos de “clonación” en costosos laboratorios. Sin embargo, cuando se les presione para obtener detalles, sus amigos probablemente no podrán decirle cómo se hacen estos “experimentos”, qué información se obtiene de dicho trabajo y cómo se puede o no usar este conocimiento. Aunque la clonación de ADN, la manipulación genética de organismos e incluso la clonación de organismos completos son técnicas modernas interesantes, la biotecnología no es una ciencia nueva. De hecho, muchas aplicaciones representan viejas prácticas con nuevas metodologías. Los seres humanos han estado utilizando otros organismos biológicos para su beneficio en muchos procesos durante varios miles de años. Los relatos históricos han demostrado que los chinos, los griegos, los romanos, los babilonios y los egipcios, entre muchos otros, han estado involucrados en la biotecnología desde alrededor del año 2000 a.C. La biotecnología no significa cazar y recolectar animales y plantas para la alimentación; sin embargo, la domesticación de animales como ovejas y vacas para su uso como ganado es un ejemplo clásico de biotecnología. Nuestros primeros antepasados también aprovecharon los microorganismos y usó la fermentación para hacer panes, quesos, yogures y bebidas alcohólicas como cerveza y

Machine Translated by Google 1.1 ¿Qué es la biotecnología y qué significa para usted?

23

(a)

(b)

FIGURA 1.1 Ejemplos de biotecnología en su hogar (a) La biotecnología en la cocina incluye panes, quesos, yogures y muchos otros alimentos y b Estos son ejemplos básicos comunes de biotecnología. (b) Un ejemplo mucho más sofisticado y menos común incluye los teléfonos inteligentes que monitorean los signos vitales y la química sanguínea, como los niveles de azúcar en la sangre. Aquí se muestra una aplicación para teléfono inteligente y medidor de glucosa que puede detectar los niveles de glucosa en sangre en una tira reactiva.

vino. Estas prácticas continúan hoy. Durante la fermentación, algunas cepas de levadura descomponen los azúcares para obtener energía y, en el proceso, producen etanol (alcohol) como producto de desecho. Cuando se prepara la masa de pan, se agrega levadura como Saccharomyces cerevisiae (comúnmente llamada levadura de panadería) para hacer que la masa suba. Esto ocurre porque durante la fermentación la levadura libera dióxido de carbono, lo que hace que la masa suba y cree agujeros en el pan. El alcohol producido por la levadura se evapora cuando se cocina el pan. Si hace pan o masa de pizza en casa, probablemente haya agregado S. cerevisiae comprada en la tienda de un sobre o frasco a su mezcla de masa.

Durante miles de años, los seres humanos han utilizado la cría selectiva como una aplicación biotecnológica para mejorar la producción de cultivos y el ganado que se utiliza con fines alimentarios. En la reproducción selectiva, los organismos con características deseables se aparean a propósito para producir descendencia con las mismas características desea Por ejemplo, cruzar plantas que producen las mazorcas de maíz más grandes, dulces y tiernas es una buena manera para que los agricultores maximicen su tierra para producir los cultivos más deseables (Figura 1.2a). Se utilizan técnicas de cría similares con animales de granja, incluidos pavos (para criar aves que produzcan la carne de pechuga más grande y tierna), vacas,

Machine Translated by Google 24

Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

pollos y cerdos. Otros ejemplos incluyen la cría de especies silvestres de plantas, como lechugas, fresas, repollo y plátanos, durante muchas generaciones para producir plantas modernas que se cultivan para el consumo humano. Muchos de estos enfoques son en realidad aplicaciones genéticas de la biotecnología. Sin laboratorios costosos, equipos sofisticados, científicos con doctorado y experimentos bien planificados, los humanos han estado manipulando la genética durante cientos de años. Al seleccionar plantas y animales con características deseables, los humanos están eligiendo organismos con genes útiles y aprovechando su potencial genético para el beneficio humano. Como aprenderá, el pez cebra es un importante organismo modelo experimental (Figura 1.2b). Los científicos del Hospital de Niños de Boston produjeron un pez cebra transparente llamado Casper. Casper fue creado cruzando un mutante de pez cebra que carecía de pigmento reflectante con un pez cebra que carecía de pigmento negro. Casper también ha demostrado ser importante para las pruebas de fármacos y los estudios in vivo (en el organismo vivo) de células madre y cáncer. Por ejemplo, para estudiar cómo las células cancerosas se propagan o metastatizan, Los científicos inyectaron células tumorales fluorescentes en la cavidad abdominal del pez y pudieron rastrear la migración de esas células a lugares específicos del cuerpo. Una de las aplicaciones más conocidas de la biotecnología es el uso de antibióticos, sustancias producidas por microorganismos que inhibirán el crecimiento de otros microorganismos. En la década de 1940, la penicilina estuvo ampliamente disponible para uso medicinal para tratar infecciones bacterianas en humanos. En las décadas de 1950 y 1960, los avances en bioquímica y biología celular hicieron posible purificar grandes cantidades de antibióticos de muchas cepas diferentes de bacterias. Los procesos por lotes (a gran escala), en los que los científicos pueden cultivar bacterias y otras células en grandes cantidades y cosechar productos útiles en grandes lotes, se desarrollaron para aislar moléculas comercialmente importantes de los microorganismos (se explica con más detalle en los capítulos 4 y 5). Desde la década de 1960, el rápido desarrollo de nuestra comprensión de la genética y la biología molecular ha dado lugar a interesantes innovaciones y aplicaciones en biotecnología. A medida que los científicos desentrañaban los secretos de la

(a)

(b)

FIGURA 1.2 La reproducción selectiva es un viejo ejemplo de biotecnología que todavía es común hoy en día (a) Maíz cultivado mediante reproducción selectiva. De izquierda a derecha está el teosinte (Zea canina), los híbridos criados selectivamente y el maíz moderno (Zea mays). (b) Pez cebra (Danio rerio).

La biotecnología como industria. Aprenderá que la tecnología rDNA ha llevado a cientos de aplicaciones, incluido el desarrollo estructura y función del ADN, diferentes tecnologías de de plantas resistentes a las enfermedades, cultivos alimentarios laboratorio condujeron a la clonación de genes, la capacidad que producen mayores rendimientos, cultivos diseñados para de identificar y reproducir un gen de interés, y la ingeniería ser más nutritivos y bacterias modificadas genéticamente genética, manipulando el ADN de un organismo. A través de la ingeniería genética, los científicos pueden combinar ADN de diferentescapaces fuentes.de degradar los contaminantes ambientales. La clonación de genes y la tecnología de ADNr han tenido Este proceso, denominado tecnología de ADN recombinante un impacto tremendo en la salud humana a través de la (ADNr), se utiliza para producir cientos de proteínas identificación de miles de genes implicados en enfermedades recombinantes de importancia médica, como la insulina, la genéticas humanas. Iniciado en 1990 y finalizado en 2003, el hormona del crecimiento humano y los factores de coagulación de la sangre. Proyecto Genoma Humano fue el último proyecto de clonación Desde sus inicios, la tecnología rDNA ha dominado muchas y un esfuerzo de investigación internacional con el objetivo de áreas de la biotecnología y, como pronto aprenderá, muchos identificar y secuenciar todos los genes contenidos atribuyen a la tecnología rDNA el inicio de la moderna

Machine Translated by Google 1.1 ¿Qué es la biotecnología y qué significa para usted?

cromosoma 13

cromosoma 21

114 millones de bases Factor reductor del colesterol Sordera, autosómica dominante y recesivo síndrome de Vohwinkel Displasia ectodérmica Distrofia muscular, cintura escapular, tipo 2C Cáncer de mama, inicio temprano

Cancer de pancreas Alterado en la neoplasia de células B Leucemia crónica linfocítico, de células B Deficiencia de MHC clase II, grupo B

síndrome

Cáncer de vejiga Pinealoma con bilateral

síndrome de Usher, autosómica recesiva

Agenesia pancreática

La esclerosis lateral amiotrófica

Diabetes de inicio en la madurez de los jóvenes, tipo 4

Sensibilidad a la oligomicina

Enuresis nocturna

Síndrome de Jervell y Lange-Nielsen

Demencia familiar británica

Síndrome de QT largo

Síndrome de Rieger, tipo 2

Adhesión celular del síndrome de Down molécula

sensibilidad a los rayos X

Homocistinuria

Rabdomiosarcoma, alveolar

Catarata, congénita, autosómica dominante

Lipofuscinosis ceroide, neuronal Microcoria, congénita

Sordera, autosómica recesiva Resistencia a mixovirus (influenza) Leucemia mieloide aguda

Síndrome mieloproliferativo, transitorio Leucemia, transitoria, del síndrome de Down Deficiencia de enteroquinasa Deficiencia de carboxilasa múltiple Invasión de linfoma de células T y metástasis Infección por micobacterias, atípica Síndrome de Down (región crítica) poliglandular autoinmune enfermedad, tipo I miopatía de Bethlem Epilepsia mioclónica progresiva Holoprosencefalia, alobar síndrome de Knobloch Anemia hemolítica Cáncer de mama Trastorno plaquetario, con malignidad

Susceptibilidad a la esquizofrenia

mieloide

Xeroderma pigmentoso, grupo G Deficiencia del factor VIII de la coagulación

retinoblastoma

enfermedad de oguchi

enfermedad de wilson

Enfermedad de Stargardt, autosómica dominante

polidactilia postaxial,

Esquizofrenia crónica

Charlevoix-Saguenay típico

Ataxia espinocerebelosa

Osteosarcoma

Enfermedad de Alzheimer, relacionada con APP

ataxia espástica,

hiperamonemia Homocitrulinemia

retinoblastoma

Amiloidosis cerebroarterial, tipo holandés

Leucemia/linfoma de células madre

Cáncer de pulmón de células no pequeñas

receptor de serotonina

50 millones de bases Coxsackie y receptor de adenovirus

Catarata zonular pulverulenta

hiperornitinemia

25

Deficiencia del factor X de coagulación

tipo A2 enfermedad de Hirschsprung

Cáncer de mama, ductal

Acidemia propiónica, tipos I o pccA holoprosencefalia Malabsorción de ácidos biliares, primaria

FIGURA 1.3 Mapas genéticos de los cromosomas 13 y 21 El Proyecto Genoma Humano ha llevado a la identificación de casi todos los genes humanos y ha mapeado su ubicación en cada cromosoma. Los mapas de los cromosomas 13 y 21 que se muestran aquí muestran listas parciales de genes que se sabe que están involucrados en enfermedades genéticas humanas. La identificación de tales genes es un primer paso importante hacia el desarrollo de tratamientos para muchas enfermedades genéticas.

en el ADN de las células humanas (el genoma) y mapear las ubicaciones de

genomas humanos por una variedad de razones, desde el análisis de la

los genes en cada uno de los 24 cromosomas humanos (cromosomas 1 a 22

ascendencia genética hasta las pruebas genéticas y el diagnóstico de enfermedades.

y los cromosomas X e Y).

Aprenderá sobre la creación de genomas artificiales o sintéticos y los planes

El Proyecto Genoma Humano ha revelado la ubicación cromosómica y la

que tienen los científicos para estos genomas. Además, los nuevos enfoques

secuencia de cada gen humano, desde los genes que controlan los

para la edición del genoma, basados en una tecnología emocionante llamada

procesos celulares normales y determinan características como el color

CRISPR-Cas, hacen posible corregir enfermedades genéticas y crear una

del cabello, el color de los ojos, la altura y el peso hasta la miríada de

nueva modificación genética de los genomas en muchas especies, incluidos

genes que causan enfermedades genéticas humanas ( Figura 1.3).

los humanos. A lo largo del libro tratamos extensamente estos temas.

Como aprenderá, los datos del genoma humano ahora son gratuitos y están fácilmente disponibles en las bases de datos públicas. El Proyecto Genoma Humano ha avanzado significativamente en el desarrollo de nuevas herramientas de diagnóstico para detectar enfermedades genéticas y enfoques moleculares para tratar y curar enfermedades genéticas humanas. Como

La biotecnología hágalo usted mismo Movimienot

resultado, los nuevos conocimientos sobre la genética humana están teniendo

Un movimiento en curso llamado biotecnología de bricolaje aleja la

y tendrán efectos tremendos y de gran alcance en la ciencia básica y la

biotecnología y las aplicaciones relacionadas de los entornos de investigación

medicina ahora y en el futuro cercano.

tradicionales, como las universidades o las empresas establecidas. El movimiento DIY abarca a personas con muchos antecedentes diferentes,

El Proyecto del Genoma Humano marcó el comienzo de una nueva y emocionante era de investigación en biología molecular y genética conocida

desde nuevos estudiantes de doctorado hasta biólogos de cocina con poca capacitación formal, aficionados interesados en retoques y empresarios.

como genómica (el estudio de los genomas), incluido el desarrollo de nuevas técnicas extraordinarias para la secuenciación del ADN. Estas técnicas han hecho posible secuenciar los genomas de prácticamente cualquier especie y han resultado en la capacidad de secuenciar individuos

Algunos se han referido a los participantes del bricolaje como "biohackers". Lo que los entusiastas del bricolaje tienen en común es que más del 90 % trabaja en espacios comunes, no en garajes.

Machine Translated by Google 26

Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

o sótanos; en su mayoría tienen menos de 45 años; y alrededor del 20 por ciento obtuvo un doctorado. Los aficionados al bricolaje no son necesariamente aficionados deshonestos e inexpertos. La biotecnología de bricolaje está funcionando de manera muy similar a como lo hicieron los cofundadores de Apple, Steve Jobs y Steve Wozniak,

La Figura 1.4 proporciona una vista esquemática de las muchas disciplinas que contribuyen a la biotecnología. Tenga en cuenta que las "raíces" están formadas principalmente por el trabajo en las ciencias básicas : la investigación de los procesos fundamentales de los organismos vivos a nivel bioquímico, molecular y

cuando construyeron sus primeras placas de circuitos en sus dormitorios y

genético. La investigación científica básica, con la ayuda de otras disciplinas,

garajes. Los instrumentos económicos para amplificar el ADN y los

puede conducir a enfoques de ingeniería genética que forman el núcleo o el

dispositivos de diagnóstico para detectar la malaria han resultado de la

tronco de muchas, pero no todas, las aplicaciones biotecnológicas. En la

biotecnología de bricolaje. Sin embargo, queda por ver si se producirán

parte superior del árbol, las aplicaciones de biotecnología crean productos o

descubrimientos de bricolaje que tengan un impacto similar al de Apple en

procesos para ayudar a los humanos o nuestro entorno de vida. Muchos

la tecnología.

procesos futuros aún deben desarrollarse y esperan la participación intuitiva de las personas que trabajan en biotecnología hoy.

Algunos de los métodos que están usando ahora son bastante rutinarios. Por ejemplo, en la mayor parte del mundo podrías hacer experimentos básicos de clonación de genes en tu cocina. No es exactamente

Un ejemplo simplificado de la naturaleza interdisciplinaria de la

bricolaje, pero hace unos 4 años, un grupo de estudiantes universitarios en

biotecnología puede resumirse como sigue. En el nivel de ciencia básica,

un curso de genoma en la Universidad Johns Hopkins anunció que habían

los científicos que realizan investigaciones en microbiología en un colegio,

hecho una versión sintética del cromosoma 3 de levadura que incorporaba

universidad, agencia gubernamental o empresa pública o privada pueden

solo elementos esenciales del genoma. Mencionamos esto como un ejemplo

descubrir un gen o producto genético en bacterias que se muestra

de cómo los estudiantes con relativamente poca formación pueden hacer

prometedor como agente para tratar una enfermedad. Por lo general, se

este trabajo.

utilizarían técnicas bioquímicas, moleculares y genéticas para determinar el papel de este gen. Este proceso también implica el uso de la informática en

Los participantes de bricolaje a menudo buscan financiación colectiva

formas sofisticadas para estudiar la secuencia de un gen y analizar la

a través de campañas de recaudación de fondos en línea, alquilan espacio,

estructura de la proteína producida por el gen, un ejemplo de un campo

buscan donaciones de equipos o comparten espacio de laboratorio con otros.

llamado bioinformática.

Se ha expresado preocupación acerca de los científicos de bricolaje que trabajan de manera no regulada y lo que puede resultar de su "investigación". Por ejemplo, las autoridades alemanas descubrieron bacterias patógenas resistentes a los antibióticos en un kit CRISPR enviado desde California. El kit contenía microbios intestinales comunes. Los reguladores alemanes

Una vez que la investigación básica ha llegado a una comprensión detallada de este gen, el gen se puede usar de varias maneras, incluido el desarrollo de fármacos, la biotecnología agrícola y las aplicaciones

declararon que el riesgo ambiental de modificar estas bacterias resistentes

ambientales y acuáticas (Figura 1.4). Las muchas aplicaciones de la

a los medicamentos era insignificante, pero prohibieron todas las

biotecnología se harán mucho más claras a medida que cubramos cada

importaciones de este tipo de la empresa Odin, excepto a los laboratorios

área. En este punto, tenga en cuenta el importante concepto de que la

certificados de alta seguridad que tienen alguna supervisión gubernamental.

biotecnología es una ciencia que requiere habilidades de muchas disciplinas.

En este momento, debido a que no hay fondos gubernamentales para la biotecnología de bricolaje, los participantes pueden hacer lo que quieran en un entorno no regulado, siempre que su trabajo no sea ilegal.

Productos de la Biotecnología Moderna A lo largo del libro, consideramos muchos productos y aplicaciones de biotecnología de vanguardia e innovadores. Nos fijamos no solo en productos

Biotecnología: una ciencia de muchas disciplinas Uno de los muchos desafíos que encontrará al estudiar biotecnología será

para uso humano, sino también en aplicaciones biotecnológicas de microbiología, biología marina y biología vegetal, entre otras disciplinas. El sesenta y cinco por ciento de las empresas de biotecnología en los Estados Unidos y el 50 por ciento de las empresas de biotecnología australianas y

reunir información compleja de diferentes disciplinas científicas. Es imposible

alemanas se centran en la producción de medicamentos para el tratamiento

hablar de biotecnología sin considerar importantes aportes de la biología, la

de enfermedades humanas. Muchos de estos medicamentos son proteínas

química, las matemáticas, la informática y la ingeniería, además de campos

recombinantes nombradas porque se producen mediante técnicas de

como la filosofía, la ética y la economía. La biotecnología es un campo

clonación de genes/ADN recombinante. Por ejemplo, la mayoría de estas

expansivo e interdisciplinario . Más adelante en este capítulo, consideramos

proteínas se producen a partir de genes humanos insertados en bacterias

cómo la biotecnología proporciona una gran cantidad de oportunidades de

para producir proteínas recombinantes que se usan para tratar enfermedades

empleo para las personas que se han capacitado en diversos campos.

humanas. En 1982, la empresa de biotecnología de California, Genentech, ampliamente considerada como la primera empresa de biotecnología del mundo, recibió la aprobación para la biotecnología recombinante.

Machine Translated by Google 1.1 ¿Qué es la biotecnología y qué significa para usted?

APLICACIONES

Biofarmacéutica y salud Proteínas terapéuticas Terapia de genes Prueba de "knockout" de genes Tecnología de fermentación edición del genoma Diagnóstico y tratamiento de enfermedades Detección medicina forense

Aprobación y supervisión regulatoria

huella de ADN

Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA)

Agencia de Protección Ambiental (EPA)

Prueba genética

Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA)

Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA)

Biotecnología agrícola

27

FIGURA 1.4 El árbol de la biotecnología: diferentes disciplinas contribuyen a la biotecnología Las ciencias básicas son la base o las “raíces” de todos los aspectos de la biotecnología. El foco central o “tronco” de la mayoría de las aplicaciones biotecnológicas es la ingeniería genética. Las ramas del árbol representan diferentes organismos, tecnologías y aplicaciones que “derivan” de la ingeniería genética y la bioinformática, aspectos centrales de la mayoría de los La regulación de la biotecnología ocurre a través de la FDA y la EPA en los Estados Unidos y la FAO, la OMS y la OIE a nivel internacional (consulte el Capítulo 12).

Cultivos transgénicos Seguimiento de ADN de semillas.

animales transgénicos Desarrollo de fármacos patentamiento

Ambiental y acuático

Bioinformática

Acuicultura Biorremediación

Proyección de alto impacto Cultivo celular, animal y humano

Organismos transgénicos

pruebas (ensayos clínicos)

Ingeniería genética a través de la biología molecular y análisis a través bioinformática y análisis de datos

Ciencias de la Computación

Humano, animal/planta Sustancias químicas, proteínas, células y

fisiología

Ingeniería de tejidos Matemáticas

Física Genética

moleculares y

Modelado

Biología Celular

Bioquímico Inmunología

ry

Estadísticas Microbiología

Análisis de datos/ciencia

insulina, utilizada para el tratamiento de la diabetes, como el primer

En 2017 se aprobaron nuevos medicamentos en Alemania.

producto biotecnológico para beneficio humano (Figura 1.5).

Aproximadamente un tercio de estos eran medicamentos contra el cáncer.

Ahora hay varios cientos de medicamentos, vacunas y diagnósticos en el

Nueve nuevos medicamentos contra el cáncer recibieron aprobación en

mercado, con más de 350 medicamentos biotecnológicos en desarrollo,

Canadá y 8 en Japón en el mismo año.

dirigidos a más de 200 enfermedades.

La Tabla 1.1 proporciona una breve lista de algunos de los medicamentos biotecnológicos más vendidos y las empresas que los

El desarrollo de fármacos por parte de la industria de la biotecnología

desarrollaron. El diagnóstico y/o el tratamiento de una variedad de

se centra en combatir las principales enfermedades que afectan a los seres

enfermedades y trastornos humanos, incluidos el síndrome de

humanos, y más de la mitad de los nuevos fármacos en la "tubería" de

inmunodeficiencia adquirida (SIDA), los accidentes cerebrovasculares, la

desarrollo están diseñados para tratar el cáncer. Este enfoque de la

diabetes y el cáncer, constituyen la mayor parte de los productos

industria suele ser evidente cuando se revisan los tipos de nuevos

biotecnológicos en el mercado. Muchos de los productos biotecnológicos

medicamentos biotecnológicos aprobados en los Estados Unidos. Por

más utilizados son proteínas recombinantes (Cuadro 1.2).

ejemplo, 2017 fue un año excepcional para las aprobaciones de nuevos medicamentos biotecnológicos con 46 nuevos medicamentos aprobados

Si la Figura 1.6 y las Tablas 1.1 y 1.2 no le han brindado ejemplos

en los Estados Unidos, solo superado por 1996 cuando se aprobaron 53

convincentes de la importancia de la biotecnología para la salud humana,

medicamentos biotecnológicos (Figura 1.6). Como se muestra en la Figura

considere que los genes se están introduciendo cada vez más en

1.6, los medicamentos contra el cáncer recibieron la mayor cantidad de aprobaciones. En comparación, 31

Machine Translated by Google 28

Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

Las células cultivadas en fermentador producen proteína de interés Gen de

Células cultivadas en

interés

platos de cultivo

Introducir en

Cultivar células que

recombinante

bacteriano o mamífero

tienen un gen de interés en el

proteína de interés se puede aislar

células

fermentador

de células cultivadas usando bioquímicos tecnicas

FIGURA 1.5 Uso de células cultivadas genéticamente modificadas para producir una proteína de interés Los genes de interés pueden introducirse en células bacterianas o de mamíferos. Dichas células pueden cultivarse utilizando técnicas de cultivo celular. Las proteínas recombinantes aisladas de estas células se utilizan en cientos de aplicaciones biotecnológicas diferentes. En este ejemplo, se muestran células de mamíferos, pero este proceso también se lleva a cabo comúnmente con bacterias. La fotografía muestra un vial de insulina humana producida por tecnología de ADN recombinante.

las células humanas como enfoques de terapia génica se emplean en intentos de tratar y curar enfermedades humanas. La terapia génica implica la entrega de genes para tratar o curar un trastorno genético. Genética y tejido

15

Oncología (cáncer) 8

Enfermedades infecciosas

la ingeniería puede conducir a la capacidad de cultivar órganos para trasplantes que rara vez serían rechazados por sus receptores. Los nuevos productos biotecnológicos de organismos marinos se están utilizando para tratar el cáncer, los accidentes cerebrovasculares y la artritis. No hay duda de que los avances en la medicina moderna, impulsados por los nuevos conocimientos del Proyecto Genoma Humano y las aplicaciones de la biotecnología, darán como resultado vidas más sanas y aumentarán potencialmente la esperanza de vida humana.

7

Otro Endocrino

5

Neurología

5

Ética y Biotecnología Al igual que con cualquier otro tipo de tecnología, las poderosas aplicaciones y la promesa potencial de la biotecnología, incluidos los experimentos de bricolaje, plantean muchas preocupaciones éticas, y no debería sorprenderle que no

3

Inmunología

todos sean fanáticos de la biotecnología. Una amplia gama de implicaciones éticas, legales y sociales de la biotecnología inspiran un gran debate y discusión

3

Oftalmología

entre científicos, clérigos, políticos, abogados y el público en general (Figura 3

Enfermedad metabólica

0

1.7). 5

10

15

20

A lo largo de este libro, presentamos cuestiones éticas, legales y sociales para su consideración. Cada vez más, se enfrentará a cuestiones éticas de la FIGURA 1.6 Medicamentos biotecnológicos en investigación por biotecnología que pueden influirle directamente. Por ejemplo, categoría de enfermedad La producción de medicamentos para combatir el la clonación de organismos en mamíferos como ovejas, vacas cáncer domina el interés de la industria biotecnológica en el tratamiento de y monos ha llevado a algunos a sugerir que debería permitirse enfermedades humanas, con la investigación relacionada con la oncología y el tratamiento de enfermedades infecciosas como la gripe en la parte superior de esta lista.la clonación humana. Cómo te sientes Número de nuevos aprobados por la FDA Medicamentos biotecnológicos (2017)

Machine Translated by Google 1.1 ¿Qué es la biotecnología y qué significa para usted?

TABLA 1.1

29

*2016: los 10 principales medicamentos biotecnológicos (cada uno con ventas mundiales de más de $ 5 mil millones)

Desarrollador de nombres de medicamentos

Tipo de droga

Función (tratamiento de enfermedades humanas)

húmira

AbbVie

Harvoni

Gilead Sciences Molécula pequeña

Rituxan

Roche

Anticuerpo (monoclonal) Linfoma no Hodgkin

Revlimid

Celgene

Molécula pequeña

yo descubrí

Roche

Anticuerpo (monoclonal) Cáncer colorrectal; cáncer de mama; pulmón de células no pequeñas cáncer; cáncer de ovario, cerebro y cuello uterino

herceptina

Roche

Anticuerpo (monoclonal) Cáncer de mama, cáncer gástrico

Enbrel

Amgen

Proteína recombinante

Artritis reumatoide, psoriasis

Prevenar 13

Pfizer

Vacuna

Vacuna antibacteriana contra el neumococo (Streptococcus Pneumoniae)

Lantus

Sanofi

péptido

Diabetes mellitus tipos I y II

Proteína recombinante

Anemia (neutropenia/leucopenia)

Neulasta Amgen

Anticuerpo (monoclonal) Artritis reumatoide, enfermedad de Crohn, colitis ulcerosa Hepatitis C

Mieloma múltiple

*Datos basados en la fuente más reciente disponible en el momento de la publicación: Morrison C, Lähteenmäki R. Public biotech in 2016— the numbers. Nat Biotechnol. 2017;35:623–629.

¿sobre esto? Si, en el futuro, usted y su cónyuge no pudieran tener hijos por ningún otro medio, ¿le gustaría tener la oportunidad de crear un bebé mediante la clonación de una réplica de usted mismo? Como otro ejemplo, el potencial de la edición del genoma para crear embriones con las características genéticas deseadas ha planteado muchas cuestiones éticamente desafiantes. Si elige trabajar en biotecnología, deberá desarrollar habilidades de trabajo en equipo que permitan diferencias de opinión sobre muchas cuestiones éticas, lo que requerirá una

comprensión de la base de los argumentos apoyados por algunos de sus colegas. Busque los recuadros de Usted Decide en cada capítulo, en los cuales presentamos escenarios o dilemas éticos para que los considere. Tenga en cuenta que existen ventajas y desventajas y cuestiones controvertidas asociadas con casi todas las aplicaciones de la biotecnología. Nuestro objetivo no es decirle qué pensar, sino empoderarlo con conocimiento y un marco para abordar cuestiones éticas, que puede utilizar para tomar sus propias decisiones.

TABLA 1.2 Ejemplos de proteínas recombinantes fabricadas a partir de genes clonados Producto

Solicitud

Factor de sangre VIII (factor de coagulación)

tratar la hemofilia

Factor de crecimiento epidérmico

Estimular la producción de anticuerpos en pacientes con trastornos del sistema inmunitario

Hormona de crecimiento

Corregir deficiencias pituitarias y baja estatura en humanos; otras formas se utilizan en las vacas para aumentar la producción de leche

Insulina

tratar la diabetes

interferones

Tratar el cáncer y las infecciones virales.

interleucinas

Tratar el cáncer y estimular la producción de anticuerpos

Anticuerpos monoclonicos

Diagnosticar y tratar una variedad de enfermedades, incluidas la artritis y el cáncer.

Activador tisular del plasminógeno

Tratar ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares

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Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

secuencias que se pueden utilizar para diseñar microbios con características deseables. En biotecnología microbiana, también explorará estrategias utilizadas para detectar microbios con fines de diagnóstico en humanos, muestras de alimentos y otras fuentes; enfoques para detectar y combatir microbios como posibles armas biológicas; y aplicaciones potenciales de microbios para producir biocombustibles.

Biotecnología Agrícola El capítulo 6 está dedicado a la biotecnología vegetal y las aplicaciones agrícolas de la biotecnología. En "biotecnología agrícola", examinamos una variedad de temas, desde plantas FIGURA 1.7 La biotecnología es una ciencia controvertida resistentes a plagas modificadas genéticamente que no necesitan que presenta muchos dilemas éticos ser rociadas con pesticidas hasta alimentos con mayor contenido de proteínas o vitaminas y medicamentos desarrollados y cultivados como productos vegetales. La biotecnología agrícola ya es un gran negocio que se está expandiendo rápidamente. La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Ahora que ha aprendido acerca de las muchas áreas de la Alimentación ha pronosticado que alimentar a una población ciencia que contribuyen a la biotecnología, debe reconocer que mundial de 9100 millones de personas en 2050 requerirá existen muchos tipos diferentes de biotecnología. Los capítulos aumentar la producción total de alimentos en un 70 % (casi el 2 y 3 brindan importantes introducciones a los conceptos básicos 100 % en los países en desarrollo). La biotecnología agrícola ha con los que deberá familiarizarse para comprender la brindado soluciones para los agricultores de hoy en forma de biotecnología. En el Capítulo 2, aprenderá sobre los aspectos plantas que son más amigables con el medio ambiente mientras básicos de la estructura y función celular, la estructura del ADN, rinden más por acre, resisten enfermedades y plagas de insectos los genomas y temas relacionados. y reducen los costos de producción de los agricultores. Producir En el Capítulo 3, analizamos los principios de la clonación de más para la población en expansión requerirá nuevas genes y la tecnología recombinante que fueron la base para innovaciones de la biotecnología agrícola. crear la industria biotecnológica, así como las tendencias Está llegando al mercado una nueva generación de cultivos actuales en genómica que son clave para comprender muchas conocidos como “modificados genéticamente” en lugar de aplicaciones modernas de la biotecnología. modificados genéticamente. Creados a través de herramientas Considere esta sección como una introducción a lo que de edición CRISPR-Cas que cortan y modifican el ADN en aprenderá con mayor detalle en los capítulos siguientes. ubicaciones precisas, en gran medida quedan fuera de las regulaciones actuales, al menos por ahora. En 2016, se anunció que un grupo de la Universidad Estatal de Pensilvania usó Biotecnología microbiana CRISPR-Cas para modificar el hongo botón blanco común En el Capítulo 5, exploramos las muchas formas en que la (Agaricus bisporus) para producir el primer cultivo editado biotecnología microbiana afecta a la sociedad. Como comentamos genéticamente aprobado para el consumo humano (Figura 1.8). anteriormente, el uso de levadura para hacer cerveza y vino es Al inactivar un gen que produce una enzima responsable del una de las aplicaciones más antiguas de la biotecnología. oscurecimiento, el hongo editado tiene una vida útil más larga y Mediante la manipulación de microorganismos como bacterias y resiste el oscurecimiento cuando se magulla o se corta. levaduras, la biotecnología microbiana ha creado mejores Las regulaciones actuales se escribieron para la generación enzimas y organismos para fabricar muchos alimentos, anterior de organismos modificados genéticamente, en la que simplificando los procesos de fabricación y producción, y los científicos usaron bacterias y virus, generalmente de plagas haciendo más eficientes los procesos de descontaminación para de plantas, para dejar caer una carga útil de nuevos genes en la eliminación de productos de desecho industriales. Los los núcleos de las células vegetales, donde se fusionan con el microbios se utilizan para crear vacunas y para clonar y producir ADN de la planta. Eso funcionó, pero los científicos no pudieron lotes de importantes proteínas recombinantes utilizadas en medicina humana. controlar dónde se insertarían los nuevos genes, y eso generó Muchos estudios se centran en la genómica microbiana por preocupaciones sobre alteraciones genéticas potencialmente una variedad de razones, incluso para ayudarnos a comprender peligrosas o cruces con cultivos no modificados genéticamente. el papel que desempeñan los microbios en la salud humana. Durante mucho tiempo, estas reglamentaciones no distinguieron Otro aspecto controvertido reciente que exploraremos es la adecuadamente entre 'transgénicos convencionales' y las nuevas creación de genomas sintéticos : ADN hecho por el hombre. técnicas de edición de genes, creando confusión sobre si los reguladores

1.2 Tipos de Biotecnología

Machine Translated by Google 1.2 Tipos de Biotecnología

31

FIGURA 1.8 El hongo botón blanco común es el primer cultivo editado genéticamente creado por CRISPR aprobado para el consumo humano interpretará los productos de la edición de genes como genéticamente

Leche. Uno de los primeros ejemplos fue la expresión de genes de seda

modificados. Recientemente, el tribunal supremo de Europa ha declarado

de arañas en cabras transgénicas para producir seda en la leche (llamada

que los cultivos editados genéticamente deben estar sujetos a las mismas

"leche de seda") a partir de la cual la seda se podía purificar y usar para

regulaciones que los organismos transgénicos convencionales.

fabricar telas para ropa, incluso para equipos militares más ligeros y

Biotecnología Animal

una proteína recombinante (sebelipasa alfa), con el nombre de fármaco

resistentes. Más recientemente, Alexion Pharmaceuticals ha producido Kanuma, que se expresa en huevos de pollos transgénicos; ha sido

En el Capítulo 7, examinamos muchas áreas de la biotecnología animal,

aprobado para tratar una condición rara y fatal en humanos (deficiencia de

una de las áreas de la biotecnología que cambia más rápidamente y es

lipasa ácida lisosomal).

más emocionante. Los animales pueden usarse como "biorreactores" para producir productos importantes. Por ejemplo, las cabras, vacas, ovejas y pollos se utilizan como fuentes de proteínas médicamente valiosas para el

El gobierno de las Islas Caimán intensificó sus esfuerzos para proteger a los habitantes de las enfermedades transmitidas por mosquitos

tratamiento humano, como anticuerpos, proteínas protectoras que

mediante la liberación de mosquitos genéticamente modificados (GE). Los

reconocen y ayudan a las células del cuerpo a destruir materiales extraños.

mosquitos GE, conocidos como Friendly™ Aedes, son desarrollados por

Los tratamientos con anticuerpos se utilizan para ayudar a mejorar la

en la etapa larvaria para prevenir la propagación del dengue, la infección

Oxitec (Reino Unido). Contienen un gen que mata a los insectos jóvenes inmunidad en pacientes con trastornos del sistema inmunitario.

por el virus Zika, la infección por el virus chikungunya y la fiebre amarilla.

Muchas otras proteínas terapéuticas humanas producidas a partir de

Los mosquitos macho transgénicos se aparean con mosquitos hembra

animales están en uso, aunque la mayoría de estas proteínas se necesitan

silvestres y producen larvas inviables que mueren antes de la edad adulta.

en cantidades que superan los cientos de kilogramos. Para lograr esta producción a gran escala, los científicos pueden crear animales transgénicos hembra que expresen proteínas terapéuticas

En dos lugares de Malasia continental, la Junta Nacional de Bioseguridad de Malasia aprobó ensayos de campo relacionados con liberaciones temporales a pequeña escala de los mismos mosquitos. El gobierno de

en su leche. animales transgénicos

Malasia ha hecho esfuerzos impresionantes para establecer un marco

contienen genes de otra fuente. Por ejemplo, los genes humanos para las

regulatorio claro a través de la Ley de Bioseguridad de 2007, que

proteínas de la coagulación se pueden introducir en las cabras para que produzcan estas proteínas en su

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Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

TÚ DECIDES

Alimentos modificados genéticamente: ¿comer o no comer?

Muchos expertos creen que los alimentos genéticamente modificados (GM) son seguros y que brindarán beneficios significativos en el futuro. Pero la opinión pública sobre el uso y la seguridad de los alimentos GM es mixta. Una encuesta de consumidores sobre alimentos transgénicos realizada en todas las provincias de China indica que solo el 11,9 por ciento de los consumidores chinos tiene una visión positiva hacia los alimentos transgénicos y un abrumador 46,7 por ciento se opone. Los escépticos comentan con frecuencia que “los alimentos transgénicos van en contra de la naturaleza”, y algunas personas se preocupan por los posibles efectos en la salud, como las alergias alimentarias. La Unión Europea (UE) tiene una legislación estricta y política sobre los OGM para prevenir cualquier efecto hostil sobre el medio ambiente y la salud y la seguridad de los seres humanos y los animales. La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) evalúa la seguridad de los OMG y los alimentos o piensos obtenidos a partir de OMG antes de que puedan venderse o importarse en la UE. La Comisión Europea luego otorga autorizaciones por 10 años a través de un procedimiento centralizado. Las autorizaciones también podrían ser otorgadas por las autoridades nacionales competentes que regulan la liberación deliberada de OGM en el medio ambiente. Muchos consumidores buscarían otro producto en lugar de elegir alimentos etiquetados como modificados genéticamente. Para permitirles tomar decisiones informadas, a los OGM se les asigna un identificador único y se etiquetan como tales.

ÿÿ ¿Qué opina sobre el uso de alimentos GM? ÿÿ ¿Sería probable que comprara alimentos GM si estuvieran diseñados para requerir menos aplicaciones de pesticidas que los alimentos “naturales”? ÿÿ ¿Qué pasaría si los alimentos GM se mantuvieran frescos por más tiempo?

ÿÿ ¿Qué pasaría si fueran más nutritivos y menos costosos?

La UE regula la comercialización y la importación de OMG, pero el cultivo de OMG se deja en manos de los miembros de la UE. Con base en

ÿÿ ¿Cuánto riesgo deberían estar dispuestos a correr los consumidores para cosechar los beneficios de los alimentos GM?

razones socioeconómicas y efectos en el medio ambiente local, tienen derecho a prohibir o restringir la venta o el cultivo de OGM aprobados que representen un riesgo para la salud. Los miembros de la UE tendrán más

ÿÿ ¿Cuáles son los impactos negativos potenciales de los cultivos GM que afectan los cultivos naturales en las fincas cercanas?

flexibilidad para imponer tales medidas después de la aprobación de una propuesta pendiente de la Comisión, modificada por el Parlamento Europeo.

Considere estas preguntas mientras sopesa los beneficios potenciales o los impactos negativos de elegir entre un producto alimenticio GM o no GM. Los alimentos transgénicos llegaron para quedarse, pero debe tomar una decisión informada. Tú decides.

entró en vigor en diciembre de 2009 y es parte del Protocolo de

las vacas son jóvenes, pero los investigadores están buscando una

Cartagena sobre Bioseguridad. Los procesos de aprobación de

manera de evitar esto. Para "eliminar" genéticamente los cuernos de

innovaciones como estas son un requisito incluso para problemas

vaca, un equipo de la Universidad de California-Davis colaboró con

inminentes como la propagación del virus Zika. Estos han sido

Recombinetics para atacar el gen del crecimiento de los cuernos

discutidos en el Capítulo 12. La edición de genes no se usa solo con plantas. Una empresa de

utilizando enzimas específicas como una especie de "tijeras moleculares". Esto significa que los científicos eliminaron el gen del

Minnesota, Recombinetics, está editando los genes de animales de

crecimiento de los cuernos que se encuentra naturalmente en los

granja para crear ganado sin cuernos (Figura 1.9). En las granjas, a

Holstein y lo reemplazaron con un gen que detiene el crecimiento de los cuernos en la raz

las vacas normalmente se les quitan los cuernos para que no se

¿Cómo se regulará esto? De acuerdo con el régimen regulatorio

lastimen unas a otras con los cuernos. Un procedimiento estándar es

actual, la FDA está a cargo de regular los animales modificados

quemar los cuernos cuando el

genéticamente en los EE. UU.,

Machine Translated by Google 1.2 Tipos de Biotecnología

33

Como otro ejemplo moderno de biotecnología animal, los equipos en el Reino Unido y los Estados Unidos han estado trabajando en el cultivo de células musculares de res en platos de laboratorio para crear carne cultivada que se puede usar para hacer hamburguesas cultivadas en laboratorio (ver Figura 1.10). Hasta ahora, el precio de esta carne es muy alto: alrededor de $18,000 la libra en comparación con la carne molida magra, que se vende a alrededor de $5.00 la libra.

Sin embargo, la producción de carne cultivada en laboratorio podría tener impactos tremendamente positivos, considerando el daño ambiental causado por los métodos modernos de gestión de grandes granjas de animales y plantas de procesamiento de carne.

Biotecnología Forense En el Capítulo 8, analizamos la biotecnología forense. La toma de huellas dactilares de ADN, una colección de métodos para detectar el patrón de ADN único de un organismo, es una herramienta principal utilizada en la biotecnología forense. La biotecnología forense es una poderosa herramienta que permite a las fuerzas del orden examinar las pruebas de ADN que pueden conducir a la inclusión o exclusión de una persona con respecto a la sospecha. La toma de huellas dactilares de ADN se puede lograr utilizando trazas de tejido, cabello, sangre o fluidos corporales que quedan en la escena del crimen. Se usó por primera vez en 1987 para condenar a un violador en Inglaterra, pero ahora se usa de forma rutinaria para proporcionar evidencia en casos judiciales en todo el mundo para condenar a criminales, así como para liberar a los acusados injustamente de un delito. La toma de huellas dactilares de ADN tiene muchas otras FIGURA 1.9 Ganado sin cuernos sin dolor El equipo de la Universidad de California-Davis colaboró con una compañía llamada Recombinetics para apuntar a los genes que hacen crecer los cuernos usando “tijeras moleculares”. Esto significa que los científicos eliminaron los genes que hacen crecer los cuernos que se encuentran naturalmente en los Holstein y los reemplazaron con genes que impiden que los cuernos crezcan en la raza Angus.

aplicaciones, incluido el uso en casos de paternidad para identificar al padre de un niño, identificar restos humanos e incluso pruebas de ADN de vinos estimados para certificar sus uvas de origen. Otra aplicación es la toma de huellas dactilares de ADN de especies en peligro de extinción. Esto ya ha reducido la caza furtiva y condujo a condenas de delincuentes mediante el análisis de las huellas dactilares de ADN de sus "capturas". Los científicos también usan huellas dactilares de ADN para rastrear y confirmar organismos que

mientras que la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria es la encargada de regular esto en Europa. Esto se basa en el hecho de que la construcción de ADN recombinante es un nuevo fármaco animal y eso afecta la forma o función de un animal. Algunos no son defensores de este cambio, porque las vacas sin cuernos serían el primer animal editado genéticamente en ingresar al suministro de

propagan enfermedades, como Escherichia coli . en carne contaminada y para rastrear enfermedades como el SIDA, la meningitis, la tuberculosis, la enfermedad de Lyme y la infección por el virus del Nilo Occidental. Las biopsias líquidas para la detección y el seguimiento del cáncer se están convirtiendo en una gran área de interés forense. (Figura 1.11

alimentos, y los que no son defensores piensan que sería prudente

ilustra nuevos marcadores genéticos que se pueden usar para

pasar por un proceso de aprobación obligatorio previo a la comercialización y analizar la leche. para asegurarse de que sea

detectar el cáncer de vejiga). Guardant Health, Exosome Diagnostics e Illumina han invertido millones en este proceso de análisis basado

sustancialmente igual a la leche de otras vacas Holstein que tienen sus cuernos. El tiempo decidirá qué problema ético prevalece: la

en sangre. Illumina, con sede en San Diego, anunció en 2016 que sus análisis de sangre deberían llegar al mercado en 2019 y costar

creación humana de ganado sin cuernos o los cambios en las

alrededor de $ 1,000 o menos. El nuevo concepto de prueba se

regulaciones que requieren más pruebas de las que exigen

conoce como "biopsia líquida". La técnica utiliza "máquinas de

actualmente las agencias reguladoras.

secuenciación de ADN de alta velocidad para buscar fragmentos de ADN liberados en la sangre de una persona".

Machine Translated by Google 34

Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

FIGURA 1.10 Células cultivadas producen hamburguesas en un plato Las células musculares de res cultivadas se han utilizado para crear carne con colores variados y se han incorporado células grasas para mejorar el sabor. Aquí se muestra una hamburguesa hecha con carne de res cultivada.

por las células cancerosas”, informa MIT Technology Review . “Si el

que contribuyen a la contaminación ambiental. La biorremediación

ADN con mutaciones que causan cáncer está presente, a menudo

se está utilizando para limpiar muchos peligros ambientales que han

indica que ya se está formando un tumor, incluso si es demasiado

sido causados por el progreso industrial.

pequeño para causar síntomas o verse en una máquina de imágenes”. Las nuevas pruebas deberán diferenciar entre células mutadas en

ocurrió en 1989 después del accidente de Exxon.

el torrente sanguíneo causadas por cáncer y mutaciones causadas

Derrame de petróleo de Valdez en Prince William Sound, Alaska

Uno de los ejemplos más publicitados de biorremediación en acción

por pólipos o lunares, que pueden parecerse a tumores. Las pruebas

(Figura 1.12). Al estimular el crecimiento de bacterias que degradan

requerirán la aprobación de la FDA, pero se espera que mejoren el

el petróleo, que ya estaban presentes en el suelo de Alaska, se

diagnóstico del cáncer.

limpiaron muchas millas de la costa casi tres veces más rápido de lo que se habrían hecho

Biorremediación En el Capítulo 9, analizamos la biorremediación, el uso de la biotecnología para procesar y degradar una variedad de sustancias naturales y artificiales, en particular aquellas

FIGURA 1.11 La detección de ADN de marcadores de enfermedades ha ampliado el análisis forense de ADN El cáncer de vejiga es la cuarta forma más común de cáncer, y ahora la detección microscópica se ha visto favorecida por la detección de marcadores de ADN. Se pueden usar tres genes como indicadores de ciertos tipos de cáncer de vejiga. La detección de estos genes simultáneamente en la orina se puede obtener con una precisión del 90,9 por ciento. En la ilustración, cuando el ADN del tumor está presente, se combina con detectores de ADN complementarios unidos para liberar una señal.

FIGURA 1.12 Biorremediación en acción Se utilizaron cepas de la bacteria Pseudomonas para ayudar a limpiar las playas de Alaska después del derrame de petróleo del Exxon Valdez. Los científicos en esta playa de Alaska están aplicando nutrientes que estimularán el crecimiento de Pseudomonas para ayudar a acelerar el proceso de biorremediación.

Machine Translated by Google 1.2 Tipos de Biotecnología

solo se han utilizado agentes de limpieza químicos. Como aprenderá, la rápida degradación por parte de los microbios de las gotas de petróleo dispersas del derrame de Deep Water Horizon en 2010 permitió la investigación de los organismos naturales que degradan el petróleo y las enzimas que pueden usarse para limpiar un derrame futuro. En este capítulo proporcionamos una descripción general de las aplicaciones básicas de biorremediación que involucran microbios, plantas y organismos modificados genéticamente para limpiar diferentes materiales en diversas condiciones ambientales; discutir las ventajas y desafíos de los enfoques de biorremediación; y considerar la posibilidad de que se pueda derivar energía de la degradación de desechos, entre otros temas.

35

están en curso en todo el mundo para identificar organismos acuáticos con propiedades novedosas que puedan explotarse con fines comerciales. Por ejemplo, se ha descubierto que ciertas especies de plancton marino y caracoles son ricas fuentes de moléculas antitumorales y anticancerígenas. Se están realizando intensos esfuerzos de investigación para comprender mejor la riqueza de las posibles aplicaciones biotecnológicas que pueden albergar nuestros entornos acuáticos.

Biotecnología Médica

En la Sección 1.1, presentamos el concepto de que muchas proteínas recombinantes se fabrican para aplicaciones médicas humanas; sin embargo, este es solo un ejemplo de biotecnología médica. El Capítulo 11 cubre una amplia gama de aplicaciones Biotecnología Acuática diferentes. Desde la detección y el diagnóstico de enfermedades a través de pruebas genéticas y secuenciación del genoma hasta En el Capítulo 10 exploramos las vastas posibilidades tratamientos innovadores de enfermedades humanas, incluido el biotecnológicas que ofrece el agua, el medio que cubre la mayor desarrollo de fármacos, la terapia génica y la inmunoterapia, la parte de nuestro planeta. Una de las aplicaciones más antiguas biotecnología médica ha dado como resultado una asombrosa de la biotecnología acuática es la acuicultura, la cría de peces o mariscos en condiciones controladas para su uso como fuente de alimento. variedad de aplicaciones diseñadas para mejorar la salud humana. Más de 325 millones de personas en todo el mundo han recibido La acuicultura está ganando popularidad en todo el mundo, ayuda de medicamentos y vacunas desarrollados a través de la especialmente en países como Israel y Vietnam. biotecnología. Israel cultiva especies de agua dulce como la tilapia, la carpa y el salmonete, mientras que Vietnam se centra en peces marinos Aunque ya se han diseñado y se están aplicando muchas aplicaciones poderosas, el siglo de la biotecnología verá algunos como la cobia, la lubina y el mero. Se ha estimado que de los mayores avances en biotecnología médica de la historia. aproximadamente el 50 por ciento de todo el pescado consumido por los seres humanos en todo el mundo se produce en la acuicultura. Parece que apenas pasa una semana sin noticias de un En los últimos años, ha surgido una amplia gama de avance genético como el descubrimiento de un gen humano fascinantes nuevos desarrollos en biotecnología acuática. implicado en el proceso de una enfermedad. La televisión, los Estos incluyen el uso de la ingeniería genética para producir periódicos, las revistas, las fuentes de noticias electrónicas, las cepas de ostras resistentes a las enfermedades y vacunas contra redes sociales y los sitios web populares informan importantes los virus que infectan al salmón y otros peces. En 2015, la FDA descubrimientos de nuevos genes, análisis genómico y otros. aprobó el salmón AquAdvantage® como el primer animal GM para consumo humano. Como aprenderá en el Capítulo 10, estos salmones transgénicos sobreproducen la hormona del crecimiento, lo que conduce a tasas de crecimiento extraordinarias en períodos de crecimiento cortos y, por lo tanto, reduce el tiempo y los gastos necesarios para cultivar salmón para la venta en el mercado (Figura 1.13). Estos salmones se encuentran entre las aplicaciones biotecnológicas más controvertidas de los últimos años. La singularidad de muchos organismos acuáticos es otro atractivo para los biotecnólogos. En nuestros océanos, las bacterias marinas, las algas, los crustáceos, los peces y muchos otros organismos viven en algunas de las condiciones más duras del mundo. El frío extremo, la presión de vivir a grandes profundidades, la alta salinidad y otras limitaciones ambientales difícilmente son una barrera porque los organismos acuáticos se han adaptado a sus difíciles entornos. Como resultado, se cree que dichos organismos son fuentes ricas y valiosas de nuevos genes, proteínas y procesos metabólicos que pueden tener importantes aplicaciones y beneficios para el ser humano. Esfuerzos de bioprospección

FIGURA 1.13 El salmón modificado genéticamente se convirtió en el primer animal modificado genéticamente aprobado para el consumo humano Salmón modificado genéticamente (arriba) criado para crecer hasta el tamaño adulto para la venta en el mercado en la mitad del tiempo que tarda un salmón no transgénico (abajo).

Machine Translated by Google 36

Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

Primera prueba de edición del genoma humano

Los científicos publican planes para creando genoma humano sintético Identidad de “anónimo”

Nueva prueba utiliza sangre de la madre

personas en la base de

La base de datos de genes

para detectar defectos genéticos fetales

datos del genoma reveladas. del cáncer de mama proporciona a las

Humano más antiguo conocido Variaciones genéticas vinculadas a

logro educaciónal

mujeres una imagen genética más clara

del riesgo de enfermedad.

genoma secuenciado

FDA aprueba gen terapia para la ceguera

El estudio revela 74 marcadores genéticos que influyen en la cantidad de años dedicados a la educación.

La evidencia genética podría darle a un prisionero de por vida un nuevo juicio

Los científicos encuentran el gen que causa cáncer de piel que causa cáncer de piel

enfermedad de Parkinson mutación genética encontrada Encuentran el gen que causa la enuresis nocturna

Los estudios genéticos de moscas de la fruta descubren un gen mutado que causa el carcinoma basocelular común.

El gen de la grasa es una

Identifican defecto genético para trastorno muscular

ventaja para resolver la obesidad

Los pacientes de terapia génica se enfrentan a una factura de 1 millón de dólares por tratamiento

FIGURA 1.14 Los genes y los genomas son titulares de noticias Los titulares de noticias de televisión, periódicos, revistas y medios electrónicos y las redes sociales informan con frecuencia sobre el descubrimiento de genes involucrados en enfermedades humanas y muchos otros nuevos desarrollos relacionados con el ADN, incluido el análisis del genoma.

enfermedades. Como aprenderá, las aplicaciones de la edición del titulares relacionados con el ADN (Figura 1.14). Todos los días, nueva información sobre la genética humana ayuda a los científicos genoma también son muy controvertidas. a identificar genes defectuosos y descifrar los detalles de Las tecnologías de células madre continúan estando entre enfermedades genéticas como la enfermedad de Alzheimer y los aspectos más prometedores de la biotecnología médica, pero Parkinson, la anemia de células falciformes, la enfermedad de Taytambién se encuentran entre los temas más controvertidos de toda la ciencia. Las células madre son células inmaduras que tienen Sachs, la fibrosis quística, el cáncer y la infertilidad, para dar solo una pocos ejemplos El Proyecto Genoma Humano ha dado como el potencial de desarrollarse y especializarse en células nerviosas, resultado nuevas técnicas de pruebas genéticas para identificar células sanguíneas, células musculares y prácticamente cualquier genes defectuosos y trastornos genéticos, incluida la capacidad otro tipo de célula en el cuerpo. Las células madre se pueden de secuenciar y analizar genomas completos de individuos, y cultivar en un laboratorio y, cuando se tratan con diferentes tipos exploramos muchas de estas técnicas en este libro. de productos químicos, se pueden persuadir para que se conviertan en diferentes tipos de tejido humano que podrían usarse en Los enfoques de terapia génica , en los que las enfermedades genéticas pueden tratarse insertando genes trasplantes para reemplazar el tejido dañado. Hay muchas normales en un paciente o reemplazando genes enfermos con aplicaciones potenciales emocionantes para las células madre, genes normales, se están expandiendo a un ritmo rápido. En el pero, como analizamos en la siguiente sección y en los Capítulos Capítulo 11 ya lo largo del libro aprenderá sobre un nuevo y 11 y 13, su uso está relacionado con muchas cuestiones científicas, éticas y legales complejas. poderoso enfoque llamado CRISPR-Cas, que está transformando la forma en que los científicos pueden modificar un genoma. También exploraremos nuevos y emocionantes enfoques que CRISPR-Cas es una técnica para la edición del genoma que combinan la terapia génica y el trabajo con células madre para proporciona tijeras moleculares para cortar y reemplazar una aprovechar y dirigir el sistema inmunitario para aplicaciones nuevas secuencia específica de ADN. Se están realizando estudios e intrigantes llamadas inmunoterapia para tratar enfermedades prometedores con la edición del genoma, al igual que ensayos en como ciertos tipos de cáncer. Estén atentos: este es un momento humanos que usan la edición del genoma para la terapia génica para tratar extraordinariamente emocionante para estudiar biotecnología.

Machine Translated by Google 1.3 ¿Cómo será el nuevo siglo de la biotecnología? Un ejemplo de biotecnología médica

37

Reglamento de Biotecnología

la ciencia interdisciplinaria es la biotecnología industrial : la

Un aspecto esencial del negocio de la biotecnología involucra los

aplicación de la biotecnología a procesos industriales como la fabricación. Un beneficio clave es fabricar productos rápidamente,

procesos regulatorios que rigen la industria. De la misma manera

a costos reducidos, en formas más limpias que son más respetuosas

que las compañías farmacéuticas deben evaluar sus medicamentos

con el medio ambiente que los procesos de producción tradicionales.

según pautas específicas diseñadas para maximizar la seguridad y

Muchas aplicaciones de la biotecnología industrial implican la

la eficacia de un producto, la mayoría de los productos

producción de enzimas por microbios. Estas enzimas se utilizan

biotecnológicos también deben examinarse cuidadosamente antes

como biocatalizadores para acelerar las reacciones químicas.

de que estén disponibles para su uso. Uno de los primeros y mejor publicitados ejemplos de Las reglamentaciones sobre biotecnología se extienden a

biotecnología industrial se implementó en la década de 1970 para

nivel internacional a través de una variedad de dominios que

reducir los problemas de contaminación del agua causados por el

incluyen la seguridad de los alimentos y los piensos, el manejo

uso de fosfatos en detergentes para ropa. Como discutimos en el

seguro, la transferencia y el uso de materiales biológicos y la

Capítulo 5, las empresas de biotecnología crearon enzimas para

protección de los derechos de propiedad intelectual. Estos

eliminar las manchas de la ropa en lugar de usar fosfatos para

reglamentos son supervisados principalmente por organizaciones

eliminar las manchas. Esto dio como resultado un producto que

internacionales como la Organización Mundial de la Salud (OMS) y

limpia la ropa a temperaturas de agua más bajas y con costos de

la Organización para la Agricultura y la Alimentación (FAO). En los

energía reducidos, al mismo tiempo que reduce drásticamente la

Estados Unidos, la Administración de Alimentos y Medicamentos

proliferación de algas relacionadas con el fosfato en el agua. (FDA) establece los estándares para los productos biotecnológicos, muchas veces los EE. UU.

El Departamento de Agricultura (USDA) y la Agencia de Protección

Algunos creen que el impacto global potencial de la

Ambiental (EPA) están involucrados. De hecho, se ha dicho que la

biotecnología industrial es mayor incluso que el de la biotecnología

biotecnología es una de las industrias más reguladas.

médica y la biotecnología agrícola, y que será la próxima gran área para la innovación en biotecnología. La biotecnología industrial

Desde los procedimientos diseñados para garantizar que los productos biotecnológicos cumplan con los estrictos estándares de

incorpora investigaciones de muchos campos diferentes, como la genómica, la proteómica, la bioinformática y la biotecnología

pureza y rendimiento hasta los problemas asociados con la

microbiana, y normalmente incorpora microorganismos como

concesión de patentes y el cumplimiento de los procesos regulatorios

bacterias, levaduras y hongos.

requeridos para los ensayos clínicos de productos biotecnológicos en pacientes humanos, consideramos estos y otros problemas

En algunos casos se utilizan enzimas naturales; en otros casos, las

regulatorios internacionales de biotecnología en

nuevas enzimas se pueden biodiseñar con capacidades biocatalíticas

Capítulo 12.

específicas para ciertos procesos industriales. Aquí proporcionamos una introducción al concepto de biotecnología industrial y lo

El “panorama general” de la biotecnología Aunque hemos descrito diferentes tipos de biotecnología como

alentamos a pensar en posibles aplicaciones en este campo a medida que aprende sobre diferentes temas a lo largo de sus estudios de biotecnología.

disciplinas distintas, no piense en la biotecnología como un campo con disciplinas separadas y no relacionadas. Es importante recordar que casi todas las áreas de la biotecnología están estrechamente interrelacionadas. Por ejemplo, las aplicaciones de la biorremediación se basan en gran medida en el uso de microbios (biotecnología microbiana) para limpiar las condiciones ambientales. Incluso la biotecnología médica se basa en el uso de microbios para producir proteínas recombinantes, y todas las ramas de la

1.3 ¿Cómo será el nuevo siglo de la biotecnología? Un ejemplo de biotecnología médica

biotecnología están reguladas. Una verdadera apreciación de la biotecnología implica comprender el “panorama general” de la

Numerosos problemas y desafíos tienen el potencial de ser

biotecnología: cómo la biotecnología involucra muchas áreas

resueltos por la biotecnología. Para muchos de los mayores

diferentes de la ciencia y cómo los diferentes tipos de biotecnología

desafíos, como curar enfermedades humanas que amenazan la

dependen unos de otros. Esta interdependencia de muchas áreas

vida, las barreras para superar estos desafíos no son insuperables.

de la ciencia se pondrá a prueba para resolver problemas

Las respuestas se encuentran en nuestra capacidad para

importantes en el siglo XXI.

comprender mejor los procesos biológicos y diseñar y adaptar soluciones biotecnológicas. En lugar de especular sobre todas las

Un área creciente de la biotecnología que no abordamos en un capítulo aparte pero que ejemplifica

formas en que la biotecnología puede afectar a la sociedad en este siglo (un

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Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

¡tarea imposible!), en esta sección lo tentamos con algunas ideas

el último, pero no quiero desperdiciarlo ni tirarlo”. “Bueno, a veces

sobre cómo la biotecnología médica en particular está salvando

los medicamentos no funcionan para todos”, dice el farmacéutico.

vidas actualmente y continuará haciéndolo de manera poderosa en

Este intercambio representa una dificultad inherente a la mayoría

los años venideros.

de las estrategias de atención de la salud.

Mientras lee este ejemplo, no se concentre en comprender los detalles científicos de los escenarios que describimos. En su lugar,

Muchas personas actualmente experimentan el mismo problema que encontró la mujer en la farmacia. Los tratamientos

considere cómo cada aplicación puede mejorar la calidad de vida

estándar de venta libre o recetados de forma rutinaria disponibles

de las personas para que pueda desarrollar una visión general del

para la artritis y una serie de otros problemas médicos rara vez

poder de la biotecnología.

funcionan de la misma manera para todos. Algunos medicamentos funcionan solo para algunos pacientes y en otros tienen poco o ningún efecto. Usamos un ejemplo de artritis aquí, pero podría

sustituirlo por casi cualquier condición médica de su elección. ¿Te Un Escenario en el Futuro: ¿Cómo suena esto familiar? ¿Usted o alguien que conoce ha tenido una Podríamos Beneficiarnos del Proyecto Genoma Humano? experiencia como esta con su médico o farmacéutico?

La historia mostrará que 2001 fue un hito en la línea de tiempo de la biotecnología. En febrero de 2001, algunos de los biólogos moleculares más conocidos del mundo se reunieron en una conferencia de prensa para anunciar la publicación del borrador del

¿Cómo ayudará el siglo de la biotecnología a este paciente?

genoma humano, un logro importante del Proyecto Genoma

¿Cómo podría ser diferente esta conversación en el futuro? La información del genoma ha dado y seguirá dando como resultado

Humano. La secuencia de ADN, leída como las letras A, G, C y T,

la detección y el diagnóstico rápidos, sensibles y tempranos de

de los cromosomas humanos estaba casi completa.

enfermedades genéticas en humanos de todas las edades, desde niños no nacidos hasta ancianos. En la artritis, sabemos que existen

La identificación de la ubicación cromosómica y la

diferentes formas de esta enfermedad que tienen síntomas

secuenciación de todos los genes en el genoma humano ha

similares, y el análisis genético ha revelado que estas diferentes

aumentado considerablemente nuestra comprensión de la

formas de artritis son causadas por estos genes.

complejidad de la genética humana. La investigación básica sobre la biología molecular y las funciones de los genes humanos y los

Consideremos cómo podría ayudarla la identificación de los

factores de control que regulan los genes está proporcionando una

genes que causan la artritis en nuestra paciente imaginaria. Desde

comprensión inconmensurable de cómo los genes dirigen las

su inicio, el Proyecto Genoma Humano produjo dividendos

actividades de las células vivas, cómo funcionan los genes normales

inmediatos en nuestra capacidad para identificar y diagnosticar enfermedades de la nariz. La identificación de genes de

y cómo los genes defectuosos son la base molecular de muchas enfermedades humanas. condiciones. En última instancia, una

enfermedades ha permitido a los científicos y médicos detectar una

comprensión avanzada de las enfermedades genéticas humanas

amplia gama de enfermedades genéticas a través de pruebas

está destinada a proporcionar curas novedosas, y dicha información

genéticas. Pero, cada vez más, se está implementando la

ya está transformando la medicina tal como se practica actualmente,

secuenciación de genomas humanos individuales completos, o genómica personal, con precisión y a un costo relativamente bajo

y proporcionará nuevas terapias y curas aún más poderosas en el futuro. Una nueva era de la medicina está en el horizonte. Comprender el genoma humano no es la “bola de cristal

(aunque la mayoría de las compañías de seguros aún no pagan por el análisis genómico). Como un ejemplo de cómo las pruebas

biológica” que resolverá inmediatamente todos nuestros problemas

genéticas y la genómica personal pueden ayudar en el diagnóstico

médicos. Una mejor comprensión de las enfermedades humanas

de enfermedades genéticas, estas aplicaciones pueden usar

requerirá que entendamos las estructuras y funciones de las proteínas que codifican los genes, el proteoma, la colección de

polimorfismos de un solo nucleótido (SNP; se pronuncia "snips"). Los SNP son cambios de un solo nucleótido, o mutaciones, en

proteínas responsables de las células humanas. Pero ni el genoma ni el proteoma son programas informáticos que predeterminan

Estos cambios sutiles representan uno de los ejemplos más

nuestra salud y nuestra vida. Descubrir los misterios del genoma

comunes de variación genética en humanos.

secuencias de ADN que varían de un individuo a otro (Figura 1.15).

humano y el proteoma humano hace que el siglo XXI sea el momento más emocionante para ser parte del proceso de descubrimiento científico. Imagina la siguiente escena. Una mujer busca consejo en una farmacia local. Recientemente cambió de un medicamento principal

Los SNP son la causa de algunas enfermedades genéticas como la anemia de células falciformes. Se han descubierto SNP asociados con la artritis y muchas otras afecciones, como accidentes cerebrovasculares, cáncer, enfermedades cardíacas, diabetes y enfermedades emocionales y del comportamiento. Probar o

para la artritis a otro, y el medicamento actual no está funcionando

secuenciar el ADN de uno para diferentes SNP es una forma de

mejor que el primero para aliviar su artritis. Ella le dice a su

identificar los genes de enfermedades específicas que una persona puede tener.

farmacéutico: "Este medicamento es muy caro y no funciona mejor para mí que

El descubrimiento de los SNP es parcialmente responsable de la aparición de un campo llamado personalizado o

Machine Translated by Google 39

1.3 ¿Cómo será el nuevo siglo de la biotecnología? Un ejemplo de biotecnología médica

GRAMO

Persona 1

A

C

T proteínas normales

C

Algunas variaciones de ADN no Nanopartículas lipídicas tienen efectos negativos sobre la estructura y función de las proteínas.

Persona 2

C

T

C

que contienen agentes terapéuticos (es decir, fármacos, genes, ARN, anticuerpos, etc.)

T

Célula de enfermedad

A Bajo o no funcional

SNP

proteína Persona 3

A

C

A

Connecticut

Otras variaciones conducen a enfermedades genéticas ( (p. ej., células falciformes) o aumento de la susceptibilidad

SNP

a la enfermedad (p. ej., cáncer de pulmón) (

FIGURA 1.15 Polimorfismos de un solo nucleótido Se representa una pequeña parte de la secuencia de un gen para tres individuos diferentes. Para simplificar, solo se muestra una hebra de una molécula de ADN. Observe cómo la persona 2 tiene un SNP en este gen, que no tiene efecto sobre la estructura y función de la proteína. La persona 3, sin embargo, tiene un SNP diferente en el mismo gen. Este cambio genético sutil puede afectar la forma en que esta persona responde a un fármaco, o puede influir en la probabilidad de que la persona 3 desarrolle una enfermedad genética.

FIGURA 1.16 Nanotecnología en acción Las nanopartículas que contienen fármacos, que también podrían incluir genes, ARN, anticuerpos y otras moléculas terapéuticas, pueden dirigirse específicamente a las células enfermas al atacar proteínas específicas en la superficie de esas células. De esta forma, los fármacos que no pueden atravesar la membrana celular pueden liberarse dentro de estas células cancerosas diana. dispositivos portátiles y encuestas de pacientes sobre dieta, ejercicio y efectos secundarios. Estos estudios darán como resultado la necesidad de más herramientas de diagnóstico y terapias guiadas con precisión que solo la biotecnología puede proporcionar. Gran parte de esta información estará

medicina de precisión (a esto también se le ha llamado farmacogenómica

disponible y se proporcionará directamente al paciente a través de un teléfono

en el pasado). La medicina de precisión es medicina personalizada. Un

inteligente, tableta u otro dispositivo, y en el futuro dichos dispositivos se

aspecto de la medicina de precisión implica el diseño personalizado de

utilizarán cada vez más como herramientas de diagnóstico para controlar los

terapias con medicamentos y estrategias de tratamiento basadas en el perfil

signos vitales clave (consulte la Figura 1.1b).

genético específico de un paciente, es decir, usar su información genética para determinar el enfoque de tratamiento más efectivo y específico (consulte

El tratamiento de nuestro paciente con artritis puede implicar

la Figura 11.8). .

nanotecnología o aplicaciones que incorporan dispositivos extremadamente

¿Puede la medicina de precisión ayudar a nuestro paciente con artritis? Sabemos que la artritis es una enfermedad que muestra herencia familiar

nuevo que ha surgido rápidamente como un área importante de investigación.

para algunas personas y, como se mencionó anteriormente, varios genes

biotecnología médica ha sido el desarrollo de pequeñas partículas que

diferentes están involucrados en diferentes formas de artritis. En muchos

pueden usarse para administrar medicamentos a las células (Figura 1.16).

pequeños (una escala "nano"). La nanotecnología es un campo relativamente

Una aplicación prometedora de la nanotecnología relacionada con la

otros casos de artritis, no se observa un modo claro de herencia. Es probable

Para nuestro paciente con artritis, estas nanopartículas podrían proporcionar

que existan genes adicionales o factores no genéticos, como el ejercicio y la

fármacos, genes, ARN, anticuerpos o incluso células inmunitarias para ayudar

dieta, que influyan en la gravedad de la artritis. Un simple análisis de sangre

a combatir la artritis.

de nuestra paciente podría usarse para preparar el ADN para el análisis genético para determinar qué genes están involucrados en la forma de artritis

Además de los avances en el tratamiento farmacológico, la terapia génica representa una de las últimas estrategias para combatir las

que tiene esta mujer. Armado con esta información genética, un médico

enfermedades genéticas. Las tecnologías de terapia génica implican

podría diseñar una estrategia de tratamiento farmacológico:

reemplazar o aumentar genes defectuosos con copias normales de ellos. Los científicos están trabajando en una variedad de formas de entregar genes saludables a los humanos y formas de reemplazar genes defectuosos, incluso

basado en los genes involucrados, eso sería específico

a través de enfoques que mencionamos anteriormente, como la edición del

y más eficaz contra el tipo de artritis de esta mujer.

genoma. Piense en el poder potencial de estos enfoques. ¿Podría usarse la

Una segunda mujer con un perfil genético diferente para su tipo particular de

terapia génica para tratar o curar a nuestro paciente con artritis?

artritis podría someterse a un tratamiento diferente al de la primera, y un

Recientemente han surgido muchas aplicaciones nuevas y prometedoras de

hombre con artritis debe tener una estrategia de tratamiento muy diferente

la terapia génica y aprenderá sobre algunas de ellas en el Capítulo 11. Sin

según su perfil genético. Este es el poder de la medicina de precisión en

embargo, se deben superar muchas barreras antes de que la terapia génica

acción.

se convierta en un enfoque seguro, práctico, eficaz y bien establecido para el tratamiento de muchas enfermedades diferentes. .

Los investigadores ahora pueden estudiar bases de datos masivas que combinan información genética, registros médicos,

Machine Translated by Google 40

Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

Se espera que las tecnologías de células madre proporcionen herramientas poderosas para tratar y curar enfermedades. Las células madre son células inmaduras que pueden crecer y dividirse para producir diferentes tipos de células, como las de la piel, los riñones y la sangre. Se puede persuadir a las células madre para que formen casi cualquier tejido de interés, dependiendo de cómo se traten. Las células cultivadas y los tejidos derivados de células madre son valiosos para las pruebas de drogas. Se han desarrollado "órganos en un chip" para la mayoría de los órganos principales del cuerpo (consulte el Capítulo 7) y ahora hacen posible estudiar las interacciones farmacológicas antes de que los fármacos se administren a los pacientes (o animales de prueba). Imagine cultivar células de la piel, células sanguíneas e incluso órganos completos en el laboratorio y utilizarlos para reemplazar tejido dañado u órganos defectuosos como el hígado, el páncreas y la retina (Figura 1.17). Medicina regenerativa es la frase utilizada para describir este enfoque. En el futuro, los científicos podrán recolectar células madre de pacientes con trastornos genéticos, manipular genéticamente estas células mediante terapia génica y reinsertarlas en el paciente del que fueron recolectadas para ayudar a tratar enfermedades genéticas. Las células madre ya se están utilizando para tratar pacientes con artritis, pero desafortunadamente la mayoría de estas aplicaciones no están reguladas y no han sido rigurosamente probadas por las comunidades científica o médica. Como aprenderá en el Capítulo 11, recientemente, un niño con una enfermedad de la piel mortal causada por un trastorno genético se sometió a un tratamiento extraordinario que combinaba la terapia génica para

corregir una mutación y medicina regenerativa para restaurar la piel saludable en más del 80 por ciento de su cuerpo. Imagine el futuro cercano cuando el análisis del genoma completo y la medicina de precisión, incluidas las terapias genéticas y de medicamentos específicos, se ofrezcan de forma rutinaria en el consultorio de su médico. El futuro no está lejos. Esperamos que los breves ejemplos proporcionados en esta sección demuestren cómo el futuro es brillante para los maravillosos avances en biotecnología médica, y que en esta etapa inicial de sus estudios espere aprender mucho más sobre estas y otras aplicaciones. Aquí hemos discutido ejemplos básicos de aplicaciones médicas en el siglo de la biotecnología, pero en capítulos futuros aprenderá sobre aplicaciones interesantes de otras áreas de la biotecnología que potencialmente cambiarán nuestras vidas para mejor. Tenga en cuenta que a través de la biotecnología, muchos problemas aparentemente imposibles pueden no ser tan insuperables en el futuro. ¡No hay mejor momento para ser parte de la biotecnología! Concluimos nuestra introducción al mundo de la biotecnología analizando las oportunidades profesionales en la industria.

1.4 La fuerza laboral de biotecnología ¿Cómo se preparará el mundo para el siglo de la biotecnología? Los avances recientes han creado una gama de nuevas oportunidades para las empresas de biotecnología y las personas que buscan empleo en la industria de la biotecnología (Figura 1.18).

En última instancia, las empresas de biotecnología buscan personas que se sientan cómodas analizando complejos

Células madre embrionarias

La diferenciación puede producir muchos tipos de células

Celulas hepáticas

Células musculares

Celúlas de piel

Células óseas rojo y

neuronas

células blancas de la sangre

Trasplante para reemplazar tejido dañado o defectuoso

FIGURA 1.17 Las células madre embrionarias pueden dar lugar a muchos tipos de células diferenciadas Las células madre embrionarias (ESC) se derivan de embriones o fetos en etapa temprana; son células inmaduras que pueden estimularse para diferenciarse en una variedad de tipos de células.

FIGURA 1.18 La industria de la biotecnología ofrece oportunidades interesantes para muchos tipos de científicos Desde biólogos y químicos hasta ingenieros, tecnólogos de la información y vendedores, la industria de la biotecnología ofrece una gran variedad de oportunidades de empleo en alta tecnología. Aquí se muestra a un estudiante universitario de último año que trabaja en un proyecto de investigación de biotecnología. Obtener experiencia en investigación como estudiante universitario es una excelente manera de prepararse para una carrera en biotecnolo

Machine Translated by Google 1.4 La fuerza laboral de biotecnología

datos y compartir su experiencia con otros en entornos de trabajo orientados a la resolución de problemas y orientados al equipo. La mano de obra en biotecnología depende de importantes contribuciones de personas talentosas en muchas disciplinas diferentes de la ciencia.

El negocio de la biotecnología En 1976, se fundó Genentech Inc., una pequeña empresa cerca de San Francisco, California. Genentech, parte del Grupo Roche desde 2009, es generalmente reconocida como la primera empresa de biotecnología, y su éxito marcó el comienzo de esta emocionante industria con el lanzamiento de insulina humana recombinante, que ofrece la primera oportunidad para que las personas diabéticas reciban esta proteína. . Hoy, la biotecnología es una industria global con cientos de productos en el mercado.

41

causa principal de muerte antes de los 70 años en 91 de 172 países, y ocupa el tercer o cuarto lugar en otros 22 países, según un estudio realizado por la OMS en 2015. Actualmente se están desarrollando más de 350 productos biotecnológicos, cuyo objetivo puede cáncer, diabetes, enfermedades cardíacas, enfermedades de Alzheimer y Parkinson, artritis, SIDA y muchas otras enfermedades. Los cultivos y semillas recombinantes, y los productos industriales como los biocombustibles, son otras grandes categorías de ingresos para las empresas de biotecnología a nivel mundial.

Principales regiones para trabajos en biotecnología

América del Norte, Europa y Japón representan aproximadamente el 95 por ciento de las empresas de biotecnología del mundo, pero las empresas de biotecnología se encuentran en todo el mundo en más de 54 países. Los países sin una historia tradicional en investigación y Las ventas de medicamentos biológicos terapéuticos desarrollo (I/D) en todo el mundo están recurriendo a la (bioterapéuticos) como enzimas, anticuerpos, factores de biotecnología para las innovaciones de alta tecnología. Por crecimiento, vacunas y hormonas, incluidas muchas proteínas ejemplo, la biotecnología es una industria en rápido desarrollo recombinantes, en los Estados Unidos son una parte importante en India y China. La agrupación de empresas de biotecnología de estos ingresos. ¡Las ventas anuales de productos ocurre cerca de instituciones públicas de investigación donde se bioterapéuticos superan los $225 mil millones en todo el mundo generan ideas científicas básicas para aplicaciones y se duplican aproximadamente cada 5 años! Muchas empresas biotecnológicas. de biotecnología están trabajando en curas para el cáncer. es el primero o el segundo

FIGURA 1.19 Empresas de biotecnología en todo el mundo Al 27 de mayo de 2019, este mapa captura 10068 ubicaciones de empresas de biotecnología en todo el mundo. Este mapa interactivo está disponible públicamente en https://www.biotech-careers.org/. Al ingresar al sitio web, puede hacer clic en el número dentro de cualquier círculo para obtener información detallada sobre las empresas de biotecnología en esa región.

Machine Translated by Google 42

Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

Estados Unidos sigue siendo un líder mundial en biotecnología. Actualmente hay alrededor de 700 empresas públicas de biotecnología

CUADRO 1.3

en los Estados Unidos (y muchas otras empresas privadas). Cuando

Las cinco principales empresas de biotecnología y las cinco principales farmacéuticas Empresas por ingresos en 2017

comenzó la industria de la biotecnología, la mayoría de las empresas Ingresos (miles de millones)

estaban ubicadas en grupos o centros relativamente pequeños en

Empresas de biotecnología

ciudades como San Francisco y Boston. Si bien las clasificaciones

Amgen

$129

Ciencias de Galaad

$103

Novo Nordisk

$ 96

Celgene

$ 77

Biogen

$ 66

individuales de los estados pueden variar de un año a otro, ahora hay grupos de empresas de biotecnología distribuidas por todo Estados Unidos. El Reino Unido es el clúster biotecnológico líder en Europa. El país ofrece más de 12 0000 puestos de trabajo biofarmacéuticos y también lidera Europa en financiación de la investigación. Alemania también se ha convertido en un clúster de primer nivel con una de las principales empresas de biotecnología, BioNTech, que colaboró con

Compañías Farmacéuticas

Ingresos (miles de millones)

Pfizer para desarrollar vacunas contra la gripe basadas en ARNm en 2018.

Johnson y Johnson

$379

Francia ocupa el tercer lugar en empleo biofarmacéutico en Europa.

Novartis

$216

Pfizer

$208

los grandes actores de la industria biotecnológica.

Roche

$199

Muchas empresas multinacionales como Johnson & John son y GlaxoSmithKline han elegido Holanda para sus operaciones globales.

AbbVie

$153

Según France Biotech, el país ofrece alrededor de 20.000 puestos de trabajo en biotecnología. Los Países Bajos siguen compitiendo con

Países europeos como España, Suiza, Bélgica, Italia y Dinamarca también han surgido como centros de biotecnología (ver Figura 1.19). Ofrecemos esta perspectiva sobre la distribución de los clústeres de biotecnología para enfatizar que las oportunidades de empleo en

Adaptado de Genetic Engineering & Biotechnology News, https:// www.genengnews.com/the-lists/top-25-biotech Companiesof-2017/77901002 y https://www.genengnews .com/the-lists/top -10farma-empresas-de-2017/77901005. Ingresos basados en resultados preliminares informados por las empresas.

biotecnología están disponibles en todo el mundo y no se limitan a unas pocas áreas. Entonces, si desea trabajar en la industria de la

Las grandes empresas farmacéuticas suelen participar en la

biotecnología, puede encontrar oportunidades de trabajo en casi

investigación y el desarrollo de productos relacionados con la

cualquier lugar. Visite el sitio web de carreras en biotecnología que figura en el

empresa de biotecnología. Recuerde también que la biotecnología

sitio web complementario para buscar empresas de biotecnología ubicadas en todo el mundo y conocer sus productos actuales y

Hay muchas empresas diferentes de diferentes tamaños dedicadas a

oportunidades profesionales.

trabajar en áreas específicas de la biotecnología.

¿Qué es una empresa de biotecnología?

pequeñas empresas de menos de 50 empleados hasta grandes

biotecnología, ya sea directa o indirectamente, asociándose con una implica mucho más que el desarrollo de fármacos.

Las empresas de biotecnología varían en tamaño, desde

Es posible que ahora se esté preguntando: "¿Cuál es la diferencia

empresas con más de 300 empleados. Históricamente, muchas empresas de biotecnología comenzaron como pequeñas empresas

entre una empresa de biotecnología y una empresa farmacéutica?"

emergentes formadas por un pequeño equipo de científicos que

La mayoría de las personas pueden nombrar compañías farmacéuticas

creían que podrían tener un producto prometedor para fabricar (como

como Merck, Johnson & Johnson o Pfizer porque ellos o un miembro

una proteína recombinante para tratar enfermedades).

de su familia pueden haber usado uno o más de sus productos, pero

Por lo general, el equipo debe buscar inversores para financiar su

la mayoría de las personas no pueden nombrar una compañía de

empresa de modo que puedan comprar o alquilar instalaciones de

biotecnología (Tabla 1.3) o explicar por qué una compañía de

laboratorio, comprar equipos y suministros, y continuar con la

biotecnología. es diferente de una empresa farmacéutica. Las grandes

investigación y el desarrollo necesarios para fabricar su producto.

compañías farmacéuticas se conocen comúnmente como "grandes

Pero iniciar una empresa de biotecnología es un negocio arriesgado;

farmacéuticas". En términos generales, las compañías farmacéuticas

en promedio, muchas empresas emergentes cierran sin proporcionar

participan en el desarrollo de fármacos mediante la síntesis química

ningún retorno a los inversores.

o la purificación de compuestos utilizados para fabricar el fármaco,

Las empresas emergentes de biotecnología dependen de

productos como la aspirina, los antiácidos y los medicamentos para

inversiones financieras o capital en la empresa, como capital de

el resfriado. Las empresas farmacéuticas normalmente no utilizan

riesgo (VC), fondos proporcionados en una etapa temprana a

organismos vivos para cultivar o producir un producto (como una proteína recombinante), como es el enfoque de las empresas de

empresas emergentes con potencial de éxito. Las fuentes de fondos de capital de riesgo pueden ser, por ejemplo, individuos, fondos

biotecnología.

patrimoniales, fundaciones, instituciones financieras y otras empresas.

Pero durante las últimas décadas, las distinciones entre las dos industrias son borrosas, porque muchos

Los fondos de capital de riesgo ganan dinero al poseer acciones en empresas emergentes que tienen un futuro prometedor.

Machine Translated by Google 1.4 La fuerza laboral de biotecnología

tecnología a desarrollar. Los inversionistas ángeles , personas adineradas que proporcionan capital para una empresa nueva a cambio de la propiedad de la empresa, son clave para proporcionar a las empresas biotecnológicas nuevas los fondos necesarios para llevar a cabo la investigación y las pruebas necesarias para fabricar un producto. Las inversiones de capital de riesgo son la canalización esencial de fondos que respalda a las empresas de biotecnología. Durante la recesión económica de 2008, dado que las inversiones de capital de riesgo en biotecnología experimentaron una disminución del 46 por ciento entre 2007 y 2008, muchas empresas de biotecnología solo tenían suficiente flujo de caja para 12 meses

43

Eventualmente, si una nueva empresa de biotecnología tiene éxito en llevar un producto al mercado (un proceso que lleva alrededor de 10 años en promedio a un costo, en los Estados Unidos, de más de $2 mil millones para un medicamento médico), muchas nuevas empresas son a menudo comprados por empresas más grandes y bien establecidas. Llevar un producto prometedor cerca del mercado en última instancia crea valor para una empresa, lo que puede permitirle solicitar una oferta pública inicial (IPO), lo que significa que está disponible para que el público compre acciones de la empresa. Por ejemplo, a medida que la financiación de las empresas de biotecnología se recuperó después de 2008, en 2013, 24 empresas de los Estados Unidos ofrecieron OPI. Las acciones de estas empresas aumentaron una media del 20 % el primer día de cotización, generando aproximadamente 1800 millones de dólares para la industria de la biotecnología.

o menos. Pero desde entonces, la recaudación de fondos para las empresas de biotecnología se ha recuperado bastante bien, impulsada por muchos productos nuevos e innovadores como bioterapéuticos, nuevas terapias génicas e inmunoterapias que muestran un gran potencial para el tratamiento de pacientes. En Existen similitudes entre cómo se organizan las empresas última instancia, la mayoría de los inversores en una empresa de farmacéuticas y las biotecnológicas (Figura 1.20). En la Figura biotecnología lo hacen con la expectativa de que habrá algún 1.20, proporcionamos una estructura organizativa básica para una retorno de su inversión y obtendrán una ganancia si la empresa tiene éxito.empresa mediana típica

Investigar & Desarrollo (I+D): Preclínica/ investigación de descubrimiento,

bioinformática,

Operaciones: Proceso/Producto Desarrollo, Fabricación y Producción

Calidad: Control de calidad y garantía

Seguridad en el laboratorio

VP de Investigación/ Desarrollo

Investigación de descubrimiento

Director científico

Director Científico Asociado Científico Principal científico sénior

vicepresidente de operaciones

Directora de Calidad

Proceso/Producto Desarrollo Director de Proceso/Producto

Investigación clínica Control de calidad (CC)

Supervisor de Desarrollo de Procesos Asociado de Desarrollo de Procesos

científico yo

Técnico de Desarrollo de Procesos

Programador Modelador Molecular

analista de control de calidad

técnico de control de calidad

Gerente de A ires regulatorios A ires regulatorios Asociado

Microbiología analista de control de calidad

Datos clinicos Gerente/Asociado

Técnico de Fabricación

Gerente de Contabilidad

Desarrollo de negocios Director de Negocios Desarrollo Administración Director de Recursos Humanos

Representante de Recursos Humanos Gerente de seguridad

Garantía de calidad (QA) Gerente/Supervisor de control de calidad

Especialista en Documentación QA

científico de datos

Instalaciones de laboratorio

A ires regulatorios

(Operador) Instrumentación de fabricación/ Técnico de Calibración

Finanzas director financiero

Química

Producción manufacturera Asociado de fabricación

y administración

Auxiliar de contabilidad Auditor interno

Investigador asociado

Científico/Ingeniero

Investigación clínica Gerente

Asociado sénior de investigación

Supervisor de Fabricación

vicepresidente de finanzas

Director médico

Desarrollo

Científico II

Análisis de datos y Bioinformática

Investigación clínica: Investigación clínica, A ires regulatorios

Finanzas & Administración: Finanzas, Desarrollo de negocios, Administración, Sistemas de información, Legal, Gestión de las instalaciones

Agente de compras/Comprador Recepcionista Ayudante Administrativo

Documentación de control de calidad

Logística Servicio al Cliente

Gerente/supervisor de instalaciones

Distribución

(Ciencias animales) Veterinario

Operaciones

Coordinador/Asociado

Transportación

Asistente de laboratorio/Lavavasos

Sistemas de información Gerente de Sistemas de Información Analizador de sistemas

Programador analista Legal Patente/Propiedad Intelectual (PI) Abogado Gestión de las instalaciones Gerente de las instalaciones

Técnico de Instalaciones

FIGURA 1.20 Estructura organizativa de una empresa de biotecnología típica de tamaño mediano Las empresas de biotecnología varían en tamaño, pero la mayoría de las empresas tienen estructuras organizativas similares a las que se muestran en esta figura. Observe la gama de diferentes aspectos de la empresa, desde I+D hasta ventas, marketing y aspectos legales de un producto.

Remitente/Receptor Ventas, Mercadeo y Información médica

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Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

compañía de biotecnología para su referencia, para ayudarlo a apreciar la gama de operaciones y la variedad de empleados involucrados en una empresa exitosa, más allá de la investigación y el desarrollo. Discutimos muchos aspectos de esto en la siguiente sección, en la que describimos diferentes oportunidades de trabajo en cada área de una empresa de biotecnología.

Los científicos principales o sénior suelen tener un doctorado. y considerable experiencia práctica en investigación y habilidades de gestión para dirigir a otros científicos. Estos individuos son considerados los líderes científicos de una

científicos de "banco", que realizan experimentos de investigación bajo la dirección de uno o más científicos principales o sénior. Los asistentes y asociados realizan investigaciones en colaboración con otros. Involucrados en el diseño, ejecución e interpretación de experimentos y resultados, también se les puede solicitar que revisen la literatura científica y preparen informes técnicos, protocolos de laboratorio y resúmenes de datos.

Operaciones, biofabricación y producción son términos que describen las divisiones de una empresa de biotecnología que supervisan detalles específicos del desarrollo de productos, como el equipo y los procesos de laboratorio involucrados en la producción de un producto. Esto a menudo incluye procesos de ampliación, en los que las células cultivadas que componen un producto deben crecer a gran escala. Esta no es una tarea baladí. Como una simple analogía, la ampliación es la diferencia entre

empresa. Las responsabilidades incluyen planificar y ejecutar las prioridades de investigación de la empresa, actuar como voceros de la investigación y el desarrollo de la empresa en conferencias, participar en solicitudes de patentes, escribir informes de progreso, solicitar subvenciones y servir como Empleos en Biotecnología asesores de los principales gerentes financieros de la empresa. La industria de la biotecnología en los Estados Unidos emplea a Los títulos de trabajo y las descripciones que hemos dado más de 200.000 personas. La biotecnología ofrece numerosas pueden variar de una empresa a otra; sin embargo, si está opciones de empleo, como técnicos de laboratorio involucrados interesado en hacer nuevos descubrimientos científicos, I+D en investigación y desarrollo básicos, programadores de podría ser una opción profesional interesante para usted. computadoras, directores de laboratorio y personal de ventas y La bioinformática, el uso de computadoras para analizar y marketing. Todos son esenciales para la industria biotecnológica. almacenar datos de ADN y proteínas, requiere una comprensión En esta sección, consideramos algunas de las categorías de de la programación informática, las estadísticas y la biología. trabajo disponibles en biotecnología. Hasta hace poco, muchos expertos en bioinformática eran informáticos que se habían formado en biología molecular o Investigación y desarrollo biólogos moleculares autodidactas en informática, análisis de El desarrollo de un nuevo producto biotecnológico es un proceso bases de datos y matemáticas. largo y costoso. Las personas en I+D están directamente Hoy en día, se alienta a las personas con intereses en ciencias involucradas en el proceso de desarrollar ideas y realizar de la computación a que tomen clases de biotecnología, y se experimentos para determinar si una idea prometedora (por alienta a los estudiantes de biotecnología a que tomen clases de ejemplo, usar una proteína recombinante de un gen clonado ciencias de la computación. Además, se han desarrollado para tratar una enfermedad) puede convertirse en un producto. programas específicos en bioinformática en colegios y Requiere una gran cantidad de prueba y error. Desde las universidades de 4 años, colegios técnicos y colegios empresas de biotecnología más grandes hasta las más comunitarios para capacitar a las personas para que se conviertan en bioinformá pequeñas, todas cuentan con algún personal dedicado a I+D. Grandes cantidades de datos generados por proyectos de En promedio, las empresas de biotecnología invierten al menos genoma, estudios de fármacos y otros enfoques contribuyen a cuatro veces más en I+D que cualquier otra industria de alta lo que se conoce como "grandes datos". Almacenar, compartir, tecnología. Para algunas empresas, el presupuesto de I+D es analizar y proteger (ciberseguridad) grandes conjuntos de datos cercano al 50 por ciento del presupuesto operativo. La I+D es la es un desafío importante. Incluso tener suficiente memoria sangre vital de la mayoría de las empresas: sin nuevos informática es un desafío cuando los datos se almacenan en la descubrimientos, las empresas no pueden fabricar nuevos productos. nube. Se necesitan científicos o analistas de datos para evitar La mayoría de los puestos en I+D generalmente requieren que las empresas de biotecnología se ahoguen en el mar de una licenciatura o un título de asociado en química, biología o datos cada vez mayor que ha inundado la ciencia moderna. Los sistemas robustos de extracción y almacenamiento de datos son bioquímica. Los técnicos de laboratorio son responsables de tareas como la limpieza y el mantenimiento de los equipos esenciales para todo, desde I+D hasta ensayos clínicos y el utilizados por los científicos y el mantenimiento de los laboratorios seguimiento de los registros de los pacientes (incluidos los con suministros. Los puestos de técnico generalmente requieren registros médicos electrónicos con los que puede estar una licenciatura en ciencias o una licenciatura en biología o química. familiarizado al visitar el consultorio de un médico). Si está Los asistentes de investigación o los investigadores asociados interesado en fusionar la comprensión de la biología con las realizan experimentos bajo la supervisión directa de científicos habilidades informáticas, entonces la bioinformática y el análisis establecidos y experimentados. Estos puestos requieren una de datos pueden ser buenas opciones profesionales para que considere. licenciatura o una maestría en biología o química. Operaciones, biofabricación y producción. Los asistentes de investigación y los asociados se consideran

Machine Translated by Google 1.4 La fuerza laboral de biotecnología

TÚ DECIDES

45

¿Medicamentos biotecnológicos genéricos?

A medida que la industria de la biotecnología

en referencia a las proteínas recombinantes terapéuticas y otras

ha envejecido, muchos de los primeros

proteínas producidas biológicamente, como los anticuerpos, podría

productos biotecnológicos que recibieron aprobación de patente han

fabricarse a un precio muy reducido dado que, en general, es aún más

perdido recientemente o perderán pronto la protección de patente. Las

costoso producir un producto biotecnológico que un producto farmacéutico

patentes están diseñadas para otorgar un derecho de monopolio al

y porque los biosimilares pueden ser difíciles de replicar exactamente.

desarrollador de una invención y, en los Estados Unidos, las patentes

Los medicamentos biosimilares requieren el diseño de diferentes

pueden durar hasta 20 años. Ha surgido controversia en la industria

procesos (costosos), pero deben producir los mismos o mejores

sobre si muchos de estos productos recibirán la aprobación para

resultados, en lugar de cambios farmacéuticos más simples en la

convertirse en medicamentos genéricos. Es posible que ya sepa que

fabricación. A nivel mundial, se estima que el valor de mercado de los

los medicamentos genéricos son copias de productos de marca que

biosimilares superará los $55 mil millones para 2020. Se pueden plantear

generalmente tienen la misma eficacia, seguridad y calidad que el

preguntas similares sobre las ganancias con respecto a los costos de

original, pero se producen a un costo más bajo para el consumidor que

los medicamentos en los países en desarrollo, donde muchas de las

los medicamentos de marca. Una forma en que los genéricos pueden

personas que necesitan medicamentos no pueden pagarlos, aunque

reducir los costos es que a menudo se aprueban para su uso sin tener

muchas empresas venden medicamentos en los países en desarrollo.

que someterse a los mismos estudios costosos de seguridad y efectos

mundo desarrollado a un precio más alto y usar algunas de estas

que se requieren para los medicamentos de nombre.

ganancias para proporcionar medicamentos a bajo costo o sin costo alguno para las naciones en desarrollo. ¿Cómo cree que debería

Muchas empresas de biotecnología están luchando contra la producción de medicamentos biotecnológicos genéricos. Algunos dudan si un medicamento genérico, llamado biosimilar cuando

regularse el costo de los medicamentos para que sea justo para los consumidores y proporcione una ganancia adecuada para los innovadores? Tú decides.

cocinar una comida para usted y preparar una cena completa de Acción

que los productos cumplan con las estrictas normas exigidas por las

de Gracias para 50 personas. Las unidades de biofabricación y producción

agencias federales. Además de garantizar que los componentes del

mantienen y supervisan los equipos de gran escala y gran volumen

proceso de fabricación del producto cumplan con las especificaciones

utilizados durante la producción, y se aseguran de que la empresa siga

adecuadas, los trabajadores de QA y QC también son responsables de

los procedimientos adecuados y mantenga los registros apropiados para

monitorear el equipo, las instalaciones y el personal, mantener la

el producto. Los detalles del trabajo de biofabricación son específicos

documentación correcta, probar muestras de productos y atender las

para el producto particular que está fabricando una empresa.

consultas y quejas de los clientes, junto con con otras responsabilidades.

Los trabajos de nivel de entrada incluyen manipuladores de materiales,

incluyen técnico de validación, empleado de documentación e inspector

asistentes de fabricación y asociados de fabricación. Los puestos de

de control de calidad. Los trabajos generalmente requieren al menos una

nivel de supervisión y gerencia generalmente requieren una licenciatura

licenciatura en biología, y los puestos gerenciales o de supervisión

Los trabajos de nivel de entrada en control de calidad y control de calidad

o una maestría en biología o química y varios años de experiencia en la

requieren más educación. Especialistas en relación con el cliente o

fabricación de los productos o el tipo de producto que produce esa

especialistas en reclamaciones de productos

empresa. La fabricación y la producción también involucran muchos tipos diferentes de ingenieros, incluidos aquellos capacitados en ingeniería

a menudo trabajan en las divisiones de control de calidad de una empresa.

química, eléctrica, ambiental o industrial. Los puestos de ingeniería

Una función de tales especialistas es investigar las quejas de los

generalmente requieren una licenciatura en ingeniería o una maestría en

consumidores sobre un problema con un producto y hacer un seguimiento

biología o un área de ingeniería.

con el consumidor para proporcionar una respuesta o solución adecuada al problema encontrado.

Garantía de calidad y control de calidad

Investigación clínica y asuntos regulatorios

La mayoría de los productos de la biotecnología están altamente

El desarrollo de un producto farmacéutico es un proceso largo y costoso

regulados por organizaciones como la FDA de EE. UU. y la Autoridad

de probar el nuevo candidato a fármaco en sujetos voluntarios para

Europea de Seguridad Alimentaria. Estas agencias federales exigen que

finalmente recibir la aprobación del nuevo fármaco por parte de la FDA.

la fabricación siga métodos exactos aprobados por los funcionarios

El proceso de ensayo clínico, junto con muchas otras áreas clínicas y no

reguladores. Como se discutió anteriormente, el propósito general de la

clínicas de la biotecnología, está regulado por varias agencias diferentes.

garantía de calidad (QA) es garantizar la calidad final de todos los

Como resultado, cada empresa de biotecnología tiene personal que

productos.

supervisa el cumplimiento normativo para asegurarse de que

Los esfuerzos de control de calidad (QC) están diseñados para garantizar

Machine Translated by Google 46

Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

que los procedimientos reglamentarios adecuados están en su lugar

Los científicos que trabajan en la industria de la biotecnología se

y se están siguiendo. Las compañías de biotecnología involucradas

encuentran entre los mejor pagados de las ciencias profesionales.

en el desarrollo de medicamentos para humanos a menudo tienen divisiones de investigación clínica muy grandes con personal científico y no científico que realiza y supervisa los ensayos clínicos.

Según una encuesta de más de 400 empresas de biotecnología realizada por la División Radford de AON Consulting, una persona con un Ph.D. en biología, química y biología molecular sin experiencia laboral comenzaba con un salario anual promedio de $55,700, y los

Divisiones de marketing, ventas, finanzas y legal

científicos senior ganaban más de $120,000 al año. Para las personas

La comercialización y venta de una variedad de productos

con una maestría en los mismos campos, el salario promedio fue de

biotecnológicos, desde instrumentos médicos hasta medicamentos,

$40 600 al año, con un rango de $60 000 a $70 000 al año para

es un área crítica de la biotecnología. La mayoría de las personas

investigadores asociados y $43 520 al año para aquellos con una

empleadas en marketing y ventas de biotecnología tienen una

licenciatura, con un rango de $52 000 a $62 000 al año para asociados

licenciatura en ciencias y están familiarizadas con los procesos

de investigación. Visite los enlaces web provistos para el Capítulo 1

científicos en biotecnología, quizás combinados con cursos en

en el sitio web complementario para obtener referencias a las cifras

negocios o incluso una licenciatura en marketing. Los representantes

salariales actuales en la industria de la biotecnología.

de ventas trabajan con médicos, hospitales e instituciones médicas para promocionar los productos de una empresa. Los especialistas en marketing diseñan campañas publicitarias y materiales promocionales para satisfacer las necesidades de los clientes en

Según una encuesta nacional, el 56 por ciento de los estudiantes universitarios que ingresaron a programas de capacitación en

relación con los productos que vende una empresa. Representantes

biotecnología tenían poca o ninguna formación científica. Si tiene la

y especialistas asisten con frecuencia a ferias comerciales y

formación adecuada en biología y buenas habilidades de laboratorio,

conferencias. La comprensión de la ciencia es importante porque la

hay muchos buenos puestos disponibles en muchos niveles diferentes,

capacidad de responder a las preguntas de los usuarios finales es

pero cada vez más la capacitación educativa en el colegio comunitario,

una habilidad esencial en marketing y ventas.

colegio técnico, colegio de 4 años o nivel universitario se está

Las divisiones financieras de una empresa de biotecnología

convirtiendo en un requisito para el empleo en biotecnología.

suelen estar dirigidas por vicepresidentes o directores financieros que supervisan las finanzas de la empresa y también suelen participar en la recaudación de fondos de socios o capitalistas de riesgo que buscan inversiones en empresas de tecnología.

Tendencias de contratación en la industria de la biotecnología

Los especialistas jurídicos de las empresas de biotecnología suelen

Las perspectivas de carrera en biotecnología son muy buenas. La

trabajar en cuestiones jurídicas asociadas con el desarrollo y la

industria ha más que triplicado su tamaño desde 1992.

comercialización de productos, como los derechos de autor, los

El aumento de las presiones sobre los precios, la caducidad de las

derechos de denominación y la obtención de patentes. Estos son

patentes, el aumento de los costos para desarrollar nuevos

temas esenciales para proteger las ideas y los productos que una

medicamentos y los casos costosos en los que los medicamentos

empresa de biotecnología trabaja tan duro para desarrollar (consulte

fallaron en las etapas posteriores de los ensayos clínicos han resultado

el Capítulo 12 para una discusión más detallada). El personal de esta

en cambios en el desarrollo de medicamentos. A medida que expiran

área también abordará las circunstancias legales que puedan surgir

las patentes de medicamentos diseñados para grandes poblaciones

(medicamentos de gran éxito), las inversiones en investigación y si hay problemas con un producto o un litigio por parte de un usuario de un producto. desarrollo se han desplazado hacia moléculas biológicas que abordan

Salarios en Biotecnología

enfermedades graves. Las empresas cambiaron el énfasis a través de fusiones y adquisiciones, enfatizaron sus afiliaciones con

Las personas que trabajan en la industria de la biotecnología están

universidades y centros de biotecnología, y alinearon sus fortalezas a

haciendo descubrimientos revolucionarios que combaten

través de intercambios de activos entre empresas. Las terapias para

enfermedades, mejoran la producción de alimentos, limpian el medio

enfermedades raras han ayudado a algunas empresas gracias a la

ambiente y hacen que la fabricación sea más eficiente y rentable.

Ley de Medicamentos Huérfanos de la FDA, que permitió una

Aunque el proceso de utilizar organismos vivos para mejorar la vida

aprobación rápida y brindó oportunidades de expansión a una

es una práctica antigua, la industria de la biotecnología existe desde

población más común de pacientes con adaptaciones.

hace solo unos 40 años, por lo que todavía es una industria relativamente nueva. Como industria emergente, la biotecnología

Otra tendencia que ha alcanzado una etapa de importancia crítica es la necesidad de personas con múltiples áreas de habilidades.

ofrece salarios y beneficios competitivos, y los empleados en casi

Por ejemplo, una persona con un título en biología molecular o

todos los niveles reportan una alta satisfacción laboral.

bioquímica, una especialización en tecnología de la información y cursos de matemáticas puede tener una gran ventaja en el mercado

Los salarios de los científicos de la vida que trabajan en el sector comercial son generalmente más altos que los que se pagan a los científicos en el mundo académico (colegios y universidades).

laboral, especialmente en las empresas que buscan personas con combinaciones de habilidades únicas.

Machine Translated by Google Preguntas y actividades

Además de buenas habilidades técnicas y una comprensión de las prácticas comerciales y financieras, las empresas también enfatizan la importancia de las "habilidades blandas", que consideran importantes en las habilidades técnicas. Estos incluyen habilidades en escritura y comunicación, presentación de información a diferentes audiencias y trabajo en equipo. Las perspectivas de empleo en biotecnología son realmente emocionantes. Las oportunidades son excelentes para personas con sólida formación científica y buenas habilidades de comunicación verbal y escrita, junto con una gran capacidad para trabajar como parte de un equipo en un entorno colaborativo.

47

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

1. Proporcione dos ejemplos de aplicaciones históricas y actuales de la biotecnología. 2. Elija un ejemplo de una aplicación de biotecnología y describa cómo ha afectado su vida cotidiana. 3. ¿Qué área de la biotecnología involucra el uso de organismos vivos para limpiar el medio ambiente? 4. Describir cómo influirá la medicina de precisión en el tratamiento de enfermedades humanas.

HACER UNA DIFERENCIA Hay muchas maneras de ser parte de la biotecnología y de influir en la vida de los demás, como exploraremos al final de cada

5. Realice una búsqueda en Internet de "biotecnología de bricolaje" y asegúrese de visitar los sitios biocurious.org

y DIYbio.org. ¿Que encontraste? ¿Cuáles son las ventajas y desventajas potenciales del bricolaje? Considere los problemas éticos asociados con el bricolaje y qué regulaciones podrían ser necesarias para la biotecnología del sustancia química levodopa en el cerebro de los pacientes de bricolaje. Por ejemplo, en 2017, un hombre seropositivo se Parkinson sienta las bases para otras terapias basadas en células (Capítulo 2).inyectó (y transmitió el evento en vivo en Facebook) una Las proteínas terapéuticas recombinantes como la insulina han terapia génica no regulada destinada a eliminar el virus del mejorado la calidad de vida de muchos humanos (Capítulo 3). VIH. Explique sus respuestas. Las pruebas de diagnóstico de proteínas biomarcadoras que 6. Distinga entre QC y QA, y explique por qué ambos son reflejan la presencia temprana de una enfermedad podrían impulsar importantes para las empresas de biotecnología. la búsqueda de otros tratamientos, acercando un paso más la medicina personalizada que utiliza proteínas purificadas (Capítulo 7. Acceda a la biblioteca del Instituto Europeo de Bioinformática 4). Los antibióticos aislados de bacterias son uno de los ejemplos (EMBL-EBI) (https://www.ebi.ac.uk/) y busque un ejemplo capítulo en la sección Marcando la diferencia. Aquí hay un vistazo a lo que está reservado en los próximos capítulos. El éxito temprano en el uso de microesferas basadas en células que liberan la

más exitosos de productos biotecnológicos (Capítulo 5). La revolución de la biotecnología vegetal ya se ha producido en los

fuente sobre la rediferenciación de células madre derivadas de adultos para obtener más información sobre las células

Estados Unidos, y la mayor parte de esta expansión se ha producido en otros países durante los últimos 3 años. Estos métodos se han utilizado en el pasado para mejorar las capacidades

madre. células. Esta fuente gratuita proporcionará resúmenes y títulos de artículos de texto completo que se pueden obtener en otras bibliotecas.

naturales de los organismos con rasgos seleccionados (Capítulo 6). Estudiar la función de las drogas en órganos artificiales (órgano en un chip) está reduciendo la necesidad de probar animales (Capítulo 7). El análisis forense de ADN se ha expandido más allá

8. Visite ScienceDirect y busque noticias sobre biotecnología (https://www.sciencedaily.com/news/ plantas_animales/biotecnología/). Aquí encontrará actualizaciones diarias sobre nuevos y emocionantes de las escenas del crimen al fraude alimentario, diagnósticos de desarrollos en biotecnología descritos en términos amigables ADN y mejores métodos para la identificación sensible de cantidades más pequeñas de ADN (Capítulo 8). para los estudiantes. Encuentre un tema de biotecnología La limpieza exitosa de la contaminación del agua subterránea es que le fascine y comparta su conocimiento recién descubierto un ejemplo de una historia exitosa de biorremediación (Capítulo con un amigo o familiar que no esté familiarizado con la 9). Nuevos medicamentos de organismos acuáticos están biotecnología. mejorando la vida de los pacientes en todo el mundo (Capítulo 10). Los trasplantes de médula ósea son un ejemplo exitoso de tecnologías de células madre (Capítulo 11). El cumplimiento de las normas que protegen a las empresas y los empleados es una parte necesaria de la biotecnología y continuará brindando productos

9. Interactuar con otros en un entorno grupal es una habilidad esencial en la mayoría de las áreas de la ciencia. Como aprendiste en este capítulo, la biotecnología involucra a grupos de científicos, matemáticos seguros y un entorno de trabajo seguro, además de proteger la y expertos en computación con diferentes antecedentes propiedad intelectual desarrollada por las empresas de biotecnología (Capítulo que 12). colaboran para resolver un problema o lograr una meta común. Finalmente, exploraremos muchos ejemplos controvertidos y Hablar de biología con otras personas es divertido y éticamente desafiantes que reunirán una variedad de temas que beneficioso para todos los que trabajan en el mismo aprenderá a lo largo del libro (Capítulo 13). problema en una empresa, y trabajar con otros ¡La oportunidad de ser parte de una ciencia que realmente marca estudiantes es una excelente manera de ayudarlo a la diferencia te espera en los próximos capítulos! aprender y disfrutar de sus estudios en biotecnología. Enseñando

Machine Translated by Google 48

Capítulo 1 El siglo de la biotecnología y su fuerza laboral

otra persona es una gran manera de poner a prueba sus conocimientos.

17. Los consumidores sienten que tienen derecho a conocer sus riesgos

Analiza tu capacidad para trabajar en grupo formando un grupo de

genéticos para la salud y que las nuevas pruebas de diagnóstico

estudio para el próximo examen. Asigne un líder de grupo que será

pueden brindarles las opciones de terapia que desean. La FDA

responsable de organizar las reuniones y mantener el grupo de estudio

aprobó recientemente 10 de las pruebas de detección de la compañía

enfocado en ayudar a cada persona a aprender. Asegúrese de que

de genómica 23andMe, incluida una para la enfermedad de

todos tengan un tema para presentar al grupo y que todos ustedes

Alzheimer y otra para un trastorno sanguíneo raro. 23andMe utiliza los datos que recopila, así como los de la Fundación Michael J. Fox,

critiquen constructivamente sus sugerencias. Si no puede reunirse con sus compañeros de clase en una habitación, comparta sus pensamientos

el Instituto de la Enfermedad de Parkinson y la empresa de

por correo electrónico o pídale a su profesor que configure un tablero

biotecnología Genentech. Juntos han encontrado nuevos factores de

de anuncios electrónico para fines de discusión.

riesgo para el Parkinson y están explorando cómo las variaciones genéticas específicas influyen en los efectos secundarios de algunos tratamientos para el Parkinson.

10. La Biblioteca Nacional de Medicina es un centro mundial base de datos de publicaciones de investigación en biología en revistas científicas, y se puede acceder a ella de forma gratuita en http:// www.ncbi.nlm.nih.gov. Acceda a PubMed y realice una búsqueda sobre cualquier tema de biotecnología que pueda ser de su interés para encontrar artículos recientes sobre los últimos avances de investigación en biotecnología. 11. Como avance del Capítulo 7—Biotecnología animal— presentamos la idea de cultivar células de carne para producir hamburguesas generadas en laboratorio. ¿Qué piensas de esto? ¿Por qué los científicos están interesados en esta aplicación? Explique las posibles ventajas y desventajas de este enfoque. ¿Considera que se

La FDA ha desarrollado Precision FDA, un sitio donde los investigadores y las empresas agrupan datos para desarrollar estándares para algoritmos y herramientas de secuenciación genética. Evalúe el sitio FDA.gov para Precision FDA y vea si está de acuerdo con que es probable que estas pruebas de detección predigan la enfermedad de Alzheimer. 18. El precio de los medicamentos es un tema controvertido en la biografía .

industrias tecnológica y farmacéutica, con muchas consideraciones éticas. Realice una búsqueda en Internet de Martin Shkreli para conocer uno de los ejemplos recientes más extremos y mejor publicitados de una controversia sobre el precio de los medicamentos.

trata de un ejemplo de biotecnología éticamente controvertido? Si es así, ¿por qué? Explique sus respuestas.

19. Al estudiar biotecnología, un enfoque que podría ayudarlo a aprender es considerar el problema o la pregunta que se

12. La clonación de organismos ha suscitado la preocupación de que

los humanos pueden ser clonados. A principios de 2018, se informó que un equipo de investigación en Shanghai, China, había clonado monos a partir de células cultivadas en el laboratorio. En el momento en que se publicó este libro, no se había demostrado que las

abordará; los métodos, técnicas o enfoques experimentales para resolver este problema; y la aplicación biotecnológica (función, productos o propósito) resultante. En su respuesta, considere los posibles problemas éticos que se deben abordar y las reglamentaciones que podrían ser necesarias para esta aplicación. Aplique este enfoque a algo que haya aprendido en este capítulo.

afirmaciones de clonación humana fueran válidas, y la mayoría de los científicos están rotundamente en contra de la clonación humana. ¿Qué piensas? ¿Se debe clonar a los humanos?

13. Según lo que sabe hasta ahora, ¿qué es la edición del genoma? ¿Por qué cree que la edición del genoma podría ser un concepto muy controvertido y éticamente desafiante en biotecnología?

20. La biotecnología tiene una larga y rica historia. Los capítulos futuros están dedicados a explorar los avances en biotecnología y mirar hacia el futuro. A medida que estudie biotecnología, se le presentará lo que puede parecer una cantidad abrumadora de términos y definiciones. Asegúrese de usar el índice y el glosario al final del libro

14. Explique cómo las empresas de biotecnología obtienen

para ayudarlo a encontrar y definir términos importantes.

empezado. Incluya en su respuesta una descripción de cómo se financia una nueva empresa.

15. Describir las diferencias y similitudes entre la industria farmacéutica y la industria biotecnológica.

16. Visite el sitio web de FierceBiotech (http:// www.fiercebiotech.com ) e inscríbase para recibir alertas diarias gratuitas sobre noticias de la industria biotecnológica. Esta es una excelente manera de conocer nuevos y emocionantes descubrimientos en biotecnología, actualizaciones de compañías de biotecnología, información sobre carreras y más.

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

Machine Translated by Google

CAPITULO DOS

Una introducción a los genes y los genomas Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿÿ Comparar y contrastar células procariotas y eucariotas. ÿÿ Describir la estructura de un nucleótido y explicar cómo los nucleótidos forman moléculas de ADN de doble hélice. ÿÿ Explicar el proceso del ADN replicación y discutir el papel de las proteínas clave involucradas.

ÿÿ Comprender qué son los genomas y por qué los biólogos los estudian. ÿÿ Describir el proceso de transcripción y comprender cómo el procesamiento del ARNm crea una molécula de ARNm funcional. ÿÿ Describir el proceso de traducción y comprender las funciones del mRNA, tRNA y rRNA.

Codificados dentro del ADN hay genes que proporcionan instrucciones que controlan las actividades de todas las células. Los genes permiten la herencia de rasgos de generación en generación. Los genes influyen en nuestro comportamiento; determinar nuestra apariencia física, como piel, cabello y color de ojos; y puede causar o ser afectado por enfermedades genéticas.

ÿÿ Explicar por qué los ARN no codificantes son importante para las células.

ÿÿ Explicar por qué la expresión génica la regulación es importante, y estar familiarizado con los diferentes procesos involucrados en la regulación de la expresión génica.

ÿÿ Nombre diferentes tipos de mutaciones y dé ejemplos de las consecuencias de las mutaciones. ÿÿ Explique por qué la comunidad científica está entusiasmada con las aplicaciones de CRISPR Cas en biotecnología. ÿÿ Apreciar por qué el epigenoma es de interés para los científicos en biotecnología.

49

Machine Translated by Google 50

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

fundamental para el estudio de la biotecnología es la

revisar los aspectos básicos de la estructura y función celular y

comprensión de la estructura del ADN como la molécula

comparar brevemente los diferentes tipos de células.

C

de la vida: el material genético heredado. Luego nosotros

considerará cómo técnicas extraordinarias en biología molecular permiten a los biólogos clonar y modificar el ADN, manipulaciones que son esenciales para muchas aplicaciones en biotecnología (Capítulo 3). En este capítulo, revisamos la estructura y la replicación del ADN, discutimos cómo los genes codifican las proteínas, brindamos una descripción general de la genómica y consideramos las causas y consecuencias de las mutaciones.

Células procariotas Las células son entidades complejas con estructuras especializadas que determinan sus funciones. Generalmente, cada célula tiene una membrana plasmática (celular), una estructura de doble capa de principalmente lípidos y proteínas que rodea su superficie exterior; citoplasma, el contenido interno de la célula entre el núcleo y la membrana plasmática; y orgánulos (“pequeños órganos”), estructuras en la célula que realizan funciones específicas. A lo largo de este libro, no solo consideramos cómo las células animales y vegetales

PRONÓSTICO DEL FUTURO: CÉLULAS ARTIFICIALES

juegan un papel importante en la biotecnología, sino que también cubrimos muchas aplicaciones biotecnológicas que involucran bacterias, levaduras y otros microorganismos. Las bacterias se

Aunque gran parte de lo que discutiremos en este capítulo describe información básica sobre la estructura celular y los genes que los

conocen como células procariotas, o simplemente procariotas, de las palabras griegas que significan "antes del núcleo", porque no

científicos conocen desde hace décadas, hay muchos desarrollos

tienen un núcleo, un orgánulo que contiene ADN en las células

potenciales futuros interesantes, especialmente relacionados con la

animales y vegetales. Los procariotas incluyen bacterias verdaderas

genómica. Un área activa de investigación es la creación de células

(eubacterias) y cianobacterias, un tipo de alga verde azulada (Tabla

programables o artificiales en las que los genomas sintéticos se

2.1), y miembros del dominio Archaea (bacterias antiguas con

ensamblan en un laboratorio y se introducen en las células para crear

algunas características eucariotas).

células con propiedades novedosas basadas en el genoma insertado (por ejemplo, la fabricación de medicamentos). De manera similar, la inserción de pequeñas nanopartículas de metal para controlar las funciones de las células madre y la administración de fármacos, y orgánulos artificiales como los ribosomas, son otros enfoques para manipular células que podrían usarse para tratar enfermedades en el futuro. Estos enfoques aún no han avanzado lo suficiente como para producir aplicaciones valiosas. Pero las señales indican que las estrategias de genomas sintéticos y los enfoques de nanotecnología para hacer células artificiales con propiedades novedosas pueden funcionar. La información fundamental sobre las células, la expresión génica y los genomas desempeña un papel

Las bacterias tienen una estructura relativamente simple (Figura 2.1). Su límite exterior está definido por la membrana plasmática, que está rodeada por una pared celular rígida que protege a la célula. A excepción de los ribosomas, que se utilizan para la síntesis de proteínas, las bacterias tienen pocos orgánulos. El citoplasma contiene ADN, generalmente en forma de una sola molécula circular, que está adherida a la membrana plasmática y ubicada en un área llamada región nucleoide (Figura 2.1). Algunas bacterias también tienen una estructura similar a una cola llamada flagelo, que se utiliza para la locomoción.

importante en el desarrollo de estrategias de tratamiento basadas en células, como el uso de células madre para crear tejidos y órganos (que analizaremos en el Capítulo 11).

Células eucariotas Las células vegetales y animales se consideran células eucariotas,

2.1 Una revisión de la estructura celular

de las palabras griegas que significan "núcleo verdadero", porque contienen un núcleo encerrado en una membrana y muchos orgánulos. Los eucariotas también incluyen hongos y organismos

Las células son las unidades estructurales y funcionales de la vida.

unicelulares llamados protistas, que incluyen la mayoría

Los organismos como las bacterias consisten en una sola célula, mientras que los humanos tienen aproximadamente 75 billones de

CUADRO 2.1

células, incluidos más de 200 tipos diferentes que varían en apariencia y función. Las células varían mucho en tamaño y

Células Procariotas Células Eucariotas

complejidad, desde diminutas células bacterianas hasta neuronas humanas que pueden extenderse más de un metro desde la médula espinal hasta los músculos de los dedos de los pies. Prácticamente todas las células comparten un componente común, la información genética en forma de ácido desoxirribonucleico (ADN). Los genes

Células procariotas y eucariotas

Tipos de células Bacterias Protistas, hongos, verdaderas (eubacterias) plantas, células animales Arqueobacterias Tamaño

100 nm–10 µm 10–100 µm

controlan numerosas actividades en las células dirigiendo la síntesis de proteínas. Los genes influyen en nuestro comportamiento; determinar nuestra apariencia física, como piel, cabello y color de ojos; y afectar nuestra susceptibilidad a las enfermedades genéticas. Antes de comenzar nuestro estudio de genes y genomas, vamos a

Estructura Sin núcleo; ADN ubicado en el citoplasma. Sin organelos.

ADN encerrado en un citoplasma unido a una membrana. Núcleo. Muchos organelos.

Machine Translated by Google 2.1 Una revisión de la estructura celular

51

FIGURA 2.1 Estructura de la célula procariótica Pared celular

Las bacterias son procariotas. Aquí se muestra un dibujo Membrana

de estructuras contenidas en una bacteria típica en forma

de plasma

de bastón.

flagelos Relacionado

Ribosomas

región nucleoide (cromosoma)

Cápsula

algas. Los diagramas de células vegetales y animales se muestran en la Figura 2.2. La membrana plasmática es una barrera fluida, altamente

El citoplasma de los eucariotas se compone de citosol, un fluido gelatinoso rico en nutrientes, y muchos orgánulos. El citoplasma de los

dinámica y compleja de doble capa compuesta de lípidos, proteínas y

procariotas también contiene citosol, pero pocos orgánulos. Piense en

carbohidratos. La membrana desempeña funciones esenciales en la adhesión celular, la comunicación de célula a célula y la forma celular,

los orgánulos como los compartimentos en los que ocurren las reacciones químicas y los procesos celulares. Los orgánulos permiten

y es esencial para el transporte de moléculas dentro y fuera de la célula.

que las células lleven a cabo miles de reacciones complejas diferentes

La membrana también cumple funciones importantes como barrera

simultáneamente. Cada orgánulo es responsable de reacciones

selectivamente permeable, porque contiene proteínas involucradas en

bioquímicas específicas. Por ejemplo, los lisosomas descomponen

procesos de transporte complejos que controlan qué moléculas pueden

materiales extraños y orgánulos viejos; orgánulos como el retículo

entrar y salir de la célula. Por ejemplo, las células liberan hormonas

endoplásmico y el aparato de Golgi sintetizan proteínas, lípidos y

como la insulina en un proceso llamado secreción; otras moléculas, como la glucosa, pueden ingresar a la célula y, dentro de las

carbohidratos (azúcares). Al compartimentar las reacciones, las células

mitocondrias, pueden convertirse en energía en forma de una molécula llamada trifosfato de adenosina (ATP).

pueden llevar a cabo una multitud de reacciones de manera altamente coordinada simultáneamente sin interferencias. Asegúrese de familiarizarse con las funciones de los orgánulos presentados en la Figura 2.2 y la Tabla 2.2.

Las membranas también encierran o comprenden muchos orgánulos.

FIGURA 2.2 Estructura de la célula eucariota Bosquejos de estructuras comunes presentes en las células vegetales (a) y animales (b).

Machine Translated by Google 52

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

TABLA 2.2

Estructura y funciones de las células eucariotas

Parte de la celda

Membrana de plasma

Estructura

Funciones

Membrana hecha de una doble capa de lípidos

Sirve como barrera celular externa; actúa en el transporte

(principalmente fosfolípidos y colesterol) dentro de la cual

de sustancias dentro o fuera de la célula; mantiene un

están incrustadas las proteínas; las proteínas pueden

potencial eléctrico esencial para el funcionamiento de las

extenderse por completo a través de la bicapa lipídica o

células excitables; Las proteínas que miran hacia el

sobresalir en una sola cara; Las proteínas que miran hacia

exterior actúan como receptores (para hormonas, el exterior y algunos lípidos tienen grupos de azúcar unidos. neurotransmisores, etc.) y en el reconocimiento de célula a célula.

Citoplasma

Región celular entre las membranas nuclear y plasmática; consiste en citosol fluido (que contiene solutos disueltos), inclusiones (nutrientes almacenados, productos secretores, gránulos de pigmento) y orgánulos (la maquinaria metabólica del citoplasma)

orgánulos citoplasmáticos • centríolos

Cuerpos cilíndricos emparejados, cada uno compuesto por nueve tripletes de microtúbulos.

Organizar una red de microtúbulos durante la mitosis para formar el huso y los ásteres; forman las bases de los cilios y flagelos

• cilios

• Flagelos

Proyecciones cortas de la superficie celular; cada cilio se

Muévete al unísono, creando una corriente unidireccional

compone de nueve pares de microtúbulos que rodean un par central

que impulsa las sustancias a través de las superficies celulares.

Como los cilios pero más largos; el único ejemplo en

Impulsa la célula

humanos es la cola del espermatozoide

• Aparato de Golgi

Una pila de sacos de membrana lisos y vesículas asociadas cerca del núcleo.

Empaqueta, modifica y segrega proteínas para su secreción desde la célula, su inclusión en los lisosomas y su incorporación a la membrana plasmática.

• Filamentos intermedios Fibras proteicas; la composición varía

Brindar soporte físico y estabilidad al citoesqueleto de las células; resistir las fuerzas mecánicas que actúan sobre la celda; organización de la cromatina mediante el anclaje del ADN a la membrana nuclear

• Lisosomas

Sacos membranosos que contienen hidrolasas (enzimas

Sitios de digestión intracelular

digestivas) • Microfilamentos

Filamentos finos de la proteína contráctil actina

Participa en la contracción muscular y otros

tipos de movimiento intracelular; ayudar a formar el citoesqueleto de la célula • Microtúbulos

Estructuras cilíndricas hechas de proteínas de tubulina.

Apoyar la celda y darle forma; involucrado en el movimiento intracelular y celular mentos; formar centriolos

• mitocondrias

Estructuras de doble membrana en forma de varilla; la

Sitio de síntesis de trifosfato de adenosina (ATP);

membrana interna se pliega en proyecciones llamadas crestas; contienen cromosomas circulares que codifican

central eléctrica de la célula; también participa en la muerte celular, la señalización y la diferenciación celular

rRNA, tRNA y proteínas involucradas en el metabolismo energético • Peroxisomas

Sacos membranosos de enzimas oxidasas

Las enzimas desintoxican una serie de sustancias tóxicas; la enzima más importante, la catalasa, descompone el peróxido de hidrógeno

• Ribosomas

Partículas densas que constan de dos subunidades, cada una compuesta de ARN ribosómico y proteína; libre o adherido al retículo endoplásmico rugoso

Los sitios de síntesis de proteínas.

Machine Translated by Google 2.2 La molécula de la vida

53

TABLA 2.2 (CONTINUACIÓN) Parte de la celda

• Retículo endoplasmático rugoso

Funciones

Estructura Sistema de membrana que encierra una cavidad (la

Los grupos de azúcar están unidos a proteínas

cisterna) y se enrolla a través del citoplasma; tachonado

dentro de las cisternas; las proteínas se unen en

externamente con ribosomas

vesículas para el transporte al aparato de Golgi y otros sitios; La cara externa sintetiza los tamaños de fosfolípidos y colesterol.

• Retículo endoplasmático liso

• Vesículas

Núcleo

• Cromatina

Sistema membranoso de sacos y túbulos; libre de ribosomas

Sitio de síntesis de lípidos y esteroides, metabolismo de lípidos y detoxificación de fármacos

Pequeños orgánulos unidos a membranas, incluidos

Las funciones dependen del tipo de vesícula, pero

lisosomas, peroxisomas, vesículas de transporte y otros.

incluyen el transporte de moléculas y varias funciones en el metabolismo.

Organelo más grande, rodeado por la envoltura

Centro de control de la celda; responsable de

nuclear; contiene nucleoplasma fluido, nucleolos y

transmitir la información genética y proporcionar las

cromatina

instrucciones para la síntesis de proteínas

Material granular, similar a un hilo, compuesto de

El ADN contiene genes

ADN y proteínas histonas • Membrana nuclear

• Nucléolos

Estructura de doble membrana perforada por los poros;

Separa el nucleoplasma del citoplasma y regula el

membrana externa continua con el retículo endoplásmico citoplasmático

paso de moléculas grandes dentro y fuera del núcleo; la membrana interna ayuda a anclar la cromatina

Cuerpos esféricos densos (no unidos a la membrana)

Sitio de fabricación de subunidades de ribosomas

compuestos de ARN ribosómico y proteínas

Vacuola central (células vegetales)

Gran compartimento cerrado por membrana

Se utiliza para almacenar iones, productos de desecho, pigmentos, compuestos protectores

Cloroplastos (células vegetales) Organelo encerrado en una membrana que contiene

Sitio de fotosíntesis

estructuras apiladas (grana) de clorofila que contienen sacos de membrana llamados thyla koides rodeados por un líquido interno (estroma)

El núcleo contiene ADN. Este orgánulo es una estructura esférica encerrada por una membrana de doble capa, la envoltura nuclear, y

muchas clases de secundaria. Con la riqueza de información disponible sobre muchos aspectos detallados del ADN y los genes, el estudio de la

suele ser la estructura más grande de una célula eucariota. Casi 6 pies

biología en el siglo XXI puede dar la impresión de que los detalles

de ADN están enrollados en el núcleo de cada célula humana; si el ADN

estructurales del ADN siempre se entendieron. Sin embargo, la estructura

de todas las células humanas estuviera conectado de extremo a extremo, sería suficiente para estirarse hasta el sol y volver unas 500 veces.

bien. Muchos investigadores extraordinarios y descubrimientos increíbles

del ADN y su función como material genético no siempre se conocía

Aunque la mayor parte del ADN de una célula eucariota se encuentra

han contribuido a nuestra comprensión moderna de la estructura y

dentro del núcleo, las mitocondrias y los cloroplastos también contienen

función del ADN. En esta sección proporcionamos una breve descripción

pequeñas moléculas circulares de ADN.

de la estructura del ADN.

Estructura del ADN

2.2 La molécula de la vida Cada curso de biología de la escuela secundaria o de la universidad involucra alguna discusión sobre el ADN, y los estudiantes manipulan el ADN de manera rutinaria en los laboratorios de biología de la universidad y

En 1869, el biólogo suizo Friedrich Miescher identificó una sustancia celular del núcleo que llamó “nucleína”. Miescher purificó la nucleína de los glóbulos blancos y descubrió que no podía ser descompuesta (degradada) por enzimas digestivas de proteínas llamadas

Machine Translated by Google 54

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

proteasas. Este descubrimiento sugirió que la nucleína no estaba

componentes de la estructura del ADN: un principio importante para

compuesta únicamente de proteínas. Estudios posteriores determinaron

recordar porque, como exploraremos a continuación, estas bases son

que este material tenía propiedades ácidas, lo que llevó a que la nucleína pasara a llamarse “ácidos nucleicos”. El ADN y el ácido

componentes esenciales del ADN.

ribonucleico (ARN) son los dos tipos principales de ácidos nucleicos.

(Figura 2.3). Cada nucleótido está compuesto por un azúcar

El componente básico del ADN es el nucleótido.

Mientras los bioquímicos trabajaban para identificar los diferentes

pentoso (de cinco carbonos) llamado desoxirribosa, una molécula

componentes de los ácidos nucleicos, otros científicos llevaron a cabo

de fosfato y una base nitrogenada. Las bases son componentes

experimentos para demostrar que el ADN es el material genético

intercambiables de un nucleótido. Cada nucleótido contiene una base,

heredado de las células.

ya sea adenina (A),

Mientras se acumulaba evidencia que apoyaba al ADN como

timina (T), guanina (G) o citosina (C), las llamadas A, T, G y C del ADN.

material hereditario, aún quedaba una pregunta importante: ¿cuál es la estructura del ADN? Erwin Char Gaff proporcionó una idea de esta

Los nucleótidos son los componentes básicos del ADN, pero

pregunta al aislar el ADN de una variedad de especies diferentes y

¿cómo se organizan estas estructuras para formar una molécula de ADN?

revelar que el porcentaje de bases de ADN llamadas adenina era

Muchos científicos han contribuido a la respuesta a esta pregunta,

proporcional al porcentaje de bases llamadas timina, y que el

pero la estructura definitiva del ADN fue finalmente revelada por

porcentaje de bases de citosina en el ADN de un organismo fue

James Watson y Francis Crick, que trabajaban en los Laboratorios

aproximadamente proporcional al porcentaje de guanina. Esta valiosa observación sugirió que las bases adenina, timina, citosina y guanina

Cavendish en Cambridge, Inglaterra. Los químicos Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, del University

estaban de alguna manera intrincadamente relacionadas.

College de Londres, utilizaron cristalografía de rayos X para proporcionar a Watson y Crick datos invaluables sobre la estructura del ADN. Al disparar un haz de rayos X sobre

estructura de nucleótidos

O

5

Grupo fosfato O

PAGS

Nitrogenado base CH2 59

O-

59

O

49

C

S.S

H C azúcar desoxirribosa (solo en ADN)

OH

HOCH2O _ C

19

49

19

S.S

H

C H

H 39 29 Azúcar de ribosa OH OH (solo en ARN)

39 29

OH

Bases nitrogenadas purinas norte

H

NH2

O

C

C norte

C

C

C H

C norte

norte

H

C

H

H

C

C

O

H Citosina (C)

Uracilo (U) (solo en ARN)

C

H

O

H

Timina (T) (solo en ADN)

FIGURA 2.3 Estructura de nucleótidos Todos los nucleótidos de ADN consisten en una base nitrogenada, A, C, G o T; un azúcar de pentosa; y un grupo fosfato. El azúcar pentosa en el ADN se llama desoxirribosa porque carece de oxígeno en el carbono número 2 (2') en comparación con el azúcar pentosa, llamado ribosa, en el ARN. Una base está unida al carbono número 1 (1') del azúcar; el grupo fosfato está unido al carbono número 5 (5') del azúcar. Por su estructura, la adenina y la guanina pertenecen a un grupo de bases llamadas purinas, mientras que la citosina, la timina y el uracilo pertenecen a un grupo llamado pirimidinas.

Canal

C

norte

C norte

C

H

C

C H

H

C norte

C norte

O

O

NH2

O

NH2

norte

Guanina (G)

norte

C

C

H

Pirimidinas

norte

C

H

norte

Adenina (A)

H

norte

C

C norte

H

H

3

Machine Translated by Google 2.2 La molécula de la vida

cristales de ADN, Franklin y Wilkins revelaron un modelo de ADN que indica que su estructura podría ser helicoidal. A partir de estos datos, los hallazgos de Chargaff y otros estudios, Watson y Crick ensamblaron un modelo de alambre de ADN.

aprendido sobre la estructura del ADN en los últimos 65 años, esta descripción podría ser una de las mejores declaraciones jamás realizadas en un artículo científico publicado. La importancia de este descubrimiento fue debidamente reconocida en 1962, cuando Watson, Crick y Wilkins recibieron el Premio Nobel de Medicina. Watson y Crick determinaron que los nucleótidos forman

Watson y Crick publicaron “The Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyri bose Nucleic Acid” en la prestigiosa revista Nature el 25 de abril de 1953. El primer párrafo de este artículo dice: “Deseamos sugerir una estructura para la sal de ácido nucleico desoxirribosa (ADN). Esta estructura tiene características novedosas que son de considerable interés biológico”.

cadenas largas de ADN y que cada molécula de ADN consta de dos cadenas que se unen y se enrollan entre sí para formar una doble hélice (Figura 2.4). Una hebra de ADN es una cadena de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster que conectan el azúcar de uno

Dada la importancia del ADN y lo que tenemos

(a)

(b)

Complementario

Esqueleto de fosfato de azúcar

55

pares de bases

59 fin

39 fin Enlace de hidrógeno

OH OH

OH

T

PAGS

OO

39

A

O

H2C _

O

CH2 O

T

O

A C

GRAMO

PAGS

A

Importante

OO

OO

T

ranura

C

PAGS

C

GRAMO

OO

A C

GRAMO

H2CO _

O

CH2 O

O

GRAMO

GRAMO

ranura

PAGS

OO

Menor

C

T

A

OO

C

GRAMO

PAGS

A

OO

T

Azúcares y Los fosfatos forman el ADN.

A

H2CO _

O

CH2 O

O PAGS

OO PAGS

OO

C

Fosfato

GRAMO

H2CO _ 39

O 59

CH2 O

O PAGS

OH Azúcar (desoxirribosa) 39 fin

oh oh 59 fin

FIGURA 2.4 El ADN es una hélice de doble cadena (a) Dos cadenas de nucleótidos están unidas por enlaces de hidrógeno entre pares de bases complementarias. Las bases de adenina (A) siempre se emparejan con bases de timina (T), y las bases de citosina (C) se emparejan con guanina (G). (b) Las dos hebras se envuelven entre sí de modo que la estructura general del ADN es una hélice de doble hebra con un “esqueleto” de azúcar-fosfato, en el que las bases están alineadas en el centro de la hélice.

T

"columna vertebral" GRAMO

A OO

T A

C

Machine Translated by Google 56

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

nucleótido al grupo fosfato de un nucleótido adyacente (Figura 2.4). La secuencia de bases en una hebra puede variar. Por ejemplo, un nucleótido que contiene una C se puede conectar mediante un enlace fosfodiéster a un nucleótido que contiene una A, T, G u otro nucleótido que contiene una C. Cada hebra de nucleótidos tiene una polaridad ; hay un extremo 5' y un extremo 3' en la hebra (Figura 2.4). La polaridad se refiere a los carbonos del azúcar desoxirribosa. En el extremo 5' de una hebra, el fosfato del carbono 5 no está unido a otro nucleótido, pero el carbono 3 está implicado en un enlace fosfodiéster. En el extremo 3' , el fosfato del carbono 5 está unido a otro nucleótido, pero el carbono 3 no lo está. Aunque este aspecto de la estructura de los nucleótidos puede parecer trivial, la polaridad del ADN es importante para la replicación y la manipulación rutinaria del ADN en el laboratorio.

proteínas producidas por una célula, los genes influyen en la apariencia de las células, tejidos y órganos, tanto a través del microscopio como a simple vista. Estas apariencias heredadas se llaman rasgos. A través del ADN contenido en tus células, has heredado rasgos de tus padres, como el color de los ojos y el color de la piel. Los genes influyen no solo en el metabolismo celular y en las capacidades cognitivas y de comportamiento, como la inteligencia, sino también en la herencia o la susceptibilidad a ciertos tipos de enfermedades genéticas. Algunos rasgos están controlados por un solo gen, pero la mayoría de los rasgos están determinados por múltiples genes, que producen muchas proteínas que interactúan de manera compleja. En la Sección 2.4, exploramos cómo los genes dirigen la síntesis de proteínas en las células. A lo largo de este libro, consideramos ejemplos de genes, sus funciones y sus muchas aplicaciones en diferentes áreas de la biotecnología.

Watson y Crick determinaron que las moléculas de ADN consisten en dos hebras interconectadas que se enrollan entre sí para formar una doble hélice dextrógira, quizás el modelo molecular más famoso de toda la biología (Figura 2.4). Las dos hebras están unidas por enlaces de hidrógeno entre pares de bases complementarias en hebras opuestas (Figura 2.4). Ade nueve pares de bases con timina, y pares de bases de guanina con citosina. A partir de este modelo, las observaciones de Chargaff se entienden fácilmente. Las proporciones de A y T son equivalentes en el ADN de un organismo, al igual que las proporciones de G y C, porque se emparejan entre sí en una molécula de ADN. Las dos hebras de nucleótidos en una doble hélice son antiparalelas: la polaridad de cada hebra está invertida con respecto a la otra (Figura 2.4). Esta orientación es necesaria para que los enlaces de hidrógeno que sostienen los pares de bases complementarios se alineen entre sí. La doble hélice se asemeja a una escalera torcida. Los peldaños de esta escalera consisten en pares de bases complementarios, y los lados de la escalera consisten en moléculas de azúcar y fosfato, creando la “columna vertebral” del ADN.

¿Qué es un gen? Los genes son unidades de herencia, pero ¿qué es exactamente un gen? Hasta hace poco, un gen se describía a menudo como una secuencia de nucleótidos que proporciona a las células las instrucciones para sintetizar una proteína específica. Pero como hemos aprendido que no todos los genes se usan para producir una proteína, una definición más moderna de gen abarca cualquier secuencia de ADN que se use para producir ARN. Por ejemplo, los genes para el ARN de transferencia (ARNt) se utilizan para fabricar moléculas de ARNt y, aunque los ARNt son necesarios para la síntesis de proteínas, no se traducen para producir una proteína. La mayoría de los genes tienen una longitud aproximada de 1000 a 4000 nucleótidos (nt), aunque se han identificado muchos genes más pequeños y más grandes. en gran parte controlando la

2.3 Estructura cromosómica, replicación del ADN y genomas Antes de considerar cómo funcionan los genes, es importante que comprenda cómo y por qué el ADN se organiza en cromosomas y cómo se replica el ADN en las células.

Estructura cromosómica Supongamos que se le presenta un desafío. Si lo resolvieras, ganarías matrícula gratis para el resto de tus cursos de pregrado. Te dan una canasta que contiene 46 paquetes de hilo de diferentes colores, todos desenredados y entrelazados. Tu desafío es clasificar el hilo en 46 ovillos pares. ¿Cómo resolverías este reto? Si comenzara a cortar la pila de hilo enredado al azar, probablemente no lo lograría. Por supuesto, si desenredaras minuciosamente el hilo y enrollaras cada color de hilo en un ovillo, eventualmente lo clasificarías en 46 ovillos pares. Esta analogía proporciona una visión muy simplificada del desafío que se presenta a una célula humana cuando tiene que dividir y clasificar su ADN en paquetes uniformes. Los 3 mil millones de pares de bases (bp) de ADN en cada célula humana deben separarse uniformemente cuando una célula se divide; de lo contrario, la pérdida de ADN puede tener consecuencias devastadoras. Afortunadamente, tales errores en la separación del ADN son raros, en parte porque las células separan y empaquetan el ADN en los cromosomas. Dentro del núcleo, el ADN existe en un estado relativamente desentrañado. Esto no significa que el ADN esté desenrollado de su estructura de doble hélice; más bien, el ADN está algo suelto y no está completamente compactado en cromosomas fuertemente enrollados, aunque todo el ADN en un cromosoma permanece unido dentro del núcleo. Cuando una célula no se está dividiendo, los cromosomas en el núcleo existen como una combinación intrincada de ADN.

Machine Translated by Google 57

2.3 Estructura cromosómica, replicación del ADN y genomas

Doble cadena ADN

Cromosoma cromatida

cromatida

Gene

Telómero Célula

p pobre

Centrómero Núcleo

ADN

q brazo

nucleosomas

Telómero

histonas

FIGURA 2.5 Organización cromosómica En una célula que no se divide, existe ADN cromosómico en un estado desenredado llamado cromatina. Las proteínas histonas sirven como partículas alrededor de las cuales el ADN se enrolla apretadamente para dar la apariencia de “cuentas en un hilo” cuando se observa con un microscopio electrónico. Cuando las células se dividen, la cromatina se compacta aún más en fibras apretadas y estructuras en bucle superenrolladas. En última instancia, estos bucles superenrollados están estrechamente empaquetados con la ayuda de otras proteínas para crear un cromosoma completo, un muy compacto ensamblaje de ADN. Cada cromosoma consta de dos cromátidas hermanas unidas por un centromero. Los brazos cromosómicos son las porciones de la cromátida a un lado del centrómero, etiquetados como los brazos p y q. Los extremos de un cromosoma se llaman telómeros.

y proteínas de unión al ADN llamadas histonas para formar

1 a 22 se conocen como autosomas; el par 23 se denomina

cadenas llamadas cromatina. Durante la división celular, el croma-

cromosomas sexuales, y consta de cromosomas X e Y.

estaño se enrolla en fibras apretadas que finalmente se envuelven entre sí, de modo que los cromosomas se enrollan mucho y se

Los óvulos y espermatozoides humanos, conocidos como

condensan fuertemente en paquetes de ADN, histonas y otras

células sexuales o gametos, contienen un conjunto único de 23

proteínas (Figura 2.5). ¡Compactar el ADN en un cromosoma es

cromosomas, denominado número haploide (n) de cromosomas. Todas las demás células del cuerpo, como las células de la piel, las células musculares y las células del hígado, se conocen como

una hazaña asombrosa cuando se considera que el ADN en la mayoría de las células humanas mide aproximadamente dos metros de largo y debe compactarse en un núcleo de aproximadamente una milésima de milímetro de diámetro! El tamaño y el número de cromosomas varían de una especie

células somáticas. Las células somáticas de muchos organismos tienen dos juegos de cromosomas, llamados número diploide (2n) de cromosomas Las células somáticas humanas contienen 46

a otra. La mayoría de las bacterias tienen un solo cromosoma

cromosomas. Las células somáticas de un varón humano normal

circular, en el rango de tamaño de varios cientos de miles de pares

tienen 22 pares de autosomas y un cromosoma X e Y; las células

de bases, que contiene unos pocos miles de genes. Los eucariotas

de una mujer normal tienen 22 pares de autosomas y dos cromosomas X.

suelen contener uno o más conjuntos de cromosomas, que tienen una forma lineal y, a menudo, estos cromosomas tienen varios millones de pares de bases. La mayoría de las células humanas

Los cromosomas sexuales se denominaron así porque contienen genes que influyen en los rasgos sexuales y el desarrollo

tienen dos juegos (pares) de 23 cromosomas cada uno, para un

de los órganos reproductivos, mientras que originalmente se pensó

total de 46 cromosomas. A través del proceso de fertilización,

que los cromosomas autónomos contenían principalmente genes

heredaste 23 cromosomas de tu madre (cromosomas maternos)

que afectan las características corporales no relacionadas con el

y 23 cromosomas de tu padre (cromosomas paternos). Estos pares de cromosomas se denominan pares homólogos u

genes implicados en la determinación de los órganos sexuales están presentes en el cromosoma Y, otros genes implicados en la

homólogos. cromosomas

determinación del sexo están presentes en los autosomas y la mayoría de los gen

sexo, como el color de la piel y el color de los ojos. Aunque los

Machine Translated by Google 58

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

en el cromosoma X no son necesarios para el desarrollo de los órganos reproductivos. Varias características son comunes a la mayoría de los

uniendo los cromosomas a la envoltura nuclear. Los telo meres son un tema de intensa investigación. Los cambios en la longitud de los telómeros están asociados con el proceso de envejecimiento celular (llamado senescencia) y con el desarrollo de ciertos tipos de cáncer.

cromosomas eucariotas. Cada cromosoma consta de dos estructuras delgadas de ADN en forma de varilla llamadas cromátidas hermanas (Figura 2.5). Las cromátidas Análisis de cariotipo para estudiar cromosomas hermanas son réplicas exactas entre sí, copiadas durante la El análisis de la estructura cromosómica y las anomalías se síntesis de ADN. Durante la división celular, las cromátidas hermanas se separan para que las células recién formadas denomina citogenética o análisis citogenético. Un método citogenético común para estudiar el número de cromosomas reciban la misma cantidad de ADN que la célula original de y los aspectos básicos de la estructura cromosómica es la que surgieron. Cada cromosoma eucariótico tiene un solo centrómero, una región restringida del cromosoma que preparar un cariotipo. En el análisis de cariotipo, las células se extienden sobre un portaobjetos de microscopio y luego consta de ADN entrelazado y proteínas que unen las dos se tratan con productos químicos para liberar y teñir los cromátidas hermanas entre sí. Esta región de un cromosoma cromosomas. Por ejemplo, la formación de bandas G, en la también contiene proteínas que unen los cromosomas a los que los cromosomas se tratan con un tinte que se une al orgánulos llamados microtúbulos, que desempeñan ADN llamado tinción de Giemsa, crea una serie de bandas funciones esenciales en el movimiento de los cromosomas y en la separación de las cromátidas hermanas durante la división claras celular.y oscuras alternas en los cromosomas teñidos. Cada El centrómero delimita cada cromátida hermana en dos cromosoma teñido muestra un patrón de bandas único y reproducible que puede usarse para identificar diferentes brazos: el brazo corto, llamado brazo p, y el brazo largo, o cromosomas. Los cromosomas se pueden alinear y brazo q. Cada brazo de un cromosoma termina con un emparejar en función de su patrón de tinción y tamaño segmento conocido como telómero (Figura 2.5). Los (Figura 2.6). En los humanos, el cromosoma 1 es el telómeros son secuencias repetitivas altamente conservadas cromosoma más grande y el cromosoma 21 es el más pequeño. de nucleótidos que son importantes para

varón humano bandas G

1

6

2

7

4

3

8

9

13

14

15

19

20

21

5

11

10

dieciséis

22

17

X

FIGURA 2.6 Análisis del cariotipo En un cariotipo, las células en división se extienden sobre un portaobjetos de microscopio de vidrio para liberar sus cromosomas. Los cromosomas se tiñen y alinean según su tamaño total, la posición del centrómero y su patrón de tinción para crear un cariotipo.

12

18

Y

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2.3 Estructura cromosómica, replicación del ADN y genomas

célula (madre). Por ejemplo, una célula de la piel humana se divide para producir dos células hijas, cada una de las cuales contiene 23 pares de cromosomas. Los gametos se forman por meiosis, en la que una célula madre se divide para crear hasta cuatro células hijas, que pueden ser espermatozoides u óvulos. Durante la meiosis, el número de cromosomas en las células hijas se reduce a la mitad hasta el número haploide. Los espermatozoides y los óvulos contienen cada uno un solo juego de 23 cromosomas. A través de la reproducción sexual, se forma un óvulo fertilizado, llamado cigoto . El cigoto, que se divide por mitosis para formar un embrión y finalmente un ser humano completo, contiene 46 cromosomas: 23 cromosomas paternos y 23 cromosomas maternos.

Los métodos modernos para el análisis de cariotipos, denominados cariotipos espectrales, incorporan sondas y técnicas específicas para colorear los cromosomas. Esto proporciona un análisis más detallado de la estructura cromosómica que los cariotipos tradicionales, como el que se muestra en la figura 2.6, lo que facilita la identificación de enfermedades genéticas humanas asociadas con anomalías en la estructura cromosómica y el número. De manera similar, se pueden usar varios enfoques diferentes para identificar alteraciones específicas en la estructura cromosómica, incluida la presencia o ausencia de un gen específico, mediante la unión de diferentes sondas de ADN a los cromosomas. Un enfoque para hacer esto se llama hibridación in situ con fluorescencia, o FISH. Consulte la Figura 3.13 para ver un ejemplo de FISH. En el Capítulo 11, así como en otros capítulos, aprenderá más sobre cómo el análisis de cariotipo y otros enfoques para las pruebas genéticas permiten a los científicos diagnosticar enfermedades genéticas.

Antes de la división celular por mitosis o meiosis, el ADN debe replicarse en la célula. La replicación ocurre por un proceso llamado replicación semiconservadora. La figura 2.7 muestra una descripción general de este proceso. Antes de que comience la replicación, las dos hebras complementarias de la doble hélice deben separarse en hebras simples. Una vez separadas,

replicación del ADN

estas cadenas sirven como plantillas para copiar dos nuevas cadenas

Cuando una célula se divide, es esencial que las células recién creadas contengan copias iguales de ADN replicado. Las células somáticas se dividen por mitosis, en la que una célula se divide para producir células hijas, cada una de las cuales contiene una copia idéntica del ADN del original.

de ADN. Al final de este proceso, se forman dos nuevas dobles hélices.

Cada hélice contiene una hebra de ADN original (parental) y una hebra recién sintetizada, de ahí el término semiconservador.

(a)

(b)

A

T

C

GRAMO

C.G.

A C GRAMO

A

T

C

GRAMO

T GRAMO

C

C

A C GRAMO

T GRAMO

C

T

A C

C

GRAMO

GRAMO

A T

C

GRAMO

GRAMO

GRAMO

A

T

A

T

A

A

T

A T

T A

A

T

T

C

C GRAMO

A T

A

nucleótidos De los padres

ADN

Después de la separación,

ambas hebras parentales sirven

T

A

Dos moléculas

C

GRAMO

T

A

hijas idénticas de ADN GRAMO

C

como plantillas

GRAMO

C

GRAMO

T

C

A

TA _

A T TA _

C

A

T

T

A C

GRAMO

GRAMO

GRAMO

C

GRAMO

C

GRAMO

T

T A

Original (de los padres) hebra

GRAMO

T A

T A

Recién sintetizado hebras

FIGURA 2.7 Descripción general de la replicación del ADN Las cadenas de nucleótidos en una molécula de ADN deben separarse primero (a). Cada hebra sirve como plantilla para la síntesis de nuevas hebras, produciendo dos moléculas de ADN, cada una de las cuales contiene una hebra original y una hebra recién sintetizada (b).

C C

A

Original (de los padres) hebra

Machine Translated by Google 60

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

3) La cadena principal se sintetiza continuamente 2) Las proteínas de unión monocatenarias estabilizan el

en la dirección 59 39 por la ADN polimerasa.

ADN original desenrollado.

39 59 ADN polimerasa

1) Helicase desenrolla el doble hélice parental.

horquilla de replicación helicasa Primase

cebador de ARN Fragmento de Okazaki siendo hecho

59 39

4) La cadena rezagada se sintetiza

ADN polimerasa 39

ADN de los padres

de forma discontinua. 59

La primasa sintetiza un cebador de ARN corto, que se extiende por la ADN polimerasa para formar un

5) Después de que el cebador de ARN se reemplace con

fragmento de Okazaki.

Nucleótidos de ADN por la ADN polimerasa, la ADN ligasa se une al fragmento de Okazaki

ADN ligasa

a la hebra en crecimiento. Dirección general de replicación

FIGURA 2.8 Replicación semiconservadora del ADN

La replicación del ADN ocurre en una serie de etapas que la polimerasa utiliza nucleótidos presentes en la célula para involucran un número de proteínas diferentes. Debido a que las sintetizar cadenas complementarias de ADN. La ADN polimerasa procariotas contienen cromosomas circulares, la replicación del siempre trabaja en una dirección, sintetizando nuevas hebras en ADN en las procariotas es ligeramente diferente a la de las eucariotas. una orientación de 59 a 39 y agregando nucleótidos a la 39. extremo de una hebra recién sintetizada (Figura 2.8) mediante la Aquí consideramos los principales componentes y conceptos formación de enlaces fosfodiéster entre el fosfato de un nucleótido clave en la replicación del ADN en general. Pero tenga en cuenta y el azúcar del nucleótido anterior. que las diferencias sutiles distinguen el proceso de replicación en Debido a que la ADN polimerasa avanza solo en una procariotas del de eucariotas. La replicación la inicia la ADN dirección 59 a 39, la replicación a lo largo de una hebra, la hebra helicasa, una enzima que separa las dos hebras de nucleótidos, principal, ocurre de manera continua (Figura 2.8). literalmente “descomprimiendo” el ADN al romper los enlaces de Síntesis en la hebra opuesta, la hebra rezagada, hidrógeno entre los pares de bases complementarias (Figura 2.8). ocurre de manera discontinua porque la ADN polimerasa debe Las hebras separadas forman una horquilla de replicación. A medida que la helicasa desenrolla el ADN, las proteínas de unión esperar a que se abra la horquilla de replicación. En la hebra rezagada, se sintetizan fragmentos cortos de ADN, llamados de cadena sencilla se adhieren a cada cadena para mantenerlas separadas y evitar que se apareen y vuelvan a formar una doble fragmentos de Okazaki (llamados así por Reiji y Tuneko Okazaki, hélice durante la replicación del ADN. La separación de cadenas los científicos que descubrieron estos fragmentos), a medida que la ADN polimerasa se abre camino fuera de la horquilla de ocurre en sitios llamados orígenes de replicación. Los cromosomas bacterianos tienen un solo origen. Debido a su replicación. Los enlaces covalentes entre los fragmentos de gran tamaño, los cromosomas eucariotas tienen múltiples orígenes. Okazaki en la hebra rezagada están formados por la ADN ligasa Comenzar la replicación del ADN en múltiples orígenes permite para asegurarse de que no haya huecos en el esqueleto de que los cromosomas eucarióticos se copien rápidamente. fosfodiéster. Finalmente, los cebadores de ARN se eliminan y El siguiente paso en la replicación del ADN involucra la estos espacios se llenan con ADN polimerasa. adición de segmentos cortos de ARN de aproximadamente 10 a Recuerda las funciones de las enzimas involucradas en la síntesis de ADN. Como discutiremos, la ADN polimerasa y la ADN 15 nucleótidos de largo. Estas secuencias, llamadas cebadores de ARN, ligasa se usan rutinariamente en el laboratorio para trabajar con son sintetizados por una enzima conocida como primasa (en eucariotas, una forma de ADN polimerasa llamada \alpha actúa ADN clonado (Capítulo 3). como primasa). Los cebadores inician el proceso de replicación ¿Qué es un genoma? del ADN porque sirven como sitios de unión para las polimerasas El ADN contiene las instrucciones para la vida: los genes. Todo el de ADN, las enzimas clave que sintetizan nuevas cadenas de ADN. Varias formas diferentes de ADN polimerasa están ADN en las células de un organismo se llama genoma. involucradas en la copia del ADN. En las bacterias, la enzima El genoma humano contiene aproximadamente 20.000 genes dispersos entre 3.000 millones de pares de bases de ADN. El ADN polimerasa III (llamada ADN polimerasa d [delta] en estudio de los genomas, una disciplina llamada genómica, es eucariotas) se une a cada hebra individual, moviéndose a lo largo actualmente una de las áreas más activas y de rápido avance de de la hebra y usándola como plantilla para copiar una nueva hebra la ciencia biológica. de ADN. Durante este proceso, el ADN

Machine Translated by Google 61

2.4 Síntesis de ARN y proteínas

Probablemente discutamos los genomas más que cualquier otro tema

Nucleo celular

en este libro. En muchos capítulos discutimos aspectos del Proyecto Genoma Humano, un esfuerzo mundial para identificar todos los genes Replicación

humanos en cada cromosoma. El Proyecto del Genoma Humano fue una enorme empresa en genómica que ha brindado una visión emocionante de

ADN

los genes humanos y las funciones de los genes, ha creado nuevas áreas de investigación y ha llevado al desarrollo de nuevas formas de diagnosticar, tratar y, en algunos casos, Transcripción

curar enfermedades genéticas humanas. Además, como aprenderá en los Capítulos 3 y 11, la tecnología de ARNm

secuenciación del ADN (un método para determinar el orden de los nucleótidos en una molécula de ADN) ha progresado tan rápidamente que ahora es posible secuenciar genomas humanos individuales con bastante

citoplasma celular Traducción

rapidez, precisión y precisión. a bajo costo! Como resultado, la secuenciación del ADN está teniendo importantes implicaciones para el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades genéticas humanas. En el Capítulo 11, consideraremos muchos ejemplos de secuenciación del genoma en relación

Proteína

con la biotecnología médica.

Rasgos

2.4 Síntesis de ARN y proteínas Los genes gobiernan las actividades y funciones dentro de una célula, a menudo dirigiendo la síntesis de proteínas. Algunas de las innumerables funciones de las proteínas son las siguientes:

FIGURA 2.9 El flujo de información genética en las células El ADN se copia en ARN durante el proceso de transcripción. El ARN dirige la síntesis de proteínas durante la traducción. A través de las proteínas, los genes controlan las propiedades o rasgos metabólicos y físicos de un organismo.

ÿÿ Las proteínas son necesarias para la estructura celular, por ejemplo, como componentes importantes de las membranas, los orgánulos y el citoplasma. ÿÿ Las proteínas llevan a cabo reacciones esenciales en la célula como enzimas ÿÿ Las proteínas desempeñan funciones críticas como hormonas y otras moléculas de “señalización” que las células utilizan para comunicarse entre sí. ÿÿ Las proteínas receptoras se unen a otras moléculas, como hormonas, y transportan proteínas, lo que permite que las moléculas entren y salgan de las células. ÿÿ Las proteínas actúan como anticuerpos que reconocen y destruir materiales extraños en el cuerpo, creando inmunidad a sustancias extrañas. Sencillamente, las células no pueden funcionar sin proteínas. ¿Cómo fabrica el ADN las proteínas? En realidad, el ADN no produce

también son muy similares a las del ADN. Una diferencia clave es que el ARN contiene una base llamada uracilo (U) en lugar de timina (T; vea la Figura 2.3). La otra diferencia principal es que el ARN contiene un azúcar pentosa llamado ribosa, que tiene una estructura ligeramente diferente a la del azúcar desoxirribosa contenida en el ADN. Una manera fácil de recordar la diferencia entre transcripción y traducción es saber que la traducción implica un cambio en el código de ARN a proteína, muy parecido a traducir un idioma a otro. A través de la producción de ARNm, otros ARN y la síntesis de proteínas, el ADN controla las propiedades de una célula y sus rasgos (Figura 2.9). Este proceso de transcripción y traducción dirige el flujo de información genética en las células, controlando las actividades y propiedades de una célula. Aquí estudiamos los principios básicos de la transcripción y traducción y aspectos de cómo las células pueden controlar la expresión génica.

proteínas directamente. Para sintetizar proteínas, los genes primero se copian en moléculas llamadas ARN mensajero (ARNm) (Figura 2.9). La síntesis de ARN se llama transcripción, porque los genes se transcriben (copian) literalmente de un código de ADN a un código de ARN. A su vez, las moléculas de ARNm, que son copias exactas de los genes, contienen

Copiando el Código: Transcripción

información que se descifra en instrucciones para producir una proteína a

¿Cómo se usa el ADN como molde para producir ARN? La ARN polimerasa

través de un proceso conocido como traducción.

es una enzima clave para la transcripción. Dentro del núcleo, la ARN polimerasa desenrolla la hélice del ADN y luego copia una hebra de ADN en

Las moléculas de ARN son monocatenarias, no bicatenarias como el

ARN (Figura 2.10).

ADN, pero la composición química del ARN es muy similar a la del ADN. Las

A diferencia de la replicación del ADN, en la que se copia toda la molécula

bases del ARN

de ADN, la transcripción se produce sólo en segmentos.

Machine Translated by Google 62

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

HERRAMIENTAS DEL OFICIO

Las enzimas involucradas en la replicación del ADN tienen funciones valiosas y esenciales en la investigación en biología molecular Además, muchos procedimientos de clonación de ADN se

Este capítulo presenta principios importantes de la estructura, la replicación, la transcripción y la

basan en la ligasa de ADN para unir fragmentos de ADN de

traducción del ADN y proporciona una base

diferentes fuentes, un proceso llamado tecnología de ADN

fundamental sobre genes y genomas. Estos

recombinante (consulte la Figura 3.2). Como aprenderá en el Capítulo 3, la tecnología del ADN recombinante creó una nueva era

principios son importantes para comprender no solo qué son los genes y cómo funcionan, sino también muchos de los componentes

en la biotecnología (¡algunos dicen que esto creó la biotecnología

involucrados en procesos como la replicación del ADN, que se han

moderna!) porque hizo posible la clonación de genes, lo que pronto

convertido en herramientas esenciales para la investigación en

condujo a productos recombinantes como la insulina y cientos de

biología molecular.

otras proteínas terapéuticas. producidos a partir de genes clonados.

En el próximo capítulo, aprenderá cómo los científicos pueden Debido a que la mayoría de estas enzimas son

identificar, clonar y analizar genes, un aspecto fascinante de la investigación en biología molecular y la biotecnología. La tecnología

relativamente económicas y fácilmente disponibles en las empresas

para la clonación y el estudio de genes se hizo posible solo cuando

proveedoras, su uso se ha vuelto común en los laboratorios de

los científicos aprendieron más sobre las enzimas involucradas en

biología molecular en la industria y en el mundo académico, no solo

procesos como la replicación del ADN. Por ejemplo, la ADN

en colegios y universidades, sino también en muchos cursos de

polimerasa, la enzima clave que sintetiza el ADN durante la

laboratorio avanzados en las escuelas secundarias. Sin nuestra

replicación semiconservadora, se usa ampliamente en los

comprensión de las enzimas que actúan sobre el ADN y el ARN y

laboratorios de biología molecular para copiar el ADN con una

sus funciones, muchas aplicaciones de la biotecnología y la mayoría

técnica llamada reacción en cadena de la polimerasa (PCR; consulte

de las técnicas que se utilizan de forma rutinaria en los laboratorios de investigación de todo el mundo serían imposibles.

la figura 3.5). De manera similar, la ARN polimerasa también se usa ampliamente en la investigación molecular.

imposible.

ARN polimerasa comienzo

Gene ADN ARN hebra de codificación

Secuencia de terminación secuencia promotora

nucleótidos

de ADN ARN polimerasa

Iniciación

39

A T CC A A T

T Alargamiento 59

T

C C GRAMO

A

EN

C C AA

T A GG

T T

EN

59

EN

A

C A C 39

Dirección de

ARN en crecimiento

transcripción 59

Terminación Recién transcrito ARN

ARNm completo ARN polimerasa

FIGURA 2.10 Transcripción Durante la transcripción, la ARN polimerasa se une al ADN en una región promotora adyacente a una secuencia génica y desenrolla el ADN. La ARN polimerasa se mueve a lo largo de la plantilla de ADN, copiando una hebra en una molécula de ARN. Cuando la ARN polimerasa alcanza una secuencia de terminación, se libera del ADN y termina la transcripción.

Modelo cadena de ADN

Machine Translated by Google 2.4 Síntesis de ARN y proteínas

63

de un cromosoma que contienen genes. ¿Cómo sabe la ARN polimerasa

empalme (Figura 2.11). Cuando se trabajaron por primera vez los

dónde comenzar la transcripción? Adyacente a la mayoría de los genes

detalles de la transcripción, los científicos se sorprendieron al saber que

hay un promotor, secuencias específicas de nucleótidos que permiten

los genes son interrumpidos por tramos de ADN que no contienen

que la ARN polimerasa se una a lugares específicos próximos a los

información de codificación de proteínas, llamados intrones. Los intrones

genes. Las proteínas denominadas factores de transcripción ayudan a

se intercalan entre exones o secuencias codificantes de proteínas de un

la ARN polimerasa a encontrar el promotor y unirse al ADN; secuencias

gen. Los intrones y los exones se copian durante la transcripción del

llamadas potenciadores

ARNm. Antes de que el ARNm pueda usarse para producir una proteína,

también puede jugar papeles importantes en la transcripción.

los exones deben empalmarse. Como una analogía simple, piense en los

Después de que la ARN polimerasa se une a un promotor, desenrolla una región del ADN para separar las dos hebras.

intrones como letras insertadas aleatoriamente en una oración que deben eliminarse antes de que la oración tenga sentido.

Solo una de las hebras, llamada hebra plantilla . (la hebra opuesta se llama hebra codificante), es copiada por la ARN

En el proceso de empalme, los intrones se eliminan del transcrito

polimerasa. La presencia de un promotor determina qué hebra de ADN se transcribirá. Una vez correctamente orientada, la ARN polimerasa

primario y los exones adyacentes se empalman para formar una molécula

avanza a lo largo de la hebra molde de ADN para copiar una hebra

de ARNm completamente funcional sin intrones. El empalme proporciona flexibilidad en los tipos de proteínas que

complementaria de ARN mediante la formación de enlaces fosfodiéster

finalmente se pueden producir a partir de un solo gen. Cuando se

entre los ribonucleótidos en una dirección de 59 a 39 (Figura 2.10).

descubrieron los genes por primera vez, los científicos pensaron que un solo gen podía producir una sola proteína. Pero a medida que se reveló

Cuando la ARN polimerasa llega al final de un gen, encuentra una secuencia de terminación. Estas secuencias se unen a proteínas

el proceso de empalme, quedó claro que cuando un gen contiene varios exones, el empalme no siempre ocurre de la misma manera. Como

específicas o pares de bases para crear bucles al final del ARN. Como

resultado, se pueden producir múltiples proteínas a partir de un solo gen.

resultado, la ARN polimerasa y el ARN recién formado se liberan de la

En un proceso complejo llamado empalme alternativo, el empalme a

molécula de ADN. A diferencia de la replicación del ADN, en la que el

veces puede unir ciertos exones y cortar otros exones, tratándolos

ADN se copia solo una vez cada vez que una célula se divide, se

esencialmente como intrones (Figura 2.11b). Este proceso crea múltiples

transcriben múltiples copias de ARNm de cada gen durante la

ARNm de diferentes tamaños a partir del mismo gen. Cada mRNA se

transcripción. A veces, una célula transcribe miles de copias de ARNm

puede usar para producir diferentes proteínas con funciones variadas, a

de un gen. Más adelante en esta sección, verá que las células con un

veces únicas.

alto requerimiento de una proteína en particular generalmente producen grandes cantidades de ARNm para codificar esa proteína.

Por lo tanto, el corte y empalme alternativo permite que se produzcan varios productos proteicos diferentes a partir de la misma secuencia génica. Por ejemplo, ciertos genes utilizados para producir anticuerpos

La transcripción produce diferentes tipos de ARN.

se empalman alternativamente para producir algunos anticuerpos que se adhieren a la superficie de las células, así como otros anticuerpos con

Ya hemos visto que el mRNA se produce cuando muchos genes se

diferentes estructuras, lo que hace que se secreten en el torrente

copian en RNA. Otros tipos de ARN, ARN de transferencia (ARNt) y

sanguíneo. Un empalme similar ocurre con genes de neurotransmisores,

ARN ribosomal (ARNr),

entre muchos otros. De hecho, los científicos creían originalmente que el

también se producen por transcripción. Diferentes ARN polimerasas

genoma humano contenía aproximadamente 100 000 genes según una

producen cada tipo de ARN. Como pronto aprenderemos, solo el ARNm

cantidad predicha de proteínas producidas por las células humanas.

transporta información que codifica directamente para la síntesis de una proteína, pero el ARNt y el ARNr también son esenciales para la síntesis

Como aprenderá, los científicos del genoma se sorprendieron mucho al

de proteínas.

descubrir que el genoma humano contiene solo unos 20.000 genes

Hace relativamente poco tiempo que los científicos descubrieron

(Capítulo 3). Gran parte de la razón de esta discrepancia es que muchos

una nueva categoría de moléculas de ARN llamadas ARN no codificantes

genes humanos se pueden empalmar de diferentes maneras, y las

(ncRNA), llamadas así porque no codifican proteínas. Estos incluyen

estimaciones sugieren que aproximadamente el 95 por ciento de los

tRNA y rRNA. Pero como pronto aprenderá, los ncRNA tienen diversas

genes humanos usan empalmes alternativos para crear múltiples ARN y

funciones en las células. Más adelante, analizaremos brevemente los

proteínas diferentes.

diferentes tipos de ncRNA y sus funciones.

A medida que entendemos más sobre el procesamiento del ARNm, cada vez más científicos identifican enfermedades genéticas que resultan de errores de empalme o empalmes alternativos. En 2016, la

procesamiento de ARNm

Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) de los EE. UU.

En las células eucariotas, el ARNm inicial copiado de un gen se denomina

aprobó una de las primeras terapias génicas dirigidas al empalme para

transcrito primario (pre-ARNm).

una enfermedad para el tratamiento de la atrofia muscular espinal (AME),

Este ARNm es inmaduro y no completamente funcional. Las

una afección debilitante y la principal causa de muerte en bebés. .

transcripciones primarias se someten a una serie de modificaciones,

Consulte la Figura 11.19 en el Capítulo 11 y el texto que lo acompaña

denominadas colectivamente procesamiento de ARNm, antes de que

para obtener más información sobre la AME y la terapia de empalme que

estén listas para la síntesis de proteínas. Una modificación implica el ARN

se ha mostrado muy prometedora hasta el momento.

Machine Translated by Google 64

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

(a)

Potenciadores

Terminación

(elementos de control distal)

secuencia

intrón 1

Exón 1

ADN

Exón 2

intrón 2

Exón 3

1) Un gen compuesto de exones e intrones es transcrito a ARN por la

Promotor

ARN polimerasa. Transcripción primaria Exón 1

Exón 2

Exón 3

(pre-ARNm)

Transcripción

2) procesamiento de ARN:

Gorra añadida; intrones extirpados

ADN procesamiento de ARN

y exones empalmados juntos; poliadenilación.

Pre-ARNm ARNm Segmento de codificación

Traducción

ARNm G

Exón 1

PPA

Exón 2

AAA... AAA

Exón 3

Ribosoma

Polipéptido

Líder

Cola de remolque Poly(A)

Codón de inicio Codón de terminación

3) Después de más modificaciones, el ARNm maduro viaja al citoplasma, donde dirige la síntesis de proteínas. (b) ARN primario

Exón 1

Exón 2

Exón 3

Exón 2

Exón 1

Exón 3

transcripción

ARNm ARNm grande

ARNm pequeño

FIGURA 2.11 Procesamiento de un gen eucariótico y ARNm (a) La transcripción de un gen eucariota produce un transcrito primario o pre-ARNm, que se procesa a través del corte y empalme del ARN, la adición de un cap 59 y la poliadenilación. Después del procesamiento, el ARNm maduro final está listo para exportarse al citoplasma, donde se traducirá en una proteína. (b) El empalme alternativo puede producir diferentes ARNm y productos proteicos a partir del mismo gen. Observe que el ARNm más grande de la izquierda contiene tres exones empalmados, pero que el ARNm más corto de la derecha contiene solo dos exones empalmados. Otro tipo de procesamiento ocurre en el extremo 59 del ARNm, donde

traducción, utilizando información en el ARNm para sintetizar una proteína a

se agrega una base de guanina que contiene un grupo metilo (Figura 2.11).

partir de aminoácidos. La traducción ocurre en el citoplasma de las células

Esta estructura, conocida como capuchón 59, juega un papel en el

como un proceso de varios pasos que involucra varios tipos diferentes de

reconocimiento de los ribosomas del extremo 59 de la molécula de ARNm

moléculas de ARN. Le resultará mucho más fácil comprender los detalles de

durante la traducción. Por último, en un proceso llamado poliadenilación, se

la traducción si está familiarizado con las funciones importantes de cada tipo

agrega una cadena de nucleótidos de adenina de alrededor de 100 a 300

de ARN.

nucleótidos de longitud a los 39

Estos son los componentes principales de la traducción:

final del ARNm, creando una “cola” poli(A) (Figura 2.11). Esta cola protege el mRNA de las enzimas que degradan el RNA en el citoplasma, aumentando su estabilidad y disponibilidad para la traducción. Después del procesamiento, una molécula de ARNm madura y procesada sale del núcleo y entra al citoplasma, donde ahora está lista para la traducción (Figura 2.11).

Traduciendo el Código: Síntesis de Proteínas

ÿÿ ARN mensajero (ARNm): una copia de un gen. Actúa como un “mensajero” al llevar el código genético, codificado por el ADN, desde el núcleo hasta el citoplasma, donde se puede leer esta información para producir una proteína. Los ARN mensajeros varían en longitud desde aproximadamente 1000 hasta varios miles de nucleótidos. ÿÿ ARN ribosómico (ARNr): monocatenario corto moléculas de alrededor de 1.500 a 4.700 nucleótidos de largo.

La función última de un gen codificador de proteínas es producir una

Los ARN ribosómicos son componentes importantes de los

proteína. Aquí vemos una breve descripción de

ribosomas, orgánulos que son esenciales para la producción de proteínas .

Machine Translated by Google 2.4 Síntesis de ARN y proteínas

síntesis. Los ribosomas reconocen y se unen al ARNm y "leen" el ARNm durante la traducción.

sesenta y cinco

¿El ARNm proporciona información sobre la codificación de 20 aminoácidos diferentes? Las respuestas a estas preguntas se encuentran en el código

ÿÿ ARN de transferencia (ARNt): moléculas que transportan aminoácidos al ribosoma durante la síntesis de proteínas. Las

genético, un lenguaje universal de la genética utilizado por

moléculas de ARN de transferencia tienen una longitud

prácticamente todos los organismos vivos. El código funciona en unidades de tres nucleótidos llamadas codones, que están contenidas

aproximada de 75 a 90 nucleótidos.

dentro de las moléculas de ARNm. Cada codón codifica para un solo Ya hemos discutido los detalles de la estructura del ARNm, pero

aminoácido (Tabla 2.3). Por ejemplo, observe que el codón UAC

antes de explorar los detalles de la traducción, debe estar familiarizado

codifica el aminoácido tirosina y el codón UGC codifica el aminoácido

con el código genético del ARNm y las estructuras específicas de los

cisteína. Aunque cada codón codifica un aminoácido, el código

ribosomas y el ARNt.

genético tiene flexibilidad. Hay 64 codones potenciales diferentes que corresponden a todas las combinaciones posibles de las cuatro bases

El código genético

posibles ensambladas en tres codones de nucleótidos (43 ).

¿Qué es el “código genético” contenido en el ARNm? Como aprenderá en breve, los ribosomas leen el código y luego producen

Pero debido a que solo hay 20 aminoácidos, la mayoría de los

proteínas, que se forman uniendo los componentes básicos llamados

aminoácidos pueden estar codificados por más de un codón. Por

aminoácidos.

ejemplo, observe en la tabla 2.3 que el aminoácido lisina puede estar

(ver Apéndice 2). Una cadena de aminoácidos unidos entre sí por

codificado por AAA y AAG. Tener una redundancia de codones

enlaces covalentes es un polipéptido. Algunas proteínas constan de

aumenta la eficiencia de la traducción. Algunos codones están

una sola cadena polipeptídica; otros contienen varias cadenas

presentes en los ARNm con mayor frecuencia que otros, al igual que

polipeptídicas que deben enrollarse y plegarse entre sí para formar

algunas palabras en el idioma inglés se prefieren a otras con

estructuras tridimensionales complicadas (véase la figura 4.3). Las

significados idénticos.

proteínas pueden contener combinaciones de hasta 20 aminoácidos diferentes, pero solo hay cuatro bases en las moléculas de ARNm. Entonces, ¿cómo funciona este código? ¿Qué información está decodificando el ribosoma para decirle a una célula qué aminoácidos

El código genético también contiene codones que le indican a los ribosomas dónde comenzar o terminar la traducción. El codón de inicio, AUG, codifica el aminoácido metionino y señala el punto de inicio para la traducción del ARNm. Como resultado, el primer

pertenecen a una proteína? Si el ARNm consta de combinaciones de

aminoácido en muchas proteínas es la metionina, aunque este

sólo cuatro nucleótidos, ¿cómo puede

aminoácido se elimina poco después de la traducción en algunas proteínas. codones de parada

TABLA 2.3 El código genético

Segunda Posición

Uuu UUC

Fenilalanina

PROPINA

GUAU

UCC

UAC

(Phe)

EN

A

C

EN

GRAMO

LO MÁS

Tirosina (Tyr)

CGU

EN

Cisteína (Cys)

serina (ser)

SAU

UCA

SAU

Deténgase

UGA

Deténgase

UCG

UAG

Deténgase

UGG

triptófano

CUU

UCC

CAU

CUC

CCC

CAC

UUG

C

C

Leucina (Leu)

Leucina (Leu) Aprox.

EN

CGC

C

CGA

CAA

GRAMO

CGU Histidina (His)

Prolina (Pro)

AIRE

A

Arginina (Arg) A

Glutamina (Gln) CUG Australia

AUC Isoleucina (Ile) A

CCG

CAG

A ELLOS

UCA

CAC

CAA

GRAMO

AGU Asparagina (Asn)

CAG

EN

serina (ser)

Treonina (Thr)

NO HAGA

ACA

AAA

ACG

AAG

GUU

GCU

NOCHE

GUC

CCG

CAG

AGO

CGG

Metionina (Met)

A

PERO Lisina (Lys)

AGG

C

Arginina (Arg) GRAMO

COMIENZO

Ácido aspártico Alanina (Ala)

Valina (Val)

GRAMO

CUEVA

GCA

(Áspid)

GGU

EN

GGC

C

GGA

VAMOS

Glicina (Gly)

A

Ácido glutamico

GUG

GCC

MORDAZA

(Glú)

GGG

GRAMO

Machine Translated by Google 66

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

terminar la traducción. UGA es un codón de parada comúnmente

Ribosomas y moléculas de ARNt

utilizado, pero UAA y UAG son otros codones de parada (Tabla 2.3).

Los ribosomas son estructuras complejas que consisten en agregados

Los codones de terminación no codifican para aminoácidos;

de ARNr y proteínas que forman estructuras llamadas subunidades.

simplemente señalan el final de la traducción.

Cada ribosoma contiene dos subunidades, las subunidades grande y pequeña. Estas subunidades se asocian para formar dos surcos,

El código genético es universal. Es utilizado por células en humanos, bacterias, plantas, lombrices de tierra, moscas de la fruta y

llamados el sitio A (aminoacyl) y el sitio P (pep tidyl), en el que se

todas las demás especies. Hay algunas diferencias sutiles en el código

pueden unir las moléculas de tRNA, y un sitio E a través del cual las

de ciertas especies, pero en el nivel básico funciona de la misma

moléculas de tRNA abandonan el ribosome (Figura 2.12). Por cierto,

manera en toda la biología. Debido a esto, los biólogos pueden usar

los científicos están trabajando en la ingeniería de ribosomas que

técnicas llamadas tecnología de ADN recombinante para clonar un

pueden manipularse en el laboratorio para hacer cosas que los

gen humano como el gen de la insulina e insertarlo en bacterias para

ribosomas naturales no pueden hacer. Por ejemplo, al conectar las

que las células bacterianas transcriban y traduzcan la insulina, una

dos subunidades ribosomales, puede ser posible aumentar la velocidad

proteína que normalmente no producen. Otro aspecto útil del código

y la eficiencia de la traducción para sintetizar rápidamente proteínas

genético universal es que permite a los científicos clonar un gen en

terapéuticas y otras proteínas comercialmente importantes para la

una especie, como un ratón, y luego usar la información de la

industria biotecnológica.

secuencia del gen del ratón para identificar un gen similar en humanos. Los ARN de transferencia son moléculas pequeñas de menos de 100 nucleótidos de largo. Los ARN de transferencia se pliegan de Debido a que diferentes especies comparten un código genético común, este enfoque es una estrategia muy común para identificar

formas intrincadas y ciertos nucleótidos en una base de ARNt se emparejan entre sí. Como resultado, un tRNA asume una estructura

genes humanos, incluidos muchos involucrados en procesos de

llamada hoja de trébol, porque como regiones del par de bases de la molécula,

enfermedades.

(a)

Liberado vacío

Sitio P (sitio de unión de péptido-ARNt) Sitio web

molécula de ARNt con aminoácido adjunto

Sitio A (sitio de unión de ARNt de aminoacil) De

Largo ribosomal ARNm

De

fe

fe De

sitio p

subunidad

Unión sitio

Nuevo péptido vínculo

Largo

ARNm movimienot

Un sitio

subunidad

PEA

EN

A Y UUC Y

GRAMO

A

GRAMO

123

ARNm

Deténgase

Pequeña

subunidad

anticodón Codones

EN

A

C.A. Uuu

GRAMO

1) reconocimiento de codones

codón

Ribosomal pequeño C

subunidad

2) formación de enlaces peptídicos

3) Translocación

4) Repita el ciclo

fe

(b)

Aminoácidos sitio adjunto

Aminoácidos

ARNt de aminoacil

reacción de "carga"

AAG

AAG

anticodón

FIGURA 2.12 Etapas de la síntesis de proteínas (a) Cada ribosoma contiene una subunidad grande y una pequeña. Aquí se muestra un ribosoma unido al ARNm; los pasos abreviados de traducción se muestran en los pasos 1 a 4. (b) Ejemplo esquemático del símbolo de ARNt utilizado en este libro. En un extremo de cada ARNt hay un sitio de unión de aminoácidos, y en el extremo opuesto hay una secuencia de anticodón de tres nucleótidos.

Machine Translated by Google 2.4 Síntesis de ARN y proteínas

67

otros segmentos no emparejados crean bucles. En un extremo de cada ARNt hay un sitio de unión de aminoácidos (Figura 2.12b). Las enzimas en el citoplasma llamadas aminoacil tRNA sintetasas unen un solo aminoácido a cada molécula de tRNA, creando lo que

luego, la subunidad ribosómica grande se une a este complejo que contiene la subunidad pequeña, los factores de iniciación, el mRNA y el tRNA iniciador. Una vez que estos componentes están en su lugar, el ribosoma puede comenzar a traducir una proteína.

se conoce como aminoacil RNA de transferencia (tRNA) o tRNA “cargado”. Las moléculas de ARNt de aminoacil llevan sus aminoácidos al ribosoma y se unen dentro de los surcos de los ribosomas en el sitio A. En el extremo opuesto de cada molécula de ARNt hay una secuencia de tres nucleótidos llamada anticodón. Diferentes aminoácidos tienen diferentes secuencias de anticodón.

El siguiente paso de la traducción se llama elongación, porque durante esta fase entran ARNt adicionales en el ribosoma, uno a la vez, y se alarga una cadena polipeptídica en crecimiento. El ribosoma, detenido en el segundo codón, espera que el (segundo) tRNA ingrese al sitio A.

Los anticodones están diseñados para complementar el par de bases con codones en el ARNm. Ahora que conoce a los "jugadores" de la traducción (ARNm, ribosomas y ARNt), examinaremos cómo estos componentes se unen para producir una proteína.

Etapas de la traducción Existen algunas diferencias fundamentales entre la traducción en procariotas y en eucariotas. Aquí proporcionamos una descripción general de los aspectos básicos de las tres etapas principales de traducción en eucariotas: iniciación, elongación y terminación. El comienzo de la traducción se llama iniciación. Durante la iniciación, la subunidad ribosómica pequeña se une al extremo 59 de la molécula de ARNm al reconocer la tapa 59 del ARNm. Otras proteínas, denominadas factores de iniciación, también participan en la conducción de la subunidad pequeña hacia el ARNm. La subunidad pequeña se mueve a lo largo del ARNm hasta que encuentra el codón de inicio AUG. Haciendo una pausa en el codón de inicio, la subunidad pequeña espera el tRNA correcto, llamado tRNA iniciador, antes de que pueda continuar la traducción (Figura 2.12). Este ARNt tiene unido el aminoácido metionina (met) (recuerde que la mayoría de las proteínas comienzan con este aminoácido) y contiene el anticodón UAC. El anticodón UAC se une al codón de inicio por emparejamiento de bases complementarias

En la figura 2.12, observe que el segundo codón es UUC, que codifica el aminoácido fenilalanina (phe). El phe-tRNA ingresa al sitio A del ribosoma y la base del anticodón (AAG) se empareja con el codón. Después de que dos ARNt se unen al ribosoma, una enzima en el ribosoma llamada peptidil transferasa cataliza la formación de un enlace peptídico entre los aminoácidos (unidos a sus ARNt). Los enlaces peptídicos unen los aminoácidos para formar una cadena polipeptídica. Después de que los aminoácidos se unen entre sí, el ARNt iniciador, sin metionina unida, se detiene brevemente en el sitio E y luego se libera del ribosoma. Los ARNt "vacíos" liberados son reciclados por la célula. Un nuevo aminoácido se une al tRNA para crear un aminoacil tRNA, que se puede usar nuevamente para la traducción. El polipéptido recién formado permanece unido al ARNt en el sitio A. Durante una fase llamada translocación, el ribosoma se desplaza para que el ARNt y la proteína en crecimiento se muevan hacia el sitio P del ribosoma. El tRNA con una cadena polipeptídica en crecimiento unida se denomina peptidil tRNA. El sitio A del ribosoma ahora está alineado con el tercer codón en la secuencia (UGG, que codifica para el triptófano), y el ribosoma espera que el aminoacil tRNA adecuado entre en el sitio A. El ciclo continúa como se describe para unir el siguiente aminoácido (triptófano) a la proteína en crecimiento y se repite a medida que el ribosoma se mueve a lo largo del ARNm.

(Figura 2.12);

TÚ DECIDES

¿Acceso a productos biotecnológicos para todos?

En el Capítulo 3, aprenderá cómo se

amplia y eficazmente para tratar a niños con ciertas formas de

pueden identificar, clonar y estudiar los

baja estatura o enanismo. El uso ilegal de hGH por atletas

genes con gran detalle. Uno de los beneficios de la clonación de

profesionales ha recibido mucha atención en los últimos años. El

genes ha sido la identificación de genes implicados en

enanismo generalmente se define como una condición que resulta

enfermedades humanas. Como resultado, es posible fabricar

en una altura adulta de 4 pies, 10 pulgadas o menos. La

muchos productos genéticos en el laboratorio y usarlos con fines

disponibilidad de hGH y otros productos de la biotecnología plantea

médicos. Por ejemplo, cuando se clonó el gen de la insulina en una

una cuestión ética.

bacteria, fue posible producir grandes cantidades de insulina para

¿Debería la hGH estar disponible para todos los que quieren

tratar a las personas con diabetes. De manera similar, la clonación

niños más altos o solo para aquellos niños con enanismo?

del gen de la hormona del crecimiento humano (hGH), que estimula

Supongamos que los padres quisieran que su hijo de tamaño

el crecimiento de los huesos y los músculos durante la infancia,

promedio fuera más alto para que tuviera una mejor oportunidad de

proporcionó una fuente fácilmente disponible de esta hormona.

formar parte del equipo universitario de baloncesto de la escuela secundaria. ¿Deberían estos padres darle hGH a su hijo simplemente

Disponible legalmente solo con receta, se usa hGH

para aumentar su estatura? Tú decides.

Machine Translated by Google 68

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

Los ciclos de elongación continúan para formar una nueva proteína

Señal

hasta que el ribosoma encuentra un codón de parada (por ejemplo, NÚCLEO

UGA). Esto señala la tercera etapa de la traducción, llamada terminación.

cromatina

Recuerde que los codones de terminación no codifican para un

Desempaquetado de ADN que involucra

aminoácido. Las proteínas llamadas factores de liberación interactúan

Desmetilación del ADN e histonas la acetilación regula si un gen está disponible para la transcripción

con el codón de parada para terminar la traducción. Las subunidades ADN

ribosómicas se separan y se liberan del ARNm, y la proteína recién

Gen disponible

sintetizada se libera en la célula. Los ribosomas se reciclan y,

para transcripción Gene

posteriormente, pueden unirse a cualquier otra molécula de ARNm (no

Regulación transcripcional

solo al ARNm de un gen en particular) y comenzar de nuevo el proceso

Exón de ARN

de traducción.

Transcripción primaria intrón procesamiento de ARN

2.5 Regulación de la Expresión Génica Gorra

El término expresión génica se refiere a la producción de ARNm (ya veces de proteína) por parte de una célula. Las células son exquisitamente eficaces en el control de la expresión génica y la traducción para adaptarse a sus necesidades. No todos los genes se transcriben y traducen al mismo ritmo en todas las células.

ARNm de cola en el núcleo

postranscripcional regulación

Transporte al citoplasma ARN

CITOPLASMA

interferencia ARNm en el citoplasma

y silenciamiento de genes

Degradación de ARNm

Regulación traslacional

La expresión génica es un proceso dinámico. Los genes individuales pueden transcribirse activamente durante un período de tiempo determinado, seguido de períodos de transcripción relativamente pequeña, según las necesidades de una célula. ¿Cómo se pueden activar y desactivar los genes en respuesta a diferentes señales? Los biólogos llaman a este proceso regulación génica. Además, todas las células de un organismo contienen el mismo

Polipéptido Regulación postraduccional: escisión química, modificación, transporte a destino en la celda

Proteína activa

genoma, entonces, ¿cómo y por qué las células de la piel son diferentes de las células del cerebro o las células del hígado? Diferentes tipos de células tienen diferentes propiedades y llevan a cabo diferentes

Degradación de proteínas

Proteína degradada

funciones porque las células pueden regular o controlar los genes que expresan. Puede ocurrir una regulación "positiva" y "negativa" de la expresión génica. En un momento dado en una célula, solo ciertos genes se “activan” o expresan (regulación positiva) para producir proteínas, mientras que muchos otros genes se silencian o reprimen (regulación negativa). Estos genes pueden ser expresados por las células solo en ciertos momentos, en respuesta a señales específicas desde el interior o el exterior de la célula, para producir proteínas según sea necesario. Estas señales pueden ser señales ambientales como cambios de temperatura, nutrientes en el ambiente externo, hormonas u otras señales químicas

FIGURA 2.13 Niveles de regulación de la expresión génica Las células procariotas y eucariotas pueden regular la expresión génica de diversas formas complejas. Esta figura resume las principales formas en que se puede regular la expresión génica en las células eucariotas. Tenga en cuenta que la regulación de la expresión génica puede ocurrir en muchos "niveles" diferentes (resaltados en cuadros azules aquí), comenzando con cómo se pliega o modifica químicamente la cromatina para controlar la degradación o el recambio de una proteína una vez que se produce. La regulación transcripcional es un mecanismo de control comúnmente utilizado tanto en células procariotas como eucariotas

complejas intercambiadas por las células. Las células procariotas y las células eucariotas regulan la expresión génica en una variedad de formas complejas (Figura 2.13). Un mecanismo común utilizado por ambos tipos de células, que tiene

Regulación transcripcional del gen Expresión

un impacto significativo en la expresión génica y la abundancia de

Debido a que la cantidad de proteína traducida por una célula a menudo

proteínas producidas, se llama regulación transcripcional : controla la

está directamente relacionada con la cantidad de ARNm en la célula,

cantidad de ARNm transcrito de un gen en particular como una forma

las células pueden regular la cantidad de ARNm producido para

de activar o desactivar genes.

cualquier gen dado para controlar indirectamente la cantidad de proteína

Las estimaciones varían en la medida en que la regulación

que produce una célula. ¿Cómo saben las células qué genes activar y

postranscripcional (como la degradación del ARNm), la regulación

cuáles desactivar? Para comprender la regulación transcripcional,

traduccional y los procesos regulatorios postraduccionales controlan la

debemos observar más de cerca el papel de las secuencias promotoras.

abundancia de proteínas en las células. Aquí proporcionamos una introducción a la regulación transcripcional y consideramos ejemplos básicos de este proceso en eucariotas y procariotas.

Los promotores se encuentran "aguas arriba" de las secuencias de genes, lo que significa que se encuentran en el extremo 59 de un gen.

Machine Translated by Google 2.5 Regulación de la Expresión Génica

No todos los genes en procariotas y eucariotas usan las mismas

están estrictamente regulados por células que también contienen

secuencias promotoras. En eucariotas, las secuencias promotoras

secuencias reguladoras llamadas potenciadores.

comunes que se encuentran aguas arriba de muchos genes incluyen una caja TATA (TATAAAA), ubicada unos 30 nucleótidos (-30) aguas arriba

69

Las secuencias potenciadoras generalmente se ubican alrededor de 50 pares de bases o más aguas arriba del promotor, pero también pueden

del sitio de inicio de un gen, y una caja CAAT (GGCCAATCT), ubicada

ubicarse aguas abajo de un gen. Las secuencias potenciadoras se unen

unos 80 nucleótidos ( –80) aguas arriba de un gen (Figura 2.14).

a proteínas reguladoras, generalmente denominadas activadores. Las moléculas activadoras interactúan con los factores de transcripción y

Anteriormente en este capítulo analizamos cómo la ARN polimerasa inicia la transcripción uniéndose a secuencias promotoras adyacentes a

la ARN polimerasa, formando un complejo que estimula (activa) la

los genes. Para la mayoría de los genes eucarióticos, la ARN polimerasa

transcripción de un gen. Las células utilizan una amplia variedad de diferentes moléculas activadoras. Cada activador se une a una secuencia

no puede reconocer y unirse a un promotor a menos que los factores de

potenciadora particular. Algunas moléculas activadoras pueden ser

transcripción estén presentes en el promotor. Los factores de transcripción

hormonas. Por ejemplo, el esteroide sexual masculino testosterona puede

son proteínas de unión al ADN que pueden unirse a promotores e

ser un activador para estimular la expresión génica. Es posible que sepa

interactuar con la ARN polimerasa para estimular la transcripción de un

que la testosterona estimula las actividades celulares, como el crecimiento

gen (Figura 2.14). En eucariotas y procariotas, los factores de transcripción

de los músculos y el cabello en los adolescentes, pero ¿cómo funciona la

comunes interactúan con los promotores de muchos genes; sin embargo,

testosterona? Esta hormona se une a una proteína receptora dentro de

ambos tipos de células también usan factores de transcripción específicos

las células. La testosterona–

que interactúan solo con ciertos promotores. La transcripción de algunos

El complejo de proteína receptora actúa como un activador para unirse a

genes también depende de la unión de factores de transcripción

un elemento potenciador específico en el ADN llamado elemento de

específicos a secuencias reguladoras adyacentes al promotor. Además,

respuesta androgénica (59-TGTTCT-39). Estos elementos suelen

muchos genes que

encontrarse cerca de un promotor. A su vez, la testosterona y su receptor estimulan la expresión génica. El estrógeno esteroide sexual femenino funciona de manera similar.

Activadores

Sitio de

(p. ej., hormona/proteína receptora)

inicio del gen

Promotor

Gene ADN

Caja CAAT Caja TATA 30 nt

Potenciadores (p. ej., TGTTCT)

80 nt

1) Las proteínas activadoras se unen a secuencias potenciadoras en el ADN.

2) La flexión del ADN trae la activadores unidos más cerca de Transcripción factores

el promotor Otros factores de transcripción y ARN polimerasa están cerca.

ARN polimerasa

3) Dominios de unión a proteínas en los activadores adjuntos a ciertos factores de transcripción

ARN

y ayúdalos a formar una

polimerasa

complejo de iniciación de la transcripción activa en el promotor que estimula la síntesis de ARN por

Transcripción

ARN polimerasa.

complejo de iniciación

FIGURA 2.14 Promotores, factores de transcripción y potenciadores

síntesis de ARN

Machine Translated by Google 70

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

Pero la testosterona y otros activadores no estimulan la

Además, la identificación de los promotores, las secuencias

expresión de todos los genes en todas las células. Los activadores

potenciadoras y los factores de transcripción que se unen a las

actúan solo sobre aquellos genes que contienen secuencias

regiones reguladoras de un gen es importante para fabricar productos

potenciadoras a las que pueden unirse. La testosterona estimula la

biotecnológicos. Por ejemplo, la identificación de factores de

expresión de genes implicados en el crecimiento de los músculos y el

transcripción que estimulan la expresión de proteínas necesarias para

cabello porque estos genes contienen elementos de respuesta a los

el crecimiento y desarrollo óseo está ayudando a los científicos a

andrógenos. La transcripción de otros genes sin elementos de

desarrollar nuevos medicamentos que pueden utilizarse para estimular

respuesta a los andrógenos no se ve afectada directamente por la

el crecimiento óseo en personas que padecen formas de artritis

hormona. Por cierto, el abuso de esteroides por parte de culturistas y

cuando sus células ya no producen los factores que estimular el

atletas que buscan aumentar la masa muscular y el tono puede

crecimiento óseo.

causar efectos graves en la salud a largo plazo, en parte porque los esteroides estimulan anormalmente la expresión génica durante períodos prolongados. ARN no A través de activadores y potenciadores, las células pueden usar el control transcripcional para regular la expresión génica y controlar las actividades celulares. Algunos genes incluso contienen

codificantes y sus funciones en la regulación de la expresión génica

Anteriormente mencionamos el concepto de ARN no codificante

secuencias represoras que disminuyen la transcripción. Debido a que

(ncRNA) y que el rRNA y el tRNA son ejemplos de ncRNA. Estos dos

diferentes células producen diferentes factores de transcripción y

ncRNA se encuentran entre las moléculas de ARN más abundantes

moléculas activadoras, los genes pueden activarse en algunos tejidos

en una célula eucariota típica y comprenden aproximadamente del 80

y no en otros. Las células de la piel activan diferentes genes que las

al 90 por ciento y del 10 al 15 por ciento del contenido total de ARN

células musculares, por lo que cada tipo de célula produce diferentes

de una célula, respectivamente. En comparación, el ARNm que

proteínas, lo que le da a cada tipo de célula funciones diferentes.

codifica proteínas comprende aproximadamente del 3 al 7 por ciento

En consecuencia, la expresión de genes específicos de células y

del contenido de ARN de una célula.

tejidos es una forma en que las células controlan las proteínas que

Aunque los ncRNA se encuentran tanto en células eucarióticas

expresan, aunque todas las células del cuerpo contienen el mismo genoma. como procarióticas, dependiendo del tipo de célula existen varios Estos importantes mecanismos de control son parte de por qué diferentes células tienen diferentes funciones.

CUADRO 2.4

otros tipos de ncRNA. La Tabla 2.4 proporciona un resumen de los diferentes ncRNA, su valor aproximado

RNAS no codificantes (ncRNA)

Tipo de ncRNA (abreviatura) Tamaño medio (nt)

Funciones básicas

ARN ribosómico (ARNr)

~7.000 nt

Traducción

ARN de transferencia (ARNt)

,100 nt

Traducción

ARN nuclear pequeño (snRNA) 100–200 nt

Empalme de ARNm (se une a proteínas específicas llamadas snRNP y forma complejos de empalme que catalizan el empalme previo al ARNm)

ARN nucleolares pequeños

200 nt

(ARNsno) MicroARN (miARN)

Modificaciones químicas (como la metilación) de otros ARN incluyendo tRNA, rRNA, snRNA

21–24 nt

Silenciamiento de ARN y regulación postranscripcional de la expresión génica.

ARN largos no codificantes (lncRNA)

0,200 nt (~1000–3000 nt) Regulación de la transcripción, regulación postranscripcional, empalme de ARN,

Interferencia pequeña o corta ARN (siRNA)

20–25 nt, bicatenario Similar a los miARN implicados en la interferencia de ARN (ARNi)

estabilidad de ARN, inactivación del cromosoma X, entre otras funciones

El ARN que interactúa con piwi (piRNA) es de 26 a 31 nt

vía para la regulación de la expresión génica Una de las categorías más grandes de ncRNA; regulación de la expresión génica epigenética y postranscripcional, particularmente en el desarrollo de espermatozoides

ARN derivado de CRISPR (crRNA) ~20 nt

Respuestas inmunitarias mediadas por CRISPR-Cas en procariotas

Fuente: Adaptado de Palazzo AF, Lee ES. ARN no codificante: ¿qué es funcional y qué es basura? Geneta delantera. 2015;6. https://www .ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc4306305/table/t1/. Consultado el 24 de junio de 2017.

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2.5 Regulación de la Expresión Génica

tamaños y ejemplos de sus funciones. Individualmente, cada uno de estos ncRNA es mucho menos abundante que el rRNA

CITOSOL

o el tRNA, oscilando entre aproximadamente el 0,003 y el 0,06 ADN por ciento del contenido de RNA de una célula. 1 Transcripción Con la excepción de los ARN largos no codificantes (lncRNA), los otros ncRNA de esta tabla también se denominan colectivamente como pequeños ARN no codificantes (sncRNA). A lo largo de este libro, aprenderá más sobre los diferentes tipos de ncRNA. Drosha Jugador Por ejemplo, en 1998, los científicos que estudiaban el gusano redondo Caenorhabditis elegans descubrieron pequeñas 3 2 piezas de doble cadena (21 o 22 nt) de ARN no codificante de proteínas llamado ARN de interferencia corto (siRNA), miARN llamados así porque se demostró que se unen al ARNm y pri-miARN pri-miARN posteriormente bloquean o interfieren con la traducción de los NÚCLEO ARNm unidos. Por un corto tiempo pareció que tal vez los ARNip estaban restringidos a C. elegans, pero mientras buscaban ARNip en otras especies, los científicos descubrieron 4 que los microARN (miARN) son otra categoría de pequeñas RIESGO moléculas de ARN que no codifican proteínas. Se han identificado genes para miARN en todos los organismos exactamente complementario Parcialmente complementario multicelulares estudiados hasta la fecha, y los miARN forman al ARN mensajero al ARN mensajero parte de una familia de sncARN en rápido crecimiento que 5a 5b desempeña funciones novedosas en la regulación de la expresión génica. Al igual que los siRNA, los miRNA regulan la expresión génica al “silenciar” la expresión génica bloqueando la traducción del mRNA o provocando la degradación del mRNA. Los genes de microARN producen transcritos de ARN que son ARN mensajeros diana procesados por enzimas (Drosha y Dicer) en piezas cortas Ribosoma monocatenarias de 21 a 22 nucleótidos de longitud (Figura Inhibición de la traducción 2.15). Los miARN procesados luego se unen a un complejo de ARN mensajero bloqueando el ribosoma degradación proteínas (llamado RISC), lo que les permite unirse a los ARNm Unión que son complementarios a la secuencia de miARN. La unión de miARN a una secuencia de ARNm puede bloquear la FIGURA 2.15 Los microARN silencian la expresión génica El traducción por parte de los ribosomas o desencadenar la silenciamiento génico por parte de los miARN es un proceso de varios degradación enzimática de un ARNm. Ambos mecanismos pasos. (1) Los genes de microARN transcriben un transcrito primario inhiben o silencian la expresión al evitar que el ARNm se llamado pri-ARN que (2) se pliega en un bucle de horquilla similar a los patrones de plegado de las moléculas de ARNt. (3) La enzima Dicer traduzca en una proteína. escinde los pri-ARNm en miARN monocatenarios de 21 a 22 nucleótidos de longitud.

Los mecanismos de silenciamiento génico basados en ARN se conocen generalmente como ARN de interferencia (ARNi). La identificación de genes humanos silenciados por miRNAs es actualmente un área de investigación muy activa. Varios miles de miARN humanos han sido identificados y vinculados a procesos celulares normales y enfermedades en humanos. Los científicos están trabajando en la explotación de RNAi como una forma potencialmente prometedora de usar pequeñas moléculas de RNA para apagar o silenciar selectivamente genes involucrados en enfermedades humanas (discutido en los Capítulos 3 y 11). Como evidencia de lo valioso que es el ARNi como técnica de investigación, el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2006 fue otorgado a Andrew Fire de la Universidad de Stan ford y a Craig Mello de la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts por su descubrimiento de este método para apagando genes.

(4) Los microARN se unen a un grupo de proteínas para formar un complejo de ribonucleoproteínas. (5) Este complejo de miARN puede luego unirse a moléculas de ARNm mediante el emparejamiento de bases complementarias con secuencias que son una coincidencia exacta o una coincidencia cercana a las secuencias complementarias en el ARNm y el miARN. (5a) la unión de miARN luego silencia la expresión génica bloqueando la traducción o dirigiendo el ARNm unido para su degradación por enzimas en la célula.

Las bacterias usan operones para regular genes Expresión Las bacterias son organismos muy importantes para muchas aplicaciones de la biotecnología, como la producción de proteínas humanas con fines terapéuticos. Muchos estudios iniciales sobre la regulación génica se llevaron a cabo en bacterias. Las bacterias y otros microorganismos pueden y

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Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

genes estructurales

ARN polimerasa

ADN

yo

PAGS

O

Y

DE

A

ARNm ARNm

La lactosa previene represor de

Plegado de polipéptidos

bloqueando la transcripción

Proteína represora ARNm Lactosa en medio de cultivo

b-galactosidasa

Permeasa transacetilasa

FIGURA 2.16 El operón lac Al controlar el operón lac, las células bacterianas pueden regular la expresión génica en respuesta a la disponibilidad del azúcar lactosa. En ausencia de lactosa, el represor lac se une al operador, bloqueando su transcripción. En presencia de lactosa, la lactosa se une e inactiva el represor, lo que permite que se produzca la transcripción del operón.

debe controlar rápidamente la expresión génica en respuesta a estímulos

El operón lac está regulado por una proteína llamada lac

ambientales tales como nutrientes de crecimiento y cambios en la

represor, que está codificado por un gen separado llamado gen lacI .

temperatura y la intensidad de la luz. Un aspecto interesante de la

Cuando las bacterias crecen en ausencia de lactosa, la proteína represora

expresión y regulación génica en bacterias es que muchos genes

se une a una secuencia dentro del promotor del operón lac (p) llamada

bacterianos están organizados en arreglos llamados operones. Los

operador (o). Al unirse al operador, el represor impide que la ARN

operones son esencialmente grupos de varios genes relacionados

polimerasa se una al promotor y bloquea la transcripción de los genes Z,

ubicados juntos y controlados por un solo promotor.

Y y A en el operón (Figura 2.16). Esta es una buena manera para que las bacterias controlen su metabolismo. ¿Por qué gastar energía en transcribir

Los genes de un operón pueden regularse en respuesta a cambios dentro de la célula. Los operones se pueden estimular (inducir) o inhibir

genes y traducir proteínas si no hay lactosa disponible para producir energía?

(reprimir) según las necesidades de una célula. Muchos genes que controlan el metabolismo de los nutrientes por parte de las bacterias están organizados como operones. Las bacterias pueden utilizar operones para

Por el contrario, en presencia de lactosa, los azúcares actúan como

regular estrechamente la expresión génica en respuesta a sus necesidades

moléculas inductoras que estimulan la transcripción del operón lac . La

de nutrientes. Aquí presentamos un ejemplo clásico bien estudiado de

lactosa se une al represor lac , cambiando la forma de la proteína

regulación génica en bacterias al describir el operón lac (Figura 2.16).

represora y evitando que se una al operador (Figura 2.16).

El operón lac consta de los siguientes tres genes:

Sin ningún represor en su camino, la ARN polimerasa puede unirse al promotor lac y estimular la transcripción del operón. El ARNm transcrito

ÿÿ lacZ, que codifica la enzima b-galactosidasa

del operón se traduce para producir las enzimas requeridas por la célula

ÿÿ lacY, que codifica la enzima permeasa

para metabolizar la lactosa.

ÿÿ lacA, que codifica la enzima acetilasa Juntas, estas tres enzimas son necesarias para el transporte y la descomposición de la lactosa por parte de las células bacterianas. La lactosa, un azúcar presente en la leche, es una importante fuente de energía para muchas bacterias. Para que las bacterias metabolicen la

2.6 Mutaciones: Causas y Consecuencias

lactosa, el azúcar debe ser transportado a las células por la permeasa y luego degradado en glucosa y galactosa por la b-galactosidasa. La función

Continuamos nuestra descripción general de la biología celular y la

de la acetilasa no está clara, aunque puede desempeñar un papel en la

genética con una breve discusión sobre cómo los genes pueden verse

protección de las células de los productos tóxicos de la degradación de la

afectados por mutaciones o cambios en las secuencias de nucleótidos

lactosa.

del ADN. Las mutaciones son una de las principales causas de la diversidad genética.

Machine Translated by Google 2.6 Mutaciones: Causas y Consecuencias

Por ejemplo, la base subyacente de la evolución de las especies para

73

Las proteínas son moléculas grandes y complicadas. Para funcionar

desarrollar y adquirir nuevas características se rige por mutaciones de

correctamente, la mayoría de las proteínas deben plegarse en formas

genes a lo largo del tiempo. Las mutaciones también pueden ser

tridimensionales complejas. Cambiar uno o dos aminoácidos en una

perjudiciales. La mutación de un gen puede resultar en la producción de

proteína puede alterar su forma general, interrumpiendo drásticamente su

una proteína alterada que funciona mal o, en algunos casos, ya no codifica

función o, en algunos casos, impidiendo que funcione en absoluto. Una

una proteína funcional. Tales mutaciones pueden causar enfermedades

mutación puede no tener efecto en una proteína si cambia la secuencia

genéticas. En esta sección, proporcionamos una descripción general de

de codones de un gen a otro codon que codifica el mismo aminoácido

los diferentes tipos de mutaciones y sus consecuencias.

(Figura 2.17). Esta es una mutación silenciosa porque no tiene efecto sobre la estructura y función de la proteína. De manera similar, una mutación puede cambiar un codón para que se codifique un aminoácido

Tipos de mutaciones

diferente. Tales mutaciones de sentido erróneo también se consideran "silenciosas" si el nuevo aminoácido codificado no cambia la estructura y

A veces, las mutaciones ocurren a través de eventos espontáneos, como

función de la proteína. Sin embargo, si el aminoácido recién codificado

errores durante la replicación del ADN. Por ejemplo, la ADN polimerasa

cambia la estructura de la proteína, su función puede verse

puede insertar el nucleótido equivocado en una hebra de ADN recién

significativamente alterada. Más adelante, consideraremos un ejemplo

sintetizada, por ejemplo, insertando una T donde pertenece una C.

dramático de cómo un SNP es responsable de la condición genética

Aunque las enzimas en las células funcionan para detectar y corregir

humana conocida como enfermedad de células falciformes.

errores, ocasionalmente ocurren errores durante la replicación del ADN. Las mutaciones también pueden ser inducidas por causas ambientales. Por ejemplo, los químicos llamados mutágenos, muchos de los cuales imitan la estructura de los nucleótidos, pueden introducirse por error en el ADN y cambiar la estructura del ADN. La exposición a los rayos X o la luz

A veces, las mutaciones llamadas mutaciones sin sentido cambian un codón de un aminoácido en un codón de parada, lo que hace que se

ultravioleta del sol también puede mutar el ADN (ese bronceado

traduzca una proteína anormalmente acortada, lo que generalmente crea

resplandeciente que puede disfrutar durante el verano no es tan saludable

una proteína no funcional. Las inserciones o eliminaciones también

como cree).

pueden afectar drásticamente la proteína producida a partir de un gen al crear una mutación de cambio de marco. Como se muestra en la Figura

Independientemente de cómo surjan las mutaciones, dependiendo

2.17, la inserción de un nucleótido hace que el marco de lectura de los

del tipo de mutación, es posible que no tengan ningún efecto sobre la

codones se desplace hacia la derecha de la inserción, cambiando la

producción de proteínas o que cambien drásticamente la producción de

proteína codificada por el ARNm. Los cambios de marco a menudo crean

proteínas y la estructura y función de las proteínas. Las mutaciones

proteínas no funcionales.

pueden implicar grandes cambios en la información genética o cambios de un solo nucleótido en un gen, como cambiar una A por una C o una G por una T. Las mutaciones más comunes en un genoma son cambios de un solo nucleótido (o unos pocos nucleótidos). mutaciones de marea)

Las mutaciones pueden ser heredadas o adquiridas.

llamadas mutaciones puntuales. Tales mutaciones se conocen

Es importante darse cuenta de que no todas las mutaciones tienen el

comúnmente como polimorfismos de un solo nucleótido (SNP,

mismo efecto en las células del cuerpo. Los efectos de una mutación

pronunciado “snips”), y representan un tipo principal de variación genética

dependen no solo del tipo de mutación sino también del tipo de célula en

en los genomas de diferentes humanos. Discutiremos los SNP en varios

la que se produce. Las mutaciones genéticas pueden ser heredadas o

capítulos. Las mutaciones puntuales a menudo implican sustituciones de

adquiridas. Las mutaciones heredadas son mutaciones que se

pares de bases, en las que un par de bases se reemplaza por un par de

transmiten a la descendencia a través de los gametos—

bases diferente; inserciones, en las que se inserta un nucleótido en una

espermatozoides u óvulos. Como resultado, la mutación está presente en

secuencia génica; o deleciones, la eliminación de un par de bases (Figura

el genoma de todas las células de la descendencia. Las mutaciones

2.17).

heredadas pueden causar defectos de nacimiento o enfermedades genéticas hereditarias.

Las mutaciones finalmente ejercen sus efectos en una célula al cambiar las propiedades de una proteína, lo que a su vez puede afectar los rasgos. La mutación genética puede causar:

T Cambios en la estructura y función de las proteínas; La síntesis de una proteína no funcional o ninguna proteína sintetizada puede conducir a:

T Cambio o pérdida de un rasgo

Las mutaciones adquiridas ocurren en el genoma de las células somáticas y no se transmiten a la descendencia. Aunque no se heredan, las mutaciones adquiridas pueden causar anomalías en el crecimiento celular, lo que lleva a la formación de tumores cancerosos, así como a trastornos metabólicos y otras afecciones. Por ejemplo, la exposición prolongada a la luz ultravioleta puede causar mutaciones adquiridas en las células de la piel, lo que puede provocar cáncer de piel. El esfuerzo por comprender la base genética del cáncer y de muchas otras enfermedades humanas es un área importante de la investigación biotecnológica.

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Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

GEN NORMAL (TIPO SALVAJE)

39 GTTTACTT CAAACCGATT 59 Modelo cadena de ADN

ARNm 59

CAA

AGOAAGUUUGGCUAA 39

Proteína

De

Luz

fe

gly Deténgase

39

SUSTITUCIÓN DEL PAR DE BASES

INSERCIÓN O ELIMINACIÓN DE PARES DE BASES

Silencioso: sin efecto sobre la secuencia de aminoácidos

Cambio de marco que causa gran falta de sentido

GTTTACTTCAAACC A ATT

59

GTTTACTTCAACCGATT

59

GARANTIZADO

39

ADN

ADN

59

39

T

CAAAUGAAGUUUGG EN UAA

ARNm

De

Luz

39

fe

59

ARNm

De

gly

Luz

León

Tierra

Deténgase

Frameshift causando tonterías inmediatas

Missense: Cambia el aminoácido codificado para

39

GTTTACTTCAAA T CGATT

59

CAAAUGAAGUUU A GCUAA

39

ADN

59

ARNm

De

Luz

fe

39 GTTTAC A TTCAAACCGATT 59 ADN

59

CAAUG U AAGUUGGCUAA

ARNm

39

De

Ser - estar

Deténgase

Deténgase

Inserción o deleción de 3 nucleótidos:

Tonterías: crea un codón de terminación

sin cambios de marco extensos

TT C 39

GTTTAC A TCAAACCGATT

59

ADN

59

39

GTTCAAAACCGATT

59

ADN

CAAUG U AGUUGGCUAA

ARNm

39

59

ARNm

De

CAA

AUGUUUGGCUAA De

fe

39

gly Deténgase

Deténgase

FIGURA 2.17 Tipos de mutaciones Las mutaciones pueden influir en el código genético del ARNm y las proteínas resultantes traducidas de un gen. Aquí se muestra una porción de ARNm copiado de un gen, pero las mutaciones generalmente ocurren dentro del ADN. Las mutaciones en un gen pueden tener diferentes efectos en la proteína que se traduce.

Las mutaciones son la base de la variación en Los genomas y una causa de la genética humana Enfermedades

de cuatro cadenas polipeptídicas (Figura 2.18). Una mutación puntual en el gen de la globina b cambia el código genético para que el gen codifique un aminoácido diferente en la posición 6 en uno de los polipéptidos de hemoglobina. Como resultado, el aminoácido valina, en lugar del ácido glutámico, se inserta en la hemoglobina de células falciformes. Las personas con dos copias defectuosas del gen de la hemoglobina sufren los efectos de la enfermedad de células falciformes. Esta sutil mutación altera la

Las mutaciones forman la base molecular de muchas enfermedades genéticas humanas. La enfermedad de células falciformes fue la primera enfermedad genética descubierta; su causa se apuntó a una mutación particular (Figura 2.18). La enfermedad de células capacidad de transporte de oxígeno de la hemoglobina y cambia falciformes es creada por un cambio de un solo nucleótido, una drásticamente la forma de los glóbulos rojos a una forma anormal sustitución de un par de bases, en el gen que codifica uno de los de hoz. Las células falciformes bloquean los vasos sanguíneos y polipéptidos en la proteína hemoglobina, la proteína que se une los pacientes sufren de falta de oxígeno en los tejidos, lo que al oxígeno en los glóbulos rojos. Los glóbulos rojos contienen provoca dolor en las articulaciones y otros síntomas. Hoz millones de moléculas de hemoglobina, cada una de las cuales consiste

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2.6 Mutaciones: Causas y Consecuencias

(a) Hemoglobina normal y glóbulos rojos normales

(b) Hemoglobina de células falciformes y glóbulos rojos falciformes En el ADN, la hebra plantilla

ADN de hemoglobina normal

mutante tiene una A donde la

ADN de hemoglobina mutante

39

59

39

59

C

CTT

El ARNm mutante tiene

una U en lugar de una A en

Georgia EN

VAMOS 59

39

39

59 Hemoglobina de células falciformes

Hemoglobina normal Glú

plantilla normal tiene una T.

T

SNP

ARNm

ARNm

A

un codón.

El mutante (célula falciforme)

valle

la hemoglobina tiene una valina (Val) en lugar de un glutámico ácido (Glu).

valor

sus

1

2

Leu Thr 3 4

Pro -Glu -Glu 5

. . 146

67.

valor

sus

1

2

Leu Thr 3 4

profesional

5

valor

. . 146

10mm

Cadena

b Cadena

Glú 7.

6

de 10 mm b

El oxígeno se une mal

Hierro

hemo una cadena

una cadena

FIGURA 2.18 Base molecular de la enfermedad de células falciformes (a) La hemoglobina, la proteína que se une al oxígeno de los glóbulos rojos, consta de cuatro cadenas polipeptídicas. Aquí se muestra una parte del gen de la hemoglobina normal junto con su ARNm transcrito y los primeros siete aminoácidos de uno de los polipéptidos de la hemoglobina, que contiene un total de 146 aminoácidos. (b) El gen defectuoso que causa la enfermedad de células falciformes contiene un solo cambio de nucleótido en su secuencia (un ejemplo de un SNP) que altera la traducción de la proteína de la hemoglobina. Este cambio sutil en la estructura de la proteína altera la forma de los glóbulos rojos y hace que se vuelvan falciformes.

La enfermedad celular es uno de los trastornos genéticos hereditarios

Usain Bolt, Elton John, Julia Roberts, Helen Mirren, Bruce Lee, ¡o

mejor comprendidos.

prácticamente cualquier otro ser humano!

A medida que aprendimos más sobre el genoma humano, descubrimos que las secuencias de ADN de personas de diferentes

Pero debido a que hay alrededor de un 0,1 por ciento de diferencia en el ADN entre un individuo y otro, o alrededor de una

orígenes en todo el mundo son muy similares. Independientemente

base de cada mil, esto significa que hay aproximadamente 3 millones

de la etnia, los genomas humanos son aproximadamente idénticos

de diferencias entre diferentes individuos. Muchas de estas variaciones

en un 99,9 por ciento. En otras palabras, su secuencia de ADN es

son creadas por mutación y la mayoría de ellas no tienen efectos

aproximadamente un 99,9 por ciento igual a las secuencias de ADN

evidentes; sin embargo, otras mutaciones influyen fuertemente

del presidente francés Emmanuel Macron,

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Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

de generacion a generacion. Algunas modificaciones epigenéticas pueden ser reversibles, mientras que otras son duraderas. Los cambios epigenéticos pueden diferir entre los tipos de células del cuerpo y en los tejidos normales y enfermos. La dieta y las condiciones ambientales pueden influir en el epigenoma. También sabemos que la epigenética juega un papel importante en aclarar cómo los patrones de expresión génica pueden variar durante el desarrollo embrionario. Cuanto más estudiamos el epigenoma, más aprendemos sobre su complejidad. Recién ahora estamos comenzando a apreciar verdaderamente la importancia del epigenoma. Entonces, ¿qué tipos de modificaciones de la cromatina contribuyen al epigenoma? Las modificaciones epigenéticas afectan tanto al ADN como a las histonas. Por ejemplo, la adición de grupos metilo (-CH3) al ADN, conocida como metilación, ocurre comúnmente en las bases de citosina. También se

FIGURA 2.19 La biotecnología se utiliza para detectar y corregir mutaciones

produce la metilación de las proteínas histonas. Otros ejemplos de modificaciones de histonas incluyen la adición de grupos acetilo (CO CH3), o acetilación, y la adición de grupos fosfato (PO4), o fosforilación

función celular, comportamiento y susceptibilidad a enfermedades genéticas. Estas variaciones son la base de las diferencias en todos los rasgos heredados entre las personas, desde la altura y el color de los ojos hasta la personalidad, la inteligencia y la duración de la vida. La mayor parte de la variación genética entre los genomas humanos es creada por los SNP. Por ejemplo, en una secuencia particular, una determinada base en una región dada de la secuencia de ADN de una persona puede leerse "A", la secuencia de otra puede leerse "T" y el mismo sitio en su secuencia puede leerse "G". La mayoría de los SNP son inofensivos porque se encuentran en regiones de intrones del ADN; sin embargo, cuando ocurren en los exones, pueden afectar la estructura y la función de una proteína, lo que puede influir en la función celular y provocar una enfermedad. La enfermedad de células falciformes es causada por un SNP. Consulte la Figura 1.11, que muestra una comparación de la secuencia de un gen de tres personas diferentes. Un SNP en este gen en la persona 2 puede no tener efecto sobre la estructura y función de la proteína si se trata de una mutación silenciosa. Otros SNP (persona 3) causan enfermedades si cambian la estructura y la función de las proteínas. En otros capítulos, consideraremos diferentes condiciones de enfermedades genéticas, discutiremos cómo se pueden detectar genes defectuosos y examinaremos cómo los científicos están trabajando en la terapia génica y otros enfoques para curar enfermedades genéticas (Figura 2.19; consulte también el Capítulo 11 para obtener más información ). enfermedades genéticas, detección y tratamiento).

(Figura 2.20). La medida en que la metilación, la acetilación y la fosforilación afectan un genoma puede variar mucho de una región de un cromosoma a otra. Estas modificaciones químicas funcionan de maneras complejas para afectar la forma en que el ADN forma un bucle y se pliega en un cromosoma. Dichos efectos estructurales pueden, en última instancia, influir en la facilidad con la que se produce la expresión génica en una región particular de un genoma porque las modificaciones epigenéticas afectan la "accesibilidad" de un segmento de ADN a las proteínas involucradas en la transcripción. Por ejemplo, las regiones muy acetiladas de un genoma hacen que el ADN mantenga una disposición más abierta y menos compacta que permite la transcripción. La eliminación de los grupos acetilo de dicha sección del genoma normalmente inhibe la transcripción. Otras modificaciones epigenéticas que afectan la transcripción incluyen la remodelación de histonas y otras proteínas de unión al ADN, que pueden enmascarar o activar regiones de un genoma; variaciones en los tipos de proteínas histonas que se encuentran en el ADN; y la presencia o ausencia de ncRNA que pueden recubrir el ADN e influir en la expresión génica (Figura 2.20). Debido a que el epigenoma regula la expresión génica, casi todas las principales empresas farmacéuticas y muchas empresas de biotecnología están trabajando en proyectos de epigenética. Sabemos que el epigenoma está involucrado en muchas enfermedades, incluido el cáncer. Inhibir o mejorar las modificaciones epigenéticas para detectar cambios epigenéticos que pueden afectar la expresión

2.7 Revelando el epigenoma

génica para el tratamiento de enfermedades es un área de investigación

Nuestro estudio de los genomas de humanos y otras especies ha

histonas metiltransferasas (HMT), que afectan la expresión génica al

muy candente. Por ejemplo, una categoría de medicamentos llamados proporcionado una gran comprensión del epigenoma y sus influencias

agregar grupos metilo a las proteínas histonas, se ha mostrado

en la expresión génica. El término epigenoma se refiere a modificaciones en la estructura de la cromatina, que no

prometedora en el tratamiento de tumores malignos específicos y

involucran mutaciones en la secuencia de ADN. Algunas modificaciones

medida que aprende más sobre los genomas y las formas en que la

leucemia. Tenga en cuenta esta breve introducción al epigenoma a

epigenéticas se heredan y pueden persistir en varias generaciones de

industria biotecnológica trabaja en tratamientos para enfermedades

descendientes, mientras que otras varían

genéticas.

Machine Translated by Google 2.8 El mecanismo de respuesta inmune en procariotas da como resultado una nueva tecnología extraordinaria

77

FIGURA 2.20 Modificaciones de la cromatina involucradas

Cromosoma

en la epigenética Las modificaciones de la cromatina que se muestran aquí son responsables de muchas influencias epigenéticas en la expresión génica. Estos incluyen la metilación del ADN (Me); modificación de histonas por acetilación (Ac), fosforilación (P) y metilación; remodelación de histonas y otras proteínas de unión al ADN; variaciones de histonas; y ARN no codificantes (ncRNA).

cromatina

Modificaciones de histonas

metilación del ADN

Yo

PAGS

histonas

Yo

Yo

ADN Y

Yo

Histona variantes

ARNnc no codificante

ARN

2.8 El mecanismo de respuesta inmune en procariotas da como resultado una nueva tecnología extraordinaria para editar genes in vitro e in vivo Concluimos este capítulo con una breve discusión de un descubrimiento fundamental sobre las respuestas inmunitarias en las células procariotas que ha llevado a un progreso técnico sin precedentes y a un entusiasmo sobre cómo los científicos pueden intentar reparar mutaciones in vitro e in vivo, incluso en humanos que reciben terapia génica. El sistema llamado CRISPR (repeticiones palindrómicas agrupadas regularmente interespaciadas)-Cas fue descubierto por científicos que intentaban comprender cómo las bacterias combaten las infecciones virales. La investigación original sobre este sistema no pretendía crear una técnica para reparar mutaciones. CRISPR es un sistema inmunitario procariótico que proporciona resistencia a elementos genéticos extraños, como plásmidos y fagos (Figura 2.21). Los CRISPR son segmentos de ADN procariótico que consisten en repeticiones de pares de bases cortos. Cada repetición es seguida por un segmento de espaciador

ADN, que proviene de exposiciones previas a plásmidos o fagos extraños. Las proteínas asociadas a CRISPR (Cas) funcionan como nucleasas. Cas9 fue la primera nucleasa identificada.

Cas9 y otras nucleasas se basan en ncRNA específicos llamados RNA derivados de CRISPR (crRNA) transcritos a partir de secuencias CRISPR para apuntar a secuencias virales específicas para su destrucción. En los procariotas, las secuencias espaciadoras CRISPR pueden reconocer el ADN viral y utilizar nucleasas Cas para digerir secuencias de ADN extrañas, destruyéndolas. Los científicos se dieron cuenta rápidamente de que CRISPRCas podría adaptarse para apuntar a secuencias específicas en un genoma que uno desea cambiar o editar; por lo tanto, el uso de CRISPR-Cas para reparar mutaciones o crear cambios específicos en la secuencia de ADN se conoce como edición de genes o genoma. . Como aprenderá en el Capítulo 3, ningún enfoque para la edición de genes ha llamado más la atención, creado más entusiasmo o generado tantos primeros signos de éxito como CRIS En parte, debido a su simplicidad como técnica de laboratorio, el progreso con CRISPR-Cas para la edición de genes de células cultivadas o en organismos completos ha sido extraordinario. Una introducción a CRISPR-Cas es una excelente conclusión de este capítulo porque demuestra cómo el descubrimiento de un proceso fundamental de la biología celular puede resultar en el desarrollo de una tecnología poderosa con el potencial de salvar vidas. ¡De esto se trata la biotecnología!

Machine Translated by Google 78

Capítulo 2 Introducción a los genes y los genomas

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES

virus invasor (bacteriófago)

Célula bacteriana

Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

1. Distinguir las células eucariotas de las células procariotas explicando al menos tres diferencias entre estos tipos de Incorporación de invasores ADN en fragmentos

células.

(protoespaciadores)

Protoespaciador CRISPR Protoespaciador CRISPR CRISPR

Transcripción y procesamiento de ARNcr ARN CRISPR (ARNcr)

2. Comparar y contrastar genes y cromosomas, y describir sus funciones en la célula. 3. En un nucleótido de ADN, ¿qué carbono del azúcar desoxirribosa está unido a la base nitrogenada? 4. Si la secuencia de una cadena de una molécula de ADN es 5' – ATTGCAGGAACCCTTA – 3', ¿cuál es la secuencia de la cadena complementaria? 5. Supón que identificaste una nueva cepa de bacterias. Si el

crRNA se asocia con cas proteína(s) a degradar el ADN invasor

contenido de ADN de las células de este organismo es 15 por ciento de timina, ¿aproximadamente qué porcentaje del genoma de este organismo consiste en guanina? Explique su responder.

6. Proporcione al menos tres diferencias importantes entre el ADN y el ARN. 7. Haz un diagrama del proceso de replicación semiconservadora

FIGURA 2.21 CRISPR-Cas media respuestas inmunitarias en procariotas

del ADN dibujando una horquilla de replicación e indicando enzimas, proteínas y otros componentes importantes involucrados en este proceso. Proporcione una oración descripción de la función de cada componente.

HACER UNA DIFERENCIA Científicos de todo el mundo están trabajando en una variedad de

8. A lo largo de Introducción a la Biotecnología aprenderás sobre genomas. Con base en sus estudios hasta el momento, ¿qué

enfoques de terapia celular para el tratamiento de enfermedades

es un genoma y qué información se puede aprender del

humanas. Por ejemplo, investigadores del Centro Médico de la

estudio de los genomas?

Universidad Rush y de la Universidad de Emory están investigando las aplicaciones de una nueva terapia celular que utiliza células epiteliales pigmentadas de la retina (células RPE) adheridas a diminutas perlas de gelatina. En estudios de fase inicial, estas perlas se han implantado en el cerebro de pacientes con enfermedad de Parkinson (EP). Los pacientes tratados hasta el momento muestran mejoras en los síntomas asociados con la EP, como temblores, rigidez, lentitud de movimientos y alteración del equilibrio y la coordinación. Este enfoque de terapia celular es muy prometedor,

9. Considere la siguiente secuencia de ARNm: 5' – GGCACCAUGCGUCGAAAAUCAAAGU GAAACACGGG – 3'. ¿Cuántos codones están incluidos en este ARNm? ¿Cuántos aminoácidos están codificados por esta secuencia? Use la Tabla 2.3 para determinar la secuencia de aminoácidos codificada por este ARNm. Nota: Recuerde que las moléculas de ARNm son en realidad mucho más grandes que la secuencia muy corta que se muestra aquí.

ya que algunos pacientes continúan mostrando mejoras 6 años o más después del tratamiento. Las células del RPE producen

10. Considere la siguiente secuencia de ADN:

levodopa, un precursor del neurotransmisor dopamina. La pérdida

5' – GGG ATG CCC TGG ACG CGG CGT ETIQUETA

de neuronas productoras de dopamina es una de las principales

A LAS 3'

causas de la EP. En este enfoque, las células RPE se cultivan en

3' – CCC TAC GGG ACC GGG GCC GCA ATC

un laboratorio y se unen a perlas de gelatina, que son necesarias

AT-5'

para que las células sobrevivan en el cerebro. Luego, las perlas se implantan en los pacientes. Las células implantadas proporcionan

una. Transcribir cada una de estas secuencias en ARNm.

una fuente de levodopa, que las neuronas locales pueden utilizar

¿Qué secuencia de ADN (hebra superior o inferior)

para producir dopamina. Solo el tiempo dirá si este enfoque se

produce un ARNm funcional que contiene un codón de

convertirá en una opción de tratamiento viable o en una cura para

inicio? ¿Cuál es la secuencia de aminoácidos del

la enfermedad de Parkinson, pero sin duda están en marcha muchas

polipéptido producido a partir de este ARNm?

estrategias basadas en células para tratar la enfermedad, estrategias que finalmente “marcarán la diferencia” y aliviarán el dolor y el sufrimiento.

b. Para la hebra de ADN que produce un funcional ARNm, numere cada base de izquierda a derecha con

Machine Translated by Google Estudio de caso La pérdida de ARN circular afecta la degradación de miARN y la función cerebral

el primero de base numerada “1'. Inserte una

18. ¿Por qué algunas mutaciones afectan los cambios en

"T" entre las bases 10 y 11, lo que representa una mutación de inserción de base. Transcriba un ARNm

estructura y función de la proteína que puede resultar en enfermedad, mientras que otras mutaciones no tienen

de esta nueva hebra y tradúzcalo en una proteína.

efectos significativos sobre la estructura y función de la proteína?

Compare la secuencia de aminoácidos de esta proteína con la traducida en (a). ¿Qué sucedió? Explique.

79

19. ¿Qué es el epigenoma y por qué las empresas biotecnológicas y farmacéuticas están interesadas en el epigenoma?

11. Nombre los tres tipos de ARN involucrados en la síntesis de proteínas y describa la función de cada uno. 12. ¿Qué significa la frase “expresión génica”? 13. ¿Por qué los RNA no codificantes (ncRNA) son importantes para las células? En su respuesta, considere uno o dos ejemplos de diferentes ncRNA y sus funciones.

20. En este capítulo proporcionamos una breve introducción a CRISPRCas. Describa brevemente por qué el descubrimiento de CRISPRCas con sus futuras aplicaciones potenciales es un excelente ejemplo de biotecnología que ha generado un tremendo entusiasmo en la comunidad científica.

14. ¿Qué es la regulación de la expresión génica? ¿Por qué es

¿importante? Describir ejemplos de formas en que se puede regular la expresión génica. 15. ¿Qué es un operón? ¿Cómo utilizan las bacterias los operones para regular la expresión génica? 16. Describa brevemente la regulación transcripcional de la expresión génica. 17. ¿Se pueden “activar” y “desactivar” los genes?

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

Explica tu respuesta.

Este estudio de caso se ha incluido para brindarle la oportunidad de familiarizarse con un ejemplo de investigación aplicable a este campo de estudio. Una vez que haya analizado los datos y respondido las preguntas, puede compararlas con las proporcionadas a su instructor con los materiales de texto.

CASO DE ESTUDIO La pérdida de ARN circular afecta la degradación de miARN y la función cerebral A partir de este informe de noticias y del artículo de Science, responda estructura y función celular que son importantes para comprender En la este capítulo nosPor enfocamos en muchos básicos de biotecnología. mucho que hayamoselementos sabido sobre el ARN durante muchas décadas, recientemente los científicos identificaron otra categoría de ARN no codificantes conocida como ARN circular (circRNA).

las siguientes preguntas.

Preguntas Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com

La mayoría de los circRNA se transcriben del genoma y existen como moléculas circulares monocatenarias (los extremos se unen covalentemente para formar círculos) en el citoplasma.

1. Según este estudio, ¿en qué tejidos humanos y de ratón se expresa CDR1? 2. ¿Cuál es la función propuesta de CDR1as y cómo podría interactuar

En 2017, los científicos del Instituto de Biología de Sistemas

con otras moléculas de ARN?

Médicos de Berlín (BIMSB) en Alemania proporcionaron uno de los primeros informes que correlacionan un circRNA específico, llamado

3. ¿Qué resulta de los experimentos con ratones dirigidos por la ciencia? tantes para considerar los roles de CDR1as en humanos?

CDR1as, con funciones biológicas en humanos. Revise el enlace del informe de noticias de Science Daily (https://www .sciencedaily.com/releases/2017/08/170814092952.htm), que brinda acceso a una publicación de Piwecka et al. (Science, 22/09/17), incluidas fotos de circRNAs.

4. En una sola oración, ¿cómo resumiría la importancia potencial de las CDR1as y su papel en el cerebro humano?

Machine Translated by Google

CAPÍTULO TRES

ADN recombinante Tecnología y Genómica Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿÿ Defina la tecnología del ADN recombinante y explique cómo se usa para clonar genes y manipular el ADN.

ÿÿ Comparar y contrastar diferentes tipos de vectores de clonación y describir sus características y aplicaciones prácticas. ÿÿ Comprender la importancia del ADN

bibliotecas como colecciones de ADN clonado que se utilizaron históricamente para aislar genes específicos. ÿÿ Describir cómo se utilizan la electroforesis en gel de agarosa, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), la secuenciación del ADN y otras técnicas comunes de laboratorio, incluido CRISPR-Cas para la edición del genoma, para estudiar la estructura, la función y la expresión de genes para aplicaciones biotecnológicas.

ÿÿ Describir cómo el genoma completo

La secuenciación y los avances en las técnicas de secuenciación del ADN permiten a los científicos analizar genomas rápidamente. ÿÿ Comprender los principales objetivos y hallazgos del Proyecto Genoma Humano.

Complejo proteico CRISPR-Cas unido al ADN. Desde su descubrimiento, ningún método ha generado más potencial y entusiasmo como genoma herramienta de edición para investigación y terapias genéticas que CRISPR-Cas.

ÿÿ Explicar por qué las disciplinas “ómicas” relacionadas con la genómica se están desarrollando rápidamente como áreas de investigación biotecnológica. ÿÿ Proporcione ejemplos de cómo

la bioinformática se puede utilizar para analizar secuencias y estructuras de ácidos nucleicos. ÿÿ Discutir conceptos básicos de biología de sistemas y biología sintética como disciplinas emergentes, y proporcionar ejemplos de aplicaciones potenciales de cada campo.

80

Machine Translated by Google 3.1 Introducción a la tecnología de ADN recombinante y la clonación de ADN

Ciencias. Sin embargo, la era moderna de la biotecnología

Como ha biotecnología nose esdesarrollaron una nueva las Laaprendido, tecnologíalacomenzó cuando técnicas de clonación de ADN. Desde la década de 1970 y hasta el día de hoy, los métodos asombrosos y de rápido desarrollo en la tecnología del ADN recombinante, que permiten unir ADN de diferentes fuentes, han llevado a la ingeniería genética, modificando genéticamente células y organismos de varias maneras. Las aplicaciones de la ingeniería genética han cambiado para siempre la biología molecular, la ciencia básica y la investigación médica. En este capítulo, presentamos una descripción general de la tecnología del ADN recombinante. Luego echamos un vistazo a una asombrosa variedad de técnicas que los científicos usan para clonar y manipular genes y para estudiar la estructura y función de los genes. El capítulo concluye con una introducción a la genómica y la bioinformática, que proporcionan métodos para estudiar genomas. A partir de estas introducciones, estará bien preparado para conocer las aplicaciones modernas del ADN recombinante y la genómica en el mundo de la biotecnología.

PRONÓSTICO DEL FUTURO

81

avanzar durante el próximo medio siglo y más allá. A fines de la década de 1960, muchos científicos estaban interesados en copiar el ADN o clonar genes. Especularon que podría ser posible clonar ADN cortando y uniendo ADN de diferentes fuentes (tecnología de ADN recombinante). Los términos clonación de genes, tecnología de ADN recombinante e ingeniería genética describen procesos diferentes pero estrechamente interrelacionados. La tecnología de ADN recombinante se usa comúnmente para hacer posible la clonación de genes, mientras que la ingeniería genética a menudo se basa en la tecnología de ADN recombinante y la clonación de genes para modificar el genoma de un organismo. A menudo, los términos tecnología de ADN recombin e ingeniería genética se usan indistintamente. La palabra clon se deriva de una palabra griega que describe un corte (de una ramita) que se usa para propagar o copiar una planta. Una definición biológica moderna de un clon es una molécula, célula u organismo producido a partir de otra entidad única. Los métodos de laboratorio necesarios para la clonación de genes que se describen en este capítulo son diferentes de las técnicas utilizadas para clonar organismos completos, que analizamos en el Capítulo 7.

Enzimas de restricción y plásmido Vectores de ADN

Hay muchas direcciones futuras potenciales emocionantes en Muchos descubrimientos casi simultáneos y esfuerzos de la investigación del ADN recombinante y la genómica. Sin colaboración entre varios investigadores llevaron al descubrimiento duda, un área de progreso continuo y sustancial es la de dos componentes esenciales que hicieron posibles las técnicas finalización de miles de proyectos de genoma para diferentes de ADN recombinante y la clonación de genes : enzimas de plantas, animales, bacterias, virus y otros organismos. Los restricción y plásmidos (ADN de plásmido). Las enzimas de científicos continúan prospectando genomas de organismos restricción son enzimas que cortan el ADN, y el ADN plasmídico de todo el mundo para buscar nuevos genes con posibles es una forma circular pequeña de ADN presente de forma natural aplicaciones en biotecnología. Tras el éxito del Proyecto en muchas bacterias, que los científicos han aprendido a manipular Genoma Humano, el uso de información genómica para para transportar y clonar otras piezas de ADN. nuevas aplicaciones, incluidos métodos novedosos para la Mucho de lo que sabemos sobre la replicación del ADN y las detección de genes de enfermedades, terapias dirigidas enzimas sintetizadoras de ADN que hicieron posible la clonación basadas en la genética y nuevas estrategias de edición se aprendió del estudio de la estructura y replicación del ADN en basadas en genes para una variedad de enfermedades, tiene bacterias y bacteriófagos. Los bacteriófagos, a menudo llamados una gran importancia. promesa de aliviar el dolor y el simplemente fagos, son virus que infectan las células bacterianas. sufrimiento a través de la biotecnología. A medida que Los microbiólogos en la década de 1960 descubrieron que disminuya el costo de la secuenciación del ADN, la algunas bacterias están protegidas de la destrucción por los secuenciación de genomas individuales (genómica personal) será más común.

3.1 Introducción a la tecnología de ADN recombinante y la clonación de ADN En su artículo histórico que detalla la estructura de doble hélice del ADN, los científicos James Watson y Francis Crick insinuaron que la estructura misma del ADN transmitía un medio para su replicación, subrayando así la importancia potencial y el impacto de este descubrimiento. Sin embargo, ni siquiera estos ganadores del Premio Nobel podrían haber imaginado el asombroso ritmo al que se desarrollaría la biología molecular.

bacteriófagos porque pueden restringir la replicación de los fagos. El científico suizo Werner Arber propuso que el crecimiento restringido de los fagos ocurría porque estas bacterias contenían enzimas que podían cortar el ADN viral en pequeños pedazos, impidiendo así la replicación viral. Debido a esta capacidad, estas enzimas se denominaron enzimas de restricción. En 1970, trabajando con la bacteria Haemophilus influenzae, el investigador de la Universidad Johns Hopkins, Hamilton Smith, aisló HindIII, la primera enzima de restricción bien caracterizada y utilizada para la clonación de ADN. Las enzimas de restricción también se denominan endonucleasas de restricción (endo, "dentro"; nucleasa, "enzima cortadora de ácido nucleico") porque cortan dentro de las moléculas de ADN en secuencias específicas, a diferencia de las enzimas (exonucleasas) que cortan comenzando por los extremos libres de las moléculas de ADN. , y

Machine Translated by Google 82

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

no en secuencias específicas. Smith demostró que HindIII podría

Las enzimas de restricción se conocen comúnmente como

usarse para cortar o digerir ADN en pequeños fragmentos. En 1978,

cortadores de cuatro o seis pares de bases porque normalmente

Smith compartió el Premio Nobel con Werner Arber y Daniel Nathans por sus descubrimientos de las enzimas de restricción y sus

reconocen sitios de restricción con una secuencia de cuatro o seis

aplicaciones.

Cada sitio de restricción es un palíndromo: la disposición de los nucleótidos se lee igual hacia adelante y hacia atrás en hebras

Las enzimas de restricción se encuentran principalmente en

nucleótidos. También se han identificado cortadores de ocho pares de bases.

las bacterias y reciben nombres abreviados basados en el género y

opuestas de la molécula de ADN. (Recuerde la palabra señora o la

la especie de las bacterias de las que se aíslan. Por ejemplo, una de

frase un Toyota como ejemplos de palíndromos.) Algunas enzimas

las primeras enzimas de restricción que se aisló, EcoRI, se llama así

de restricción, como EcoRI, cortan el ADN para crear fragmentos de

porque se descubrió en la cepa de Escherichia coli (E. coli) llamada

ADN con extremos colgantes de una sola hebra llamados extremos

RY13. Las enzimas de restricción se cortan en doble cadena

"pegajosos" o cohesivos (consulte la Figura 3.1a); otras enzimas

ADN al escindir el enlace fosfodiéster (en el esqueleto de azúcar-

generan fragmentos con extremos bicatenarios llamados extremos romos. La tabla 3.1 muestra algunas enzimas de restricción comunes,

fosfato) que une los nucleótidos adyacentes en una hebra de ADN. Sin embargo, las enzimas de restricción no solo cortan el ADN al

sus microorganismos de origen y sus sitios de restricción. Observe

azar, ni todas las enzimas de restricción cortan el ADN en los mismos

que las tres primeras enzimas de la tabla son cortadores de seis

lugares.

pares de bases que producen moléculas de ADN con extremos

Al igual que otras enzimas, las enzimas de restricción muestran

cohesivos. La cuarta enzima (TaqI) es un cortador de cuatro pares

especificidad por ciertos sustratos. Para estas enzimas, el sustrato

de bases que produce extremos cohesivos, y las tres enzimas

es una secuencia específica dentro del ADN de doble cadena. Como se muestra en la figura 3.1a, las enzimas de restricción se unen,

inferiores producen fragmentos de ADN con extremos romos. Las

reconocen y cortan (digieren) el ADN dentro de secuencias

enzimas que producen extremos cohesivos a menudo se prefieren a los cortadores de extremos romos para muchos experimentos de

específicas de bases denominadas sitios de restricción. ¿Por qué

clonación porque los fragmentos de ADN con extremos cohesivos se

las enzimas de restricción no digieren el ADN de las células

pueden unir fácilmente.

bacterianas? Las bacterias protegen su ADN de la digestión con

El ADN de cualquier fuente, como bacterias, humanos, perros, gatos,

enzimas de restricción porque algunos de los nucleótidos en su ADN

ranas, dinosaurios o restos humanos antiguos, puede ser digerido

contienen grupos metilo que bloquean la digestión de las enzimas de

por una enzima de restricción particular siempre que el ADN tenga

restricción (Figura 3.1b).

un sitio de restricción para

(a)

(b)

Restricción enzima EcoRI

EcoRI metilasa

39

59 GRAMO

AATTC

no metilado ADN

GAATTC no metilado ADN

sitio de restricción

CTTAAG 39

39

59

EcoRI

CTTAAG 39

59

59

Escote Restricción enzima EcoRI

Extremos cohesivos

39

59 GRAMO

CTAAA 39

CH3

39

59

AATTC

GRAMO

Metilado ADN

C

GRAMO

59

EcoRI no escindirá el ADN metilado

Automóvil club británico

TT

TT

C

Automóvil club británico

GRAMO

59

39

CH3

FIGURA 3.1 Sitios de restricción y acción de enzimas de restricción (a) La digestión de ADN por EcoRI produce fragmentos de ADN con extremos cohesivos. (b) La metilación del sitio de restricción EcoRI por la enzima EcoRI metilasa bloquea la escisión del ADN por parte de EcoRI. Nota: la metilación del sitio de restricción EcoRI ocurre en un nucleótido de adenina, pero la metilación ocurre con más frecuencia en los nucleótidos de citosina.

Machine Translated by Google 83

3.1 Introducción a la tecnología de ADN recombinante y la clonación de ADN

TABLA 3.1 Enzimas de restricción comunes Fuente

Sitio de restricción

Enzima

Microorganismo Crear extremos cohesivos Haemophilus influenzae

Escherichia coli

Bacilo

HindIII

EcoRI

BamHI

59

A-A-G-C-T-T

39

59

A

39

T-T-C-G-A-A

59

39

T-T-C-G-A

59

G-A-A-T-T-C

39

59

39

C-T-T-A-A-G

59

39

59

G-G-A-T-C-C

39

59

39

C-C-T-A-G-G

59

39

A-G-C-T-T

GRAMO

A

A-A-T-T-C

59

39

C-T-T-A-A

GRAMO

39

GRAMO

G-A-T-C-C

59

39

amyloliquefaciens

Termo

Todo

C-C-T-A-G

59

T-C-G-A

39

59

T

39

A-G-C-T

59

39

A-G-C

GRAMO

59

39

C-G-A

acuático

T

59

Crear extremos romos Arthrobacter lúteo

Haemophilus

aluminio

Bandera III

59

A-G-C-T

39

59

A-G

C-T

39

39

T-C-G-A

59

39

T-C

G-A

59

59

G-G-C-C

39

59

C-C

C-C

39

39

C-C-G-G

59

39

G-G

G-G

59

59

C-C-C-G-G-G

39

59

C-C-C

G-G-G

39

39

G-G-G-C-C-C

59

39

G-G-G

C-C-C

59

aegyptius

Serratia

Pequeña

marcescens

Machine Translated by Google 84

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

HERRAMIENTAS DEL OFICIO Enzimas de restricción Las enzimas de restricción son “tijeras”

fragmento de ADN que se utiliza como sonda para detectar

sofisticadas que los biólogos moleculares

genes similares en otras especies. No hace mucho tiempo, si

utilizan para manipular el ADN. Trabajar con

tenía muchas enzimas en su congelador, podía digerir este ADN

enzimas de restricción se ha vuelto mucho

y ejecutar geles para ver si podía obtener una pieza de 250 pb,

más fácil desde que Hamilton Smith y otros fueron pioneros en

pero este enfoque impreciso requería mucho tiempo y recursos.

su uso. Ahora, más de 600 enzimas de restricción están

Si hubiera secuenciado su gen, podría escanear la secuencia

disponibles comercialmente a un precio bastante bajo. Estas

con sus ojos, buscando un sitio de restricción de interés, ¡un

enzimas están fácilmente disponibles porque han sido clonadas

esfuerzo que requiere mucho tiempo y cansa la vista! Internet

utilizando tecnología de ADN recombinante, por lo que se fabrican

facilita mucho esta tarea, porque muchos sitios web funcionan

y aíslan en grandes cantidades. Las enzimas preparadas

como herramientas en línea para analizar sitios de corte de

comercialmente vienen en preenvases de tamaño conveniente

enzimas de restricción. Por ejemplo, en Webcutter, las secuencias

con soluciones tampón que brindan todos los componentes

de ADN se pueden ingresar y buscar para determinar la restricción.

necesarios para una actividad enzimática óptima. Si los investigadores deben trabajar con una enzima con la que no están

patrones de corte de enzimas (vea el problema 9 en "Preguntas y

familiarizados, pueden utilizar bases de datos de enzimas de

actividades" al final del capítulo).

restricción como REBASE (http://rebase.neb.com), una excelente

La aplicación generalizada de técnicas de ADN

herramienta para localizar especificaciones técnicas y proveedores

recombinante en muchas áreas de la investigación biológica

de enzimas.

y médica ha dado lugar a cientos de libros, sitios web y revistas

Además, una variedad de paquetes de software y sitios web están disponibles para ayudar a los científicos que trabajan

los biólogos publican y comparten información sobre técnicas de

con enzimas de restricción y secuencias de ADN. Por

clonación molecular.

ejemplo, imagina que eres un biólogo molecular que acaba de

Varios sitios que se usan comúnmente para diseñar cebadores

sobre técnicas. En Bio Techniques (una revista mensual popular),

clonar y secuenciar una pieza de ADN de 7200 pares de bases

de PCR, así como otras aplicaciones, se proporcionan en Keeping

(pb) y quieres ver si hay una enzima que corte tu gen para crear

Current: Web Links, en el sitio web complementario.

una de 250 pb.

esa enzima. En el sentido más simple, el descubrimiento de las enzimas de restricción proporcionó a los biólogos moleculares las “tijeras” necesarias para llevar a cabo la clonación de genes. A principios de la década de 1970, Paul Berg, Herbert Boyer, Stanley Cohen y sus colegas de la Universidad de Stanford utilizaron la clonación de genes para cambiar la biología molecular para siempre. Berg fundó la tecnología del ADN recombinante cuando creó una pieza de ADN recombinante uniendo, o empalmando, el ADN del cromosoma de E. coli y el ADN de un virus de primate llamado virus simio 40 (SV40). Berg aisló por primera vez ADN cromosómico de E. coli y ADN de SV40. Luego cortó ambas muestras de ADN con EcoRI, agregó E. coli y fragmentos de ADN viral a un tubo de reacción con la enzima ADN ligasa y logró crear una molécula híbrida de SV40 y ADN de E. coli . La importancia de este descubrimiento se reconoció plenamente cuando Paul Berg ganó el Premio Nobel de Química en 1980 por este experimento, que demostró que el ADN podía cortarse de diferentes fuentes con la misma enzima y que los fragmentos de restricción podían unirse para crear un ADN recombinante. molécula. Berg compartió este premio con Walter Gilbert y Frederick Sanger, quienes desarrollaron de forma independiente métodos para secuenciar el ADN, un proceso que trataremos más adelante en este capítulo.

Mientras Berg trabajaba con ADN cromosómico, Cohen estaba interesado en la biología molecular de pequeñas piezas circulares de ADN conocidas como plásmidos. El ADN plásmido se encuentra principalmente en bacterias. Los plásmidos se consideran ADN extracromosómico porque están presentes en el citoplasma bacteriano además del cromosoma bacteriano. Los plásmidos son pequeños; la mayoría tienen un tamaño promedio de aproximadamente 1000 a 4000 pb y se replican independientemente del cromosoma. Cohen estudió la replicación de plásmidos, la transferencia de plásmidos entre bacterias y la contribución de la transferencia de plásmidos a la propagación de la resistencia a los antibióticos. Cohen postuló que los plásmidos podrían usarse como vectores: fragmentos de ADN que pueden aceptar, transportar y replicar (clonar) otros fragmentos de ADN. Cohen y Boyer trabajaron con dos plásmidos bacterianos para clonar ADN con éxito. Publicaron los resultados que describen estos experimentos en 1973. Muchos consideran este trabajo como el nacimiento informal de la tecnología del ADN recombinante. Usando EcoRI, una enzima de restricción previamente aislada por Herbert Boyer, cortaron ambos plásmidos y luego unieron fragmentos de cada plásmido, usando ADN ligasa para crear nuevos plásmidos híbridos (recombinantes). Recuerde del Capítulo 2 que la ADN ligasa cataliza la formación de

Machine Translated by Google 3.1 Introducción a la tecnología de ADN recombinante y la clonación de ADN

85

enlaces fosfodiéster entre nucleótidos. La ligasa puede resistencia a la tetraciclina y sitios de restricción para unir ADN con extremos cohesivos y fragmentos con varias enzimas, incluidas EcoRI y HindIII. En un trabajo extremos romos. Como resultado de estos y otros posterior, utilizaron experimentos similares para clonar experimentos, Cohen y Boyer produjeron el primer ADN de la rana sudafricana Xenopus laevis (otro vector plásmido con fines de clonación, llamado pSC101 organismo modelo importante en genética y biología del y denominado “SC” por Stanley Cohen. pSC101 contenía un gen desarrollo) para en el sitio EcoRI de pSC101. Figura 3.2 EcoRI sitios de restricción

1) Cortes de enzimas de restricción (digestos)

Corte

Corte

ADN de doble cadena en su sitio de restricción particular.

GRAMO

T

Automóvil club británico

Humano ADN

C TT

T

Automóvil club británico

C

GAATTC CTTAAG

GRAMO

Corte

Corte

extremo cohesivo

2) La digestión produce fragmentos de ADN . con extremos cohesivos.

Automóvil club británico GRAMO

T T C

TT

Automóvil club británico

C

GRAMO

C TT

GRAMO

Automóvil club británico

GRAMO

TTC

ADN de otro

AATT

C

Automóvil club británico

GRAMO

fuente, tal vez un plásmido bacteriano

C TTAA

GRAMO

Enlaces de hidrógeno de extremos cohesivos

extremo cohesivo

3) Cuando fragmentos de ADN cortados por el GRAMO

AATT

C

TT

G AA

C

viene la misma enzima de restricción juntos, pueden unirse por apareamiento de bases.

C

TTAA

CTT

GRAMO

Automóvil club británico

GRAMO

4) Los fragmentos unidos normalmente formarán una molécula lineal o circular, como se muestra aquí para un plásmido. Otras combinaciones de GRAMO

Sin embargo, también pueden producirse fragmentos.

C

A A T T T T A A

C GRAMO

Unión

GRAMO

C

covalente

A A T T T T A A C GRAMO

de la columna vertebral del ADN

por ADN ligasa 5) La enzima ADN ligasa se utiliza para unir los columna vertebral de los dos fragmentos de ADN, producir una molécula de ADN recombinante

GRAMO

C

A A T T T T A A

C

GRAMO

C TA A T TA T A

GRAMO

C GRAMO

GRAMO

que contienen ADN humano y plásmido. Bacteriano

Humano

plásmido ADN

ADN

ADN recombinante FIGURA 3.2 Creación de ADN recombinante EcoRI se une a un sitio de restricción específico (5'-GAATTC-3') y luego escinde la columna vertebral del ADN, produciendo fragmentos de ADN. Los extremos monocatenarios de los fragmentos de ADN pueden formar enlaces de hidrógeno entre sí porque tienen pares de bases complementarios. Luego, la ADN ligasa puede catalizar la formación de enlaces covalentes en los esqueletos de ADN (ÿ) de los fragmentos para crear una pieza de ADN recombinante.

Machine Translated by Google 86

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

ilustra cómo se puede formar ADN recombinante en un proceso similar al utilizado en los experimentos de Cohen y Boyer.

electricidad de alto voltaje para crear pequeños agujeros en la pared celular bacteriana que permiten la entrada del ADN. La

Cohen y Boyer habían creado el primer vector de clonación de ADN, un vehículo para la inserción y replicación de ADN, y en 1980 obtuvieron patentes para pSC101 y para las técnicas de clonación y empalme de genes que habían desarrollado. Estos experimentos marcaron el comienzo de la biotecnología moderna, porque muchas de las técnicas actuales utilizadas para la clonación y manipulación de genes se basan en estos métodos fundamentales de la tecnología del ADN recombinante.

electroporación también se puede utilizar para introducir ADN en células de mamíferos y para transformar células vegetales. La ligadura de fragmentos de ADN y la transformación por cualquier método son algo ineficaces. Durante la ligadura, parte del plásmido digerido se vuelve a ligar para crear un plásmido recircularizado que carece de ADN extraño. Durante la transformación, la mayoría de las células no captan ADN. Ahora que hemos visto cómo el ADN puede insertarse en un vector e introducirse en células bacterianas, consideramos cómo las bacterias recombinantes (aquellas transformadas con un

En 1974, como resultado directo de los experimentos de Berg, Cohen y Boyer, los pioneros y críticos de la clonación de genes expresaron su preocupación por la seguridad de los organismos modificados genéticamente. Los científicos estaban preocupados por lo que podría suceder si las bacterias recombinantes salieran del laboratorio o si dichas bacterias pudieran transferir sus genes a otras células o sobrevivir en otros organismos, incluidos los humanos. En 1975, un grupo invitado de reconocidos biólogos moleculares, virólogos, microbiólogos, abogados y periodistas se reunieron en el Centro de Conferencias Asilomar en Pacific Grove, California, para discutir los beneficios y peligros potenciales de la tecnología del ADN recombinante. Como resultado de la histórica reunión de Asilomar, los Institutos Nacionales de Salud (NIH) formaron el Comité Asesor de ADN recombinante (RAC), que se encargó de evaluar los riesgos de la tecnología de ADN recombinante y establecer pautas para la investigación de ADN recombinante. En 1976, el RAC publicó un conjunto de pautas para trabajar con organismos recombinantes. El RAC continúa supervisando la investigación de clonación de genes, y el cumplimiento de las pautas del RAC es obligatorio para los científicos que trabajan con organismos recombinantes.

plásmido recombinante) pueden distinguirse de un gran número de bacterias no transformadas y células bacterianas que contienen ADN plasmídico. sin ADN extraño. Este proceso de cribado se llama selección porque está diseñado para facilitar la identificación de (seleccionar por) bacterias recombinantes mientras previene el crecimiento de (seleccionar contra) bacterias no transformadas y bacterias que contienen plásmidos sin ADN extraño.

Cohen y Boyer utilizaron la selección de antibióticos, una técnica en la que las células bacterianas transformadas se colocan en placas de agar con diferentes antibióticos, como una forma de identificar bacterias recombinantes y células no transformadas. Durante muchos años, la selección de antibióticos fue un enfoque ampliamente utilizado. Las técnicas modernas de clonación a menudo incorporan otras estrategias de selección más populares, como la selección “azul-blanca” (la razón de este nombre pronto será obvia). En la selección azul-blanca, el ADN se clona en un sitio de restricción en lacZ . gen, como se ilustra en la Figura 3.3. Recuerde que lacZ El gen codifica la b-galactosidasa (b-gal), una enzima que degrada el disacárido lactosa en los monosacáridos glucosa y galactosa (Capítulo 2). Cuando el gen lacZ es interrumpido por un gen insertado, no se produce enzima b-gal funcional.

Transformación de células bacterianas y selección de antibióticos de bacterias recombinantes Cohen también hizo otra importante contribución a la clonación de genes, lo que hizo posible los experimentos de clonación de pSC101. Su laboratorio demostró cómo la transformación, un proceso para insertar ADN extraño en bacterias, podría utilizarse para introducir ADN en bacterias de forma fiable. Cohen descubrió que si trataba células bacterianas con soluciones de cloruro de calcio, añadía plásmidos a células enfriadas en hielo y luego calentaba brevemente la mezcla de células y ADN, los plásmidos entraban en las células bacterianas. Una vez dentro de la bacteria, la célula replica los plásmidos y expresa sus genes. Las técnicas de transformación se explican con mayor detalle más adelante (Capítulo 5). Un método de transformación más moderno, llamado electroporación, consiste en aplicar un pulso breve (milisegundos) de

Las bacterias transformadas se colocan en placas de agar que contienen un antibiótico: ampicilina, en este ejemplo. Las bacterias no transformadas no pueden crecer en presencia de ampicilina porque carecen de plásmidos que contengan un gen de resistencia a la ampicilina (ampR). Pero la selección de antibióticos por sí sola no distingue bacterias transformadas que contienen plásmidos no recombinantes (plásmidos que se han recircularizado y no contienen inserto de ADN) de bacterias transformadas que contienen plásmidos recombinantes (plásmidos que sí tienen inserto de ADN). Para identificar bacterias recombinantes, el agar también debe contener un sustrato cromogénico (productor de color) para b-gal llamado X-gal (5-bromo-4-cloro 3-indolil-bDgalactopiranósido). X-gal tiene una estructura similar a la lactosa y se vuelve azul cuando se escinde con b-gal. Como resultado, las bacterias no recombinantes (aquellas que contienen un plásmido que se volvió a ligar a sí mismo sin insertar el ADN) contienen un gen lacZ funcional,

Machine Translated by Google 3.1 Introducción a la tecnología de ADN recombinante y la clonación de ADN

87

Sitio de clonación múltiple Celda que contiene

(MCS)

1) Digerir el ADN del plásmido y ADN humano con

gen de interés

la misma restricción

Promotor

enzima.

EcoRI Pequeña

plásmido (~3000 pb)

gen ampR (resistencia a la ampicilina)

BamHI HindIII Todo

ADN de

Bacteria

cromosoma

o (Origen de

gen lacZ

la replicación) Bacteriano

plásmido

cromosoma

ADN que contiene gen de interés

Foto de plásmidos tomados Cohesivo

con un microscopio electrónico.

termina

(b) Mezclar los ADN; se unen por apareamiento de bases. (a) Insertar humano ADN en

(Algunos plásmidos, como este, unirse con el gen de

plásmidos

interés).

no recombinante colonias

(c) Agregar ADN ligasa para unirse covalentemente.

recombinante

recombinante

fragmento de ADN

plásmido

gen que contiene de interés

colonias

no funcional gen lacZ 2) Introducir plásmidos en bacterias por transformación.

célula de E. coli

3) Placa en medio con ampicilina y X-gal. Cada colonia consta de clones

Cultura

derivados de una sola célula. Solo las células transformadas con plásmido crecen en placa con ampicilina. Las colonias no recombinantes aparecerían azules

ADN plásmido

en la placa real (ver arriba

purificación

foto). Las colonias recombinantes son blancas.

FIGURA 3.3 Clonación de un gen en un plásmido y selección azul-blanco

producen b-gal y se vuelven azules. Por el contrario, las bacterias recombinantes se identifican como colonias blancas. Debido a que

se seleccionan bacterias no recombinantes y se identifican o

estas células contienen plásmido con ADN extraño insertado en el gen

contienen plásmidos recombinantes. Las colonias que contienen

seleccionan colonias blancas como las colonias deseadas que

lacZ , no se produce b-gal y estas células no pueden metabolizar X-

plásmidos recombinantes son clones:

gal. Por lo tanto, a través de la selección azul-blanca, no transformada

células bacterianas genéticamente idénticas, cada una de las cuales

y

contiene copias de los plásmidos recombinantes.

Machine Translated by Google 88

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

Introducción a la clonación de genes humanos y Expresión de proteínas para biotecnología Aplicaciones Las enzimas de restricción, la ADN ligasa y los plásmidos son las principales herramientas de los biólogos moleculares para clonar y manipular genes de prácticamente cualquier fuente, aunque pronto

En 1982, la forma recombinante de insulina humana, llamada Humulin, se convirtió en el primer producto de ADN recombinante aprobado para aplicaciones humanas por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA). Poco después de que se dispusiera de la insulina, se clonó la hormona del crecimiento, utilizada para tratar a los niños que padecen una forma de enanismo. Gracias a la tecnología del ADN recombinante, una amplia

aprenderá acerca de muchos otros métodos que también son importantes

variedad de proteínas importantes desde el punto de vista médico que

para la clonación. Con la transformación, los científicos encontraron una

antes eran difíciles de obtener en cantidades adecuadas se hicieron

forma de introducir ADN recombinante en células bacterianas. La tecnología de ADN recombinante hizo posible cortar y unir fragmentos

fácilmente disponibles.

de ADN, insertar ADN en un plásmido (el ADN clonado en un plásmido

importantes como la insulina y la hormona del crecimiento debían aislarse de los tejidos. La hormona del crecimiento se aisló de las

se denomina comúnmente ADN insertado ) y producir grandes cantidades

Antes de la tecnología del ADN recombinante, hormonas

del ADN insertado al permitir que las bacterias sean los caballos de

glándulas pituitarias de cadáveres humanos. Este proceso no solo era

batalla para la replicación. ADN recombinante.

costoso e ineficiente, sino que estos aislamientos también conllevaban el riesgo de co-purificar sin saberlo virus y otros patógenos como contaminantes que podrían transmitirse a las personas que reciben la

Si el fragmento de ADN clonado es un gen que codifica un producto proteico, podrían usarse células bacterianas para sintetizar el producto

hormona. Ahora hay varios cientos de productos disponibles comercialmente fabricados con tecnología de ADN recombinante y que

proteico del gen clonado. A esto lo llamamos expresar una proteína. Los

tienen amplias aplicaciones en investigación básica, medicina y

biólogos moleculares reconocieron que si los genes humanos pudieran

agricultura.

clonarse y expresarse, la tecnología del ADN recombinante se convertiría en una herramienta invaluable con aplicaciones poderosas y

Con una comprensión básica de las técnicas involucradas en la

emocionantes en investigación y medicina. Debido a que las bacterias

manipulación de una pieza de ADN, en la siguiente sección pasamos a

se pueden cultivar en preparaciones a gran escala, los científicos pueden

examinar algunos aspectos importantes de los vectores de ADN y cómo se eligen y utilizan diferentes vectores dependiendo de lo que se desea

producir grandes cantidades de ADN clonado y aislar cantidades de proteína que normalmente sería muy difícil o costosa de purificar sin la

lograr.

clonación (estos procesos se describen con más detalle en los Capítulos 4). y 5). Gracias a la tecnología del ADN recombinante, se puede producir a partir de genes clonados una amplia gama de proteínas valiosas que de otro modo serían difíciles de obtener.

¿Qué hace un buen vector? Los plásmidos forman la base de muchas técnicas que se usan a diario en un laboratorio de biología molecular y todavía se usan comúnmente como vectores de clonación porque permiten la clonación y manipulación

El primer producto genético humano comercialmente disponible de la tecnología del ADN recombinante fue la insulina humana, una hormona peptídica producida por células en el páncreas llamadas células beta. Cuando aumenta la glucosa en sangre, por ejemplo, después de comer una comida rica en azúcar, la insulina reduce la glucosa en sangre al estimular el almacenamiento de glucosa en el hígado y las

de rutina de pequeños fragmentos de ADN. Además, es bastante simple transformar células bacterianas con plásmidos y relativamente fácil aislar plásmidos de células bacterianas. Uno de los primeros vectores plasmídicos ampliamente utilizados, denominado pBR322, se diseñó para incluir genes de resistencia a la ampicilina y la tetraciclina y varios sitios de restricción útiles. Sin embargo, los vectores de clonación de

plásmidos se han diseñado para incorporar una serie de otras células musculares en forma de largas cadenas de glucosa llamadas glucógeno. características importantes que han dejado obsoletos a los primeros Las personas con diabetes mellitus tipo 1 o insulinodependiente no plásmidos como el pBR322. producen insulina por sí mismas.

Como resultado de esta deficiencia de insulina, las personas con diabetes experimentan niveles de azúcar en sangre excesivamente altos (hiperglucemia), lo que, con el tiempo, puede provocar daños graves en muchos órganos del cuerpo. En 1977, el gen de la insulina fue clonado en plásmidos, expresado en células bacterianas y aislado por científicos de Genentech (llamado

Características prácticas de los vectores de clonación de ADN Los vectores de clonación de plásmidos suelen incluir la mayoría de las siguientes características deseables y prácticas: ÿÿ Origen de la replicación (ori): el ori es un sitio para la replicación

así por la tecnología de ingeniería genética ), la compañía de

del ADN que permite que los plásmidos se repliquen por

biotecnología de San Francisco cofundada en 1976 por Herbert Boyer y

separado del cromosoma de la célula huésped. El número de

Robert Swanson. Los detalles de las técnicas utilizadas para clonar

plásmidos en una célula se denomina número de copias. El número

insulina se examinan en el Capítulo 5. Genentech generalmente se

de copias de los plásmidos naturales en la mayoría de las células

considera como la primera empresa de biotecnología en producir un

bacterianas es pequeño (generalmente menos de 12 plásmidos

producto utilizando tecnologías de ADN recombinante.

por célula); sin embargo, muchos de los plásmidos de clonación más deseables se conocen como plásmidos de alto número de copias.

Machine Translated by Google 3.1 Introducción a la tecnología de ADN recombinante y la clonación de ADN

89

plásmidos porque se replican para crear cientos o miles de

genes, lo que a su vez conduce a la síntesis de proteínas. El

copias de plásmidos por célula.

ARN transcrito in vitro se puede usar para sintetizar “sondas” de ARN, que son útiles para estudiar la expresión génica (Sección

ÿÿ Sitio de clonación múltiple (MCS): el MCS es un segmento de

3.4).

ADN plasmídico con sitios de reconocimiento para diferentes enzimas de restricción comunes (consulte la Figura 3.3).

ÿÿ Secuencias de cebadores de secuenciación de ADN: estas

Estos sitios están diseñados en el plásmido para que la digestión

secuencias permiten la secuenciación de nucleótidos de

del plásmido con enzimas de restricción no resulte en la pérdida

fragmentos de ADN clonados que se han insertado en el

de un fragmento de ADN.

plásmido (Sección 3.4).

Más bien, el plásmido circular simplemente se linealiza cuando se digiere con una enzima de restricción. Un MCS brinda una gran flexibilidad en el rango de fragmentos de ADN que se pueden clonar en un plásmido porque es posible insertar fragmentos de ADN generados al cortar con muchas enzimas diferentes.

Tipos de vectores Así como no se puede usar un destornillador para todos los tamaños y tipos de tornillos, los vectores de plásmidos bacterianos no se pueden usar para todas las aplicaciones de clonación. Una limitación principal es el tamaño del fragmento de ADN que se puede insertar en un plásmido. El tamaño del inserto generalmente no puede exceder

ÿÿ Genes marcadores seleccionables : estos genes permiten la selección e identificación de bacterias que se han transformado con un plásmido recombinante. Algunos de los marcadores seleccionables más comunes son

aproximadamente de 6 a 7 kilobases (1 kb = 1000 pb). Además, debido a las diferencias en la traducción entre las células bacterianas y las células eucariotas, algunas veces las bacterias expresan pobremente las proteínas de los genes eucariotas. Debido a

los genes para la resistencia a la ampicilina (ampR), la resistencia

estas y otras limitaciones, los biólogos moleculares han desarrollado

a la tetraciclina (tetR) y el gen lacZ que se usa para la selección azul-blanco.

muchos otros tipos de vectores de ADN, cada uno de los cuales tiene

ÿÿ Secuencias promotoras de la ARN polimerasa: estas

beneficios particulares según la aplicación de clonación. La Tabla 3.2 compara las características, fuentes y aplicaciones importantes de

Las secuencias se utilizan para la transcripción de ARN in vivo e

diferentes tipos de vectores de clonación.

in vitro por la ARN polimerasa. Recuerde que la ARN polimerasa Por ejemplo, el ADN del fago lambda (l) fue uno de los primeros

copia el ADN en ARN durante la transcripción (Capítulo 2). In vivo, estas secuencias permiten que las células bacterianas produzcan ARN a partir de células clonadas .

vectores de bacteriófagos utilizados para la clonación. El cromosoma l es una estructura lineal de aproximadamente

TABLA 3.2 Comparación de vectores de ADN y sus aplicaciones Tipo de vector

Tamaño máximo de inserción (kb) Aplicaciones ~6-12

Vectores de plásmidos bacterianos (circular)

~35

Vectores de bacteriófagos (lineales)

~45

Cósmido (circular)

Limitaciones

Clonación de ADN, expresión

Tamaño de plaquita restringido;

de proteínas, subclonación,

expresión limitada de proteínas; problemas con el

secuenciación directa del inserto ADN

número de copias; replicación restringida a bacterias

Bibliotecas de ADNc,

El empaque limita el tamaño del inserto de

genómicas y de expresión

ADN; problemas de replicación del host

Bibliotecas de ADNc y genómicas,

Restricciones de empaquetado de fagos; no es

clonación de grandes fragmentos de ADN

ideal para la expresión de proteínas; no se puede replicar en células de mamíferos

Cromosoma artificial

~300

bacteriano

Bibliotecas genómicas, clonación de

Replicación restringida a bacterias; no se

grandes fragmentos de ADN

puede utilizar para la expresión de proteínas

Bibliotecas genómicas, clonación de

Debe ser cultivado en levadura; no se puede usar en bacterias

(BAC, circular) Cromosoma artificial

200–2000

de levadura

grandes fragmentos de ADN

(YAC, circular) Ti vectorial

Varía según el tipo de vector

(circular)

de Ti utilizado

Transferencia de genes en plantas

Limitado al uso en células vegetales únicamente; número de sitios de restricción distribuidos al azar; vector de gran tamaño que no se manipula fácilmente

Machine Translated by Google 90

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

49 kb de tamaño. El ADN clonado se inserta en sitios de restricción en el centro del cromosoma l. Los cromosomas recombinantes luego

Ciertos virus, como SV40, se pueden usar para administrar vectores de expresión en células de mamífero. Por lo general, los

se empaquetan en partículas virales in vitro, y estos fagos se usan

vectores derivados de SV40 contienen una secuencia promotora

para infectar E. coli que crece como césped (una capa continua que

fuerte (viral) para la transcripción de alto nivel y una señal de adición

cubre la placa).

de poli(A) para agregar una cola de poli(A) al extremo 3' de los ARNm

Cuando l infecta a E. coli como huésped, las secuencias en el l

sintetizados. Se han utilizado variaciones de tales vectores para la

cromosoma le permiten circularizarse y luego replicarse.

terapia génica humana, como se discutirá en el Capítulo 11.

Una ventaja de estos vectores es que permitieron la clonación de fragmentos de ADN más grandes (hasta aproximadamente 25 kb) que los plásmidos. Los vectores de fagos ya no se usan mucho. Los cromosomas artificiales bacterianos (BAC, por sus

Ti vectores Los vectores Ti son plásmidos naturales, de alrededor de 200 kb de tamaño, aislados de la bacteria Rhizobium radiobacter (anteriormente

siglas en inglés) son plásmidos grandes de bajo número de copias

llamada Agrobacterium tumefaciens

presentes como una o dos copias en las células bacterianas. Los

y renombrado sobre la base de los datos del genoma), un patógeno

BAC pueden aceptar insertos de ADN en el rango de 100 a 300 kb.

vegetal transmitido por el suelo que causa una condición en las

Los cromosomas artificiales de levadura (YAC) son pequeños

plantas llamada enfermedad de la agalla de la corona. Cuando R.

plásmidos que crecen en E. coli y se introducen en células de levadura

radiobacter ingresa a las plantas huésped, una porción de ADN (ADN-

como Saccharomyces cerevi siae. Un YAC es una versión en miniatura

T) del plasma Ti (Ti significa inductor de tumores) se inserta en el

de un cromosoma eucariótico que contiene un ori, marcadores seleccionables, dos telómeros y un centrómero que permite la

cromosoma huésped. El T-DNA codifica la síntesis de una hormona llamada auxina, que debilita la pared celular del huésped. Las células

replicación del YAC. Los fragmentos de ADN extraños se clonan en

vegetales infectadas se dividen y aumentan de tamaño para formar

un sitio de restricción en el centro del YAC junto con los cromosomas

un tumor (agalla). Los genetistas de plantas reconocieron que si

que se encuentran naturalmente dentro de las células de levadura.

podían eliminar la auxina y otros genes perjudiciales del plásmido Ti,

Los YAC son útiles para clonar fragmentos grandes de ADN desde

el vector resultante podría usarse para introducir genes en las células

200 kb hasta aproximadamente 2 megabases (Mb 5 1 millón de

vegetales. Los vectores Ti se utilizan ampliamente para transferir

bases) de tamaño. Al igual que los BAC, los YAC jugaron un papel

genes a las plantas, como aprenderá en el Capítulo 6 (consulte la

importante en los esfuerzos de clonación del Proyecto Genoma

Figura 6.3).

Humano. Pero cada vez más, los avances modernos en la

Ahora que hemos considerado diferentes tipos de vectores y sus

secuenciación del ADN hacen que las aplicaciones de BAC y YAC sean menos aplicaciones, importantes. en la siguiente sección centraremos nuestra atención en cómo los científicos pueden usar la tecnología del ADN

Vectores de expresión

recombinante para identificar y clonar genes de interés.

Los vectores de expresión de proteínas permiten la síntesis (expresión) de alto nivel de proteínas eucariotas dentro de las células bacterianas porque contienen una secuencia promotora procariota adyacente al sitio donde se inserta el ADN en el plásmido. La ARN polimerasa bacteriana puede unirse al promotor y sintetizar grandes cantidades de ARN (para el inserto), que luego se traduce en proteína.

3.2 ¿Cómo identifica y clona un gen de interés?

Las proteínas expresadas luego pueden aislarse usando técnicas bioquímicas (descritas en el Capítulo 4). Sin embargo, no siempre es posible expresar una proteína funcional en bacterias. Por ejemplo, los ribosomas bacterianos a

Cortar y pegar diferentes piezas de ADN para producir una molécula de ADN recombinante pronto se convirtió en una técnica rutinaria en biología molecular. Pero los tipos de experimentos de clonación que hemos descrito hasta ahora permiten la clonación aleatoria de

veces no pueden traducir secuencias de ARN mensajero (ARNm)

fragmentos de ADN basados en sitios de corte de enzimas de

eucariótico debido a diferencias sutiles en los codones que algunas

restricción, no la clonación precisa de un solo gen o una pieza

bacterias usan para la traducción. Si se produce una proteína, es

particular de ADN de interés. Por ejemplo, si estuviera interesado en

posible que no se pliegue ni se procese correctamente, como ocurre

clonar el gen de la insulina y simplemente tomara ADN del páncreas,

en las células eucariotas que utilizan orgánulos para plegar y modificar

lo cortara con enzimas y luego ligara el ADN digerido en plásmidos,

proteínas. Además, la fabricación de algunos productos recombinantes

crearía cientos de miles de plásmidos recombinantes y no solo

en bacterias puede ser un problema porque la E. coli a menudo no

plásmidos recombinantes que contienen sólo el gen de la insulina.

secreta proteínas; por lo tanto, los vectores de expresión se utilizan a menudo en Bacillus subtilis, una cepa más adecuada para la secreción de proteínas. En algunos casos, la bacteria huésped puede reconocer proteínas recombinantes como extrañas y degradar la proteína,

Los biólogos moleculares llaman a este enfoque clonación de “escopeta”, porque muchos fragmentos se clonan aleatoriamente a la

mientras que en otros la proteína expresada es letal para las células

vez y ningún gen individual es el objetivo específico de la clonación.

bacterianas huésped.

¿Cómo sabrías qué recombinante

Machine Translated by Google 3.2 ¿Cómo identifica y clona un gen de interés?

plásmido contenía el gen de la insulina? Si el gen de la insulina contiene

91

con un plásmido que contiene un fragmento de ADN genómico.

un sitio de restricción para la enzima que usó, es posible que se haya

Considere cada clon como un "libro" en esta "biblioteca" de fragmentos

cortado en fragmentos para clonar solo una parte del gen. Además, si las

de ADN. Una desventaja de crear este tipo de biblioteca para genes

secuencias adyacentes al gen de la insulina no tienen sitios de restricción

eucarióticos es que las piezas de ADN que no codifican proteínas,

para la enzima de restricción que usó, es posible que no tenga ningún

llamadas intrones, se clonan además de las secuencias codificantes de

plásmido recombinante que contenga el gen de la insulina.

proteínas (exones). Debido a que la mayoría del ADN en cualquier

Incluso si creara plásmidos con el gen de la insulina, ¿cómo los separaría

biblioteca genómica contendrán fragmentos de ADN que no codifican

de los otros plásmidos recombinantes? Entonces, ¿cómo encuentra un

proteínas. Otra limitación de las bibliotecas genómicas es que muchos

organismo eucariótico consiste en intrones, muchos de los clones en una

gen particular de interés y clona solo la secuencia de ADN que desea

organismos, incluidos los humanos, tienen genomas tan grandes que

estudiar? En los primeros años de la clonación de ADN, estas preguntas

buscar un gen de interés sería como buscar una aguja en un pajar.

a menudo podían responderse mediante un enfoque de clonación que involucraba bibliotecas de ADN. Por el contrario, en una biblioteca de ADNc, el ARNm del tejido de Como aprenderá en la Sección 3.4, un enfoque llamado

interés se aísla y se usa para hacer la biblioteca. Sin embargo, el ARNm

secuenciación del genoma completo y nuevas metodologías de

no se puede digerir con enzimas de restricción, por lo que debe convertirse

secuenciación están reemplazando las bibliotecas de ADN porque

en una molécula de ADN de doble cadena. Se utiliza una enzima

permiten secuenciar una muestra de ADN genómico completo sin la

denominada transcriptasa inversa (RT) para catalizar la síntesis de

necesidad de insertar fragmentos de ADN en vectores y clonarlos en

ADN monocatenario a partir del ARNm (véase la figura 3.4b). Esta enzima

células huésped. . Pero comprender el concepto de una biblioteca de

es producida por virus llamados retrovirus, llamados así porque son

ADN sigue siendo de fundamental importancia para una serie de

excepciones al flujo habitual de información genética. En lugar de tener

aplicaciones modernas. En la Sección 3.4 también consideraremos cómo

un genoma de ADN que pueda usarse para producir ARN, los retrovirus

el análisis de secuencias de ADN usando bioinformática

tienen un genoma de ARN. Después de infectar las células huésped, los retrovirus usan RT para convertir su genoma viral codificado por ARN en

permite identificar secuencias codificantes y no codificantes de proteínas

ADN, para que puedan replicarse. El virus de la inmunodeficiencia

en el ADN clonado.

humana (VIH) es un retrovirus. Como discutiremos, los retrovirus también

Aquí discutimos brevemente las bibliotecas de ADN y luego

tienen importantes aplicaciones en biotecnología como vectores de

presentamos la amplificación de ADN por la reacción en cadena de la

terapia génica (Capítulo 11). Debido a que la RT sintetiza ADN que es

polimerasa para la clonación de genes.

una copia exacta del ARNm, se denomina ADN complementario (ADNc). El ARNm se degrada por tratamiento con una solución alcalina o se

Bibliotecas de ADN: colecciones

digiere enzimáticamente; luego, la ADN polimerasa se usa para sintetizar

de genes clonados

una segunda cadena para crear ADNc de doble cadena.

Durante las primeras décadas de la clonación de ADN, muchas estrategias de clonación comenzaron con la preparación de una biblioteca de ADN: una colección de fragmentos de ADN clonados de un organismo particular contenido dentro de bacterias o virus como huéspedes. Las bibliotecas

Debido a que las secuencias de cDNA no tienen necesariamente

se pueden guardar durante períodos relativamente largos y "seleccionar"

un sitio de restricción conveniente en cada extremo, las secuencias cortas

para seleccionar diferentes genes de interés.

de DNA de doble cadena llamadas secuencias conectoras a menudo se

Normalmente se utilizaron dos tipos de bibliotecas para la clonación,

agregan enzimáticamente a los extremos del cDNA. Los enlazadores contienen sitios de restricción. Están disponibles comercialmente

bibliotecas de ADN genómico y bibliotecas de ADN complementarias (bibliotecas de ADNc). La Figura 3.4 en la página siguiente muestra

diferentes enlazadores para diferentes sitios de restricción. Al agregar

cómo se construyen las bibliotecas genómicas y las bibliotecas de ADNc.

conectores, el ADNc ahora se puede ligar en un sitio de restricción conveniente en un vector de elección, a menudo un plásmido. El plásmido

En una biblioteca genómica, el ADN cromosómico del tejido de interés se aísla y luego se digiere con una enzima de restricción (ver Figura 3.4a). Este proceso produce fragmentos de ADN que incluyen el

recombinante luego se usa para transformar bacterias. Una ventaja principal de las bibliotecas de cDNA sobre las bibliotecas genómicas es que son una colección de genes expresados

genoma completo del organismo. Un vector de plásmido, BAC, YAC o

activamente en las células o tejidos de los que se aisló el mRNA. Además,

bacteriófago se digiere con la misma enzima y se usa ADN ligasa para

los intrones no se clonan en una biblioteca de ADNc. Esta es una de las

ligar piezas de ADN genómico y vector de ADN al azar. En teoría, todos

razones por las que normalmente se prefieren las bibliotecas de ADNc a

los fragmentos de ADN del genoma se clonarán en un vector. A

las bibliotecas genómicas cuando se intenta clonar y expresar un gen de

continuación, los vectores recombinantes se utilizan para transformar las

interés.

bacterias y cada clon de células bacterianas contendrá un vector

Otra ventaja de las bibliotecas de cDNA es que pueden crearse y

recombinante.

analizarse para aislar genes que se expresan principalmente solo bajo ciertas condiciones en un

Machine Translated by Google 92

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

(a)

(b) ARNm

Humano

39

59

AAAA

ADN

TTTTT

Se recoce una imprimación en la cola de poli(A),

Digerir con restricción

que proporciona un extremo 39 libre que puede

enzima

inversa.

utilizarse para la extensión por transcriptasa 39

59

AAAA

Millones de ADN genómico

39

TTTTT

59

fragmentos La transcriptasa inversa Fragmentos de ADN insertados en

39

59

Y AA AA

plásmidos por

ADN

TTTTT

ADN ligasa

59

recombinante 39

59

Y AA AA

ARNm

moléculas de ADN ADN

TTTTT

39

Introducción de

59

El ARNm se digiere

plásmidos en bacterias.

con NaOH o RNasa, una enzima que degrada el ARN.

TTTTT

biblioteca genómica que contiene todo restricción

Una segunda cadena es sintetizada por la

fragmentos de ADN humano

aleatorias como cebadores.

ADN polimerasa utilizando secuencias cortas Enlazador GRAMO

A A

Enlazador

59

T C

C T T A A

GRAMO

A

TTTTT

Georgia

AAAA

C T T A A

T C GRAMO

39

ADN de doble cadena

ADN polimerasa Se añaden enlazadores que contienen

sitio EcoRI

un sitio de restricción. Los vectores de cDNA y plásmido se digieren con EcoRI y luego se ligó con ADN ligasa.

recombinante

Los plásmidos se introducen en bacterias.

moléculas de ADN

biblioteca de ADNc

que contiene genes expresados

FIGURA 3.4 Comparación de una biblioteca de ADN genómico humano y una biblioteca de ADNc (a) El ADN humano se digiere con una enzima de restricción para crear una serie de fragmentos más pequeños que se clonan en plásmidos u otros vectores. Una biblioteca genómica (humana) consiste en una colección de bacterias, cada una de las cuales contiene un fragmento diferente de ADN humano. En teoría, todos los fragmentos de ADN del genoma estarán representados en la biblioteca. (b) En una biblioteca de cDNA, la enzima transcriptasa inversa convierte el mRNA en cDNA. Los enlazadores que contienen un sitio de restricción se agregan al ADNc para crear extremos cohesivos. El cDNA ahora se puede clonar en un plásmido para su posterior replicación en bacterias.

tejido, por ejemplo, durante el desarrollo, la muerte celular, el

Las bibliotecas se han convertido en un aspecto tan rutinario

cáncer y otros procesos biológicos. Se pueden usar estas bibliotecas

de la biología molecular que muchas empresas venden bibliotecas

para comparar genes expresados de tejidos normales y tejidos

preparadas a partir de una variedad de tejidos de diferentes especies.

enfermos. Este enfoque se ha utilizado ampliamente para identificar

Una desventaja es que las bibliotecas de ADNc pueden ser difíciles de crear y examinar si no se dispone de un tejido de origen con una

los genes implicados en la formación del cáncer, como los genes que contribuyen a la progresión de una célula normal a una célula

cantidad abundante de ARNm para el gen. Pero como aprenderá,

cancerosa y los genes implicados en la metástasis (diseminación)

una técnica llamada reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

de las células cancerosas.

con frecuencia puede resolver este problema.

Machine Translated by Google 3.2 ¿Cómo identifica y clona un gen de interés?

93

Los genes específicos se pueden aislar de una

clonación Desarrollada a mediados de la década de 1980 por Kary

biblioteca mediante la detección

Mullis, la PCR resultó ser una técnica revolucionaria que ha tenido un

Las bibliotecas genómicas y de ADNc a menudo constan de varios

impacto en muchas áreas de la biología molecular. En 1993, Mullis

cientos de miles de clones de ADN diferentes, al igual que una biblioteca puede tener muchos libros pero solo unos pocos de interés para sus estudios en genética. Entonces, ¿cómo se puede ubicar un gen de interés específico dentro de una biblioteca? Para hacer esto, necesitamos identificar y aislar solo el clon o clones que contienen ese gen. También debemos determinar si un determinado clon contiene todo o solo una parte del gen que estamos estudiando. Durante varias

ganó el Premio Nobel de Química por su invento. La PCR es una técnica para hacer copias o amplificar una secuencia específica de ADN en un corto período de tiempo, y rápidamente se convirtió en la técnica de elección a la hora de clonar genes. Sin embargo, también tiene muchas otras aplicaciones. Se puede ver un excelente tutorial sobre PCR en el sitio web del Centro de aprendizaje de ADN de Cold Spring Harbor que figura en el sitio web complementario.

décadas, se utilizó de forma rutinaria un enfoque llamado selección de bibliotecas para clasificar una biblioteca y aislar genes específicos de interés. Muchos de los primeros genes que se clonaron y secuenciaron se identificaron de esta manera.

El concepto detrás de una reacción de PCR es notablemente simple. El ADN objetivo que se va a amplificar se agrega a un tubo de paredes delgadas y se mezcla con desoxirribonucleótidos (dATP, dCTP, dGTP, dTTP), tampón y ADN polimerasa. Se añade a la mezcla un

La evaluación de la biblioteca generalmente implica el uso de una sonda,

cualquier secuencia de ADN o ARN que sea complementaria a alguna parte del gen o secuencia diana a identificar en una biblioteca. Las sondas se derivan de una variedad de fuentes; a menudo, se pueden usar genes relacionados aislados de otra especie si se conserva

juego emparejado de cebadores . Los cebadores son oligonucleótidos de ADN monocatenarios cortos, generalmente de alrededor de 20 a 30 nucleótidos de largo. Estos cebadores son complementarios a los nucleótidos que flanquean los extremos opuestos del ADN diana que se va a amplificar (Figura 3.5).

suficiente secuencia de ADN. Por ejemplo, los genes de ratas, ratones o incluso Drosophila que han conservado la similitud de secuencia con los genes humanos se pueden usar como sondas para identificar genes humanos durante la exploración de la biblioteca. Una sonda debe etiquetarse o etiquetarse de diferentes maneras para que pueda identificarse. Cuando se usa en una reacción de hibridación, la sonda se une a cualquier secuencia de ADN complementaria presente en uno o más clones. Inicialmente, las sondas se marcaban con isótopos radiactivos, pero las aplicaciones modernas utilizan sondas marcadas con compuestos no radiactivos que experimentan reacciones colorimétricas, fluorométricas o enzimáticas para indicar la ubicación de un clon específico en una biblioteca.

A continuación, el tubo de reacción se coloca en un termociclador. En el sentido más simple, un termociclador es un bloque de calentamiento sofisticado que es capaz de cambiar rápidamente la temperatura en intervalos de tiempo muy cortos. El ciclador térmico toma la muestra a través de una serie de reacciones llamadas ciclo PCR (Figura 3.5). Cada ciclo consta de tres etapas. En la primera etapa, la desnaturalización, el tubo de reacción se calienta a aproximadamente 94 °C a 96 °C, lo que provoca la separación del ADN objetivo en cadenas sencillas. En la segunda etapa, la hibridación (o hibridación ), el tubo se enfría ligeramente entre 55 °C y 65 °C, lo que permite que los cebadores se unan con hidrógeno, o hibriden, con bases complementarias en los extremos opuestos de la secuencia objetivo. Durante la extensión (o elongación), la última etapa de un ciclo

Las sondas se pueden usar en una variedad de formas para rastrear células en una biblioteca en busca de un gen de interés y luego aislar ese gen posteriormente. Consulte el sitio web complementario para ver una figura que muestra un enfoque para la detección. Las

de PCR, la temperatura generalmente se eleva ligeramente (entre 70 °C y 75 °C) y la ADN polimerasa copia el ADN objetivo uniéndose a los extremos 3' de cada uno. cebador y usando los cebadores como plantillas.

bibliotecas todavía tienen su lugar para ciertas aplicaciones en biotecnología. Sin embargo, como aprenderá más adelante en este capítulo, los métodos básicos de la tecnología del ADN recombinante, incluidas las bibliotecas de ADN, fueron la base para el desarrollo de técnicas poderosas para la clonación y secuenciación del genoma completo, lo que condujo a la era de la genómica de la modificación. genética moderna y biología molecular. Las técnicas genómicas, en las que se secuencian genomas completos sin crear bibliotecas, han reemplazado en gran medida a las bibliotecas, al menos para clonar y aislar uno o unos pocos genes a la vez.

La ADN polimerasa agrega nucleótidos al extremo 3' de cada cebador para sintetizar una cadena complementaria. Al final de un ciclo completo, la cantidad de ADN diana se ha duplicado. El termociclador vuelve a repetir estas tres etapas según el número total de ciclos determinado por el investigador, normalmente 20 o 30 ciclos. La amplificación del ADN diana continúa exponencialmente en función del número de ciclos de amplificación. Por tanto, la mayor ventaja de la PCR es su capacidad para amplificar millones de copias de ADN diana a partir de una cantidad muy pequeña de material de partida en poco tiempo. Debido a que el ADN objetivo se duplica después de cada ronda de PCR, después de 20 ciclos de PCR, se producen aproximadamente 1 millón de copias (220) de ADN objetivo

Reacción en cadena de la polimerasa

a partir de una reacción que comienza con una molécula de ADN

Aunque las bibliotecas fueron efectivas para clonar e identificar un gen

objetivo.

de interés, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es un enfoque mucho más rápido para

Machine Translated by Google 94

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

MATERIALES PARA EMPEZAR

ADN diana 59

ADN polimerasa Cebadores:

39

Objetivo secuencia Pol ADN: 39

nucleótidos:

59

dATP dCTP

59

39

39

59

dGTP dTTP

1) Etapa de desnaturalización Calor para desnaturalizar

ADN

CICLO 1 rendimientos 2

moléculas

2) Hibridación/ Etapa de recocido

que los primers se unan

39

59

Enfriar para permitir

59

imprimaciones

T A A T C C C

(hibridizar)

GRAMO

GRAMO

GRAMO

39 39

3) Etapa de extensión ADN polimerasa extiende el

C A T C T A C GRAMO

GRAMO

extremo 39 de cada

temperaturas, puede soportar los cambios de temperatura necesarios para la PCR sin desnaturalizarse. Las polimerasas termoestables como Taq son esenciales para la PCR. Por cierto, ahora la mayoría de las polimerasas termoestables comercialmente disponibles se producen mediante clonación de ADN, pero la identificación y purificación inicial de Taq es en sí mismo un gran ejemplo de biotecnología. Hay muchas variaciones y diferentes aplicaciones de la tecnología PCR. Por ejemplo, la PCR en tiempo real o cuantitativa (qPCR) utiliza termocicladores especializados que permiten a los investigadores cuantificar las reacciones de amplificación a medida que ocurren. Discutiremos la qPCR más adelante en este capítulo (consulte la Figura 3.16). La PCR tiene amplias aplicaciones en investigación y medicina, como el estudio de la expresión génica, la amplificación de pequeñas cantidades de ADN para detectar patógenos virales e infecciones bacterianas, la amplificación de ADN para diagnosticar enfermedades genéticas, la detección de trazas de ADN de tejidos en la escena del crimen e incluso amplificando ADN antiguo a partir de tejido de dinosaurio fosilizado (Figura 3.6). Muchas aplicaciones de PCR se describen a lo largo del libro.

GRAMO

59

imprimación 39 mitad de ADN

59

imprimaciones

CICLO 2 rendimientos 4

moléculas

CICLO 3 rendimientos 8

moléculas

FIGURA 3.5 La reacción en cadena de la polimerasa

Una clave para la PCR es el tipo de ADN polimerasa utilizada en la reacción. El calentamiento y enfriamiento repetidos necesarios para la PCR desnaturalizarían y destruirían la mayoría de las polimerasas de ADN después de unos pocos ciclos. Están disponibles varias fuentes de polimerasas de ADN adecuadas para PCR. Una de las primeras y más populares enzimas para PCR se conoce como ADN polimerasa Taq . Taq está aislado del dominio Archaea llamado Thermus aquati cus, una especie que prospera en aguas termales. Debido a que T. aquaticus está adaptado para vivir en agua caliente (fue descubierto por primera vez en las aguas termales del Parque Nacional de Yellowstone), ha desarrollado una ADN polimerasa que puede soportar altas temperaturas. Debido a que Taq es estable a altas

Clonación de productos de PCR

La PCR se utiliza a menudo para clonar un gen porque es rápida y eficaz (Figura 3.7). Una desventaja de la clonación por PCR es que, para diseñar cebadores, es necesario saber algo sobre las secuencias de ADN que flanquean el gen de interés. La clonación por PCR es más fácil si el gen ya se ha clonado en otra especie, por ejemplo, si se usan cebadores para un gen clonado previamente de ratones para clonar el gen equivalente de humanos, o si la secuencia de ADN del gen que desea clonar tiene ya ha sido determinado. Hay muchas formas de clonar un gen mediante PCR. Un enfoque, llamado clonación TA, aprovecha una peculiaridad interesante de las polimerasas termoestables. A medida que se copia el ADN, Taq y otras polimerasas utilizadas para PCR normalmente agregan un solo nucleótido de adenina al extremo 3' de todos los productos de PCR (Figura 3.7). Después de amplificar un gen objetivo, los productos de PCR clonados se pueden ligar en plásmidos llamados vectores T. Los vectores T contienen un nucleótido de timina monocatenario en cada extremo que puede emparejarse de forma complementaria con los nucleótidos de adenina sobresalientes en los productos de PCR. Una vez ligado a un vector T, el plásmido recombinante que contiene el producto PCR clonado se puede introducir en bacterias y se puede determinar su secuencia de nucleótidos. La PCR también se usa con frecuencia para subclonar genes, es decir, para clonar partes más pequeñas de un gen, en lugar del gen completo, para hacer una sonda que exprese partes de un gen en una célula con el fin de estudiar la función de genes y proteínas. Ahora que hemos explorado algunas de las estrategias más comunes que se usan para clonar genes, en la siguiente sección consideraremos una amplia gama de enfoques diferentes que los científicos usan para estudiar los genes clonados.

Machine Translated by Google 3.3 Técnicas de laboratorio y aplicaciones de la tecnología del ADN recombinante

95

Pruebas genéticas humanas Amplificación de ADN raro (p. ej.,

y diagnóstico de enfermedades

ADN de fósiles)

clonación de ADN

Aplicaciones PCR

Análisis de ADN forense

Estudiar la expresión génica (p. ej., RT-PCR y qPCR)

Prueba de paternidad y determinando relaciones familiares

identificación de restos humanos

Pruebas de diagnóstico para patógenos

(por ejemplo, identificación militar de soldados y

causantes de enfermedades.

permanece ID en sitios de

(p. ej., análisis de tejido humano

desastre como el World Trade Center en 2001 y el indonesio

y muestras fluidas para bacterias

tsunami de 2004)

alimentos y agua para bacterias

y virus y análisis de muestras de contaminación)

FIGURA 3.6 Aplicaciones de PCR La amplificación de ADN por PCR se ha convertido en una técnica esencial en biología molecular con una amplia gama de aplicaciones diferentes. En esta figura se representan ejemplos de algunas de las aplicaciones más comunes relacionadas con la biotecnología.

3.3 Técnicas de laboratorio y

Gen a ADN diana

clonar

39

59

59

39

Aplicaciones de recombinante Tecnología de ADN

el ADN se desnaturaliza,

cebadores de recocido

Amplifica el ADN con la ADN polimerasa Taq, que añade Nucleótido “A” al final de producto de PCR

A

A

59

A

39 59

59

39

39

59 ETIQUETA CTAT

59

A

39

59

TAG TAC

39

ADN del vector T

39

T vector con monocatenario timina nucleótido en cada extremo

PCR clonado Ligar y subclonar producto de PCR en T vectorial

¿Qué se puede hacer con un gen clonado? Las aplicaciones de la clonación de genes y la tecnología del ADN recombinante son numerosas. La Figura 3.8 resume las aplicaciones comunes, muchas de las cuales se analizan más adelante en otros capítulos. En esta sección, presentamos algunas técnicas de laboratorio de biología molecular de rutina importantes y aplicaciones básicas de la clonación de genes.

producto Serpiente

TATC

CTAT

UNA ETIQUETA

Transformar bacterias

FIGURA 3.7 Clonación de un gen por PCR

Electroforesis en gel de agarosa

La electroforesis en gel de agarosa es una de las técnicas de laboratorio más comunes que se utilizan cuando se trabaja con ADN porque permite separar y visualizar fragmentos de ADN en función del tamaño (Figura 3.9). La agarosa es un material que se purifica a partir de algas marinas, se derrite en una solución tampón y se vierte en una bandeja de plástico. A medida que la agarosa se enfría, se solidifica para formar un gel semisólido horizontal que contiene pequeños agujeros o poros a través de los cuales viajarán los fragmentos de ADN. El porcentaje de agarosa utilizado para crear el gel determina su capacidad para resolver fragmentos de ADN de diferentes tamaños. La mayoría de las aplicaciones generalmente involucran geles que contienen de 0,5 a 2 por ciento de agarosa. Es mejor un gel con un alto porcentaje de agarosa (por ejemplo, 2 po

Machine Translated by Google 96

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

Expresar proteína y estudiar la estructura y función de la proteína in vivo;

Usar proteína purificada para producir

aislar y purificar proteínas

anticuerpos con fines médicos

para estudiar la estructura y la función de las proteínas in vitro

y/o fabricar vacunas para el tratamiento de enfermedades Mutar gen y estudiar función de alterado proteína producida

Estudie la estructura genética, la secuencia genética y la expresión genética en órganos, tejidos y células individuales

Cromosoma Crear nuevos, genéticamente microorganismos manipulados,

recombinante Crear animales transgénicos,

plásmidos con gen clonado de interés

editado por genes y knockout de genes animales para estudiar la función de los genes

animales y plantas con una gama de aplicaciones desde microorganismos que degradan los desechos hasta plantas y animales resistentes a enfermedades

Gen solía alterar las bacterias para la limpieza

Aumento de la producción, aislamiento y

desechos tóxicos

purificación de proteínas terapéuticas (es decir, insulina, hormona de crecimiento humana,

Uso en aplicaciones

y proteínas que disuelven coágulos utilizadas para

forenses

tratar ataques cardíacos) para uso en humanos como productos de ADN recombinante

Uso en humanos

como la toma de

terapia de genes

huellas dactilares de ADN

Gen para plaga resistencia insertado en plantas

Copias de proteína producto aislado Diagnosticar genética humana trastornos e infecciosos condiciones de enfermedad

FIGURA 3.8 Aplicaciones de la tecnología del ADN recombinante

adecuado para separar pequeños fragmentos de ADN porque serpentearán a través de los poros más fácilmente que los fragmentos grandes, que no se separan muy bien a través del gel denso. Un porcentaje más bajo de agarosa es más adecuado para resolver fragmentos de ADN grandes. Para ejecutar un gel, se sumerge en una solución tampón que conducirá la electricidad. Las muestras de ADN se cargan en pequeñas depresiones llamadas pocillos y se aplica una corriente eléctrica a través de electrodos en los extremos opuestos del gel. La separación del ADN por electroforesis se basa en el principio de que el ADN migra a través de un gel según su carga y tamaño (en pares de bases). El esqueleto de azúcar-fosfato hace que el ADN se cargue negativamente a pH fisiológico; por lo tanto, cuando el ADN se coloca en un campo eléctrico, migra hacia el ánodo (polo positivo) y es repelido por el cátodo (polo negativo). Debido a que todo el ADN está cargado negativamente independientemente de la longitud o la fuente, la tasa de migración y separación del ADN a través de un gel de agarosa depende del tamaño de la molécula de ADN. La distancia de migración es inversamente proporcional al tamaño de un fragmento de ADN, por lo que los fragmentos de ADN grandes migran cortos

distancias a través de un gel con relativa lentitud y los fragmentos pequeños migran más lejos. Se agregan colorantes de seguimiento para monitorear la migración de ADN durante la electroforesis. Después del tiempo deseado de electroforesis, el ADN en el gel se tiñe con colorantes como el bromuro de etidio, que se intercalan (penetran) entre los pares de bases de ADN. Estos tintes emiten fluorescencia cuando se exponen a la luz ultravioleta. Se obtiene un registro permanente del gel tomando una fotografía digital del gel mientras se expone a la luz ultravioleta (Figura 3.9b). Observe cómo el ADN de E. coli digerido con HindIII produce un frotis de bandas a diferencia del conjunto de fragmentos discretos visualizados con el ADN de 1 digerido con HindIII . Esta mancha se debe al gran tamaño del cromosoma de E. coli y al gran número de sitios de corte para HindIII; se crean tantos fragmentos que no es posible visualizar bandas discretas. Encontrará técnicas que involucran electroforesis en gel de agarosa a lo largo de este libro y, como estudiante, es muy probable que aprenda a procesar geles de agarosa durante su capacitación en biotecnología (o quizás haya tenido experiencia con geles cuando era estudiante de secundaria).

Machine Translated by Google 3.3 Técnicas de laboratorio y aplicaciones de la tecnología del ADN recombinante (a)

97

(b)

Mezcla de ADN fragmentos de los diferentes tamaños

Cátodo

–

Gel colorante con

Visualizar bandas

colorante de unión al ADN

por fluorescencia

(bromuro de etidio)

bajo luz ultravioleta

Más extenso

fragmentos

pozos Energía fuente

Gel Corto fragmentos

+

gel completado

Ánodo

FIGURA 3.9 Electroforesis en gel de agarosa (a) Los fragmentos de ADN se pueden separar y visualizar mediante electroforesis en gel de agarosa. (b) Fotografía de un gel de agarosa teñido con bromuro de etidio. Los carriles cargados con diferentes muestras de ADN se etiquetan como AO.

Mapeo de restricciones En los primeros días de la clonación de genes, poco después de la clonación de un gen, normalmente se creaba un tipo de mapa físico del gen para determinar qué enzimas de restricción cortaban el gen clonado y para señalar la ubicación de estos sitios de corte. Conocer el mapa de restricción de un gen fue muy útil para subclonar y manipular muchas piezas de ADN relativamente pequeñas (por ejemplo, de 100 a 1000 pb) para secuenciar el ADN y preparar sondas de ADN para estudiar la expresión génica. Antes de que la secuenciación del ADN y la bioinformática se hicieran populares, los mapas de restricción se creaban digiriendo el ADN con diferentes enzimas de restricción y separando los fragmentos de ADN mediante electroforesis en gel.

Una vez que las muestras de ADN fueron digeridas y visualizadas por electroforesis en gel, crear el mapa de restricción real fue como armar un rompecabezas; el patrón de digestión de los fragmentos podría luego interpretarse para determinar la ubicación de los sitios de restricción para diferentes enzimas. Al comienzo del Proyecto Genoma Humano, los mapas de restricción del genoma humano eran importantes para digerir el genoma en partes que pudieran secuenciarse. Debido a que la secuenciación de ADN de fragmentos grandes y pequeños ahora es una rutina, el mapeo de restricción generalmente se realiza utilizando software bioinformático (como Webcutter, descrito en el Problema 9 en "Preguntas y actividades") para identificar los sitios de corte de restricción en una secuencia de ADN sin tener para digerir el ADN y crear un mapa experimentalmente. Sin embargo, debido a la importancia histórica del mapeo de restricciones

y su uso ocasional en la actualidad, el conocimiento de esta técnica sigue siendo valioso.

Secuencia ADN Determinar la secuencia de nucleótidos de un segmento de ADN (su orden exacto de A, G, T y C) es una técnica de rutina en los laboratorios de biología molecular y biotecnología. Conocer la secuencia de ADN de un gen puede ser útil (1) para comprender la estructura cromosómica; (2) deducir la secuencia de aminoácidos de una proteína codificada por un gen clonado; (3) para identificar elementos reguladores tales como secuencias promotoras; (4) identificar diferencias en genes creados por empalme de genes; y (5) para identificar mutaciones genéticas, incluidas las utilizadas para pruebas genéticas humanas, entre muchas otras razones.

La secuenciación del ADN es igualmente valiosa para estudiar y comprender las regiones no codificantes del genoma. Muchos métodos diferentes de secuenciación de ADN están disponibles. Durante las últimas décadas, los métodos de secuenciación progresaron desde enfoques manuales hasta técnicas de secuenciación de “ciclo” de PCR y secuenciación de ADN automatizada por computadora. Las tecnologías de secuenciación continúan mejorando rápidamente cada año. Inicialmente, el enfoque de secuenciación más utilizado fue la secuenciación de terminación de cadena, un método manual desarrollado en 1977 por Frederick Sanger y al que a menudo se hace referencia como secuenciación de Sanger. En esta técnica, un cebador de ADN se hibridó con un molde de ADN desnaturalizado, tal como un plásmido recombinante para ser secuenciado, en un tubo de reacción que contenía desoxirribonucleótidos y ADN polimerasa. Debido a que muchos plásmidos modernos están diseñados con sitios de unión de cebadores de secu

Machine Translated by Google 98

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

la polimerasa podría usarse para extender una hebra complementaria desde

que fue desarrollado por la secuenciación de Sanger. Inicialmente, las

el extremo 3' de los cebadores hibridados al plásmido. El enfoque original

reacciones de secuenciación automatizadas por computadora usaban

utilizaba secuencias de cebadores marcadas con fósforo o azufre radiactivos.

ddNTP, cada uno marcado con un colorante fluorescente no radioactivo de diferente color, o un cebador de secuenciación marcado en su extremo 5'

Se mezcló una pequeña cantidad de un nucleótido modificado

con un colorante visiblemente coloreado (Figura 3.10). Se usó un solo tubo

denominado didesoxirribonucleótido (ddNTP) con el vector, el cebador, la

de reacción, y el método manual de usar geles de poliacrilamida se reemplazó

polimerasa y los desoxirribonucleótidos. Un ddNTP se diferencia de un

por separar las reacciones de secuenciación a través de un tubo de gel de

desoxirribonucleótido normal (dNTP) porque tiene un grupo de hidrógeno

diámetro ultrafino llamado gel capilar. A medida que los fragmentos de ADN

unido al carbono 3' del azúcar desoxirribosa en lugar de un grupo hidroxilo,

se mueven a través del gel, se escanean con un rayo láser. El láser estimula

OH (consulte la Figura 3.10a en la página siguiente). Cuando se incorpora

el tinte fluorescente en cada fragmento de ADN, que emite diferentes

un ddNTP a una cadena de ADN, la cadena no puede extenderse porque la

longitudes de onda de luz para cada ddNTP. La luz emitida es recolectada

ausencia de un 3'-OH impide la formación de un enlace fosfodiéster con un

por un detector que amplifica y luego alimenta esta información a una

nuevo nucleótido; por lo tanto, la cadena está “terminada”.

computadora para procesar y convertir los patrones de luz y revelar la secuencia de ADN (Figura 3.10).

En el enfoque original de Sanger, se instalaron cuatro tubos de reacción separados. Cada tubo contenía vector, cebador y los cuatro dNTP, pero cada tubo también contenía una pequeña cantidad de un ddNTP.

Los secuenciadores de ADN automatizados como estos pueden contener varios geles capilares de varios pies de largo, cada uno de los

Cuando comienza la síntesis de una nueva cadena de ADN a partir del

cuales genera aproximadamente 1000 pb de secuencia de ADN por reacción.

cebador, la ADN polimerasa inserta aleatoriamente un ddNTP en la secuencia

Estos sistemas fueron una gran mejora con respecto a los sistemas manuales

en lugar de un dNTP normal, lo que impide la síntesis posterior de una

de Sanger porque podían generar cantidades relativamente grandes de

cadena complementaria. Con el tiempo, se incorporará un ddNTP en todas

secuencias de ADN en un tiempo relativamente corto, con una precisión de

las posiciones de las cadenas recién sintetizadas, creando una serie de

alrededor del 99,999 por ciento por alrededor de $ 0,50 por kilobase. Los

fragmentos de diferentes longitudes que terminan en residuos didesoxi.

secuenciadores de ADN automatizados de este período a menudo contienen múltiples geles capilares (hasta 96) y podían procesar varios miles de bases de secuencias, por lo que muchos de estos instrumentos permiten generar

Las hebras de ADN se separaron en un gel delgado de poliacrilamida,

más de 2 millones de pb de secuencias en un día. Como resultado, estos

que podía separar secuencias que diferían en longitud por un solo nucleótido.

secuenciadores se conocieron como secuenciadores de alto rendimiento

Se utilizó autorradiografía para detectar los fragmentos de secuenciación

debido a su capacidad para procesar y generar grandes cantidades de datos

radiactiva. La secuencia determinada a partir del autorradiograma se "leía"

de secuencias en períodos relativamente cortos.

de abajo hacia arriba como nucleótidos individuales. La secuenciación de Sanger ha sido reemplazada en gran medida por enfoques automatizados por computadora, como se analiza en la siguiente sección.

Estos secuenciadores se volvieron esenciales para el progreso acelerado del Proyecto Genoma Humano. Todavía se utilizan a menudo tanto en laboratorios de investigación

La secuenciación de alto rendimiento automatizada por computadora reemplaza la técnica de secuenciación original de Sanger

académica como en biotecnología porque son relativamente económicos en comparación con los nuevos instrumentos, especialmente para aplicaciones rápidas y secuenciación de piezas de ADN relativamente pequeñas. Pero alrededor de 2005 y en los años posteriores, las tecnologías

Debido a las limitaciones en la ejecución de un gel de secuenciación, el

de secuenciación mejoraron drásticamente. Para los laboratorios involucrados

método original de Sanger podría usarse solo para secuenciar

en esfuerzos de secuenciación a gran escala que necesitan generar

aproximadamente de 200 a 400 nucleótidos en una sola reacción; por lo

cantidades aún mayores de datos de secuencia de manera más rápida y

tanto, al secuenciar una pieza más larga de ADN, por ejemplo, 1000 pares

eficiente, la secuenciación de próxima y tercera generación son las

de bases, era necesario ejecutar múltiples reacciones para crear secuencias

tecnologías líderes.

superpuestas que pudieran unirse para determinar la secuencia completa y continua de 1000 pares de bases. Debido a esta limitación, el enfoque de Sanger fue un método engorroso para los esfuerzos de secuenciación a gran escala, como el Proyecto Genoma Humano. Como pronto aprenderá,

Secuenciación de próxima generación (NGS)

en última instancia, el proyecto se completó antes de lo previsto en parte

La genómica, junto con el deseo de secuenciar y analizar genomas

debido al desarrollo de métodos de secuenciación de ADN de alto

completos (incluida la secuenciación y el análisis de genomas humanos para

rendimiento automatizados por computadora capaces de secuenciar

detectar y tratar enfermedades genéticas), ha estimulado la demanda de

tramos más largos de ADN.

secuenciadores que sean más rápidos y capaces de generar millones de bases de secuencias de ADN en un tiempo relativamente corto. , lo que lleva al desarrollo de tecnologías de secuenciación de próxima generación

Durante aproximadamente dos décadas desde principios de la década de 1990, la secuenciación de alto rendimiento se basó en la química básica

(NGS, por sus siglas en inglés) diseñadas para producir

Machine Translated by Google 99

3.3 Técnicas de laboratorio y aplicaciones de la tecnología del ADN recombinante

(a)

O

O

O 59

—O—P—O—P—O—P—O—CH2 Oh Adenina

O– O– O– 49

19

39 29 S.S

29,39-didesoxiadenosina trifosfato (ddATP)

(b) ADN

Primer

(cadena plantilla) 59 39

Didesoxirribonucleótidos (marcados con fluorescencia)

desoxirribonucleótidos

T

C

GRAMO

T

T T

GRAMO

59

A C T T C

dATP

ddATP

dCTP

ddCTP

dTTP

ddTTP

dGTP

ddGTP

ADN polimerasa

GRAMO

39

59

C

PPA

PPA

A C A A

GRAMO

GRAMO

H

OH

39

ADN (cadena plantilla)

39

Hebras etiquetadas 39

T

39

C

T

T

GRAMO

39

A C

39 39

T T C

39

39

ddG GRAMO

GRAMO

GRAMO

A A

A A

A A

GRAMO

ddA A

A A

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

C T

C T

C T

C T

C T

C T

ddA

A C T

ddG

A A GRAMO

ddC GRAMO

39

ddT

ddA

ddC

ddG

A C A A

T

C T

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

T T

T T

T T

T T

T T

T T

T T

T T

T T

59

59

59

59

59

59

59

59

más corto

59

más largo

Dirección de movimiento de los hilos. gel capilar

Láser

C T

Detector

GRAMO

A C T GRAMO

A A GRAMO

C

cromatógrafo

FIGURA 3.10 Secuenciación de ADN automatizada por computadora (a) La estructura de un didesoxinucleótido (ddNTP). Tenga en cuenta que el grupo 3 'unido al carbono es un hidrógeno en lugar de un grupo hidroxilo (OH). Debido a que no se puede unir otro nucleótido en el extremo 3' de un ddNTP, estos nucleótidos son la clave para la secuenciación del ADN mediante el método de Sanger, como se muestra (b). Los enfoques automatizados por computadora separan los fragmentos de ADN utilizando un gel capilar. Se utilizan un láser y un detector para detectar la fluorescencia de cada didesoxinucleótido.

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Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

tramos de secuencia de ADN, más de 1 gigabase (mil millones método, se añaden y detectan nucleótidos terminadores marcados de bases) de ADN por reacción, a un bajo costo. Los enfoques de con fluorescencia. Luego, las etiquetas fluorescentes y las NGS prescinden de la química de Sanger y los métodos de porciones de terminación del nucleótido se eliminan para permitir electroforesis capilar en favor de formatos paralelos sofisticados otro ciclo de extensión. Este enfoque ahora puede generar (formatos de reacción simultánea) que utilizan técnicas y software alrededor de 600 gigabases (Gb = 1000 millones de pb) de datos de imágenes de fluorescencia de última generación para comparar en 10 días, lo suficiente para secuenciar cuatro genomas humanos y promediar los datos de secuencia para muchas hebras completos, con cada base secuenciada un promedio de 30 veces secuenciadas simultáneamente. Las tecnologías NGS para mayor precisión. La instrumentación necesaria para ejecutar proporcionaron una capacidad sin precedentes para generar estas plataformas es costosa. Por ejemplo, el instrumento Illumina cantidades masivas de datos de secuencias de ADN rápidamente HiSeq cuesta unos 700 000 dólares. Pero dada la enorme cantidad y con costos por base drásticamente reducidos. NGS se ha vuelto de datos de secuencia que pueden generar los métodos NGS, el tan rutinario que, a menudo, cuando los científicos hablan de costo promedio por base es mucho más bajo que el de la "secuenciación" en términos generales, se refieren a NGS. secuenciación de Sanger. El deseo de secuenciación de próxima generación entre la comunidad de investigación y desafíos como el genoma de $1000 Tecnología de secuenciación de tercera generación (que se analiza más adelante en este capítulo) llevaron a una intensa carrera tecnológica entre muchas empresas ansiosas por Poco después de que se comercializaran los métodos NGS, las producir métodos NGS. Como resultado, surgieron varias empresas anunciaron avances en la secuenciación de tercera tecnologías NGS en 2005. Algunos de los primeros instrumentos generación (TGS). Los métodos TGS se basan en estrategias eran capaces de producir tantos datos como 50 sistemas de que secuencian una sola molécula de ADN monocatenario y se están explorando al menos cuatro enfoques diferentes. electroforesis capilar y eran hasta 200 veces más rápidos y La tecnología PacBio de Pacific Biosciences es una de las líderes económicos que los enfoques convencionales de Sanger. Los en TGS e implica un enfoque conocido como secuenciación de instrumentos NGS generalmente producen longitudes de lectura cortas de aproximadamente 50 a 400 pb, y luego estos fragmentos una sola molécula en tiempo real (SMRT). El instrumento PacBio funciona uniendo moléculas monocatenarias del ADN que de secuencia se unen mediante software para producir un genoma se va a secuenciar a una sola molécula de ADN polimerasa completo y coherente. anclada a un sustrato y luego visualizando, en tiempo real, la Una empresa de biotecnología llamada 454 Life Sciences, polimerasa mientras sintetiza una cadena de ADN (consulte la posteriormente adquirida por Roche, fue la primera empresa en comercializar una tecnología NGS. Este enfoque secuenció los Figura 3.11 ). ). La ADN polimerasa está confinada dentro de un agujero, un nanoporo de unos 10 nm de diámetro ubicado dentro genomas utilizando el llamado método de fase sólida en el que de una fina capa de metal sobre un sustrato de vidrio. Esta las perlas se unieron al ADN genómico fragmentado, que luego configuración permite la iluminación necesaria para detectar se amplificó por PCR en gotas de agua separadas en aceite para nucleótidos individuales a medida que se agregan a cadenas cada perla, se cargó en placas de múltiples pocillos y se mezcló simples sintetizadas en el nanoporo. con ADN polimerasa. Las placas multipocillos podían contener La polimerasa agrega nucleótidos marcados con tinte más de un millón de pocillos, cada uno de los cuales servía como fluorescente a una hebra de ADN en crecimiento recién sintetizada. tubo de reacción para la secuenciación. Una reacción llamada pirosecuenciación Debido a que el tinte está unido a una cadena de fosfato terminal luego se utilizó para secuenciar el ADN en las perlas de cada del nucleótido, se escinde cuando se incorpora a la cadena recién pocillo. Con este método, la secuenciación 454 podría generar del sintetizada. El colorante fluorescente parpadea cuando la base se orden de 400 millones de bases (Mb) de datos por ejecución de incorpora a la cadena de ADN. Cada base parpadea con un color 10 horas. Por cierto, las tecnologías de secuenciación NGS característico que se detecta y registra. Otras tecnologías de también están creando importantes desafíos de gestión de datos secuenciación de nanoporos aplican una corriente eléctrica a para guardar y almacenar archivos de datos de imágenes tan través del poro y miden las interrupciones en la corriente única de grandes. Pero en 2013, la tecnología de secuenciación avanzaba tan rápidamente que Roche disolvió 454 Life Sciences porque cada nucleótido para determinar la secuencia a medida que se crea una cadena recién sintetizada. incluso este enfoque NGS no era competitivo con los sistemas más nuevos. Illumina HiSeq y las variaciones de este instrumento se El PacBio fue uno de los primeros instrumentos de "lectura encuentran entre las plataformas NGS más comunes que se utilizan actualmente en los laboratorios de secuenciación de vanguardia. larga" en llegar al mercado. Genera longitudes de lectura de más de 1500 pb. Recientemente, PacBio se utilizó para secuenciar los Este sistema utiliza un enfoque de secuenciación por síntesis . genomas de cinco cepas de Vibrio cholerae involucradas en un Este método implica el uso de fragmentos de ADN como plantillas brote de cólera en Haití en menos de una hora. Esta determinación para sintetizar nuevas hebras, incorporar nucleótidos marcados genética de las cepas de Vibrio resultó en una acción rápida para con diferentes tintes, eliminar los nucleótidos no incorporados, tratar con éxito el brote con antibióticos a los que estas bacterias obtener imágenes de los nucleótidos incorporados y repetir este no eran resistentes. La mayoría de las tecnologías TGS todavía ciclo. El método desarrollado por Illumina une fragmentos de ADN tienen tasas de error algo altas para la precisión de secuenciación: a un soporte sólido y luego, usando reacciones similares a las de alrededor del 15 por ciento de errores en Sanger

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3.3 Técnicas de laboratorio y aplicaciones de la tecnología del ADN recombinante

nucleótidos fluorescentes

T

T

GRAMO

A

GRAMO

C

T

C A

ADN

C GRAMO

polimerasa

GAGC

GAGCA

GAGCA

CTCGT

CTCGT

CTCGTC

1) La ADN polimerasa ubicada en un nanoporo anclado a un sustrato sólido se une a una molécula de ADN monocatenario que se va a

2) La ADN polimerasa agrega

3) La etiqueta fluorescente se corta o cada base a medida que se agrega a la

nucleótidos marcados con

hebra de ADN.

fluorescencia para sintetizar ADN.

secuenciar.

FIGURA 3.11 Secuenciación de tercera generación Aquí se muestra una versión simplificada de un enfoque para TGS. En este ejemplo, una molécula de ADN polimerasa anclada dentro de un nanoporo se une a una sola hebra de ADN. A medida que la polimerasa incorpora nucleótidos marcados con fluorescencia en una hebra recién sintetizada (mostrada en azul), cada base emite un color característico que se puede detectar.

secuencia generada. Con un costo aproximado de $750 000, estas tecnologías también siguen siendo muy caras. Hace unos años, Oxford Nanopore Technologies desarrolló un secuenciador portátil de una sola molécula llamado MinION que es del tamaño de una memoria USB. Aunque la precisión de este secuenciador limita sus aplicaciones, no hay razón para pensar que la tecnología para secuenciadores de bolsillo de alta precisión no avanzará en un futuro próximo. Presentamos brevemente TGS para proporcionar un contexto de hasta qué punto se han desarrollado las tecnologías de secuenciación desde la secuenciación de Sanger e incluso NGS. Las metodologías detalladas de TGS son menos importantes que el significado conceptual de estos enfoques: un cambio hacia

secuenciar moléculas individuales de forma más rápida, económica y precisa que los métodos anteriores. Sin duda, el desarrollo de las tecnologías TGS representa otro hito significativo en la secuenciación para los estudios genómicos. La ley de Moore, establecida por el cofundador de Intel, Gordon Moore, es que la potencia informática tiende a duplicarse (y su precio efectivamente se reduce a la mitad) cada 2 años. En el mundo de la informática, esto ha sido así en general durante unos 50 años. Los científicos han aplicado a menudo la ley de Moore para evaluar los costes de la secuenciación del ADN. Durante 2006, las nuevas tecnologías de secuenciación redujeron los costos de secuenciación a la mitad aproximadamente cada 2 años y mantuvieron el ritmo de la ley de Moore (Figura 3.12). Pero desde 2007 e

$ 10K

$ 1K ley de moore Próxima generación $100

secuenciación (NGS)

$10

$1

$0.1 Secuenciación de tercera generación (TGS) 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

FIGURA 3.12 Los avances en la tecnología de secuenciación han llevado a una rápida disminución de los costos de secuenciación para la secuenciación del genoma. Observe cómo el desarrollo de NGS condujo a una disminución sustancial en el costo por megabase. Otra disminución importante se produjo con la llegada de TGS.

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Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

la secuenciación de un genoma humano se ha desplomado

39

59

T EN CGC

drásticamente, superando con creces la ley de Moore, en gran parte debido al impacto de la entrada de NGS en el mercado.

HACIA TA GCG 59

39

sonda de ADN

Hibridación in situ fluorescente

Etiquetado con tinte fluorescente

Se puede utilizar una técnica denominada hibridación fluorescente in situ (FISH; in situ significa “en el lugar”) para identificar un gen de

39

59

TTACGC

interés en un cromosoma en particular. FISH también se puede utilizar para estudiar la expresión de ARN in vivo.

En FISH, los cromosomas se aíslan de células como los glóbulos blancos y se distribuyen en un portaobjetos de microscopio de vidrio. Una sonda de ADN o ARN para el gen de interés se marca con nucleótidos fluorescentes y luego se incuba en solución con el

AATGCG 59

39

Desnaturalizar e hibridar ADN cromosómico desnaturalizado

portaobjetos. La sonda se hibrida con secuencias complementarias en los cromosomas del portaobjetos. El portaobjetos se lava y luego se expone a luz fluorescente. Dondequiera que la sonda se haya unido a un cromosoma, la sonda marcada con fluorescencia se ilumina para indicar la presencia de la unión de la sonda (Figura

ADN de sonda marcado

3.13). Para determinar cuáles de los 23 cromosomas humanos muestran fluorescencia, se alinean según la longitud y los patrones de tinción de sus cromátidas para crear un cariotipo. La fluorescencia en más de un cromosoma indica múltiples copias del gen o secuencias relacionadas que pueden ser parte de una familia de genes. FISH también se utiliza para analizar trastornos genéticos. Por ejemplo, el análisis FISH se puede realizar en cromosomas contenidos en células fetales recolectadas de la porción fetal de la placenta (mediante muestreo de vellosidades coriónicas) o del líquido amniótico (amniocentesis; ambas técnicas se analizan en el Capítulo 11), para detectar para genes anormales o números incorrectos de cromosomas en el feto en desarrollo de una mujer embarazada. Cuando un gen se expresa en un órgano con muchos tipos de células diferentes, por ejemplo, riñón o tejido cerebral, FISH también se puede utilizar para determinar el tipo de célula que expresa un ARNm particular. En este enfoque, el tejido de interés se conserva en una solución fijadora y luego se incrusta en un material similar a la cera o en un medio que se puede congelar. Esto permite a los investigadores cortar el tejido en secciones delgadas de aproximadamente 1 a 5 mm de espesor y unirlas a un portaobjetos de

FIGURA 3.13 Hibridación fluorescente in situ Las manchas blancas en las puntas de cada cromosoma indican la fluorescencia de una sonda que se une a los telómeros.

microscopio. El portaobjetos se incuba con una sonda de ADN o ARN marcada con tinte fluorescente para el gen de interés. La sonda se hibrida con el ARNm dentro de las células en su lugar nativo y la unión de la

número de copias del gen (el número de copias de un gen particular en

sonda se determina detectando la fluorescencia. Para algunos estudios,

un genoma) entre una gama de otras aplicaciones. Muchas aplicaciones

la PCR puede incluso realizarse directamente en secciones de tejido in

tradicionales de la transferencia de Southern se han vuelto anticuadas

situ como una forma de determinar la expresión del tipo de célula para

por la secuenciación del ADN. Pero el desarrollo de la transferencia de

un gen determinado.

Southern fue una técnica importante porque demostró cómo se podía llevar a cabo la hibridación del ADN, lo que se volvió esencial para la

Transferencia del Sur

selección de bibliotecas, la PCR y la secuenciación del ADN. Y la transferencia de Southern estableció las técnicas básicas para la

Antes del uso generalizado de la secuenciación del ADN, se usaba con

transferencia de Northern (la separación y transferencia de moléculas

frecuencia una técnica llamada análisis de transferencia Southern

de ARN, como se analiza en el

(transferencia Southern o hibridación) para determinar

Machine Translated by Google 3.3 Técnicas de laboratorio y aplicaciones de la tecnología del ADN recombinante

(a)

1) Fragmentos de restricción de ADN

(b)

(Southern blot), o moléculas de ARN (Northern blot) separadas por electroforesis en gel de

Riñón epidídimo

Vesículas seminales

agarosa.

Solo 1

Gel de agarosa

FIGURA 3.14 Análisis de la expresión génica mediante análisis de transferencia Northern El análisis de transferencia Northern y la RT-PCR son dos técnicas comunes para analizar la cantidad de ARNm producido por un tejido (expresión génica). (a) Aquí se muestra una descripción general de los pasos básicos involucrados en las transferencias Southern y Northern. (b) La transferencia 1 muestra los resultados de un experimento de transferencia Northern en el que el ARN de tres tejidos de rata: vesículas seminales (un órgano reproductor masculino), riñón y epidídimo (otro órgano reproductor masculino)—

+

se transfirió a nailon y luego se hibridó para detectar un gen

II III

yo

103

involucrado en la protección de los tejidos contra el daño de los Sólo 2

–

radicales libres dañinos. Observe cómo la cantidad de ARNm detectada en el epidídimo es mucho mayor (como lo indica el tamaño y la oscuridad de cada banda) que la cantidad de ARNm en las vesículas seminales o el riñón. La transferencia 2 muestra los resultados cuando la misma

2) Tratar el gel con NaOH para desnaturalizar el ADN (transferencia Southern) o para

transferencia que se muestra en la transferencia 1 se eliminó de la sonda unida y se reprobó con una sonda para un gen diferente. Observe cómo

alterar la estructura secundaria del ARN

este gen se expresa principalmente en el epidídimo pero no se detecta

(transferencia Northern).

fácilmente en las vesículas seminales o el riñón. solo 3

Peso A la transferencia 3, la misma transferencia que se muestra en los nitrocelulosa

Papel toallas

o nailon

otros dos paneles, se le quitó la sonda unida y se probó un gen llamado ciclofilina que se expresa casi en los mismos niveles en prácticamente

(sólo)

todos los tejidos.

Filtrar

papel

Gel

ADN, en pequeños fragmentos con enzimas de restricción y separando esos fragmentos por electroforesis en gel de agarosa.

Solución de sal 3) Secado.

Sin embargo, la cantidad de fragmentos de restricción generados al digerir el ADN cromosómico suele ser tan grande que simplemente correr un gel y teñir el ADN no resuelve los fragmentos discretos. Más bien, el ADN digerido aparece como una mancha continua de fragmentos en el gel (consulte la Figura 3.9b). La transferencia de

mancha pelada O

Southern permitió visualizar solo fragmentos específicos de interés. Después de la electroforesis, el gel se trata con una solución alcalina para desnaturalizar el ADN; luego, los fragmentos se transfieren a una membrana de nailon o nitrocelulosa usando una técnica llamada

tercero

sonda de ADN en solución

II

transferencia. yo

La transferencia se puede lograr colocando un sándwich de

en bolsa de plástico

4) Hibridación con sonda. Enjuague Sin adjuntar Investigacion

yo

II

tercero

gel en el que el gel se coloca debajo de la membrana de nailon, papel de filtro, toallas de papel y un peso para permitir la absorción de una solución salina a través del gel, que transferirá el ADN al nailon por capilaridad. Las hebras individuales de ADN se adhieren a la mancha, colocadas en bandas exactamente como en el gel. Luego, la mancha de nailon se hornea o se expone brevemente a la luz ultravioleta (UV) para

marcadores

unir el ADN de forma permanente. A continuación, la transferencia se incuba con una sonda marcada. La sonda se hibrida (se une a pares de bases complementarios) con moléculas de ADN en la

5) Detectar unión de sonda por quimioluminiscencia.

transferencia a las que la sonda tiene una secuencia similar. A continuación, las moléculas de sonda no unidas se eliminan por lavado. Durante muchas décadas se utilizaron sondas radiactivas y

Siguiente sección; ver Figura 3.14) y Western Blot

las transferencias se visualizaban exponiendo una película de rayos

(la separación y transferencia de proteínas).

X a la radiactividad de la sonda en un proceso denominado

Desarrollada por Ed Southern en 1975, la transferencia de Southern involucraba la digestión del ADN, como el ADN cromosómico.

autorradiografía. Pero la autorradiografía ha sido reemplazada en gran medida por enfoques de quimioluminiscencia no radiactiva .

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Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

En la quimioluminiscencia, las sondas se marcan con enzimas u otras moléculas que pueden unirse y escindir sustratos que liberan luz. Los fotones liberados son capturados por un sistema de imágenes digitales o un dispositivo de detección de luz llamado luminómetro de barrido. Las técnicas de transferencia Northern y Western no recibieron el nombre de científicos llamados "Norte" y "Occidental"; más bien, fueron nombrados como referencias irónicas a Ed Southern, el fundador de Southern blots. En el laboratorio de investigación y en biotecnología, la transferencia de Southern todavía se usa para aplicaciones que incluyen el mapeo de genes, la detección de mutaciones genéticas, la confirmación de productos de PCR y la toma de huellas dactilares de ADN (un tema que analizamos en el Capítulo 8).

Estudiando la expresión génica Biólogos moleculares de todo el mundo participan en investigaciones que estudian la expresión génica y la regulación de la expresión génica. Como aprenderá a lo largo del libro, una variedad de aplicaciones en biotecnología, incluido el diagnóstico de enfermedades genéticas humanas, se basan en la medición y cuantificación de la expresión del ARN. Numerosas técnicas moleculares diferentes están disponibles para estudiar la expresión génica. La mayoría de los métodos implican analizar el ARNm producido por un tejido. A menudo, esta es una buena medida de la expresión génica porque la cantidad de ARNm producido por un tejido suele ser equivalente a la cantidad de proteína que produce el tejido. Análisis de transferencia Northern La metodología básica de una transferencia Northern es similar a la del análisis de transferencia Southern. Los experimentos de PCR han reemplazado a este método en popularidad, pero debido a que aún encontrará aplicaciones de transferencia Northern, una introducción a este enfoque tiene valor. En la transferencia Northern, el ARN se aísla de un tejido de interés y se separa mediante electroforesis en gel (el ARN no se digiere con enzimas). El ARN se transfiere a una membrana de nailon y luego se hibrida con una sonda, como se describe para transferencias de Southern. Las bandas expuestas en el autorradiograma muestran la presencia de ARNm para el gen de interés y el tamaño del ARNm (Figura 3.14).

Además, se pueden comparar y cuantificar las cantidades de ARNm producidas por diferentes tejidos. PCR de transcripción inversa

1

234

500 pb -

5

6

78

actina

300 pb defensina

100 pb FIGURA 3.15 Análisis por RT-PCR de la expresión de ARN Gel de agarosa que muestra los resultados de experimentos en los que el ARN de tejidos de rata se transcribió inversamente y se amplificó con cebadores para b-actina (un componente importante del citoplasma de las células) y/o b- defensina-1 (un gen que codifica un péptido que protege el tejido contra infecciones bacterianas). El carril 1 contiene estándares de tamaño de ADN de tamaño conocido (a menudo llamado escalera) que aumentan en incrementos de 100 pb. El carril 2 es una muestra de control negativa en la que se agregaron cebadores a un experimento de PCR sin ADNc. El carril 3 es una muestra de control negativo en la que se añadió ADNc a un experimento de PCR sin cebadores. Tenga en cuenta que los carriles 2 y 3 no muestran ningún producto de PCR amplificado porque la amplificación no se producirá sin ADNc como ADN diana (carril 2) o sin cebadores (carril 3). El carril 4 muestra ADNc de riñón amplificado con cebadores de actina. El carril 5 muestra ADNc de riñón amplificado con cebadores de defensina. Los carriles 6, 7 y 8 muestran productos de PCR de ADNc de tres tejidos reproductivos de rata diferentes que se amplificaron con cebadores de actina y defensina. Observe cómo los carriles 6 y 8 muestran cantidades relativamente uniformes de productos de PCR de actina y defensina, mientras que en el carril 7 se muestran cantidades más altas de producto de PCR de defensina. Estas diferencias reflejan las cantidades variables de ARNm de defensina expresado por cada tejido.

cantidad de tejido disponible para el análisis es muy pequeña. Debido a que el ARN no se puede amplificar directamente mediante PCR, se lleva a cabo una técnica llamada transcripción inversa o PCR con transcriptasa inversa (RT-PCR) . En RT PCR, el ARNm aislado se convierte en ADNc de doble cadena mediante la enzima transcriptasa inversa en un proceso similar a cómo se sintetiza el ADNc para una biblioteca. Luego, el ADNc se amplifica con un conjunto de cebadores específicos para el gen de interés. Los fragmentos de ADN amplificados se someten a electroforesis en un gel de agarosa y se evalúan para determinar los patrones de expresión en un tejido (consulte la Figura 3.15). La cantidad de ADNc producido en una reacción de RT-PCR para un gen de interés particular refleja la cantidad de ARNm y, por lo tanto, el nivel de expresión génica para ese gen particular en un tejido dado. PCR en tiempo real

La PCR en tiempo real o cuantitativa (qPCR) permite a los La PCR permite detectar cantidades diminutas de ARNm incluso investigadores cuantificar las reacciones de amplificación a medida que ocurren en "tiempo real" (Figura 3.16). Hay varias a partir de cantidades muy pequeñas de tejido inicial. Debido a que la cantidad de ARN producido por un tejido puede formas de ejecutar reacciones de PCR en tiempo real, pero el estar por debajo del nivel de detección por análisis de procedimiento básico implica el uso de termocicladores transferencia de Northern, una vez que se descubrió la PCR, se especializados que usan un láser para escanear un haz de luz a través de la parte superior o inferior de cada tubo de PCR. Cada convirtió en un método muy poderoso para estudiar la expresión génica. Por ejemplo, la PCR ha sido una gran herramienta para tubo de reacción contiene una sonda que contiene un tinte o un estudiar la expresión génica en embriones y desarrollar tejidos en los que tinte la de unión al ADN que emite luz fluorescente cuando se ilumina con

Machine Translated by Google 3.3 Técnicas de laboratorio y aplicaciones de la tecnología del ADN recombinante

R

Primer (a)

39

59

39

llamado SYBR Verde. SYBR Green se une al ADN de doble cadena.

q

39

59

105

59

59

39

Primer

A medida que se copia más ADN de doble cadena con cada ronda de PCR en tiempo real, hay más copias de ADN para unir SYBR

39

Green, lo que aumenta la cantidad de luz fluorescente emitida. Las

59

sondas TaqMan son complementarias a regiones específicas del ADN objetivo entre donde se unen los cebadores directo e inverso

1) Hibridación. Los cebadores de PCR directa e inversa se unen al ADN

para PCR (Figura 3.16). Debido a que la PCR en tiempo real no

diana desnaturalizado. La sonda TaqMan con colorante informador (R) y

implica la ejecución de geles, es una técnica poderosa y rápida para

extintor (Q) se une al ADN diana entre los cebadores. Cuando la sonda está intacta, se extingue la emisión

medir y cuantificar los cambios en la expresión génica, particularmente

del colorante informador.

en análisis multiplex, en los que se analizan simultáneamente múltiples muestras y diferentes genes.

2) Extensión. A medida que la ADN polimerasa extiende el avance cebador, llega a la sonda TaqMan y escinde el colorante informador de la sonda. Liberado del extintor el reportero ahora puede emitir luz cuando es excitado por un láser. R

Microarrays de genes

q

59

El análisis de micromatrices de ADN es otra técnica para estudiar

39

la expresión génica que ganó popularidad rápidamente en las

39

59

59

39

últimas dos décadas porque permite a los investigadores analizar

59

rápidamente todos los genes expresados en un tejido:

ADN polimerasa

a menudo llamado transcriptoma (Figura 3.17 en la página 106). Una micromatriz, también conocida como chip genético, se crea con el uso de un pequeño portaobjetos de microscopio de vidrio.

(b)

Las moléculas de ADN monocatenario se unen o “manchan” en el portaobjetos utilizando un brazo robótico de alta velocidad controlado Alta expresión génica

por computadora llamado arrayer, que está equipado con una serie de pequeños pines. Cada pin se sumerge en una pequeña cantidad

Baja expresión génica

de solución que contiene millones de copias de diferentes moléculas de ADN, como ADNc para diferentes genes. El arrayer fija este ADN en el portaobjetos en lugares específicos (puntos o puntos)

0 4 8 12 16 20

24 28 32 36 40 Ciclos

3) Detección. La luz emitida por el indicador se detecta e interpreta para producir un gráfico que cuantifica la cantidad de producto de PCR producido con cada ciclo.

FIGURA 3.16 PCR en tiempo real (a) El método TaqMan de PCR en tiempo real involucra un par de cebadores de PCR junto con una secuencia de sonda complementaria al gen objetivo. La sonda contiene un colorante informador (R) en un extremo y un colorante extintor (Q) en el otro. Cuando el colorante extintor está cerca del colorante informador, interfiere con la fluorescencia liberada por el colorante informador. Cuando la ADN polimerasa Taq extiende un cebador para sintetizar una hebra de ADN, escinde el colorante indicador de la sonda, lo que permite que el indicador emita energía. (b) Cada ciclo de PCR subsiguiente elimina más colorantes indicadores, de modo que una computadora puede capturar el aumento de luz emitida por el colorante para producir una lectura de la intensidad de fluorescencia con cada ciclo.

registrados por una computadora. Un solo microarreglo puede tener más de 10 000 puntos de ADN, cada uno de los cuales contiene secuencias únicas de ADN para un gen diferente. Hay varios tipos diferentes de microarreglos. La figura 3.17 muestra un ejemplo representativo de cómo se puede usar una micromatriz para estudiar la expresión génica. Los científicos comienzan por extraer todas las moléculas de ARNm de un tejido de interés. Luego, el ADNc sintetizado a partir de este ARNm se marca con un tinte fluorescente. El ADNc marcado se incuba durante la noche con la micromatriz, donde se hibrida con manchas en la micromatriz que contienen secuencias de ADN complementarias. El rayo de la micromatriz se lava y escanea con un láser que hace que el ADNc hibridado con la micromatriz emita fluorescencia. Los puntos fluorescentes revelan qué genes se expresan en el tejido de interés y la intensidad de la fluorescencia indica la cantidad relativa de expresión, lo que produce el llamado mapa de calor. Cuanto más brillante es la mancha, más ARNm se

el láser La luz emitida por estos tintes se correlaciona con la

expresa en ese tejido. Los microarreglos también se pueden ejecutar

cantidad de producto de PCR amplificado. La luz de cada tubo es

marcando los ADNc de dos o más tejidos con tintes fluorescentes

capturada por un detector, que transmite información a una

de diferentes colores. Los patrones de expresión génica de los

computadora para proporcionar una lectura de la cantidad de

diferentes tejidos se comparan en función del color de las manchas

fluorescencia después de cada ciclo; esta lectura se puede trazar y

que aparecen después de la hibridación y detección.

analizar para cuantificar el número de productos de PCR producidos después de cada ciclo. Dos enfoques comúnmente utilizados para la PCR en tiempo real implican el uso de sondas TaqMan y un colorante

Para muchas especies, incluidos los humanos, los genomas completos están disponibles en micromatrices. Los investigadores son

Machine Translated by Google 106

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

Muestra de tejido

moléculas de ARNm 1) Aislar ARNm.

Moléculas de ADNc marcadas (hebras simples)

2) hacer cDNA por transcripción inversa, utilizando nucleótidos marcados con fluorescencia, azul en este ejemplo.

3) Hibridación: Aplicar el ADNc mezcla a un microarreglo de ADN. El ADNc se hibrida con el ADN en una micromatriz.

A GRAMO

ADN GRAMO

hebra en segmento de Una papa

microarreglo

C

En cada punto de un portaobjetos de microscopio hay millones

Micromatriz (chip)

A

GRAMO

T

T C C T

ADNc

GRAMO

C A

de copias de moléculas

4) Enjuague el exceso de ADNc y coloque la micromatriz en

cortas de ADN

un escáner para medir la fluorescencia de cada punto.

monocatenario, un gen o

La intensidad de la fluorescencia indica la cantidad de

sonda diferente en cada

gen expresado en la muestra de tejido.

punto. Mapa de calor

Fluorescencia brillante: gen altamente expresado en muestra de tejido Fluorescencia moderada: baja expresión génica Escáner

Luz: sin fluorescencia, En esta imagen, los puntos azules indican

gen no expresado en

la fluorescencia brillante y las manchas

muestra de tejido

blancas indican que no hay fluorescencia.

FIGURA 3.17 Análisis de micromatrices de genes

utilizando micromatrices para comparar patrones de genes expresados

cáncer y otras enfermedades (Capítulo 11). Ciertas aplicaciones de

en tejidos bajo diferentes condiciones de enfermedad. Por ejemplo, las

los microarrays están siendo reemplazadas por la secuenciación del

células cancerosas pueden compararse con células normales para

ADN, lo que eventualmente puede hacer que los microarrays queden

buscar genes que puedan estar involucrados en la formación del cáncer.

obsoletos. Pero los microarreglos todavía se usan ampliamente y

Los resultados de tales estudios de micromatrices se pueden usar para

aprenderá sobre diferentes aplicaciones de microarreglos a lo largo de

desarrollar nuevas estrategias de terapia con medicamentos para combatir

este libro.

Machine Translated by Google 3.3 Técnicas de laboratorio y aplicaciones de la tecnología del ADN recombinante

La secuenciación de ARN permite el análisis in situ de la expresión génica En los últimos años, se ha logrado un progreso significativo en la secuenciación directa de ARN (RNA-seq), también llamada secuenciación de escopeta de transcriptoma completo. Una limitación de los microarreglos es que el investigador está restringido a estudiar la expresión de solo aquellos genes con sondas en el chip. Por el

107

en sí mismo es una forma de aprender sobre la función de los genes, porque se puede estudiar el producto proteico de un gen en particular. Como aprenderá en el Capítulo 4, para la producción de proteínas recombinantes para aplicaciones terapéuticas, se pueden cultivar grandes cantidades de bacterias en un fermentador y se puede aislar la proteína.

Estudios de mutagénesis génica

contrario, RNA-seq no solo permite el análisis cuantitativo de todos los ARN (ARNm y ARN no codificantes como microARN, ARN largos no codificantes, etc.) expresados en un tejido en particular, sino que también proporciona datos de secuencia reales. Y RNA-seq también se puede llevar a cabo dentro de la célula (in situ). Para esta aplicación de RNA-seq, la propia célula puede servir como un "chip genético".

Las versiones mutadas de un gen se pueden expresar para producir proteínas a las que les faltan ciertas secciones como una forma de diseccionar los dominios funcionales de una proteína. Uno de estos enfoques se denomina mutagénesis dirigida al sitio. En esta técnica, se pueden crear mutaciones en nucleótidos específicos de un gen clonado contenido en un vector. Luego, el gen se puede expresar en las células, lo que da como resultado la

En general, la mayoría de los métodos de RNA-seq incorporan transcripción inversa de RNA in situ, secuenciación de cDNA, asignación de secuencias a un genoma de referencia (para determinar qué secuencias se transcribieron a partir de genes específicos) y cuantificación de la expresión génica. Los métodos que incorporan fluorescencia in situ RNA-seq permiten a los científicos visualizar dónde se transcriben ARN específicos en células y tejidos intactos. Como aprenderá en la Sección 3.4, ahora también es posible

traducción de una proteína mutada. Esto permite a los investigadores estudiar los efectos de mutaciones particulares en la estructura de la proteína y sirve como una forma de determinar qué nucleótidos son importantes para funciones específicas de la proteína. La mutagénesis dirigida al sitio puede ser una forma muy valiosa de ayudar a los científicos a identificar secuencias críticas en genes que producen proteínas involucradas en enfermedades humanas.

interferencia de ARN

llevar a cabo la secuenciación de ADN y la secuenciación de ARN en células individuales . Varios grupos están adoptando un enfoque integrado para secuenciar genomas y transcriptomas en la misma célula. Esta estrategia permite a los investigadores correlacionar la variabilidad genética y la variabilidad de la expresión del ARNm simultáneamente en células individuales: analizando así tanto el genoma como el transcrito. Consideraremos las aplicaciones de RNA-seq en el Capítulo 11, pero claramente este enfoque ya ha demostrado un gran valor para el diagnóstico de enfermedades, incluida la comprensión de cómo las variaciones en el genoma de una persona afectan la expresión del transcriptoma.

En 1998, los investigadores Craig C. Mello de la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts y Andrew Z. Fire de la Universidad de Stanford publicaron un trabajo innovador en el que utilizaron piezas de ARN de doble cadena (dsRNA) para inhibir o silenciar la expresión de genes en el gusano redondo nematodo. Caenorhabditis elegans. Este mecanismo natural para inhibir la expresión génica se conoce como interferencia de ARN (ARNi). Como descubrieron Mello, Fire y otros investigadores, el dsRNA puede unirse a una enzima digestiva de RNA llamada dicer, que corta el dsRNA en fragmentos de moléculas de RNA de 21 a 25 nucleótidos de longitud denominados pequeños RNA de interferencia (siRNA).

Análisis de la función del gen Estos siARN están unidos por un complejo proteína-ARN Aunque muchos de los métodos que hemos descrito en esta sección pueden contribuir a la comprensión de la función de los genes, se pueden usar varias técnicas específicas para comprender la función de los genes in vitro e in vivo, y algunas de ellas dan como resultado aplicaciones biotecnológicas que aprenderá. sobre todo el libro. Debido a esto, aquí proporcionamos una breve descripción de algunos enfoques clave que estudiará en biotecnología y aprenderá con mayor detalle en otros capítulos de este libro.

llamado complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC). RISC desenrolla los siRNA de doble hebra, liberando siRNA de una sola hebra que se unen a secuencias complementarias en moléculas de mRNA. La unión de los siRNA al mRNA da como resultado la degradación del mRNA (por el cortador de enzimas) o bloquea la traducción al interferir con la unión al ribosoma (Figura 3.18). El RNAi es similar en mecanismo a las acciones de silenciamiento de genes de los siRNA, pero una diferencia principal es que los siRNA se generan a partir de dsRNA (consulte el Capítulo 2). Inicialmente, parecía que el descubrimiento de los siRNA y los

Expresión y purificación de proteínas.

miRNA era quizás un hallazgo relativamente esotérico.

Las bacterias que se han transformado con plásmidos recombinantes

Las predicciones ahora indican que las células de los mamíferos

a menudo se pueden usar para producir el producto proteico del gen

expresan miles de siRNA o miRNA, y estos a su vez pueden regular

aislado. expresión de proteínas

cientos de genes. Biotecnología y

Machine Translated by Google 108

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

ARN de doble cadena

Enfoques de edición del genoma para estudiar la función de los genes 1

Los métodos de edición del genoma permiten a los investigadores crear

Jugador

cambios en una secuencia específica para eliminar, corregir o reemplazar un gen defectuoso o partes de un gen. La edición del genoma se basa en

siARN (21 a 25 nt)

el uso de diferentes nucleasas para crear rupturas en el genoma de una 2

Proteínas RISC (incluida la cortadora)

manera específica para la secuencia. En el Capítulo 7, analizamos cómo se pueden utilizar los métodos dirigidos a genes con nucleasas con dedos de zinc (ZFN) para la ingeniería genética in vivo de ratones, ratas y otras especies. En el Capítulo 7 también discutiremos cómo se pueden crear animales transgénicos , animales modificados genéticamente con uno o

3

una hebra

más genes de diferentes fuentes (a veces también llamados animales

degradado

“knock-in”), y se puede aplicar la edición de genes para producir animales knockout en que un gen o genes específicos pueden ser alterados o

ARNsi/RISC

eliminados. Como aprenderá, tanto los enfoques transgénicos como los 4

Se une a ARNm

Se une al ADN

knockout se utilizan a menudo para comprender la función de los genes.

Inhibición de transcripción

Ningún enfoque para la edición del genoma ha captado más atención, creado más entusiasmo o generado tantos primeros signos de éxito como

ARNm

el sistema CRISPR (repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas)-Cas. En resumen, CRISPR-Cas fue descubierto por científicos que intentaban comprender cómo las bacterias combaten las infecciones virales. La investigación original sobre este Degradación de ARNm por rebanador

Inhibición de traducción de ARNm

FIGURA 3.18 Interferencia de ARN (1) La enzima dicer escinde el ARN de doble cadena en siARN. (2) Las proteínas RISC se unen a los siRNA y degradan una de las dos hebras (3) para producir siRNA de una sola hebra. (4) Los siARN monocatenarios se unen a secuencias complementarias en moléculas de ARNm en el citoplasma e interfieren con la expresión génica (silenciada) al desencadenar la degradación del ARNm por el cortador o al inhibir la traducción del ARNm por los ribosomas.

sistema no pretendía crear una técnica de edición de genes. CRISPR es un sistema inmunitario procariótico que proporciona resistencia a elementos genéticos extraños, como plásmidos y fagos.

Los CRISPR son segmentos de ADN procariótico que consisten en repeticiones de pares de bases cortos. Cada repetición va seguida de un segmento de ADN espaciador, que proviene de exposiciones previas a plásmidos o fagos extraños. Las proteínas asociadas a CRISPR (Cas) funcionan como nucleasas. Cas9 fue la primera nucleasa identificada. En los procariotas, las secuencias

las compañías farmacéuticas están buscando formas de explotar los siRNA

espaciadoras de CRISPR pueden reconocer el ADN viral y utilizar

y miRNA con fines terapéuticos. Las técnicas que incorporan RNAi se han

cas nucleasas para digerir secuencias de ADN extrañas. Al

desarrollado rápidamente como métodos para regular la expresión génica

administrar la nucleasa CRISPR-Cas9 complejada con un ARN guía

y como una forma potencial de apuntar e inactivar genes específicos con

sintético (ARNg) en células eucariotas, el genoma puede ser dirigido

alta eficiencia. Consideraremos ejemplos de cómo las empresas están

y cortado en una ubicación específica, lo que permite eliminar genes

trabajando en técnicas de ARNi para silenciar genes involucrados en

o insertar nuevos genes en células cultivadas o en organismos

enfermedades humanas en el Capítulo 11. El ARNi se ha convertido en

completos. (ver Figura 3.19).

una tecnología de tan rápido desarrollo que estimaciones recientes indican

Los científicos también están trabajando en CRISPR como una herramienta

que el uso de reactivos de ARNi crecerá de aproximadamente $ 400

para editar ARN, para alterar bases individuales en el genoma y para

millones en 2005 a más de $ 1.5 mil millones para 2019. El Premio Nobel

encontrar formas de activar y desactivar CRISPR para regular

de Fisiología o Medicina de 2006 fue otorgado a Andrew Fire y Craig Mello

cuidadosamente la edición del genoma según sea necesario, entre otras aplicaciones.

por su descubrimiento de este método natural para desactivar genes. Los

Debido a su simplicidad y costo relativamente bajo, muchos científicos

premios Nobel suelen otorgarse décadas después de que se haya

están recurriendo a las aplicaciones CRISPR para la edición del genoma

completado el trabajo honrado, por lo que este reconocimiento inusualmente

in vitro e in vivo en lugar de RNAi.

rápido es una clara indicación del valor de RNAi como una herramienta de

Desde su primera demostración en 2012, en los últimos años se publican

investigación poderosa y prometedora.

cada semana decenas de artículos científicos que describen las aplicaciones de edición de genes CRISPR. En el Capítulo 11, discutimos ejemplos recientes de aplicaciones prometedoras de terapia génica que involucran CRISPR-Cas.

Machine Translated by Google 3.4 Genómica y bioinformática: las disciplinas más candentes en la historia de la biotecnología

109

FIGURA 3.19 Aplicaciones de

Guía de ARN

Coincidencia genómica secuencia corte cas9

Cas9

ADN genómico

ADN donante

Reparar

CRISPR-Cas CRISPR-Cas permite la edición dirigida de genes específicos. La secuencia de ADN del donante puede ser casi cualquier secuencia que los científicos quieran usar para reemplazar un gen existente, lo que permite aplicaciones de edición de genes para células in vitro y organismos completos (in vivo), incluidos los humanos.

Reparación por unión de extremos

Aplicaciones específicas de edición del genoma Células

Terapia de genes

(in vitro) Ratones

(en vivo)

(in vitro y en vivo)

3.4 Genómica y bioinformática: las disciplinas más candentes en la historia de la biotecnología Los enfoques de ADN recombinante que describimos al comienzo de este capítulo proporcionaron la base necesaria para la clonación y el análisis de genes. Sin embargo, durante las últimas dos décadas, una serie de avances en las tecnologías de clonación y secuenciación han conducido cada vez más al uso generalizado de nuevas estrategias para clonar, secuenciar y analizar genomas completos: el campo de la genómica. Ninguna disciplina ha tenido mayor impacto en la biotecnología que la genómica. Aprenderá sobre muchas aplicaciones de la genómica a medida que estudie biotecnología. Aquí proporcionamos una introducción a las aplicaciones seleccionadas de la genómica y la bioinformática, que pretende formar la base para las discusiones que tendremos a lo largo de los capítulos posteriores.

Secuenciación del genoma completo A pesar de lo poderosas que son las técnicas tradicionales de ADN recombinante, se hizo cada vez más evidente que si los científicos querían estudiar procesos biológicos complejos

que involucran muchos genes, como la mayoría de los cánceres, clonar uno o incluso unos pocos genes a la vez era demasiado lento y, por lo tanto, ineficiente. Como resultado, los científicos

comenzaron a trabajar en estrategias para clonar y secuenciar genomas completos, una estrategia comúnmente llamada secuenciación del genoma completo (WGS). Inicialmente, la WGS a menudo se denominaba clonación “escopeta” del genoma completo. La analogía es que clonar genes individuales usando bibliotecas es equivalente a usar un rifle para dar en un punto específico de un objetivo (p. ej., clonar un gen específico), mientras que los perdigones de una escopeta darían al azar en muchos puntos de un objetivo con poca precisión. . En la secuenciación de escopeta, se secuencia todo el genoma, los intrones y los e La secuencia completa del genoma se ensambla con la ayuda de programas de software, y luego los genes individuales se identifican a través de la bioinformática, un campo interdisciplinario, que ahora tiene poco más de 20 años, que aplica la informática y la tecnología de la información para analizar y ayudarnos a comprender la biología. datos, como datos de secuencia. Un enfoque WGS común involucra el uso de enzimas de restricción para digerir partes de cromosomas completos (Figura 3.20). Este proceso puede producir miles de fragmentos superpuestos llamados contigs (secuencias contiguas). Cada contig está secuenciado,

Machine Translated by Google 110

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

FIGURA 3.20 Secuenciación rápida

EcoRI BamHI BamHI

1

2

genómico ADN

4

3

ADN cortado en múltiples fragmentos superpuestos (contigs) por digestión

1

con diferentes enzimas de restricción.

2

1

4 2

4

3

3 2

Colección (biblioteca) de fragmentos individuales que están secuenciados

b) Contigs secuenciados superpuestos

a) Buscar en la base de datos de la computadora

para determinar si la secuencia de ADN

alineados usando programas de computadora para

ya ha sido identificado

ensamblar un cromosoma completo

1 Alineado contigs

1

2

Residencia en

ADN idéntico secuencia

AAGCTAC

A CAG

GGGC

POR CGGGC

TACTO

2

3

4

3

4

del genoma completo y dos ejemplos de aplicaciones bioinformáticas. Se muestra un ejemplo simplificado de un trozo de ADN genómico cortado en trozos más pequeños (etiquetados como 1, 2, 3 y 4) por EcoRI y BamHI. Independientemente de cómo se clone una pieza de ADN, el análisis de la secuencia de ADN es una parte esencial para aprender más sobre el ADN clonado. (a) Dicho análisis puede comenzar buscando la secuencia desconocida en una base de datos de secuencias conocidas. En este ejemplo, la alineación de secuencias revela que la secuencia desconocida es una coincidencia exacta con una secuencia de un gen "conocido" que ya está en la base de datos. Nota: Para simplificar, solo se compara una hebra de ADN secuenciado con la base de datos. (b) Otra aplicación de la bioinformática implica el uso de programas informáticos para alinear fragmentos de ADN (contigs) en función de superposiciones de secuencias de nucleótidos. El esquema que se muestra aquí es similar a un enfoque utilizado en el Proyecto Genoma Humano para ensamblar secuencias completas de cromosomas completos. Sin embargo, cuando se comparan los contigs, normalmente solo se alinean secuencias relativamente cortas al final de cada contig para ensamblar un cromosoma completo.

Secuencia desconocida del experimento de clonación

TACTO

Secuencia de gen conocido en la base de datos Alineación de secuencia

y luego se usan programas de computadora para alinear los 3.20b). Este enfoque permite a los científicos reconstruir la secuencia

Bioinformática: fusión molecular Biología con Tecnología Informática

completa de un cromosoma completo y, como se puede ver en la

Cuando los científicos secuencian un gen o una secuencia de ADN

fragmentos basados en piezas de secuencia superpuestas (Figura

figura, el software para

recientemente identificados, informan sus hallazgos en publicaciones

organizar y comparar las secuencias de ADN de estos fragmentos

científicas y envían los datos de la secuencia a las bases de datos

es fundamental. Este es un ejemplo de bioína formatica en acción.

para que otros científicos que puedan estar interesados en esta información de la secuencia puedan tener acceso a ella. Las

En 1995, los científicos del Instituto de Investigación Genómica

manipulaciones de bases de datos de datos de secuencias de ADN

fueron los primeros en utilizar con éxito WGS para secuenciar un

estuvieron entre las primeras aplicaciones de la bioinformática, que

genoma completo de cualquier organismo cuando secuenciaron el

involucra el uso de hardware y software de computadora para

genoma de 1,8 millones de pb de la bacteria Haemophilus influenzae.

estudiar, organizar, compartir y analizar datos relacionados con la

Muchos dudaron de que las estrategias WGS pudieran usarse de

estructura de genes, la secuencia y expresión de genes, y la estructura y función de proteínas. .

manera efectiva para secuenciar genomas más grandes, pero el desarrollo de esta técnica y nuevas estrategias de secuenciación aceleraron rápidamente el progreso del Proyecto Genoma Humano.

Dado que los datos del genoma se han acumulado rápidamente, lo que ha dado lugar a que se almacene una enorme cantidad de información en bases de datos públicas y privadas, la bioinformática

Machine Translated by Google 3.4 Genómica y bioinformática: las disciplinas más candentes en la historia de la biotecnología

se ha convertido en una herramienta esencial que permite a los científicos compartir y comparar datos, especialmente datos de secuencias de ADN. Discutimos las aplicaciones básicas de la bioinformática a lo largo de este libro; sin embargo, presentamos el campo aquí con algunas aplicaciones muy comunes.

Ejemplos de bioinformática en acción Incluso antes de que comenzaran los proyectos WGS, los científicos estaban acumulando información de secuencias de una variedad de organismos diferentes, lo que requería el desarrollo de bases de datos sofisticadas que podrían ser utilizadas por investigadores de todo el mundo para almacenar, compartir y obtener la máxima cantidad de información de proteínas. y secuencias de ADN. Las bases de datos son herramientas esenciales para archivar y compartir datos con investigadores y el público. Debido a que las técnicas de secuenciación de ADN automatizadas por computadora se desarrollaron casi simultáneamente con la expansión de Internet como una herramienta de información, muchas bases de datos de secuencias de ADN estuvieron disponibles a través de Internet. Cuando los científicos que han clonado un gen ingresan sus datos de secuencia en una base de datos, estas bases de datos buscan la nueva secuencia contra todas las demás secuencias en la base de datos y crean una alineación de secuencias de nucleótidos similares si se encuentra una coincidencia (Figura 3.20a). Este tipo de búsqueda suele ser uno de los primeros pasos que se dan después de clonar un gen utilizando técnicas de ADN recombinante porque es importante determinar si la secuencia ya se ha clonado y estudiado o si la secuencia del gen es nueva. Entre otras aplicaciones, estas bases de datos también se pueden utilizar para predecir la secuencia de aminoácidos codificada por una secuencia de nucleótidos y para proporcionar información sobre la función del gen clonado. La base de datos de secuencias de ADN disponible públicamente más grande del mundo se llama GenBank. Es ampliamente utilizado y contiene la colección de secuencias de ADN de los Institutos Nacionales de Salud (NIH). GenBank comparte y adquiere datos de bases de datos en Japón (DNA Data Bank of Japan) y Europa (el Archivo Europeo de Nucleótidos).

Gen LEP humano gtcaccaggatcaatgacatttcacacacg---tcagtctcctccaaacagaaaagtcacc gtcaccaggatcaatgacatttcacacacgcagtcggtatccgccaagcagagggtcact

Gen Lep de ratón ggtttggacttcattcctgggctccaccccatcctgaccttatccaagatggaccagaca ggcttggacttcattcctgggcttcaccccattctgagtttgtccaagatggaccagact

ctggcagtctaccaacagatcctcaccagtatgccttccagaaacgtgatccaaatatcc ctggcagtctatcaacaggtcctcaccagcctgccttcccaaaatgtgctgcagatagcc

111

Mantenido por el Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI), GenBank contiene más de 225ÿ000 millones de bases de datos de secuencias de más de 100ÿ000 especies, y su tamaño se duplica aproximadamente cada 18 meses. El NCBI ha diseñado formas fáciles de usar para acceder y analizar datos sobre secuencias de proteínas, estructuras moleculares, datos del genoma e incluso literatura científica. Recientemente, GenBank, junto con DDBJ y la ENA, lanzaron la iniciativa de colaboración internacional de bases de datos de secuencias de nucleótidos para capturar, preservar y proporcionar mejor información sobre secuencias de nucleótidos. Una característica de NCBI llamada Herramienta de búsqueda de alineación local básica (BLAST; www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST) se puede utilizar para buscar en GenBank coincidencias de secuencias entre genes clonados y para crear alineaciones de secuencias de ADN. Consulte el Problema 11 de Preguntas y actividades para realizar una búsqueda BLAST simple. La figura 3.21 muestra una alineación de búsqueda BLAST que compara las secuencias de genes humanos y de ratón para un gen de obesidad (Lep) que produce una hormona llamada leptina. La leptina desempeña un papel en el metabolismo de las grasas y las mutaciones en el gen de la leptina pueden contribuir a la obesidad (ver también la figura 11.1). Observe que la secuencia de nucleótidos de estos dos genes es muy similar, como lo indican las líneas verticales entre nucleótidos idé El Comité de Nomenclatura del Genoma Humano, respaldado por los NIH, establece reglas para asignar nombres y símbolos a los genes humanos recién clonados. Debes reconocer la convención de nombrar genes. Una variedad de pautas diferentes afectan la cantidad de caracteres, el uso de números, etc., al nombrar los genes. Los nombres de los genes están en cursiva y se les dan símbolos o nombres abreviados cortos. Para los genes humanos, el símbolo está en cursiva y todas las letras están en mayúsculas. Para ratas y ratones, el símbolo está en cursiva, pero solo la primera letra está en mayúsculas y las demás letras en minúsculas. Por ejemplo, en la figura 3.21, observe que el símbolo del gen de la leptina humana es Lep, pero el símbolo del gen de ratón correspondiente es Lep. Para evitar

FIGURA 3.21 Comparación de los genes LEP humano y LEP de ratón Se muestran secuencias parciales de estos dos genes, con la secuencia del gen humano en la parte superior y la secuencia del gen del ratón debajo.

Machine Translated by Google 112

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

Confundiendo los símbolos de los genes y los símbolos de las

1 a 22, X, Y). El HGP también fue diseñado para lograr lo siguiente:

proteínas, las proteínas se escriben típicamente en letras mayúsculas sin cursiva. Por lo tanto, la proteína leptina se abrevia como LEP. ÿÿ Analizar las variaciones genéticas entre humanos.

Cada entrada en GenBank se proporciona con un número de acceso que los científicos pueden usar para referirse a esa secuencia

ÿÿ Mapear y secuenciar los genomas de organismos modelo,

clonada. Por ejemplo, vaya al sitio web de GenBank que figura en el

incluidas bacterias, levaduras, gusanos redondos, moscas de la fruta, ratones y otros.

sitio web complementario y luego escriba el número de acceso U14680 y haga clic en "IR". ¿Qué gen se identifica con este número

ÿÿ Desarrollar nuevas tecnologías de laboratorio, como

de acceso? Haga clic en el enlace del número de acceso. Tenga en cuenta que GenBank proporciona la referencia original de la revista

secuenciadores automatizados de alta potencia y tecnologías informáticas, así como bases de datos de

que informó esta secuencia, el código de aminoácidos de una sola

información genómica ampliamente disponibles, que puedan

letra de la proteína codificada por este gen y la secuencia de

utilizarse para avanzar en nuestro análisis y comprensión de

nucleótidos de este gen. Alternativamente, puede escribir el nombre

la estructura y función de los genes.

de un gen o un gen potencial que le interese para ver si ya ha sido

ÿÿ Difundir información sobre el genoma entre los científicos y el

clonado y enviado a GenBank.*

público en general. ÿÿ Considerar las cuestiones éticas, legales y sociales que acompañan al PGH ya la investigación genética.

GenBank es solo un ejemplo de una base de datos invaluable que es esencial para la bioinformática. Existen muchas otras bases de datos especializadas con información como datos de polimorfismo

En los Estados Unidos, la investigación pública sobre el HGP fue coordinada por el Centro Nacional de Investigación del Genoma Humano, una división del NIH y el DOE. El proyecto financió siete

de un solo nucleótido, así como bases de datos de proteínas que catalogan secuencias de aminoácidos y estructuras de proteínas tridimensionales. Los rápidos avances en informática han permitido

importantes centros de secuenciación en los Estados Unidos. Por ejemplo, el Instituto Conjunto del Genoma (JGI) del DOE en California

que la bioinformática se desarrolle rápidamente. Del mismo modo, a medida que mejoran las tecnologías de secuenciación, la cantidad de genomas que se secuencian también aumenta a un ritmo extraordinario, y algunas predicciones estiman que la cantidad de

se creó para integrar los datos del genoma y la experiencia en investigación de varios centros del genoma del DOE. Específicamente, JGI generó secuencias completas de los cromosomas 5, 16 y 19. Con el tiempo, el proyecto creció hasta convertirse en un esfuerzo

genomas secuenciados puede duplicarse cada 12 meses. Esta explosión de datos del genoma, un ejemplo de un aumento en los datos para la ciencia y la medicina que a menudo se denominan "grandes datos", desafía a los científicos a mantenerse al día con

internacional con contribuciones de científicos de 18 países. El trabajo fue realizado principalmente por el Consorcio Internacional de Secuencia del Genoma Humano, que involucró a casi 3000 científicos que trabajaban en 20 centros en seis países: China, Francia, Alemania, Gran Bretaña, Japón y Estados Unidos.

una gran cantidad de datos de secuencias de ADN que pueden requerir hasta varios terabytes de almacenamiento. espacio. El simple hecho de tener suficiente espacio de almacenamiento en el disco duro y en el servidor para los datos de secuencia puede ser un

El presupuesto estimado para completar el genoma fue de $ 3

gasto significativo para algunos laboratorios.

mil millones, un costo de $ 1 por nucleótido. Impulsado en parte por la competencia de empresas privadas y el desarrollo de secuencias de ADN automatizadas por computadora (como el ejemplo de la

Un esfuerzo de clonación del genoma de proporciones épicas: el proyecto del genoma humano

Figura 3.10) y bioinformática, el HGP resultó ser un proyecto

gubernamental poco común que completó todas sus metas iniciales

Es un momento muy emocionante para estudiar genómica. La

y varios objetivos adicionales. objetivos más de 2 años antes de lo

finalización de un proyecto sin precedentes que involucró muchas de

previsto—

las técnicas descritas en este capítulo, el Proyecto Genoma

y bajo presupuesto.

Humano (PGH), condujo a la creación de nuevas disciplinas que

El competidor más agresivo en el proyecto fue una empresa

tuvieron un impacto extraordinario en el progreso de la biotecnología.

privada llamada Celera Genomics (acertadamente llamada de una

Iniciado en 1990 por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE),

palabra latina que significa "velocidad") dirigida por el Dr. J. Craig

el HGP fue un esfuerzo de colaboración internacional con un plan de

Venter, quien era el científico que dirigía el Instituto de Investigación

15 años para identificar todos los genes humanos, originalmente

Genómica cuando utilizaba clonación “escopeta” del genoma para

estimados en un número de 80 000 a 100 000, y para secuenciar los

secuenciar el genoma de H. influenzae, como se analizó anteriormente

aproximadamente 3 mil millones de pares de bases. se cree que

en esta sección. Celera anunció su intención de utilizar su novedoso método de secuenciación aleatoria, así como los nuevos

componen los 24 cromosomas humanos diferentes (cromosomas

Machine Translated by Google 3.4 Genómica y bioinformática: las disciplinas más candentes en la historia de la biotecnología

113

desarrolló secuenciadores de ADN automatizados por computadora

variaciones individuales continúa expandiéndose cada año desde

de alto rendimiento para secuenciar el genoma humano completo en

que se completó el genoma.

3 años. Temerosos de cómo las corporaciones privadas podrían controlar la publicación de información sobre el genoma, las agencias

¿Qué hemos aprendido del genoma

del gobierno de los EE. UU. involucradas en el PGH se vieron

humano?

efectivamente obligadas a seguir el ritmo de los grupos privados para seguir siendo competitivos en la carrera por completar el genoma.

Uno de los hallazgos más sorprendentes del proyecto fue que el

En 1998, como resultado del progreso acelerado, se fijó una

genoma humano consta de aproximadamente 20 000 genes que

fecha objetivo revisada de 2003 para la finalización del proyecto. El 26 de junio de 2000, los líderes del HGP y Celera Genomics

codifican proteínas, no 100 000 genes, como se predijo. La predicción

participaron en una conferencia de prensa con el presidente Bill

producen aproximadamente de 100 000 a 150 000 proteínas. Una

se basó principalmente en estimaciones de que las células humanas

Clinton para anunciar que se había ensamblado un “borrador de

de las razones por las que el número real de genes es mucho más

trabajo” de aproximadamente el 95 por ciento del genoma humano

bajo que el número predicho es el descubrimiento de un gran número

(casi 4 años antes de la calendario previsto inicialmente). En una

de familias de genes con funciones relacionadas. Además, se han

conferencia de prensa conjunta el 12 de febrero de 2001, el Dr.

encontrado muchos genes que codifican múltiples proteínas mediante

Francis Collins, director del NIH National Human Genome Research Institute y del HGP, y el Dr. J. Craig Venter de Celera anunciaron

corte y empalme alternativo. Se ha estimado que aproximadamente el 95 por ciento de los genes humanos producen múltiples proteínas

que una serie de documentos que describen el análisis inicial de la

a través de empalmes alternativos. Por cierto, ahora se cree que el

secuencia del borrador de trabajo del genoma fueron publicados por

número total de proteínas presentes en las células humanas oscila

sus grupos de investigación en las prestigiosas revistas Nature y

entre aproximadamente 200.000 y 1 millón.

Science, respectivamente. Los científicos dedicaron los dos años siguientes a trabajar para llenar miles de lagunas en el genoma

El análisis de genes humanos por categorías funcionales ha

completando la secuenciación de piezas que aún no estaban

proporcionado a los científicos del genoma una instantánea de la

terminadas, corrigiendo piezas desalineadas y comparando

cantidad de genes involucrados en diferentes funciones moleculares.

secuencias para garantizar la precisión del genoma. El 14 de abril

No es sorprendente que muchos genes codifiquen enzimas, mientras

de 2003, el Consorcio Internacional de Secuenciación del Genoma

que otras grandes categorías de genes codifiquen proteínas

Humano anunció que su trabajo había terminado. Una secuencia de referencia del genoma humano estaba prácticamente completa, con

implicadas en la señalización y comunicación dentro y entre células y proteínas de unión a ADN y ARN. Pero incluso hoy,

prácticamente todas las bases identificadas y colocadas en el orden

aproximadamente el 40 por ciento de los genes humanos no tienen

correcto y los genes potenciales asignados a un cromosoma (ver

una función claramente conocida. Tenga esto en cuenta si está

Figura 3.22). Esta secuencia de referencia representa una línea de

interesado en una carrera en investigación genética, porque los

base de los principales elementos del genoma humano, pero nuestro

esfuerzos para descubrir qué hacen estos genes le brindarán

conocimiento del genoma humano y su organización, funciones y

oportunidades profesionales interesantes durante muchos años en

razones para

el futuro. Otro excelente recurso en Internet es PANTHER (Protein

450,000,000

4500 4,000

400,000,000

3500

350,000,000

3,000

300,000,000

2,500

250,000,000

2,000

200,000,000

1,500

150,000,000

1,000 500

100,000,000 50,000,000 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2220 21 Cromosoma FIGURA 3.22 Número aproximado de genes en cada cromosoma y tamaño aproximado en pares de bases (pb) de cada cromosoma humano Las estadísticas de compilación de figuras para los cromosomas humanos se basan en la información del genoma humano del Instituto Sanger en la base de datos Vertebrate Genome Annotation (VEGA). El número de genes es una estimación, ya que se basa en parte en predicciones de genes, razón por la cual este valor es más alto que los 20 000 genes estimados generalmente aceptados como el número de genes humanos.

YX

Machine Translated by Google Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

114

Análisis a través de relaciones evolutivas) base de datos. Esto

objetivos, tecnologías de secuenciación y mapeo, y las cuestiones éticas,

proporciona clasificaciones funcionales de genes y proteínas codificadas.

legales y sociales del PGH, visite los sitios del genoma humano que se

Consulte el estudio de caso para ver un ejercicio que lo llevará a una vista

enumeran en el sitio web complementario.

de gráfico circular de las categorías funcionales actuales de los genes humanos. He aquí un resumen de algunos de los conceptos básicos. Los científicos han aprendido del PGH: ÿÿ El genoma humano consta de aproximadamente 3,1 mil millones de pares de bases.

ÿÿ El genoma es aproximadamente el 99,9 por ciento del misma entre individuos de todas las nacionalidades. Los polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) y las variaciones del número de copias (CNV), como deleciones, inserciones y duplicaciones largas en el genoma, representan gran parte de la diversidad genómica identificada entre humanos.

Acceso a la información del genoma humano a través de Internet Es relativamente fácil acceder a bases de datos y otros sitios en Internet que muestran mapas para todos los cromosomas humanos. La figura 3.23 muestra un mapa genético parcial del cromosoma 12 que se tomó de una base de datos del NCBI llamada Map Viewer. La primera imagen muestra un ideograma, o mapa citogenético, del cromosoma 12. A la derecha del ideograma hay una columna que muestra los cóntigos (dispuestos verticalmente) que se alinearon para secuenciar este cromosoma. La columna de grupos de UniGene muestra una representación de histograma de la densidad de genes en el cromosoma 12. Observe que relativamente pocos genes están ubicados cerca del

ÿÿ Aproximadamente el 2 por ciento del genoma codifica proteínas. El

centrómero. Finalmente, los símbolos de genes, loci y nombres de genes

genoma contiene unos 20.000 genes que codifican proteínas. La

(por descripción) se proporcionan para genes seleccionados; en esta

gran mayoría de nuestro ADN no codifica proteínas, y las

figura solo se muestran 20 genes. Al acceder a estos mapas en Internet,

secuencias de ADN repetitivas representan al menos el 50 por

se puede ampliar o acercar cada región del cromosoma, revelando todos

ciento del ADN no codificante. Muchos genes humanos son

los genes asignados a un área en particular.

capaces de producir más de una proteína, lo que permite que las células humanas produzcan al menos 100 000 proteínas a partir de solo unos 20 000 genes.

Puede ver que a la mayoría de los genes enumerados aquí se les han asignado descripciones basadas en las funciones de sus productos,

ÿÿ Las funciones de al menos el 40 por ciento de los humanos los genes aún son desconocidos. ÿÿ El cromosoma 1 contiene la mayor cantidad de genes. El cromosoma Y contiene la menor cantidad de genes.

algunos de los cuales son proteínas transmembrana; algunas enzimas como las quinasas; algunos receptores, incluidos varios implicados en el olfato; y así. Al ver mapas como estos, a veces los genes se describen en términos de productos hipotéticos; se supone que son genes en función de su secuencia, pero se desconoce su función. Cada vez más, a medida que

ÿÿ Muchos de los genes del genoma humano muestran un alto grado de similitud de secuencia con los genes de otros organismos.

aprendemos más sobre las funciones de todos los genes humanos, se notan muchos menos genes hipotéticos en estos mapas que cuando se completó por primera vez el PGH.

ÿÿ Miles de genes de enfermedades humanas han sido identificados y asignados a sus ubicaciones cromosómicas.

¿Cómo nos hemos beneficiado y cómo nos seguiremos beneficiando

El Proyecto Genoma Humano inició una revolución "ómica"

del PGH? La secuencia completa del genoma humano ha sido descrita como el “modelo” genético de la humanidad, que contiene las claves

El HGP y la genómica son en gran parte responsables de marcar el

científicas para comprender nuestra biología y comportamientos. Identificar

comienzo de una nueva área de investigación biológica: las "ómicas".

todos los genes humanos no era tan importante como comprender qué

Parece que cada año, se describen áreas nuevas o existentes de

hacen estos genes y cómo funcionan. No entenderemos completamente

investigación biológica que tienen una conexión ómica. Por ejemplo:

la función de todos los genes humanos durante muchos años, si es que alguna vez lo hacemos. Un impacto inmediato del PGH en la biotecnología

ÿÿ Glucómica: estudio de los carbohidratos de una célula

ha sido la identificación de genes asociados con enfermedades genéticas humanas y el posterior desarrollo de nuevas estrategias de tratamiento y curas. Discutiremos algunas de las formas más efectivas en que el PGH

ÿÿ Metabolómica: estudio de proteínas y vías enzimáticas involucradas en el metabolismo celular

ha cambiado el diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades genéticas en el Capítulo 11. Para obtener información actualizada sobre

ÿÿ Metagenómica: el análisis de genomas de organismos recolectados del medio ambiente

el PGH y una excelente descripción general de

ÿÿ Farmacogenómica: medicina personalizada basada en el perfil genético de una persona para una afección en particular

Machine Translated by Google 3.4 Genómica y bioinformática: las disciplinas más candentes en la historia de la biotecnología

ideogramas 12p13.33 12p13.32 12p13.31 12p13.2 12p13.1 12p12.3 12p12.2 12p12.1 12p11.23 12p11.22 12p11.21 12p11.1 12q11 12q12 12q13.11 12q13.12

Contigo

HS UniG

NT_009759.

10M 20M

NT_009714.

12q21.1 12q21.2 12q21.31 12q21.32 12q21.33 12q22 12q23.1 12q23.2 12q23.3 12q24.11 12q24.12 12q24.13 12q24.21 12q24.22 12q24.23 12q24.31 12q24.32 12q24.33

Hs.446149

30M 40M 50M

12q13.13 12q13.2 12q13.3 12q14.1 12q14.2 12q14.3 12q15

Locus del símbolo del gen

Hs.279594 Hs.544577 Hs.479728 Hs.524219 Hs.458355 Hs.567497 Hs.419240 Hs.212838

NT_029419.

60M

Hs.524390 Hs.642755 Hs.35052 Hs.369761 Hs.433845 Hs.533782 Hs.406013 Hs.292063 Hs.546261 Hs.632717 Hs.406510 Hs.505735 Hs.75069 Hs.527861

70M

Descripción

FBXL14

12p13.33

F-box y repetición rica en leucina proteína 14

NTTF3

12p13

Neurotrofina 3

CDKN1B

12p13.1-p12

Inhibidor de la cinasa dependiente de ciclina 1B (p27, Pollo 1)

FLJ22028

12p12.1

Proteína hipotética FLJ22028

LOC260338 12p11.1

HSA12cenq11 beta-tubulina 4Q (TUBB4Q) pseudogén

LOC728166 12q13.11

Proteína hipotética LOC728166

C12orf41

12q13.11

Lectura abierta del cromosoma 12 cuadro 41

PRKAG1

12q12-q14

Proteína quinasa, activada por AMP, subunidad no catalítica gamma 1

FAIM2

12q13

Molécula inhibidora de la apoptosis de Fas 2

ACVRL1

12q11-q14

Tipo 1 del receptor de activina A tipo II

OR6C65

12q13.2

Receptor olfativo, familia 6, subfamilia C, miembro 65

OR6C2

12q13.2

Receptor olfativo, familia 6, subfamilia C, miembro 2

PMI

12q13

Principal proteína intrínseca de la fibra del cristalino

Hs.524599

80M 90M

NT_019546.

Hs.642609

LOC338805

12p14.1

Similar al choque térmico 70kD proteína de unión a proteínas

Hs.290404

TMEM5

12q14.2

Proteína transmembrana 5

Hs.192374

TRHDE

12q15-q21

liberador de tirotropina enzima degradadora de hormonas

Hs.528668

CRADD

12q21.33-q23.1

TMCC3

12q22

Dominio CASP2 y RIPK1 que contiene adaptador con dominio muerto Transmembrana y coiled-coil familia de dominio 3

C12 o F52

12q24.13

Lectura abierta del cromosoma 12 cuadro 52

12q24.1

T-box 3 (síndrome cubital mamario)

100M 110M NT_009775.

120M

Hs.433863 Hs.448226 Hs.546285 Hs.442798 Hs.520348

NT_009755.

130M

Hs.10842 NT_024477.

TBX3

ÿÿ Proteómica: estudio de todas las proteínas de una célula

115

FIGURA 3.23 Un mapa genético para el cromosoma 12 humano del Visor de mapas de la base de datos del NCBI

porque actualmente hay muy pocos genes claramente correlacionados con la nutrición para los cuales se sabe que el

ÿÿ Toxicogenómica: el análisis de los efectos de las sustancias químicas tóxicas en los genes, incluidas las mutaciones creadas por las toxinas y los cambios en la expresión génica causados por las toxinas.

ÿÿ Transcriptómica: estudio de todos los genes expresados (transcripción) en una célula

tratamiento tiene un beneficio científica o médicamente probado.

Genómica comparativa Puede que le sorprenda que, además de estudiar el genoma humano, el HGP involucró el mapeo y la secuenciación de genomas de varios organismos modelo, incluidos E. coli, una planta modelo llamada

ÿÿ Vaccinómica: creación de vacunas específicas basadas en el perfil genético de un individuo

Arabidopsis thaliana, la levadura Saccharomyces cerevisiae, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster , el nematodo ascáride

Si alguna de las áreas "ómicas" definidas aquí le parece interesante,

Cae norhabditis elegans, y el ratón Mus musculus, entre otras

investigue en Internet sobre estos temas y encontrará una gran

especies. Las secuencias genómicas completas de estos organismos

cantidad de información sobre cada área. Abordaremos muchas de

modelo han sido increíblemente útiles para los estudios de genómica

estas áreas ómicas a lo largo del libro. Como prueba adicional del

comparativa , que permiten a los investigadores estudiar la

impacto de la genómica, ha surgido un campo de la ciencia de la

estructura y la función de los genes en estos organismos de maneras

nutrición llamado nutrigenómica . La nutrigenómica se centra en

diseñadas para comprender la estructura y la función de los genes

comprender las interacciones entre la dieta y los genes. Varias

en otras especies, incluidos los humanos.

compañías ofrecen servicios que emplean micromatrices u otras pruebas genéticas para analizar su genotipo en busca de genes que se cree que están asociados con diferentes condiciones médicas o

Debido a que compartimos muchos de los mismos genes que las moscas, los gusanos redondos y los ratones, estos estudios también

aspectos del metabolismo de nutrientes. Estas empresas luego

conducirán a una mayor comprensión de la evolución humana. El

brindan un informe personalizado sobre nutrición con afirmaciones

número de genes que compartimos con otras especies es muy alto,

de que pueden sugerir cambios en la dieta que debe realizar para

y va desde alrededor del 30 por ciento de los genes de la levadura

mejorar su salud y prevenir enfermedades en función de sus genes.

hasta alrededor del 80 por ciento de los genes de los ratones y

Si la nutrigenómica es realmente un enfoque científico válido es un

alrededor del 95 por ciento de los genes de los chimpancés (Tabla 3.3).

tema de debate entre los científicos.

El análisis genómico comparativo del genoma del "mejor amigo del hombre" ha revelado que compartimos alrededor de 75

Machine Translated by Google 116

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

TÚ DECIDES

¿Patentar o no?

Craig Venter y sus colegas fueron los primeros

¿eso? Muchos creen que el acaparamiento de información

científicos en secuenciar completamente el

sobre el genoma va en contra de la tradición de compartir

genoma de un organismo vivo, la bacteria Haemophilus influenzae. Este grupo solicitó patentes sobre la secuencia de nucleótidos de H. influenzae

información para hacer avanzar la ciencia. ÿÿ ¿Debería patentarse un organismo vivo modificado genéticamente? Se han patentado bacterias modificadas (por ejemplo, las que se

y sobre la tecnología bioinformática utilizada para analizar este genoma.

utilizan para limpiar la contaminación ambiental) y animales transgénicos.

Anteriormente, Venter y sus colegas describieron una serie de experimentos en los que clonaron aleatoriamente fragmentos cortos de ADNc de células cerebrales humanas. Estas secuencias cortas, llamadas etiquetas de secuencia expresada (EST), en teoría, podrían usarse como sondas para identificar ADNc de longitud

ÿÿ ¿Puede un grupo reclamar derechos sobre usos futuros anticipados del gen incluso si no hay datos que respalden tales afirmaciones? ¿Qué pasa con las personas que descubren qué hacer con el gen? ¿Qué derechos tienen para patentar o proteger su descubrimiento?

completa. Se encontró que algunos de los EST de Venter eran idénticos a genes que ya habían sido clonados oa una porción de un gen; otros parecían ser nuevas secuencias de genes o ADN basura. Con la esperanza de obtener los derechos de propiedad de los genes completos que podrían identificarse a partir de las tecnologías ecológicamente racionales de Venter, el Instituto de Investigación Genómica solicitó una patente. En su momento, esta solicitud generó una gran controversia. Se estima que la Oficina de Patentes y Marcas Registradas de EE. UU. ha otorgado patentes sobre más de 35,000 genes o secuencias de genes, y aproximadamente el 20 por ciento de los genes humanos. Por cierto, el patentamiento de genes humanos ha llevado a algunos a utilizar el término patentoma.

ÿÿ ¿Qué pasa si una secuencia de genes está involucrada en una enfermedad para la cual se puede desarrollar una terapia genética? En los últimos años, la Corte Suprema de los Estados Unidos se ha pronunciado sobre casos relacionados con el patentamiento de genes humanos y cualquier secuencia, función o correlación con productos naturales de un gen. Los genes en su estado natural como productos de la naturaleza no se pueden patentar, pero se pueden patentar las aplicaciones (como las pruebas genéticas) y las aplicaciones potenciales de genes y secuencias de ADN. El Tribunal Superior de Australia también dictaminó que los genes naturales no son patentables. Sin embargo, las secuencias de ADN humano siguen siendo patentables en los países europeos en virtud

Ejemplos de preguntas planteadas por el patentamiento de ADN incluyen: ÿÿ ¿Debería permitirse a los científicos patentar secuencias de ADN de organismos vivos de forma natural? ÿÿ ¿Qué sucede si se otorga una patente solo para pequeñas

del Convenio de Patentes Europeas. Incluso la patentación de pruebas genéticas también está bajo un mayor escrutinio, en parte debido a la preocupación de que una prueba patentada pueda crear monopolios en los que los pacientes no pueden obtener una segunda opinión si solo una

partes de un gen, incluso si nadie sabe lo que hace una secuencia

empresa tiene los derechos para realizar una prueba genética en particular.

de ADN, ¿solo porque una empresa o algunas personas quieren

Este problema se ha planteado con la prueba genética más común para el

una patente para reclamar haber clonado primero una parte de

cáncer de mama.

ADN? ÿÿ ¿Qué pasa si no hay usos claros para las secuencias de ADN clonadas? ÿÿ ¿Puede o debe permitirse a los investigadores que secuencian un genoma completo patentar el genoma completo de cualquier organismo? ÿÿ Cuando se les otorga una patente, los científicos

Un análisis reciente ha estimado que hasta 64 por ciento de las pruebas patentadas para genes de enfermedades hacen muy difícil o imposible que otros grupos propongan una forma diferente de probar la misma enfermedad. Desde un punto de vista comercial, una de las ventajas de las patentes es que ofrece a las empresas privadas un incentivo financiero para introducir

esencialmente tienen protección sobre el uso de información

un medicamento o una tecnología en el mercado y les permite obtener

patentada durante dos décadas a partir de la fecha de

beneficios después de que se hayan vendido muchos millones (o miles de

presentación de la patente. ¿Podría o debería un grupo reclamar

millones en algunos casos) de dólares. gastado en investigación y

un gen, impidiendo así que otros trabajen en él o desarrollen un

desarrollo (I+D) para fabricar un producto. ¿Patentar o no? Tú decides.

producto a partir de él?

por ciento de nuestros genes con perros. El ADN humano incluso contiene alrededor de 100 genes que también están presentes en muchas bacterias. Cuando los investigadores completaron el genoma de 814 millones de pb del erizo de mar (Strongylocentrus purpuratus), un invertebrado que ha servido como modelo importante

organismo particularmente para los biólogos del desarrollo, aprendimos que de los 23,500 genes en el genoma del erizo, muchos son genes con funciones importantes en los humanos. Los genomas de muchos organismos modelo han sido completamente secuenciados y cientos de otros

Machine Translated by Google 3.4 Genómica y bioinformática: las disciplinas más candentes en la historia de la biotecnología

117

TABLA 3.3 Comparación de genomas seleccionados Aproximado Aproximado Tamaño del genoma

Número

Porcentaje de Genes compartidos

Organismo (nombre científico)

(fecha de finalización)

de genes

con humanos

Bacteria

4,1 millones de pb (1997)

4,403

No determinado www.genome.wisc.edu/

1 billón pb (2004)

~20,000–

60%

2.500 millones de

~18,400 75%

(Escherichia coli) Pollo (polla polla) Perro (perro de la familia)

23,000

Acceso web a las bases de datos del genoma

https://useast.ensembl.org/ Gallus_gallus/Info/Índice https://www.ncbi.nlm.nih.gov/

pb (2003)

genoma?term=canis%20 lupus%20familiaris 96%

Chimpancé

~3 mil millones de

~20,000–

(Pan trogloditas)

pb (borrador

24,000

focus/chimpancégenoma/index.html

www.FruitFly.org

http://www.nature.com/nature/

inicial, 2005)

165 millones pb (2000)

~13,600 50%

(Drosophila melanogaster) humanos

~ 3.100 millones de

~20,000–

mosca de la fruta

(hombre sabio) Ratón (músculo de ratón) Plantas

pb (2004)

~2.500 millones de

100%

www.doegenomes.org

25,000 ~30,000 ~80%

www.informatics.jax.org

pb (2002)

119 millones pb (2000)

~26,000

No determinado www.arabidopsis.org

389 millones pb (2005)

~41,000

No determinado http://www.plantgdb.org/OsGDB/

(Oryza sativa) Rata

~ 2.750 millones de

~22,000 80%

berro de Thale (Arabidopsis thaliana es un organismo modelo ampliamente utilizado por los genetistas de plantas) Arroz

gusano redondo

(Caenorhabditis elegans) Levadura

(Saccharomyces cerevisiae)

www.hgsc.bcm.tmc.edu/

pb (2004)

(Rattus norvegicus)

proyectos/rata

97 millones pb (1998)

19,099

40%

http://www.wormbase.org

12 millones pb (1996)

~5,700

30%

https://www.yeastgenome.org

Se han completado proyectos de genómica con cientos de otros en curso en todo el mundo. Otros genomas recientes que acapararon los titulares que se han completado incluyen:

ÿÿ El tritón de puntos rojos tiene un genoma casi 10 veces más grande que el de un ser humano. ÿÿ El primer genoma de un árbol, el álamo negro (un tipo de álamo), se secuenció hace varios años. En ese momento, los

ÿÿ La manzana (más de 57.000 genes) y la

¡El tomate (31.760 genes) tiene muchos más genes que los humanos! ÿÿ La papa, una planta que comparte el 92 por ciento de su ADN con los tomates, resulta ser una fruta.

45.555 genes del álamo eran el número más alto encontrado en un genoma. Los científicos prevén utilizar los datos de este proyecto para ayudar a la industria forestal a fabricar mejores productos, incluidos biocombustibles o incluso álamos modificados genéticamente, para capturar altos niveles de dióxido de carbono de la atmósfera.

ÿÿ El garbanzo es una de las primeras leguminosas cultivadas y la segunda leguminosa más cultivada después de la soja.

ÿÿ Se ha completado el genoma de la abeja melífera y la información de este proyecto se utilizará para

Machine Translated by Google 118

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

comprender la genética y el comportamiento de las abejas para ayudar a la industria productora de miel, así como avanzar en la

particularmente cuando está congelado. También son intrigantes las similitudes que se han revelado entre los genomas del mamut y el

comprensión de cómo las toxinas de las abejas producen

humano. Cuando los cromosomas humanos se alinearon con el genoma

respuestas alérgicas.

de mamut, aproximadamente el 50 por ciento de los genes de mamut

Los científicos del genoma de todo el mundo están trabajando en un proyecto para secuenciar 10 000 genomas de vertebrados, el plan Genome 10K. Este ambicioso plan propone ensamblar 10.000 genomas en 5 años, aproximadamente un genoma por día. Un proyecto similar está en marcha para secuenciar unos 10.000 genomas de invertebrados. Científicos de China y EE. UU. han propuesto el Proyecto BioGenoma de la Tierra (EBP, por sus siglas en inglés), un esfuerzo para secuenciar más de 1,5 millones de genomas eucariotas. Además de su propia investigación de secuenciación del genoma, la EBP incorporaría datos del plan Genome 10K y muchos otros. A lo largo de otros capítulos de este libro, discutiremos proyectos de genómica y aprenderá sobre muchas aplicaciones de la genómica. Por ejemplo, en el Capítulo 5 analizamos los proyectos de secuenciación del genoma microbiano que están secuenciando genomas para literalmente cientos de microbios recientemente identificados, incluidos los microbios que viven en y sobre los humanos (el Proyecto

muestran alineación de secuencia con genes humanos en autosomas. Svante Pääbo del Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva en Alemania y sus colegas han sido líderes en la creación de borradores del genoma de Neanderthal (Homo neanderthalensis) que abarca más de 3 mil millones de pb de ADN de Neanderthal y aproximadamente dos tercios del genoma. En 2006, el grupo de Pääbo, junto con varios científicos de los Estados Unidos, informó sobre la primera secuencia de aproximadamente 65 000 pb de ADN nuclear aislado del hueso de una muestra de Neandertal de Croacia de 38 000 años de antigüedad. Se cree que una secuencia recuperada recientemente de los restos calcificados de un neandertal que vivió hace más de 200.000 años es el ADN de neandertal más antiguo jamás analizado. Debido a que los Nean derthales son parientes cercanos de los humanos, la secuenciación del genoma de Neanderthal brinda una gran oportunidad para utilizar la genómica comparativa para avanzar en nuestra comprensión de las relaciones evolutivas entre los humanos.

Microbioma Humano) y los microbios presentes en el agua, el suelo y el aire. muestras de todo el mundo (metagenómica). En la Sección 3.5 y en el Capítulo 5, también analizaremos enfoques de genomas sintéticos diseñados para crear nuevas formas de vida a partir de genomas construidos artificialmente.

Los genomas humano y neandertal son idénticos en un 99 por ciento. Algunas de estas secuencias están involucradas en el desarrollo cognitivo y la motilidad de los espermatozoides. De los muchos genes compartidos por estas especies, FOXP2 es un gen que se ha relacionado con la capacidad del habla y el lenguaje.

Genómica de la edad de piedra

Muchos genes influyen en el habla, por lo que este hallazgo no significa

Como otro ejemplo intrigante de la genómica, varios laboratorios de todo el mundo están involucrados en el análisis de ADN "antiguo".

que los neandertales hablaran como nosotros. Pero debido a que Neanderthal tenía el mismo FOXP2 humano moderno

Estos estudios están generando datos fascinantes a partir de cantidades

gen, los científicos han especulado que los neandertales poseían

minúsculas de ADN antiguo de huesos y otros tejidos y muestras fósiles

habilidades lingüísticas. La constatación de que los humanos modernos

que tienen decenas de miles de años. El análisis de ADN de más de

y los neandertales vivían en rangos superpuestos hace tan solo 30.000

90 momias egipcias, mamuts polillas, ornitorrincos, osos de las cavernas del Pleistoceno, especies ancestrales de caballos (una secuencia de

años ha llevado a especular sobre las interacciones entre los humanos modernos y los neandertales. Los estudios del genoma sugieren que

hace más de 700 000 años es la secuencia completa más antigua hasta

hubo mestizaje entre los neandertales y los humanos modernos hace

la fecha) y neandertales son algunas de las más conocidas. ejemplos destacados de la genómica de la edad de piedra, también llamada

aproximadamente 45.000 a 80.000 años en el Mediterráneo oriental. Estos apasionantes estudios, que antes se consideraban imposibles,

paleogenómica.

están teniendo ramificaciones en muchas áreas de la evolución humana, y será realmente interesante seguir el progreso de este trabajo.

Hace aproximadamente una década, los investigadores publicaron datos de secuencias parciales (alrededor de 13 millones de pb) de un mamut lanudo de 27.000 años de antigüedad encontrado congelado y casi intacto en Siberia. Este estudio mostró que existe aproximadamente

Después del PGH: ¿Qué sigue?

un 98,5 por ciento de identidad de secuencia entre los mamuts y los elefantes africanos. El trabajo posterior de otros científicos ha utilizado

En los 15 años transcurridos desde la finalización de un proyecto de

la secuenciación del genoma completo del ADN mitocondrial y nuclear de los mamuts siberianos para proporcionar datos sobre el genoma del

secuencia del genoma humano, los estudios sobre el genoma humano

mamut.

muchas otras áreas temáticas importantes para la investigación del

Estos estudios sugieren que el genoma del mamut difiere del del

genoma humano, incluido el análisis del epigenoma (el Proyecto

elefante africano en tan solo un 0,6 por ciento. Estos estudios son una

Epigenoma Humano, que está creando cientos de mapas de cambios

gran demostración de cuán estable puede ser el ADN en las condiciones

epigenéticos en diferentes tipos de células y tejidos y evaluando el

adecuadas,

potencial

continúan a un ritmo muy rápido. Como resultado del PGH, han surgido

Machine Translated by Google 3.4 Genómica y bioinformática: las disciplinas más candentes en la historia de la biotecnología

roles de la epigenética en enfermedades complejas), así como la

119

ÿÿ Los SNP asociados con la enfermedad están enriquecidos dentro de

caracterización de SNP (el Proyecto Internacional HapMap) y CNV

las regiones no codificantes del genoma, que a menudo residen cerca

por su papel en la variación del genoma, enfermedades y aplicaciones

de los genes codificadores de proteínas.

farmacogenómicas. Aquí analizamos varias de las principales áreas de proyectos de investigación relacionados con el genoma humano: el Proyecto ENCODE, la genómica personal y los proyectos del genoma del cáncer.

Los hallazgos de ENCODE han definido ampliamente los roles funcionales del genoma para incluir proteínas codificantes o ARN no codificantes y mostrar propiedades bioquímicas tales como proteínas reguladoras de unión que influyen en la transcripción o la estructura de la cromatina. Vale la pena señalar, sin embargo, que un grupo

Proyecto Enciclopedia de elementos de ADN (ENCODE) Mientras se completaba el HGP, varios cientos de investigadores en unas tres docenas de laboratorios de todo el mundo comenzaron el Proyecto Enciclopedia de Elementos de ADN (ENCODE). El objetivo

relativamente grande de genetistas y otros científicos no están de acuerdo con la definición de secuencias funcionales de ENCODE. Pero los equipos de investigación están utilizando la información de ENCODE para identificar los factores de riesgo de ciertas enfermedades, con la esperanza de desarrollar curas y tratamientos apropiados.

principal de ENCODE es utilizar enfoques experimentales y bioinformáticos para identificar y analizar elementos funcionales (como sitios de inicio de la transcripción, promotores y potenciadores) que

Genómica personal

regulan la expresión de genes humanos. También se han iniciado

Debido a los rápidos avances en las tecnologías de secuenciación,

proyectos ENCODE para genomas de ratones, gusanos y moscas.

muchas empresas propusieron secuenciar genomas completos para personas individuales o genómica personal. Hubo varios concursos en los que se ofrecieron importantes premios en metálico a los grupos

Debido a que menos del 2 por ciento del genoma humano codifica proteínas, ENCODE no se enfoca en los genes que codifican proteínas,

que pudieran desarrollar tecnologías capaces de secuenciar genomas individuales por menos de 10.000 dólares por genoma. ¡Entonces,

sino en el resto de las secuencias, comúnmente denominadas ADN

rápidamente, el objetivo se convirtió en un genoma personal por solo $

“basura” en el pasado. Entonces, ¿qué están haciendo todas estas

1,000! Varias compañías ahora han desarrollado tecnologías de

otras bases en el genoma? El término ADN basura siempre ha sido un

secuenciación de tercera generación para secuenciar un genoma

nombre inapropiado. Sabemos que tales secuencias son importantes

humano completo por menos de $ 1,000. Algunas empresas han puesto

para la estructura cromosómica, la regulación de la expresión génica y

sus miras en la secuenciación de un genoma completo por menos de

otras funciones. El hecho de que estas secuencias en sí mismas no

100 dólares. Se puede debatir si la marca de $ 1,000 representa los

codifiquen proteínas no significa que carezcan de importancia. ENCODE

costos de los reactivos para secuenciar un genoma o los costos reales

estudió la expresión génica en 147 tipos de células diferentes porque la

cuando se tienen en cuenta la preparación de la secuencia, el trabajo y

actividad del genoma difiere de una célula a otra. Después de

el análisis del genoma.

aproximadamente una década de investigación y un costo de $288 millones, en 2012 se publicó un grupo de 30 artículos de investigación

Independientemente de cómo se calcule el costo real de la

que revelaron los principales hallazgos iniciales del proyecto ENCODE.

secuenciación de un genoma, el costo moderno es sustancialmente

Los aspectos destacados seleccionados revelados en esos documentos

inferior a los $ 3 mil millones necesarios para el HGP. La genómica

iniciales y los aspectos más destacados recientes incluyen lo siguiente:

personal puede eventualmente ser lo suficientemente asequible para que las personas adquieran una lectura de su propio modelo genético

ÿÿ La mayoría, aproximadamente el 80 por ciento, del genoma humano se considera funcional. Esto se debe en parte a que grandes segmentos del genoma se transcriben en ARN. La mayoría de estos ARN no codifican proteínas. Estos diversos ARN incluyen ARNt, ARNr y miARN, y ARN largos no codificantes (lncRNA), definidos como transcritos no codificantes de proteínas de más de 200 nucleótidos. Una estimación conservadora es que puede haber más de 17.000 genes para lncRNA. Puede resultar que el número de secuencias de ARN no codificantes sea mayor que el de genes codificadores de proteínas.

como parte de la atención médica de rutina. Varios proyectos de genómica personal a gran escala están en curso en todo el mundo. Por ejemplo, está en marcha un proyecto para secuenciar genomas completos para personas centenarias (personas de 100 años o más). La idea aquí es que el ADN de humanos mayores puede revelar pistas importantes sobre la longevidad que algún día podría ayudar a más personas a vivir más tiempo, libres de enfermedades. Como otro ejemplo, en 2012, el Reino Unido lanzó el Proyecto 100,000 Genomas. Esta iniciativa tiene como objetivo secuenciar genomas completos de individuos con ciertos trastornos raros y diferentes enfermedades infecciosas (50.000 personas) y cánceres comunes (25.000 personas a las que se les secuenciará el

ÿÿ Las secuencias funcionales también incluyen genes

regiones reguladoras: aproximadamente 70.000 regiones promotoras y casi 400.000 regiones potenciadoras. ÿÿ Hay 20.687 genes que codifican proteínas en el genoma humano.

ADN dos veces, una de células normales y otra de células tumorales). El objetivo es que los datos del genoma con datos médicos se puedan utilizar para mejorar la comprensión de las causas de estas enfermedades, lo que eventualmente resultará en el desarrollo de tratamientos o curas más efectivos.

Machine Translated by Google 120

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

TÚ DECIDES

¿Secuenciar o no secuenciar?

A principios de 2017 (la última fecha para la que había datos disponibles)

secuenciado? ¿Cuánto pagaría por la secuencia de su genoma? ¿Qué harías con esta información de secuencia? ¿Quién

antes de que se publicara Introducción a la biotecnología),

tendría acceso a la información de su secuencia? ¿Quién

se habían secuenciado más de 500 000 genomas humanos

debería tener acceso a la información de su secuencia? Tú

individuales (en comparación con solo una docena a principios

decides.

de 2010). ¿Quieres tu genoma?

Debido a que una porción tan pequeña del genoma consiste en genes que codifican proteínas, el análisis genómico personal se desplaza hacia la secuenciación del exoma completo (WES), es decir, secuenciar solo los aproximadamente 180 000 exones (secuencias codificantes de proteínas) en el cuerpo de una persona. genoma WES revela mutaciones involucradas en la enfermedad porque hay más variaciones genéticas relacionadas con la enfermedad en el exoma que en otras regiones del genoma. WES se puede hacer a un costo de mucho menos de $1,000. Por supuesto, una limitación de este enfoque es su incapacidad para identificar mutaciones en las regiones reguladoras de genes que influyen en la expresión génica. A medida que el costo de WGS sigue bajando, los científicos y médicos que intentan detectar mutaciones que causan enfermedades debaten si tiene sentido simplemente secuenciar el genoma completo o simplemente secuenciar los exomas primero para encontrar mutaciones. Finalmente, la tecnología de secuenciación ahora ha avanzado hasta donde tenemos la capacidad de secuenciar el genoma de una sola célula. La secuenciación de una sola célula (SCS) normalmente implica aislar el ADN genómico de una sola célula que luego se somete a la amplificación del genoma completo (WGA) por PCR para producir suficiente ADN para ser secuenciado. La amplificación del genoma para producir suficiente ADN para la secuenciación sin introducir errores sigue siendo un desafío importante en el que los investigadores están trabajando para que SCS pueda convertirse en una técnica más confiable y

mapear genes importantes y cambios genéticos involucrados en el cáncer. El proyecto TCGA secuenció genomas de casi tres docenas de tipos de cáncer hasta la fecha y concluyó en 2017. TCGA es solo un ejemplo de muchos proyectos importantes en todo el mundo diseñados para identificar cambios genéticos en células cancerosas. En última instancia, la identificación de genes clave implicados en la formación y metástasis (diseminación) de tumores dará lugar a mejores técnicas de diagnóstico para la detección del cáncer ya tratamientos más eficaces para curar el cáncer. Esto ya está sucediendo con muchos tipos de cáncer, como veremos en el Capítulo 11.

3.5 Biología de Sistemas y Biología Sintética Concluimos este capítulo presentando brevemente la biología de sistemas y la biología sintética, dos disciplinas que emergen rápidamente y que incorporan datos de la genómica, la transcriptómica, la proteómica y otras áreas de la biología, así como aplicaciones de ingeniería y otros enfoques de resolución de problemas. La biología de sistemas implica la interpretación de la información genómica en el contexto de la estructura, función y

regulación de las vías biológicas. Los sistemas biológicos son muy complejos. Al estudiar las relaciones entre todos los componentes de un organismo, los biólogos están tratando de construir una comprensión a nivel de "sistemas" de cómo funcionan los organismos. Los biólogos de sistemas suelen combinar datos de genómica y proteómica adquiridos que no son heredables, como las mutaciones de la línea germinal, que son mutaciones hereditarias transmitidas a la descendencia a travésrecientemente de gametos. con estudios tradicionales de estructura y función de genes y proteínas, junto con datos de modelado. Gran parte Entonces, como puede ver, la genómica ha avanzado de esta información se obtiene de bases de datos como PubMed, bastante desde el HGP. Volvemos a nuestra discusión sobre la GenBank y otros recursos de genómica, transcriptómica y genómica personal y temas relacionados en el Capítulo 11 cuando proteómica recientemente emergentes. Los modelos de sistemas consideramos las aplicaciones de los datos del genoma individual se utilizan para diagramar las interacciones dentro de una célula para las pruebas genéticas y las controversias asociadas con o de un organismo completo, como las interacciones proteínaestas aplicaciones. proteína, las interacciones proteína-ácido nucleico y las Proyectos del genoma del cáncer interacciones proteína-metabolito (p. ej., unión enzima-sustrato). El cáncer como enfermedad tiene muchos componentes Estos modelos ayudan a los biólogos a comprender los genéticos. En 2006, los NIH lanzaron un proyecto del genoma del componentes de las vías de interacción y las interrelaciones de cáncer llamado Proyecto Atlas del Genoma del Cáncer (TCGA) para las moléculas en una vía de interacción. En años recientes, precisa para las pruebas genéticas. La secuenciación genómica de células individuales es valiosa para analizar tanto las mutaciones de células somáticas, por ejemplo, las mutaciones que surgen en las células somáticas, como en un cáncer de piel,

Machine Translated by Google 121

3.5 Biología de Sistemas y Biología Sintética

el término interactoma ha surgido para describir los componentes que interactúan en una célula. Los biólogos de sistemas usan varios tipos diferentes de modelos para diagramar las vías de interacción de las proteínas. Uno de los tipos de modelos más comunes es un mapa de red: un boceto que muestra proteínas, genes y otras moléculas que interactúan. Estos diagramas son esencialmente el equivalente de un diagrama de cableado eléctrico. Una desventaja de los mapas de red es que son diagramas estáticos que normalmente carecen de información sobre cuándo y dónde ocurre cada interacción. Aun así, son una base útil para generar modelos computacionales que permitan ejecutar simulaciones para determinar cómo ocurren los eventos de señalización. Por ejemplo, los principales grupos de

Las quinasas, enzimas que fosforilan otras proteínas para afectar su actividad, se han mapeado en red para mostrar sus interacciones entre sí. Debido a que las quinasas juegan papeles tan importantes en la regulación de la mayoría de los procesos celulares críticos, esta información sobre el “kinoma” ha sido muy valiosa para las empresas que desarrollan tratamientos farmacológicos dirigidos a ciertas vías metabólicas. Los mapas de redes están ayudando a los científicos a modelar interacciones potenciales complejas de moléculas involucradas en procesos normales y de enfermedades. La figura 3.24 muestra un ejemplo de un mapa de red, que representa un modelo de red de enfermedades humanas que ilustra la complejidad de las interacciones entre genes involucrados en 22 procesos difer

Tamaño de nodoTamaño de nodo

Hueso

De desarrollo

inmunológico

Oftalmológico

Múltiple

Cáncer

Oreja nariz garganta

Metabólico

Psiquiátrico

Desclasificado

Cardiovascular

Endocrino

Muscular

Renal

Tejido conectivo

Gastrointestinal

Neurológico

Respiratorio

Dermatológico

Hematológico

nutricional

Esquelético

41

34

21

15 10

30 5 25

Catarata

miopatía epidermólisis bulloso

Muscular distrofia

Sordera

retinitis pigmentosa

Miocardiopatía

Leigh síndrome

Carrera

Charcot-Marie-Tooth enfermedad

miocárdico infarto

Diabetes mellitus diabetes

Epilepsia Mental retraso

Gástrico

enfermedad

Obesidad

cáncer

Hipertensión aterosclerosis

Próstata cáncer

Fanconi anemia

Tiroides carcinoma

Alzhéimer

Ataxiatelangiectasia

Seno cáncer

Colon

pseudohipo Pseudohipoaldosteronismo aldosteronismo

Asma

linfoma

cáncer

Leucemia

párkinson

enfermedad de salto de hirsch Hirschsprung enfermedad

enfermedad

Sangre

grupo esferocitosis ataxia espinocerebeloso espinocerebelosa ataxia

componente del complemento deficiencia

FIGURA 3.24 Un modelo de biología de sistemas de interacciones genéticas de enfermedades humanas El modelo muestra nodos correspondientes a 22 trastornos específicos coloreados por clase. El tamaño del nodo es proporcional al número de genes que contribuyen al trastorno. Aunque el sombreado de las categorías de diferentes enfermedades puede ser difícil de distinguir, esta figura ilustra las complejas interacciones genéticas y las superposiciones entre diferentes enfermedades.

hemolítico anemia

1

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Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

enfermedades humanas Un aspecto del mapa que debería ser

(entrada) y se escribe una letra (salida). Los "interruptores" también

inmediatamente obvio es que varios cánceres comparten genes que

existen en todas las células. Las células reciben varias entradas y activan

interactúan, aunque los cánceres afecten a diferentes órganos. Conocer

(o desactivan) algo, como la expresión de un gen o la producción de una

los genes involucrados y las redes de interacción de proteínas para diferentes tipos de cáncer es un gran avance para informar a los

proteína, en respuesta (salida).

científicos sobre los genes y proteínas diana a considerar con fines

(promotores, genes, etc., que pueden combinarse mediante tecnología

Los biólogos sintéticos han creado bases de datos de partes del genoma

terapéuticos. La biología de sistemas se está volviendo cada vez más

de ADN recombinante). Utilizando la biología sintética, los científicos han

importante en el proceso de descubrimiento y desarrollo de fármacos,

combinado partes de un gen, como secuencias promotoras y otros

donde sus enfoques pueden ayudar a los científicos y médicos a

elementos reguladores, con genes que codifican proteínas específicas,

desarrollar un marco conceptual de interacciones de genes y proteínas

incluidas proteínas fluorescentes, para crear circuitos de ADN sintético.

en enfermedades humanas que luego puede servir como fundamento para el diseño efectivo de fármacos.

que se encienden y apagan en respuesta a diferentes estímulos. Cuando se incorporan a las células, estos circuitos hacen que las células

En el Capítulo 5, aprenderá sobre investigaciones novedosas de un equipo dirigido por el pionero de HGP, Craig Venter; este equipo creó

emitan fluorescencia cuando se exponen a contaminantes, por ejemplo. ¿Podría usarse la biología sintética para crear microbios u otras

un genoma sintético funcional, un genoma sintetizado artificialmente,

células diseñadas para buscar y detectar células enfermas en todo el

para un microbio. Este trabajo fue aclamado como un momento decisivo

cuerpo, como células cancerosas, y luego liberar moléculas que podrían detectarse en la sangre, la orina o las heces para señalar la presencia

en el campo emergente de la biología sintética. La biología sintética aplica principios y diseños de ingeniería a los sistemas biológicos, con la

de estas células? ? ¿Se podrían diseñar estas mismas células para que

idea de diseñar células vivas (procariotas y eucariotas) para fines

liberen un fármaco terapéutico o un anticuerpo cuando se encuentren

específicos, como la fabricación de alimentos, medicamentos y diferentes

con una célula enferma? Estas y muchas otras preguntas están siendo

materiales. Sin embargo, es necesario responder a muchas preguntas

abordadas por biólogos sintéticos, y aprenderá más sobre aplicaciones

fundamentales sobre los genomas sintéticos. Pero los primeros estudios

recientes en el Capítulo 5. Otro proyecto en proceso, llamado Human

han proporcionado una "prueba de concepto" clave de que los genomas

Genome Project-Write (HGP-Write), propone sintetizar un genoma

sintéticos se pueden producir, ensamblar y trasplantar con éxito a las

humano completo.

células. Este logro acerca a los científicos a la producción de nuevos genomas sintéticos que incorporan genes para rasgos específicos de

Solo en 2017, las empresas de biología sintética recaudaron más

interés. Actualmente se está realizando un esfuerzo internacional para

de 1700 millones de dólares en inversiones para el desarrollo de

producir cromosomas sintéticos que comprendan un genoma de levadura

tecnologías innovadoras en diversas áreas. Quedan muchos desafíos

completo, alrededor de 12,5 millones de bases. En 2014, se creó una

por delante, junto con muchas décadas de investigación, pero tanto la

versión sintética del cromosoma III de levadura (S. cerevisiae) , el primer

biología de sistemas como la biología sintética están evolucionando

cromosoma eucariótico de este tipo.

rápidamente, y es probable que las aplicaciones más increíbles de estas disciplinas aún no se hayan realizado.

¿Cuáles son las aplicaciones potenciales de los genomas sintéticos y la biología sintética? Una es crear microorganismos que puedan usarse para sintetizar biocombustibles. Existen otras posibilidades, como la creación de microbios sintéticos diseñados para degradar contaminantes (biorremediación); la síntesis de nuevos productos biofarmacéuticos, incluidas las vacunas; la producción de productos químicos y combustibles a partir de la luz solar y el dióxido de carbono; y el desarrollo de bacterias genéticamente programadas para ayudarnos a sanar, de células como biosensores para detectar contaminantes y de cultivos “semisintéticos” que contienen cromosomas sintéticos que codifican genes para rasgos beneficiosos como la resistencia a la sequía o una mayor eficiencia fotosintética. Además, los científicos se han interesado en usar genomas sintéticos para crear interruptores simples con funciones específicas. Está familiarizado con muchos ejemplos cotidianos de interruptores, un lugar donde una entrada conduce a una salida. Un interruptor de luz proporciona un buen ejemplo. Mueva el interruptor de la luz (entrada) y se enciende una luz (salida). O presionas una tecla en el teclado

HACER UNA DIFERENCIA Uno de los ejemplos más exitosos de cómo la tecnología de ADN recombinante está salvando vidas es también una de sus primeras aplicaciones para tratar enfermedades humanas. Anteriormente en el capítulo discutimos cómo la forma recombinante de insulina, llamada Humulin, se convirtió en el primer producto de tecnología de ADN recombinante aprobado por la FDA para su uso en humanos. Antes de la insulina recombinante, la insulina se aisló de animales. En muchas personas con diabetes, la insulina de origen animal fue ineficaz y provocó una serie de complicaciones. Producir insulina recombinante no fue fácil (ver Figura 5.8). La insulina se compone de dos cadenas polipeptídicas diferentes. Ambos polipéptidos debían expresarse en forma recombinante y ensamblarse para formar la hormona activa. No hace falta decir que fue toda una hazaña diseñar con éxito la insulina, una proteína recombinante tan desafiante, como el primer producto de esta tecnología. Esta demostración de que un

Machine Translated by Google Preguntas y actividades

fue posible un enfoque recombinante para producir una proteína compleja hizo que los científicos se sintieran muy optimistas sobre las posibilidades de los enfoques de ADN recombinante para producir otras proteínas de valor terapéutico. Humulin fue desarrollado originalmente por Genentech y luego

123

para explicar su enfoque experimental y los materiales de laboratorio necesarios. También explique en detalle cualquier procedimiento necesario para confirmar que tiene un gen humano que corresponde a su gen de rata.

distribuido ampliamente por Eli Lilly and Company, que continúa produciendo Humulin en la actualidad. Desde que estuvo disponible por primera vez en 1982, Humulin se ha utilizado con éxito y seguridad para tratar a millones de pacientes. La gran mayoría de la insulina administrada a pacientes con

6. Si realizó un experimento de PCR comenzando con una sola copia de ADN de doble cadena, ¿aproximadamente cuántas moléculas se producirían después de 15 ciclos de amplificación?

diabetes mellitus insulinodependiente en todo el mundo es insulina recombinante. Muchas variaciones de Humulin ahora están disponibles, la mayoría de las cuales son mezclas diferentes que determinan si la insulina es de acción rápida o lenta una vez que se inyecta. Recientemente, los investigadores han estado trabajando en técnicas para producir insulina recombinante en plantas, lo que se espera que reduzca drásticamente los

7. Describa la principal diferencia entre invertir

PCR de transcripción (RT-PCR) y PCR cuantitativa o en tiempo real (qPCR). Considere lo que se puede hacer combinando estas dos tecnologías. 8. Visite la herencia mendeliana en línea en el hombre

costos de biofabricación. La historia de la insulina es un ejemplo destacado de cómo se utilizan las técnicas de ADN recombinante para marcar una diferencia en el alivio del dolor y el sufrimiento humanos.

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

1. Distinguir entre clonación de genes, tecnología de ADN recombinante e ingeniería genética describiendo cada proceso y discutiendo cómo están interrelacionados. Proporcione ejemplos de cada enfoque como se describe en este capítulo.

(OMIM) en el sitio web complementario y luego haga clic en "Buscar en la base de datos de OMIM". Escriba diabe tes en el cuadro de búsqueda y luego haga clic en "Enviar búsqueda". ¿Que encontraste? Intente escribir 114480 en el cuadro de búsqueda. ¿Qué pasó esta vez? Alternativamente, busque un gen que le pueda interesar y vea lo que puede encontrar en OMIM. Si los resultados de su búsqueda en OMIM son demasiado técnicos, visite la sección "Genes y enfermedades" del sitio del NCBI desde el sitio web complementario y luego busque diabetes.

9. El análisis de software de las secuencias de ADN hace que sea mucho más fácil para los biólogos moleculares estudiar la estructura de los genes. Esta actividad está diseñada para ayudarlo a experimentar las aplicaciones del software de análisis de ADN. Imagine que la siguiente secuencia muy corta de nucleótidos,

2. Las enzimas de restricción son un componente esencial en las técnicas

CAGAATTCCC GGGAAGCTTGG, representa una hebra de un gen

de clonación de genes y ADN recombinante.

importante que le acaban de enviar por correo para su proyecto de

¿La siguiente secuencia contiene una secuencia de reconocimiento palindrómico para una enzima de restricción que se enumera en la tabla 3.1? Si es así,

investigación. Antes de que pueda continuar con su investigación,

¿cuál es la secuencia de doble cadena del palíndromo y qué enzima cortaría en esta secuencia? ATCCGTCATACCGAATTCGTAAGG 3. Un conjunto emparejado de cebadores es esencial para una reacción de PCR. ¿Qué son estos cebadores y cuál es su función en una reacción de PCR? 4. ¿Qué características hacen los vectores de clonación de plásmidos?

¿Son útiles para la clonación de ADN? Proporcione ejemplos de diferentes tipos de vectores de clonación y discuta sus aplicaciones en biotecnología. 5. Su laboratorio acaba de determinar la secuencia de un gen de rata que se cree que está involucrado en el control de la capacidad de fertilización del esperma de rata. Usted cree que un gen similar puede controlar la fertilidad en los machos humanos.

Describe brevemente cómo podrías usar lo que sabes sobre este gen de rata combinado con PCR para clonar el gen humano complementario. Estar seguro

debe averiguar qué enzimas de restricción, si las hay, cortan este trozo de ADN.

Vaya al sitio de Webcutter desde el sitio web complementario. Desplácese hacia abajo en la página hasta que vea un cuadro de texto con el título "Pegue la secuencia de ADN en el cuadro de abajo". Escriba la secuencia de su pieza de ADN en este cuadro. Desplácese hacia abajo en la página, dejando todos los parámetros en su configuración predeterminada hasta que vea "Indique qué enzimas incluir en el análisis". Haga clic en "Solo las siguientes enzimas:" y luego use el menú desplegable y seleccione HindIII. Desplácese hasta la parte inferior de la página y haga clic en el botón "Analizar secuencia". ¿Que encontraste? ¿Tu secuencia está cortada por HindIII? Analice esta secuencia para otros sitios de corte para responder las siguientes preguntas. ¿Esta secuencia está cortada por EcoRI? ¿Qué hay de BamHI? ¿Qué sucede si realiza una búsqueda y escanea los sitios de corte con todas las enzimas en la base de datos?

Machine Translated by Google 124

Capítulo 3 Tecnología y genómica del ADN recombinante

10. Vaya a la sección de biología molecular del sitio web del Proyecto

14. Describa varios hallazgos clave del Proyecto Genoma Humano.

de Biología de la Universidad de Ari zona (puede encontrar la dirección en el sitio web complementario). Enlace a "Tecnología de ADN recombinante" y pruebe su conocimiento de la tecnología de ADN recombinante trabajando en las preguntas de este sitio.

15. Busque en la Web la empresa MyHeritage.

¿Qué servicios brindan? 16. La biología está viviendo una revolución “ómica”.

¿Qué significa esto? En su respuesta, describa dos 11. El programa NCBI llamado Alineación Local Básica

La herramienta de búsqueda (BLAST; www.ncbi.nlm.nih.gov/ BLAST) se puede utilizar para buscar en GenBank coincidencias de secuencias entre genes clonados y para crear alineaciones de secuencias de ADN. Vaya al sitio web de BLAST y haga clic en "nucleótido-nucleótido estándar BLAST [blastn]". En el cuadro de búsqueda, escriba la siguiente secuencia: AGCCCTCCAG GACAGGCTGC ATCAGAAGAG. Imagina que

disciplinas "ómicas" y proporcione ejemplos de aplicaciones de biotecnología que involucren estos campos. 17. ¿Cómo se puede utilizar la genómica personal para diagnosticar

y tratar enfermedades genéticas? 18. ¿Usted o sus amigos estarán interesados en dar sus genomas a empresas farmacéuticas o similares para investigación? ¿Cuáles son las cosas a considerar antes de proceder con esto?

esta secuencia es de una parte de un gen que acabas de clonar y secuenciar y quieres saber si alguien clonó este gen antes que tú. Haga clic en "¡Explosión!" botón. Sus resultados estarán disponibles en uno o dos minutos. Haga clic en "¡Formato!" botón para ver los resultados de su búsqueda. Aparecerá una página con los resultados de su búsqueda (es

19. ¿Por qué la biología de sistemas es de interés para las empresas de biotecnología y los científicos que estudian enfermedades complejas? 20. ¿Qué es la biología sintética? Describir posible

aplicaciones biotecnológicas de la biología sintética en el futuro.

posible que deba desplazarse hacia abajo en la página para encontrar la alineación de la secuencia). ¿Que encontraste?

12. Haz un esquema básico del proceso de secuenciación del genoma completo para demostrar que comprendes los pasos clave involucrados en la secuenciación de un genoma grande.

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos

13. Explique por qué los enfoques de secuenciación de próxima y tercera generación han hecho avanzar rápidamente el análisis de genomas.

los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

Este estudio de caso se ha incluido para brindarle la oportunidad de familiarizarse con un ejemplo de investigación aplicable a este campo de estudio. Una vez que haya analizado los datos y respondido las preguntas, puede compararlos con los que le proporcionó a su instructor con los materiales del texto.

CASO DE ESTUDIO La base de datos PANTHER Preguntas Más del 40 por ciento de los genes identificados tenían Recuerde que cuando se completó PGH, funciones desconocidas. Laelbase demás datos PANTHER pro proporciona acceso a asignaciones funcionales completas y actualizadas para genes humanos (y genes de otras especies). Consulte http://

Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com 1. ¿Qué porcentaje de genes humanos codifican transcripciones? factores de ción?

www.pantherdb.org/data/. En el marco del lado izquierdo de la pantalla, localice los "Enlaces rápidos" y utilice el enlace "Funciones del genoma completo" para ver un gráfico circular de las clases funcionales actuales de los genes humanos. Pase el mouse sobre el gráfico circular para responder las siguientes preguntas.

2. ¿Qué porcentaje de genes humanos codifican proteínas del citoesqueleto? 3. ¿Qué porcentaje de genes humanos codifica proteínas receptoras transmembrana?

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CAPÍTULO CUATRO

Proteínas como productos Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿÿ Explicar algunas ventajas de producir proteínas biotecnológicamente.

ÿÿ Explique por qué algunas los productos domésticos pueden incluir proteínas fabricadas como ingredientes.

ÿÿ Proporcione tres ejemplos de proteínas producidas para aplicaciones médicas. ÿÿ Discuta las ventajas y desventajas de fuentes bacterianas, fúngicas, vegetales y animales de proteínas expresadas.

ÿÿ Explique por qué Escherichia coli se utiliza con frecuencia para la producción de proteínas y describe las limitaciones de E. coli. Supervisor de laboratorio que describe una columna de purificación para separar un producto biológico comercial.

ÿÿ Explicar por qué la necesidad de proteína la modificación postraduccional puede determinar la elección de un sistema de expresión de proteínas.

ÿÿ Describir un esquema general para la purificación de proteínas de una proteína como la hemoglobina, en función de sus características químicas conocidas. ÿÿ Explicar cómo se puede separar una proteína diana de otras proteínas celulares en una secuencia de purificación específica. ÿÿ Discutir los beneficios de poder predecir la estructura de una proteína a partir de la secuencia de ADN (es decir, proteómica). ÿÿ Describa el valor de entender la biología de las proteínas/ tiene la química para lograr el suministro de pequeñas moléculas a través de las membranas, como ocurre en el suministro de fármacos.

125

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Capítulo 4 Proteínas como productos

PRONÓSTICO DEL FUTURO Según la Federación Europea de Industrias y Asociaciones Farmacéuticas (EFPIA), la industria biotecnológica y farmacéutica

comprensión de las enzimas naturales y representan un nuevo enfoque de descubrimiento para la biotecnología. En 2000, los Institutos Nacionales de la Salud lanzaron la Iniciativa de Estructura de Proteínas (PSI, por sus siglas en inglés), un esfuerzo

juntas constituyen uno de los sectores de alta tecnología de mayor

de 10 años y $600 millones para identificar la estructura de las

rendimiento de Europa. El descubrimiento y la creación de nuevos

proteínas humanas. El PSI es un esfuerzo de la industria y la

medicamentos son costosos y difíciles, y el costo de investigar y

universidad federal destinado a reducir los costos y disminuir el tiempo

desarrollar un nuevo fármaco químico o biológico se estima en casi 2

que lleva determinar estructuras proteicas tridimensionales (3D). El

000 millones de euros. Con los avances de la ciencia y la tecnología

objetivo inicial del PSI era hacer que las estructuras de la mayoría de

ogía, las industrias biotecnológica y farmacéutica desempeñan un

de sus correspondientes secuencias de ADN. En la fase actual, que

papel clave en el avance de la medicina moderna mediante el

comenzó en 2010, los investigadores utilizan la determinación de

las proteínas se pudieran obtener fácilmente a partir del conocimiento

desarrollo de tratamientos innovadores, muchos de los cuales implican

estructuras de alto rendimiento, que se desarrolló con éxito durante las

el uso de proteínas como agentes terapéuticos. Estas empresas

fases anteriores del PSI, para estudiar una amplia gama de importantes

aprovechan las células vivas para expresar estas proteínas de alto

problemas biológicos y biomédicos.

peso molecular (fármacos biológicos), mientras que los fármacos de molécula pequeña producidos por las empresas farmacéuticas se

La base de datos pública que forma parte de la iniciativa contiene

basan en la síntesis química para su producción. Los medicamentos

actualmente más de 33.000 secuencias de proteínas.

biológicos son algunos de los medicamentos más caros y se está

El objetivo de la iniciativa es poder modelar estructuras de proteínas

haciendo un gran esfuerzo para producir biosimilares para los

desconocidas basándose en comparaciones estructurales con las

medicamentos biológicos que están programados para quedar sin

almacenadas en la base de datos. Un equipo internacional de

investigadores ha creado un catálogo inicial del proteoma humano, “o patente, particularmente en Europa. La Agencia Europea de Medicamentos (EMA) ha autorizado 21 medicamentos biosimilares desde 2006. todas las proteínas del cuerpo humano”. Usando 30 tejidos humanos diferentes, el equipo identificó proteínas codificadas por 17,294 genes, que es aproximadamente el 84 por ciento de todos los genes en el océano, géiseres hirvientes en Islandia y esqueletos de ballenas: estoslos están en la más frontera de la ciencia Las selvas tropicales, confines profundos del

genoma humano que se predice que codifican proteínas. El proyecto,

búsqueda de proteínas. Las proteínas son moléculas grandes

Instituto de Bioinformática de Banga Lore, India, también informó de la

necesarias para la estructura, función y regulación de las células vivas.

identificación de 193 proteínas nuevas que procedían de regiones del

Cada molécula de proteína tiene una función única en las reacciones bioquímicas que sustentan la vida. A medida que los investigadores

genoma que no se preveía que codificaran proteínas.

dirigido por investigadores de la Universidad Johns Hopkins y el

exploran las proteínas que se encuentran en la naturaleza, descubren secretos que gobiernan el crecimiento, la velocidad de descomposición química y la protección contra enfermedades. Las aplicaciones de las proteínas son tan numerosas como las

Comenzaremos con una revisión rápida de las muchas aplicaciones de las proteínas en una variedad de industrias. Luego nos fijamos en la naturaleza de las estructuras de las proteínas, prestando

propias proteínas. Considere los esqueletos de ballenas: durante el

especial atención al proceso de plegamiento de las proteínas. Con eso

proceso de descomposición natural, los huesos a menudo son

como base, profundizamos en algunos detalles del procesamiento de

colonizados por bacterias, algunas de las cuales han evolucionado

proteínas, comenzando con los métodos de purificación de proteínas

especialmente para digerir los residuos grasos que quedan en ellos.

individuales. Luego aprendemos cómo se purifican las proteínas

Las proteínas que producen las bacterias para descomponer las grasas

expresadas y examinamos los procesos utilizados para analizar y

se adaptan a las gélidas aguas de las profundidades marinas.

verificar el producto final. Aunque no existe un mejor método para

Los investigadores reconocieron que una sustancia con la capacidad

purificar proteínas individuales, existen varias técnicas comunes

de disolver las grasas a bajas temperaturas sería un gran aditivo para

disponibles. En este capítulo, analizamos esas técnicas, teniendo en

los detergentes comerciales para ropa. Un estudio realizado en 2012 también demostró que seis

cuenta que los detalles del procesamiento de proteínas varían de una proteína a otra.

nucleótidos artificiales, llamados XNA, podrían almacenar información genética y evolucionar a través de la selección natural (como el ADN). A continuación, los investigadores identificaron cuatro tipos diferentes de proteínas enzimáticas sintéticas formadas a partir de estos ADN sintéticos. Al igual que las enzimas naturales, estas son capaces de

4.1 Proteínas como productos biotecnológicos

impulsar reacciones bioquímicas simples. Las XNAzimas son mucho más estables que las enzimas naturales y

El uso de proteínas en los procesos de fabricación es una tecnología

podrían ser útiles en el desarrollo de nuevas terapias para una variedad

probada en el tiempo. Por ejemplo, dos de los esfuerzos de

de enfermedades, incluidos el cáncer y las infecciones virales, que

procesamiento de alimentos más antiguos dependen de las proteínas:

explotan los procesos naturales del cuerpo. Las enzimas artificiales se

la elaboración de cerveza y la vinificación. La fermentación depende

basan en un

no solo de las enzimas producidas por la levadura, sino también de otras

Machine Translated by Google 4.1 Proteínas como productos biotecnológicos

Determinación de la

Aislamiento de proquimosina ARNm de células de ternera

TABLA 4.1

secuencia de aminoácidos de la proquimosina

Algunas enzimas y sus usos industriales Aplicaciones

Enzima amilasas Transcripción de ARNm a cDNA (utilizando inversa transcripción)

Síntesis bioquímica de ADN de proquimosina

127

Solicitud Digerir el almidón en la fermentación y el procesamiento.

Proteasas

Digerir proteínas en detergentes, carne/cuero, queso, elaboración de cerveza/hornear, ayudas digestivas

Clonación de ADNc en un vector apropiado

animales/humanas Lipasas

Digerir lípidos (grasas) en productos lácteos y aceites vegetales

Introducción del vector en un microorganismo adecuado

Expresión y excreción de proquimosina en cultivo.

Conversión de proquimosina en quimosina activa a pH bajo

pectinasas

Digerir enzimas en jugo/pulpa de fruta

Lactasas

Digerir el azúcar de la leche

Glucosa isomerasa

Producir jarabes de alta fructosa

Celulasas/

Producir alimentos para animales,

hemicelulasas

jugos de frutas, convertidores de cerveza.

penicilina acilasa

Produce penicilina

Alfa-galactosidasa

Tratamiento para un tipo raro de enfermedad de almacenamiento lisosomal

Alfa-l-iduronidasa

Tratamiento para un tipo raro de enfermedad de almacenamiento lisosomal

Purificación de quimosina y formulación de preparados comerciales quimosina Superficie

glicopéptidos remoto

denudado caseína partículas

Ca21

calcio agregado paracaseinate particles en leche coagulada

FIGURA 4.1 Producción de queso La caseína, el ingrediente principal del queso, es el resultado de una conversión química que depende de la quimosina. Esta enzima se ha obtenido de las paredes del estómago de terneros lactantes durante siglos. Hoy en día, el 80 por ciento de la quimosina fabricada se produce (y purifica) a partir de células modificadas genéticamente.

añadido directamente al lote. La elaboración de queso es otra industria de procesamiento de alimentos que siempre ha utilizado proteínas y, gracias a la bioingeniería, la fuente de proteínas que se utiliza ahora proviene de bacterias modificadas en lugar de los

Desde entonces, la producción de proteínas ha sido la fuerza impulsora detrás del desarrollo de nuevos productos en una amplia variedad de industrias. Otras industrias también se están beneficiando de la fácil disponibilidad de proteínas modificadas genéticamente. Muchas de estas aplicaciones dependen del poder de un grupo de proteínas llamadas enzimas para acelerar las reacciones químicas. Las enzimas sirven para innumerables propósitos, como hacer que los detergentes funcionen mejor, aumentar el flujo de petróleo en las operaciones de perforación y limpiar lentes de contacto. Las enzimas se utilizan en la fabricación para descomponer moléculas grandes, un proceso llamado despolimerización. Estas enzimas incluyen glucosidasas (carbohidrasas) como la amilasa, que descompone el almidón; proteasas, que descomponen otras proteínas; y lipasas, que descomponen las grasas (Cuadro 4.1). Tales enzimas (como la quimosina, para el queso) se utilizan en la producción de alimentos y bebidas y para el procesamiento a granel en las industrias. Es posible que desee visitar "Cómo funcionan las enzimas" en el sitio web complementario para obtener una revisión de este proceso.

estómagos de los terneros que originalmente proporcionaban la enzima para la elaboración del queso (Figura 4.1). Aunque el valor de las proteínas en la fabricación había

sido evidente durante mucho tiempo, no pudimos ampliar este conocimiento hasta la década de 1970, cuando se desarrolló por primera vez la tecnología del ADN recombinante y fue posible producir proteínas específicas bajo demanda. Ya que

Medicamentos biotecnológicos y otros medicamentos

Aplicaciones Las proteínas biotecnológicas han revolucionado las industrias farmacéutica y del cuidado de la salud en las últimas décadas. Muchas enfermedades, de condiciones comunes como

Machine Translated by Google 128

Capítulo 4 Proteínas como productos

TABLA 4.2 Algunos productos farmacéuticos a base de proteínas (la mayoría producidos como proteínas recombinantes) Proteína

Solicitud

eritropoyetinas

Tratamiento de la anemia

Interleucinas 1, 2, 3, 4

Tratamiento del cáncer, SIDA; supresión de la médula ósea inducida por radiación o fármacos

Anticuerpos monoclonicos

Tratamiento del cáncer, artritis reumatoide; utilizado con fines de diagnóstico

Interferones (a, b, k, incluido el consenso)

Tratamiento del cáncer, alergias, asma, artritis y enfermedades infecciosas.

Factores estimulantes de colonias

Tratamiento del cáncer, recuento bajo de células sanguíneas; quimioterapia adyuvante; terapia del SIDA

Factores de coagulación de la sangre

Tratamiento de la hemofilia y trastornos de la coagulación relacionados

factor de crecimiento humano

Tratamiento de la deficiencia de crecimiento en niños.

Factor de crecimiento epidérmico

Tratamiento de heridas, úlceras cutáneas, cáncer

Insulina

Tratamiento de la diabetes mellitus tipo 1 y 2

factor de crecimiento similar a la insulina

Tratamiento de la diabetes mellitus tipo 1

Factor de plasminógeno tisular

Tratamiento después de un ataque al corazón, accidente cerebrovascular

Factor de necrosis tumoral

Tratamiento para el cáncer

Vacunas

Vacunación contra la hepatitis B, malaria, herpes

desde la diabetes hasta enfermedades raras como la enfermedad

(biomarcadores) son conocidos y medidos, podrían usarse para predecir la efectividad de cualquier medicamento en particular de Gaucher, se pueden tratar reemplazando las proteínas que para un paciente en particular. Por ejemplo, se encontró que los faltan. En el caso de la diabetes, la proteína que falta es la pacientes con cáncer de páncreas tenían niveles elevados de hormona insulina. La insulina una vez tuvo que ser cosechada de cada una de las tres proteínas cuando se compararon sus cerdos y vacas. Esto era menos que ideal porque los sistemas muestras de orina con las de pacientes sanos. Estos biomarcadores inmunológicos humanos a menudo rechazaban esta proteína pueden detectar pacientes con cáncer de páncreas en etapas I a extraña. Los investigadores superaron el problema recurriendo a II con más del 90 por ciento de precisión. una fuente poco probable: la bacteria E. coli. Al insertar genes Producir medicamentos biotecnológicos es un proceso humanos en E. coli, crearon fábricas microscópicas de insulina. complicado y lento. Los investigadores pueden pasar muchos La FDA aprobó esta nueva insulina en 1982, convirtiéndola en el años simplemente identificando la proteína terapéutica relevante, primer fármaco de ADN recombinante. La capacidad de producir determinando su secuencia genética y elaborando un proceso un suministro abundante de insulina humana ha mejorado la salud para producir cantidades suficientes de moléculas de proteína y la vida de millones de personas. (La tabla 4.2 enumera algunos usando biotecnología. Una vez que se determina este método, los otros productos farmacéuticos a base de proteínas). técnicos pueden producir grandes lotes de productos proteicos en Las proteínas terapéuticas, como los anticuerpos biorreactores, en condiciones cuidadosamente controladas, monoclonales, las proteínas sanguíneas y las enzimas producidas cultivando células huésped que se han transformado para contener por organismos vivos para combatir enfermedades, también el gen terapéutico (un biorreactor es un recipiente de producción pueden considerarse medicamentos biotecnológicos. A diferencia estéril diseñado para producir biorreactores). productos). Las de otros medicamentos, estos fármacos no se producen células se estimulan para producir las proteínas objetivo a través sintéticamente (es decir, se sintetizan químicamente agregando de condiciones de cultivo precisas que incluyen un equilibrio de un compuesto a la vez), sino que generalmente se producen temperatura, oxígeno, acidez y otras variables. En el momento mediante fermentación microbiana o cultivo de células de adecuado, las proteínas se aíslan de los cultivos, se analizan mamíferos. Hoy en día, más de 400 medicamentos biotecnológicos rigurosamente en cada paso de la purificación (que trataremos están en proyecto, y la mayoría son proteínas. Si incluso un más adelante en este capítulo) y se formulan en productos pequeño porcentaje de estos medicamentos tiene éxito, se sumará farmacéuticamente Los técnicos de fabricación que significativamente a los aproximadamente 50 medicamentos biotecnológicos actualmente enactivos. uso. monitorean biorreactores deben cumplir estrictamente con las Cada persona tiene una respuesta única a un medicamento regulaciones de la industria en todas las etapas del procedimiento. que determinará si ese fármaco en particular funcionará o no para él o ella. Si ciertos marcadores biológicos

Machine Translated by Google 4.2 Estructuras de proteínas

TÚ DECIDES

129

Pruebas para el mejor producto: ¿Quién debe pagar?

Se necesitan más de 2600 millones de dólares para llevar un fármaco al mercado.

paciente (usando farmacogenética) al costo de llevar un medicamento al mercado, el costo sube más (ver Capítulo 1).

En este costo se incluye el precio de la investigación de medicamentos

Debido a que se supone que las empresas de biotecnología

que no son aprobados debido a una reacción adversa o ineficacia. Por

obtienen ganancias para sus accionistas, es más rentable para la

lo general, el proceso de purificación ya se ha desarrollado y el producto

empresa que todos compren su medicamento, incluso si el medicamento

se encuentra en pruebas en humanos cuando esto sucede. Muchas

no es del todo adecuado para cada individuo. ¿Cuál cree que es la

personas no se dan cuenta de que los altos precios de los medicamentos

mejor solución: precios más altos y medicamentos “de última generación”,

reflejan, en parte, el costo de la investigación de productos que no

o precios más bajos y medicamentos que no siempre funcionan y que

fueron aprobados. Si además añadimos la posibilidad de determinar

incluso pueden tener efectos secundarios negativos? Tú decides.

qué fármaco es mejor para cada

Usando nuevos enfoques computacionales y bioquímicos, los científicos han diseñado y construido con precisión desde cero 10

estudio, los investigadores produjeron pequeñas proteínas que podrían usarse como vacuna contra la difteria, así como péptidos antimicrobianos.

icosaedros de proteínas grandes, similares a las cápsides virales que generalmente transportan ADN viral. Las estructuras diseñadas están hechas de dos proteínas de ingeniería diferentes, presentes en 60 copias cada una, que se autoensamblan en icosaedros. Los investigadores del Instituto para el Diseño de Proteínas utilizaron

Biorremediación: tratamiento de la contaminación con proteínas

Rosetta, un programa informático de diseño de proteínas desarrollado

Además de reducir la cantidad de contaminantes producidos durante

durante muchos años, para optimizar los residuos de aminoácidos que forman la interfaz entre las proteínas para que encajen entre sí. Debido

desechos nocivos. Los desechos orgánicos de los corrales de

a que el trabajo es tan intensivo desde el punto de vista computacional,

alimentación, los hogares y las empresas son una amenaza creciente

los investigadores confiaron en una plataforma de colaboración colectiva

para el medio ambiente, especialmente para los ecosistemas acuáticos.

llamada Rosetta@

Las enzimas se pueden usar para digerir estos desechos orgánicos antes de que causen problemas.

home, que permite a los miembros del público donar ciclos de sus

los procesos industriales, las proteínas se pueden utilizar para limpiar

computadoras inactivas para ejecutar trabajos para computar estructuras

Otra nueva aplicación prometedora para las proteínas es la

de proteínas. Los investigadores utilizaron el criomicroscopio electrónico

neutralización de contaminantes de metales pesados como el mercurio

(ver crio-EM en la Sección 4.4) y pudieron confirmar que los diseños se

y el cadmio. Estos elementos peligrosos pueden persistir en el medio

acercaron mucho a las predicciones de los modelos computacionales.

ambiente y causar daño a los organismos a lo largo de la cadena alimentaria. Estos metales resisten la descomposición enzimática, pero esto no significa que las proteínas no puedan usarse para neutralizarlos

Vendajes inteligentes que producen proteínas antibióticas

(ver Capítulo 9). Algunos microorganismos tienen una capa pegajosa

Imagine "vendajes inteligentes" que detectarían una infección y luego

pesados. En este caso, el contaminante no se desmantela ni se digiere,

de metalotioneínas, proteínas que en realidad capturan metales

comenzarían a producir la proteína antimicrobiana adecuada para tratar

sino que simplemente se vuelve menos peligroso. Cuando los metales

la infección. Los investigadores del Massa Chusetts Institute of

tóxicos se unen a las bacterias, es menos probable que sean absorbidos

Technology (MIT) desarrollaron diminutos gránulos que contienen

por plantas y animales. Actualmente, los investigadores están utilizando

enzimas, ribosomas, ARN y ADN que pueden almacenarse a temperatura ambiente, llevarse donde sea necesario y liberarse

el poder de la ingeniería genética para crear nuevas y mejores herramientas biológicas para atacar y destruir sustancias tóxicas.

simplemente agregando agua. Los gránulos liofilizados fueron ideados por investigadores del MIT. Los componentes celulares simplemente se liofilizan en gránulos, que permanecen estables durante al menos un año. Para activar la producción de proteínas, los investigadores agregan

4.2 Estructuras de proteínas

agua para rehidratar los gránulos. Básicamente, los extractos sin células pueden permitir la biofabricación en el lugar para trabajadores de la

Para comprender los procesos de expresión y recolección de proteínas,

salud, personal militar y educadores, así como para viajeros y

debemos observar más de cerca la estructura molecular de las

aventureros que apreciarían botiquines de primeros auxilios inusualmente

proteínas. Las proteínas son moléculas complejas formadas por cadenas de aminoácidos. Como todas las moléculas, las proteínas

sofisticados. en el MIT

tienen pesos moleculares específicos. También tienen una carga eléctrica que hace que se

Machine Translated by Google 130

Capítulo 4 Proteínas como productos

interactuar con otras moléculas. Esta capacidad de interacción es

Estructuras primarias

la clave de la actividad biológica de las proteínas. Considere, por

Los 20 aminoácidos comunes son los componentes básicos que

ejemplo, la forma en que la estructura química y la carga eléctrica

componen las proteínas. Se pueden unir de diez a 10.000

de un aminoácido pueden influir en sus interacciones con el agua: las moléculas serán hidrofílicas (amantes del agua, atraídas por

aminoácidos de la cabeza a la cola para formar la secuencia de una proteína. La secuencia en la que los aminoácidos se unen en el

las moléculas de agua) o hidrofóbicas (que odian el agua, como si

ribosoma se conoce como estructura primaria. La alteración de un

las moléculas de agua y los aminoácidos se repelen entre sí).

solo aminoácido en la secuencia puede significar que la proteína pierde toda función. Las enfermedades genéticas son a menudo el resultado de estas mutaciones de proteínas. Es posible que desee

Arreglo Estructural

visitar el sitio web complementario para ver la "Descripción general de la síntesis de proteínas" como un repaso de este proceso.

Las proteínas son capaces de cuatro niveles de disposición estructural. Estas son las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas

Estructuras secundarias

(ver Figura 4.2).

El arreglo exacto que toma una proteína depende de la secuencia

Las estructuras proteicas secundarias se producen cuando las

química específica de sus aminoácidos y los tipos de grupos

cadenas de aminoácidos se pliegan o tuercen en puntos específicos,

laterales que están presentes. (Consulte el Apéndice 2 para ver los

formando nuevas formas debido a la formación de enlaces de

grupos laterales de aminoácidos y el alfabeto utilizado para sus

hidrógeno entre los aminoácidos hidrofóbicos. Las formas más

secuencias).

comunes, hélices alfa y láminas beta, se muestran en la sección de plegamiento de proteínas. En la disposición de hélice alfa, los aminoácidos forman una espiral hacia la derecha. Los enlaces de hidrógeno estabilizan la estructura, uniendo el átomo de nitrógeno Estructura proteica primaria es la secuencia de una cadena de aminoácidos

de un aminoácido al átomo de oxígeno de otro aminoácido. Debido a que los eslabones ocurren a intervalos regulares, se forma una cadena en espiral. En la estructura de hoja beta, los enlaces de hidrógeno también unen los átomos de nitrógeno y oxígeno; sin

Aminoácidos

embargo, debido a que los átomos pertenecen a cadenas de hoja

aminoácidos que corren una al lado de la otra, se forma una hoja

hélice alfa

esencialmente plana. Las láminas pueden ser "paralelas" (si todas

beta

las cadenas corren en la misma dirección) o "antiparalelas" (en Estructura proteica secundaria ocurre cuando la secuencia de Los aminoácidos están unidos por enlaces débiles.

puentes de hidrógeno en uno o dos formas estructurales

cuyo caso las cadenas alternan en la dirección). Uno de los elementos fundamentales de la estructura de la proteína, el giro beta, se produce cuando una sola cadena se enrolla sobre sí misma para formar una lámina beta antiparalela. Tanto la estructura de hélice alfa como la de hoja beta existen porque son las estructuras más estables que puede asumir la proteína.

hoja beta

Estructuras terciarias Las estructuras de proteínas terciarias son polipéptidos 3D (cadenas Estructura proteica terciaria ocurre cuando ciertas atracciones están presentes entre las hélices alfa y las láminas beta, produciendo una estructura 3D única

de aminoácidos) que se forman cuando las estructuras secundarias se entrecruzan. Los enlaces que mantienen unidas las estructuras terciarias ocurren entre aminoácidos capaces de formar enlaces covalentes secundarios (como la cisteína, que puede formar enlaces disulfuro con otra cisteína adyacente, entrecruzando la proteína en

hélice alfa

una forma única). (Una mirada rápida al Apéndice 2 mostrará el grupo de cisteínas del lado SH que pueden entrecruzarse para Estructura de la proteína cuaternaria

formar puentes disulfuro).

Es una proteína que consta de más de una cadena de aminoácidos, cada una

Es posible que desee visitar el sitio web complementario para ver

participando en la forma 3D final

"Bonos de hidrógeno" como una forma de reforzar su comprensión de este proceso de vinculación. La estructura terciaria de una proteína determina su función, como unirse a un receptor celular o

FIGURA 4.2 Los cuatro niveles de la estructura de las proteínas El plegamiento correcto de las proteínas es necesario para una capacidad funcional completa. Los métodos de purificación deben garantizar que se mantenga el plegado adecuado.

catalizar una reacción química. Independientemente de la estructura secundaria y terciaria que adopte una proteína, es importante recordar que las estructuras son frágiles. Los puentes de hidrógeno se pueden romper fácilmente,

Machine Translated by Google 4.2 Estructuras de proteínas

cambiando la estructura de la proteína. Cualquiera que haya calentado un huevo se ha dado cuenta de que las proteínas fluidas del huevo (albúmina) cambian rápidamente de forma (clara de huevo) a medida que el hidrógeno y los enlaces terciarios entrecruzados se rompen con el calor. La mayoría de las proteínas utilizadas en el laboratorio se mantienen en hielo para mantener su frágil estructura y evitar que el calor del laboratorio las destruya.

Estructuras cuaternarias Las estructuras de proteínas cuaternarias son complejos 3D globulares únicos construidos a partir de varios polipéptidos. Hemoglo bin, que transporta oxígeno en la sangre, es un ejemplo de proteína con estructura cuaternaria; se compone de dos proteínas terciarias unidas entre sí. Puede beneficiarse de la animación "Estructura de la proteína" en el sitio web complementario, con sus ejemplos visuales.

Mapa de interacción proteína-proteína creado Un mapa de interacción de proteínas recientemente desarrollado ya está ayudando a detectar proteínas individuales que podrían estar en la raíz de trastornos humanos complejos. Un equipo de investigación internacional estudió células de numerosos organismos, desde amebas hasta gusanos, ratones y humanos, para mostrar cómo las proteínas se unen para construir diferentes tejidos y cuerpos. Descubrieron decenas de miles de nuevas interacciones de proteínas, lo que representa aproximadamente una cuarta parte de todos los contactos de proteínas estimados en una célula. Muchas proteínas se juntan para formar las llamadas máquinas moleculares que desempeñan funciones clave, como la construcción de nuevas proteínas o el reciclaje de las que ya no se necesitan, literalmente moliéndolas en partes reutilizables. El sistema de dos híbridos de levadura descrito en el Capítulo 3 es una prueba temprana para la interacción de proteínas. Una máquina molecular recién descubierta, llamada Commander,

131

Todo lo que es importante acerca de una proteína, su estructura, su función, depende del plegamiento. El plegamiento describe cómo toman su forma las diferentes hebras de aminoácidos; por ejemplo, la anemia de células falciformes resulta de un mal plegamiento debido al reemplazo de un solo aminoácido en una ubicación estratégica en la estructura primaria. Si una proteína se pliega incorrectamente, no solo se perderá la función deseada de la proteína, sino que también la proteína mal plegada resultante puede ser perjudicial. Por ejemplo, la placa que se forma en la enfermedad de Alzheimer se acumula porque las enzimas presentes en las células cerebrales no pueden descomponer una proteína mal plegada.

Modificaciones postraduccionales de proteínas Más de 100 modificaciones postraduccionales (como la glicosilación) ocurren dentro de una célula eucariota. Este cambio puede tener un efecto significativo en la actividad de una proteína al aumentar la solubilidad y orientar las proteínas en las membranas para prolongar la vida activa de una molécula en un organismo. La modificación postraduccional (PTM) se refiere a la modificación covalente y generalmente enzimática de proteínas durante o después de la biosíntesis de proteínas. Las proteínas son sintetizadas por los ribosomas que traducen el ARNm en cadenas polipeptídicas, que luego pueden someterse a PTM para formar el producto de proteína madura. Las modificaciones postraduccionales pueden ocurrir en las cadenas laterales de aminoácidos o en el extremo C- o N-terminal de la proteína. Se pueden lograr modificaciones tales como escisión de péptidos, lipidación, glicosilación, fosforilación y formación de enlaces disulfuro. La fosforilación es un mecanismo muy común para regular la actividad de las enzimas y es la modificación postraduccional más común. Muchas proteínas eucariotas también tienen moléculas de carbohidratos unidas a ellas en un proceso llamado glicosilación (ver Figura 4.3), que puede promover el plegamiento de proteínas y mejorar la estabilidad, así como cumplir funciones reguladoras. La unión de moléculas lipídicas a menudo se dirige a una proteína o parte de una proteína unida a la membrana celular.

consta de una docena de proteínas individuales. Anteriormente se había descubierto que los genes que codifican algunos de los componentes de Commander estaban mutados en personas con discapacidades intelectuales, pero no estaba claro cómo funcionaban estas proteínas. Debido a que Commander está Las glicoproteínas se pueden utilizar en el tratamiento de presente en todas las células animales, los científicos procedieron a alterar sus componentes en renacuajos, revelando anomalías enfermedades, como han descubierto los científicos del Instituto de Investigación Scripps. Este descubrimiento representa una en la forma en que las células cerebrales se colocan durante el nueva forma de atacar y destruir un tipo de célula cancerosa. Una desarrollo del embrión y brindando un posible origen para una glicoproteína se puede combinar con una nanopartícula (una condición humana compleja. Se espera que este mapa de código pequeña molécula sintética) con un fármaco de abierto conduzca a descubrimientos humanos a través de enlaces de proteínas que se encuentran encargada los organismos. quimioterapia, lo que da como resultado un nuevo método para atacar y destruir las células cancerosas. Al atacar los cánceres de plegamiento de proteínas linfoma B con nanopartículas cargadas de quimioterapia, la dosis El primer avance en la comprensión de las formas fundamentales efectiva del fármaco aumenta y, al mismo tiempo, protege los de las proteínas se produjo en 1951, cuando Pauling y Corey tejidos normales. Está claro que los hallazgos de los científicos de describieron la hélice alfa y la lámina beta, que son los Scripps podrían conducir al desarrollo de otras terapias componentes más comunes de la estructura de las proteínas. farmacológicas novedosas basadas en la glicosilación para tratar Ambas estructuras resultan del enlace de hidrógeno que une la la leucemia, los linfomas y los cánceres relacionados. cadena de aminoácidos.

Machine Translated by Google 132

Capítulo 4 Proteínas como productos

FIGURA 4.3 Estructura proteica 3D con cadenas laterales glicosiladas La glicosilación ocurre dentro de las células eucariotas y probablemente prolonga la vida de la proteína al protegerla de los mecanismos celulares naturales que destruyen las proteínas.

glicosilado azúcares

Ingeniería de proteínas por Directed Evolución Molecular La biotecnología a menudo se basa en la ingeniería de proteínas. A veces es necesario introducir alteraciones específicas predefinidas en la secuencia de aminoácidos. Esto se puede hacer con tecnología de evolución molecular dirigida. Las enzimas se han modificado durante millones de años de evolución para catalizar reacciones químicas específicas en las células. Durante la última década, los científicos han utilizado la evolución dirigida y el diseño racional (diseñar una proteína para adaptarse a una superficie) con diversos grados de éxito para mejorar la actividad, la estabilidad y la selectividad de las enzimas nativas. Se ha avanzado mucho en el laboratorio de David Baker en la Universidad de Washington usando un programa de diseño racional llamado Rosetta. El equipo diseñó una enzima que no se encuentra en la naturaleza modelando la parte del sitio activo de la enzima y luego encontrando una estructura de andamio de proteína para unirla a la parte. Después de probar la actividad de 84 construcciones, seleccionaron 50 e insertaron su secuencia de ADN en E. coli para su expresión. La enzima elegida final funcionó, pero no tan bien como las enzimas nativas. Esto les obligó a mutar el sitio activo muchas veces para lograr una mejor actividad. Esta investigación muestra que aún está por llegar el día en que las proteínas puedan diseñarse racionalmente, pero se está avanzando. En la Universidad de Harvard, en Massachusetts, los investigadores se han centrado en desarrollar métodos para desarrollar proteínas y otras biomoléculas denominados PACE (por evolución continua asistida por fagos), adaptados al ciclo de vida del bacteriófago filamentoso M13. Usando el fago como andamio, los investigadores lograron la selección al vincular una proteína de interés a la proteína de la cubierta del fago. Su trabajo demostró que PACE es 100 veces más rápido que los enfoques convencionales de evolución dirigida cuando se trata de biomoléculas en evolución porque el

El ciclo de vida del fago es de solo 10 a 15 minutos, con la capacidad de desarrollar proteínas a un ritmo rápido. La dirección de modificación de proteínas para producir una estructura funcional se ilustra en la proteína "Spy" (ver Figura 4.4). El plegamiento incorrecto de proteínas es un evento anormal, pero ocurre en algunas enfermedades como el Alzheimer, el

Parkinson, la enfermedad de Huntington, la fibrosis quística, la enfermedad de Gaucher, el enfisema, la enfermedad hepática crónica y algunas otras (consulte la Figura 4.5). Cuando no se corrige el mal plegamiento, la acumulación de las proteínas mal plegadas normalmente conduce a efectos adversos. Los priones sirven como un ejemplo de proteínas mal plegadas. Un prión es un agente infeccioso, específicamente una proteína en forma mal plegada. La proteína en sí, ya sea en su forma mal plegada o plegada correctamente, puede denominarse proteína priónica (PrP). Una proteína como agente infeccioso contrasta con todos los demás agentes infecciosos conocidos, como virus, hongos o parásitos, todos los cuales deben contener ácidos nucleicos (ya sea ADN o ARN). Los priones son responsables de las encefalopatías espongiformes transmisibles en mamíferos, incluida la EEB, también conocida como enfermedad de las vacas locas y la tembladera en las ovejas. Todas las enfermedades priónicas conocidas en los mamíferos afectan la estructura del cerebro u otro tejido neural, y todas son actualmente intratables y universalmente fatales. En 2013, un estudio reveló que 1 de cada 2000 personas en el Reino Unido podría albergar la proteína priónica infecciosa que causa la forma humana de la enfermedad (enfermedad de Creutzfeldt-Jakob o CJD). Todos los priones conocidos inducen la formación de un pliegue amiloide, en el que la proteína se polimeriza en un agregado que consta de láminas beta compactas. Esta estructura alterada es extremadamente estable y se acumula en el tejido infectado, causando daño tisular y muerte celular. Esta estabilidad estructural significa que los priones son resistentes a la desnaturalización natural. La proteína priónica (PrP) se encuentra en todo el cuerpo, incluso en personas y animales sanos. Sin embargo, la PrP encontrada en

Machine Translated by Google 4.2 Estructuras de proteínas

(a)

Filtro 1

(b)

Conjunto de células iniciales/sobrevivientes

filtro 2 Mutaciones inducidas

Proyectado para Filtro 3

conversión metabólica de sustrato

Filtro 4

Grupo de células supervivientes seleccionadas

(C)

etiqueta espía

Agente de contraespionaje

A

NH2

O

H

norte

1H2O _ O Formación espontánea de enlaces isopeptídicos

FIGURA 4.4 Tecnología de Evolución Molecular Dirigida (a) Los genes que expresan proteínas pueden estar sujetos a eventos mutacionales, generando un grupo diverso de nuevas secuencias de genes. Los organismos con genes mutados se analizan en busca de propiedades únicas. Después de una mejora en la función de la proteína, se puede repetir el proceso hasta obtener la función máxima. A diferencia de la selección natural, este proceso se enfoca en las propiedades de la proteína, no del organismo, y puede lograr cambios que tal vez nunca ocurran en la naturaleza. Puede que no tenga una ventaja evolutiva, pero las proteínas que produce tendrán más valor comercial. (b) Los científicos han descubierto una proteína utilizada por bacterias para mejorar el plegamiento de proteínas. La proteína "Spy" reduce el plegamiento incorrecto que ocurre comúnmente cuando las bacterias producen proteínas recombinantes para uso industrial o farmacéutico. (c) Se ha encontrado que Streptococcus pyogenes, como muchas otras bacterias Gram-positivas, contiene proteínas extracelulares estabilizadas por enlaces peptídicos intramoleculares espontáneos. La proteína de unión a fibronectina FbaB se encuentra en cepas invasivas de S. pyogenes y es esencial para la absorción similar a la fagocitosis de las bacterias por parte de las células endoteliales (proteína Spy). Al dividir FbaB en fragmentos de péptidos y proteínas, seguido de una modificación racional de las partes, los investigadores de la Universidad de California en San Francisco desarrollaron una etiqueta peptídica de 13 aminoácidos que rápidamente formó un enlace covalente con su proteína asociada, llamada SpyTag. El enlace irreversible de SpyTag debería proporcionar un objetivo en las células y una oportunidad de diseño para nuevas arquitecturas de proteínas. Por ejemplo, muchas vacunas se construyen como partículas similares a virus (VLP), que se parecen a los virus pero transportan drogas u otras sustancias.

SpyTag debería mejorar el diseño de las VLP para la administración de fármacos dentro de las células.

133

Machine Translated by Google 134

Capítulo 4 Proteínas como productos

y aislado de otras proteínas. Luego se verifican la pureza y las capacidades funcionales. Finalmente, se desarrolla un medio estable para conservar la proteína. Las elecciones realizadas durante el procesamiento ascendente pueden simplificar el procesamiento descendente.

Expresión de proteínas: procesamiento aguas arriba Comenzamos una discusión detallada del procesamiento de proteínas observando la primera decisión tomada en el procesamiento anterior: seleccionar la célula que se usará como fuente de proteína. Los microorganismos, los hongos, las células vegetales y las células animales tienen cualidades únicas que los convierten en buenas opciones en las circunstancias adecuadas.

Normal

prión

proteína

proteína

bacterias Las bacterias son una fuente atractiva de proteínas por varias razones. En primer lugar, se conocen bien los procesos de fermentación de las

FIGURA 4.5 Los priones son proteínas mal plegadas Un mal

bacterias. Además, se pueden cultivar en grandes cantidades en poco

plegamiento de proteínas que ocurre en los trastornos priónicos se puede duplicar en el laboratorio para producir grandes cantidades de proteínas priónicas, que luego se pueden estudiar para crear kits de diagnóstico. Siga las flechas de la izquierda, ya que una proteína priónica atrae una proteína normal y la transforma en un prión, lo que da como resultado una acumulación de priones dentro de la célula debido a la incapacidad de las enzimas celulares para degradar la estructura modificada.

tiempo. En aplicaciones industriales, esta capacidad de generar el producto a gran escala suele ser esencial. Las bacterias también son relativamente fáciles de alterar genéticamente. Se pueden usar varios métodos de tecnología de ADN recombinante para aumentar el nivel de producción de una proteína bacteriana. Uno es la introducción de copias adicionales del gen relevante en la célula

el material infeccioso tiene una estructura diferente y es resistente a las proteasas. Un modelo de replicación de priones debe explicar cómo se propagan los priones y por qué su aparición espontánea es tan rara. Manfred Eigen demostró que el modelo de heterodímero (llamado PrPSc) es un catalizador extraordinariamente eficaz, aumentando la velocidad de la reacción de conversión de las proteínas en un factor de aproximadamente 1015. Se ha identificado un gen para la proteína normal: el gen PRNP . En todos los casos hereditarios de enfermedad priónica, existe una mutación en el gen PRNP . Se han identificado muchas mutaciones diferentes de PRNP, y es más probable que estas proteínas se plieguen en priones anormales.

huésped. En la mayoría de los casos, el gen relevante introducido en el organismo está bajo el control de la expresión de un promotor transcripcional más poderoso (ver Capítulo 3). Es posible que desee ver la animación "The lac Operon in E. coli" en el sitio web complementario para refrescarse. Otra fábrica de proteínas microbianas es la bacteria Gram positiva Bacillus subtilis, un habitante de las capas superiores del suelo que tiene la capacidad de secretar proteínas en el rango de gramos por litro. Se ha producido la ingeniería de B. subtilis en una fábrica de células súper secretoras de próxima generación. El análisis de la secreción de proteínas en Bacillus se inició en la década de 1980 con enfoques de genética molecular clásica, lo que proporcionó información valiosa sobre los componentes celulares involucrados en este proceso. Las muchas

4.3 Producción de proteínas

aplicaciones de B. subtilis están relacionadas con la secreción de proteínas de alto nivel que ha centrado los principales intereses de investigación en el secretoma, que incluye tanto la maquinaria de

A estas alturas, dos cosas deberían ser evidentes: (1) las proteínas son

secreción de proteínas como las proteínas secretadas. Un resultado muy

valiosas y (2) son productos complejos y frágiles.

importante de los análisis del secretoma fue la definición de señales de

Con estos puntos en mente, ahora examinamos el trabajo de la

secreción, los llamados péptidos señal, para todas las proteínas

biotecnología en la producción de proteínas. Producir una proteína en el laboratorio es un proceso largo y laborioso, y en cada etapa hay muchos métodos de producción para

secretadas de B. subtilis. La producción eficiente de enzimas secretadas por microorganismos como B. subtilis es uno de los factores clave del éxito actual en la industria de las proteínas.

elegir. Nos referimos a las dos fases principales utilizadas en la producción de proteínas como procesamiento previo y procesamiento posterior. El procesamiento anterior incluye la expresión real de la proteína en la

En algunos casos, el gen diana (en forma de ADNc) para el

célula. Durante el procesamiento posterior, la proteína se separa primero

producto proteico deseado se une directamente a un gen de E. coli

de otras partes de la célula.

completo o parcial. En estos

Machine Translated by Google 4.3 Producción de proteínas

TABLA 4.3

Ventajas y desventajas de la producción de proteínas recombinantes en E. coli

135

Motor

Estéril

Ventajas

Desventajas

La genética de E. coli es bien conocida

Las proteínas extrañas producidas como cuerpos de inclusión deben replegarse

Casi ilimitado

Las proteínas no se pueden plegar

se pueden generar

de la manera necesaria para

cantidades de proteínas

muchas proteínas activas en los

Puerto

agitador

Rompedor de espuma

Impulso

sistemas de los mamíferos. Están

La tecnología de fermentación es bien conocida

Algunas proteínas son inactivas en humanos.

rociador de aire

casos, la E. coli modificada genéticamente produce la proteína deseada, pero está en forma de proteína de fusión. En las proteínas de fusión, una proteína diana se fusiona con una proteína bacteriana; por lo tanto, se requiere un paso adicional para separarlos. La proteína bacteriana fusionada suele ser una enzima que se unirá a su sustrato y se puede unir a una columna de purificación (consulte la descripción de las columnas de afinidad, en el texto que sigue). La mayoría de las proteínas sintetizadas naturalmente por E. coli son intracelulares (dentro de la célula). En la mayoría de los casos, la proteína extraña resultante se acumula en el citoplasma de la célula en forma de grumos insolubles llamados cuerpos de inclusión, que deben purificarse (y generalmente replegarse) de las otras proteínas celulares antes de que puedan usarse. Es posible que desee visitar "Uso de fusiones GFP para la localización de proteínas" en el sitio web complementario para ver un ejemplo. Existen algunas limitaciones en el uso de microorganismos en la producción de proteínas. Todas las bacterias, incluida la E. coli, son procariotas. Los procariotas son incapaces de llevar a cabo ciertos procesos, como la glicosilación. Por esta razón, algunas proteínas solo pueden ser producidas por células eucariotas, como se ve en la Tabla 4.3. Aunque es posible llevar a cabo todo el proceso de producción de

FIGURA 4.6 Biorreactor El cultivo de células de gran volumen se realiza comúnmente en un sistema autónomo cerrado (estéril) hasta que se recolectan los productos. A través de puertos estériles, los trabajadores pueden ajustar el pH, las concentraciones de gas y otras variables en función de las entradas de los sensores internos. Se pueden usar bolsas estériles de hasta 2000 litros en mesas oscilantes como alternativa a los biorreactores de acero inoxidable.

hongos Los hongos son la fuente de una amplia gama de proteínas utilizadas en productos tan diversos como la alimentación animal y la cerveza. Además de las proteínas naturales, muchas especies de hongos son buenos anfitriones para las proteínas modificadas. A diferencia de las bacterias, los hongos son eucariotas y capaces de realizar alguna modificación postraduccional (como el plegamiento correcto de proteínas humanas y otras modificaciones) y se utilizan para esa síntesis, como se ilustra en la Tabla 4.4.

Plantas Las células vegetales también se pueden usar para la expresión de proteínas. De hecho, las plantas son una fuente abundante de moléculas biológicamente activas de origen natural, y 85

proteínas en un pequeño matraz en el laboratorio, los microorganismos modificados genéticamente también pueden cultivarse en fermentadores a gran escala (anaeróbicos) o biorreactores (aeróbicos) (Figura 4.6).

TABLA 4.4

Algunas proteínas recombinantes de hongos

Proteína Las computadoras monitorean el ambiente en los biorreactores, manteniendo los niveles de oxígeno y la temperatura interferón humano ideal para el crecimiento celular. El crecimiento celular se controla lactoferrina humana cuidadosamente, porque cuando la fase de crecimiento es máxima, el promotor debe activarse para estimular la expresión Quimosina bovina de genes extraños. La activación de un gen en un organismo Proteinasa aspártica recombinante requiere una sincronización correcta. Debe Lipasa de triglicéridos realizarse después de que el organismo haya terminado de sintetizar importantes proteínas naturales necesarias para su metabolismo.

hongos

A. niger, A. nidulans A. oryzae, A. niger A. niger, A. nidulans A. oryzae A. oryzae

Machine Translated by Google 136

Capítulo 4 Proteínas como productos

por ciento de todas las drogas actuales se originaron en plantas. Un

Cuando se recoge el líquido del tumor resultante, los anticuerpos

ejemplo de proteína de origen vegetal producida a escala industrial

monoclonales se pueden purificar a partir de él.

es la enzima papaína proteolítica (degradadora de proteínas). La papaína, o pepsina vegetal, es una proteasa utilizada como agente

Otro método de producción de proteína de biorreactor animal utiliza la leche o los huevos de animales transgénicos (animales que

para ablandar la carne. Digiere el colágeno presente en el tejido

contienen genes de otros organismos).

conectivo y los vasos sanguíneos que endurece la carne.

Estos productos animales contienen las proteínas del gen recombinante que se introdujo y se pueden purificar a partir de las

Las plantas se pueden modificar genéticamente para producir

proteínas de la leche o del huevo. En 2009, la FDA aprobó el primer

proteínas específicas que no se producen de forma natural. Este

fármaco humano producido a partir de una cabra: ATryn, que trata

proceso fomenta un rápido crecimiento y tasas reproductivas en las

un trastorno hemorrágico raro en humanos (consulte el Capítulo 7).

plantas, lo que puede ser una clara ventaja. Por ejemplo, el tabaco, la primera planta modificada genéticamente, puede producir un millón de semillas de una sola planta. Como planta no alimenticia,

Sistemas de insectos

es una buena opción para la producción de proteínas biotecnológicas.

Los sistemas de insectos son otra vía de producción de proteínas a

Una vez integrado el material genético, un millón de nuevas “fábricas

partir de células animales. Los baculovirus (virus que infectan

de proteínas vegetales” pueden llenar los campos.

insectos) se utilizan como vehículos para insertar ADN, lo que hace

productoras de proteínas. No todas las proteínas se pueden expresar

que las células de insectos produzcan las proteínas deseadas. Sin embargo, hay casos en los que la modificación postraduccional de

en las plantas y, debido a que tienen paredes celulares resistentes,

las proteínas es ligeramente diferente en los insectos que en otros

el proceso de extracción de proteínas de ellas puede llevar mucho

eucariotas.

También existen desventajas en el uso de plantas como

tiempo y ser difícil. Finalmente, aunque las células vegetales a

Algunas modificaciones covalentes, como la glicosilación y la

menudo pueden glicosilar proteínas correctamente, el proceso es

formación de enlaces disulfuro, están frecuentemente presentes en

ligeramente diferente al de las células animales. Esto puede

las proteínas eucariotas y, a menudo, son esenciales para el

descartar el uso de plantas como biofábricas para la expresión de

plegamiento y la actividad correctos de las proteínas. Los sistemas

algunas proteínas. Discutiremos las plantas transgénicas con mayor

de expresión de insectos se usan comúnmente cuando se necesitan

detalle más adelante en el Capítulo 6.

pequeñas cantidades de proteínas en la investigación.

Sistemas de cultivo de células de mamíferos

Métodos de purificación de

Es posible cultivar células animales, haciéndolas crecer en un medio

proteínas: procesamiento posterior

hasta que llegue el momento de recolectar las proteínas. Este proceso es un desafío porque los requisitos nutricionales de las

Una vez que se produce una proteína, comienza el procesamiento

células animales de mamíferos son complejos. Las células de

posterior (Figura 4.7). Primero, la proteína debe ser cosechada. Si

mamíferos también crecen con relativa lentitud, y la posibilidad de

la proteína es intracelular, se recoge la célula entera; si es

que los cultivos de células de mamíferos se contaminen es mayor

extracelular, la proteína se excreta al medio de cultivo que se recoge.

que la de otros sistemas de cultivo. A pesar de estos problemas, las

Sin embargo, la cosecha es solo el comienzo del procesamiento

células de mamíferos siguen siendo la mejor opción para las

posterior. A continuación, comienza el verdadero trabajo: la proteína

proteínas destinadas a ser utilizadas en humanos.

debe purificarse. Este es el proceso de separar la proteína diana de la mezcla compleja de moléculas biológicas en las que se produjo.

Sistemas de producción de biorreactores animales Las células en cultivo no son la única opción en el uso de células

La pureza en este contexto es un término relativo. Generalmente,

animales; a veces los animales vivos son productores de proteínas.

la FDA requiere que una muestra esté compuesta por un 99,99 por

Considere, por ejemplo, la técnica utilizada para recolectar anticuerpos monoclonales. Los anticuerpos monoclonales reaccionan

ciento de la proteína objetivo. Separar las proteínas de todos los

contra un solo objetivo, lo que los hace valiosos en aplicaciones

las demás proteínas de la muestra puede ser aún más difícil. Para

diagnósticas y terapéuticas (consulte el Capítulo 7).

entender el proceso de purificación de proteínas, observamos

Los anticuerpos son proteínas producidas en reacción a antígenos

algunos pasos seguidos comúnmente en la purificación.

demás contenidos celulares no es fácil, y aislar la proteína diana de

(generalmente un virus o una bacteria invasora). Los anticuerpos pueden combinarse con un antígeno y neutralizarlo, protegiendo al organismo. La producción de anticuerpos es parte de la respuesta

Paso uno: Preparación de un extracto para la purificación

inmunitaria que ayuda a los seres vivos a resistir las enfermedades

Si la proteína es intracelular, la primera tarea es la lisis celular,

infecciosas. Cuando el objetivo es la producción de un anticuerpo

rompiendo la pared celular para liberar la proteína.

monoclonal, se inyecta un antígeno a los ratones. Luego, el tejido

Hay muchos métodos para hacer esto: congelación y descongelación

productor de anticuerpos del ratón se fusiona con células cancerosas

(que rompe las membranas celulares y libera el contenido celular),

(para hacerlas inmortales).

detergentes (usados para disolver las paredes celulares),

Machine Translated by Google 4.3 Producción de proteínas

biorreactores

FIGURA 4.7 Pasos básicos en el bioprocesamiento Las purificaciones se pueden lograr a partir de materias primas o de biorreactores. Los pasos del proceso deben diseñarse y, a menudo, son únicos (y patentables).

Células

Extracción de crudo

Concentración y

preparación de proteínas

purificación inicial

137

de material de origen Proteínas Estabilización del producto final y ajuste

Purificación

de la actividad al nivel

cromatográfica

requerido

(si es requerido)

Secado de producto (si es requerido)

Producto final embalaje y etiquetado

Productos finales

y métodos mecánicos (ultrasonidos o pulido con diminutas perlas de vidrio). Dada la fragilidad de las proteínas, liberarlas de la célula sin degradarlas por completo es un desafío. El proceso de disrupción libera la proteína de interés así como todo el contenido intracelular de la célula. Una vez que se han roto las células, se pueden agregar a la mezcla alcoholes orgánicos o sales. Ambos aprovechan la orientación hidrofóbica de las proteínas al atraer agua de las proteínas, lo que hace que se unan. Estos agentes aumentan las interacciones entre las moléculas de proteína para separarlas de la mezcla.

Paso dos: Estabilización de proteínas en solución A continuación, las proteínas deben estabilizarse. Recuerde que es importante mantener la bioactividad de la proteína y que las proteínas son moléculas relativamente frágiles. Como consecuencia, se deben tomar precauciones para proteger la proteína durante el proceso de purificación. Mantener una temperatura baja es crucial para proteger las proteínas, por lo que la mayoría de las purificaciones deben realizarse a temperaturas bajas. El calor tan moderado como la temperatura ambiente limita la actividad de las proteínas. También es importante mantener el pH adecuado para la actividad de una proteína, y la mayoría de las proteínas activas se suspenden en agentes amortiguadores para preservar la función máxima. Las proteasas naturales que pueden digerir las proteínas objetivo en una preparación son otra amenaza. Se pueden agregar inhibidores de proteasa y antimicrobianos para evitar que las moléculas de proteína se desintegren, pero deben eliminarse más tarde, al igual que cualquier aditivo utilizado en el proceso de purificación. Otro problema potencial más es la destrucción mecánica por formación de espuma o cizallamiento de las proteínas en fragmentos inútiles. Una vez más, los aditivos pueden ayudar a prevenir la formación de espuma y el cizallamiento.

de destruir la proteína, pero los aditivos deben eliminarse más tarde. Como hemos visto, algunos métodos de purificación son lo suficientemente potentes como para dañar la proteína objetivo. Se necesita un acto de equilibrio para extraer y purificar las proteínas con éxito. Aunque es esencial que la proteína se purifique, es igualmente importante que la proteína mantenga su actividad biológica.

Paso tres: separación de los componentes en el extracto El último paso en el proceso de purificación puede ser el más importante. Las similitudes entre las proteínas nos permiten separarlas de materiales tales como lípidos (grasas), carbohidratos y ácidos nucleicos, que también se liberan cuando se rompe una célula. A continuación, se utilizan las diferencias entre las proteínas individuales para separar las proteínas diana de otras. Los siguientes son varios métodos utilizados para la separación de proteínas.

Precipitación de proteínas Las proteínas a menudo tienen aminoácidos hidrofílicos en sus superficies que atraen e interactúan con las moléculas de agua. Esa característica se utiliza como base para separar las proteínas de otras sustancias en el extracto. Se pueden agregar sales, más comúnmente sulfato de amonio, a la mezcla de proteínas para precipitar las proteínas (para hacer que se asienten fuera de la solución). La precipitación con sulfato de amonio es con frecuencia un primer paso en la purificación de proteínas, lo que da como resultado un precipitado de proteínas que es relativamente estable. Sin embargo, los problemas asociados con la precipitación de sulfato de amonio lo convierten en una mala elección en algunas situaciones industriales. El sulfato de amonio es altamente reactivo cuando entra en contacto con acero inoxidable, por ejemplo, y muchas instalaciones de purificación industrial están hechas de acero inoxidable. Otros disolventes de uso frecuente

Machine Translated by Google 138

(a)

Capítulo 4 Proteínas como productos

Centrífuga de ángulo fijo de pequeño volumen

cámara

celda fragmentada material

blindada

Flotantemás pequeño

y menos denso

Homogeneizado celular

componentes

antes de la centrifugación

centrifugación Bolitamás grande y

FIGURA 4.8 Centrifugación por lotes y de ángulo fijo Las centrífugas de ángulo fijo (a) pueden desarrollar fuerzas gravitatorias extremadamente altas (fuerzas g), pero están limitadas a cantidades más pequeñas y deben funcionar por separado para cada lote. Las centrífugas por lotes (b) se desarrollaron para permitir el flujo continuo de materiales y la separación de los restos celulares de las proteínas celulares. La presión continua del flujo de entrada y la fuerza centrífuga se pueden ajustar

Fijado ángulo rotor

Antes

Después

para maximizar la separación y el flujo de salida del componentes más densos sobrenadante de proteína.

Vacío

Refrigeración Motor

Homogeneizado celular

(b)

centrífuga por lotes

sobrenadante de proteína

Proteínas celulares moverse

separando discos

hacia adentro

Restos celulares

para promover la precipitación de proteínas incluyen etanol, isopropanol, acetona y éter dietílico. Al igual que el sulfato de amonio, estos solventes provocan la precipitación de proteínas al eliminar el agua entre las moléculas de proteína. Métodos de separación por filtración (basados en el tamaño)

Hay una variedad de formas de separar moléculas basadas en el tamaño y la densidad. La centrifugación separa las muestras haciéndolas girar a alta velocidad. Con este proceso, las proteínas a menudo pueden aislarse en una sola capa o separarse de los componentes celulares más pesados. Las centrífugas de pequeño volumen son capaces de procesar solo unos pocos litros en cada ejecución. Los reactores grandes pueden procesar cientos o miles de litros (ver Figura 4.8).

La centrifugación a escala industrial normalmente se logra utilizando centrífugas de flujo continuo que permiten el procesamiento continuo del contenido de un biorreactor. También se pueden usar filtros de varios tamaños y tipos para separar proteínas de otras moléculas en la mezcla. En este proceso, conocido como filtración por membrana, se utilizan membranas delgadas de nailon u otras sustancias diseñadas con tamaños de poro variables para filtrar todos los desechos celulares de una solución. Primero, microfiltración elimina los precipitados y las bacterias. Ultrafiltración luego usa filtros que pueden atrapar moléculas como proteínas y ácidos nucleicos. Algunos procesos de ultrafiltración pueden incluso separar proteínas grandes de las más pequeñas. (Consulte www.amicon.com para ver algunos de estos dispositivos). Una de las principales deficiencias de la membrana

sistemas de filtración es su tendencia a obstruirse fácilmente. En el lado positivo, el uso de estos sistemas de filtración lleva menos tiempo que la centrifugación. La diafiltración y la diálisis son métodos de filtración que se basan en el concepto químico de equilibrio, la migración de sustancias disueltas desde áreas de mayor concentración a áreas de menor concentración. Como se muestra en la figura 4.9, la diálisis depende de la capacidad de algunas moléculas para pasar a través de membranas semipermeables (ósmosis), mientras que otras se detienen o ralentizan debido a su tamaño. A menudo se requiere diálisis para eliminar las sales más pequeñas, los solventes y otros aditivos utilizados anteriormente en la purificación. Luego, las sales se reemplazan con agentes amortiguadores que ayudan a estabilizar las proteínas durante el resto del proceso. La diafiltración añade un componente de filtrado a la diálisis.

cromatografía Los pasos iniciales en cualquier proceso de purificación liberan una proteína de la célula, eliminan partículas y contaminantes no deseados y concentran las proteínas. Los métodos de cromatografía permiten clasificar las proteínas por tamaño o por cómo se adhieren a otras sustancias o se separan de ellas. En la cromatografía, se llenan tubos de vidrio largos con microesferas de resina y una solución tamponada. Luego se agrega el extracto de proteína y fluye a través de las perlas de resina en una columna de vidrio. Dependiendo de la resina utilizada, la proteína se adhiere a las perlas o pasa a través de la columna mientras las perlas actúan como un sistema de filtración.

Machine Translated by Google 4.3 Producción de proteínas

Proteína Proteína

139

FIGURA 4.9 Diálisis Este procedimiento se puede usar para eliminar la sal mediante el proceso de difusión y reemplazarla con un tampón que sea más adecuado para la estabilidad de la proteína.

Arcos Sal

Proteína alta en sal solución

Sellar con abrazaderas

Coloque la bolsa en un baño bajo en sal.

Después de varios cambios de arcos, diusos de sal de la bolsa, dejando el nuevo buer y proteínas resuspendidas

La cromatografía de exclusión por tamaño (SEC) utiliza perlas de gel como sistema de filtrado. Las moléculas de proteína

las proteínas se adhieren a la resina, otros contaminantes atraviesan y salen de la columna, como se muestra en la Figura 4.11. Luego,

más grandes se abren camino rápidamente alrededor de las perlas

las proteínas se pueden eluir (liberar de la resina) cambiando la

de gel, mientras que las moléculas más pequeñas pasan más

carga electrostática; esto se hace enjuagando la columna con

lentamente porque pueden deslizarse a través de pequeños agujeros

soluciones salinas de concentraciones crecientes. Luego, la proteína

en las perlas, como se muestra en la Figura 4.10. Los geles están

unida se libera de su unión (detectada al observarla bajo UV 280) y

disponibles en una variedad de tamaños de poros, y el gel necesario

se recolecta.

para una separación adecuada depende del peso molecular de los contaminantes o proteínas que se separan. Sin embargo, este

La cromatografía de afinidad se basa en la capacidad de la

método solo puede realizar separaciones preliminares y puede

mayoría de las proteínas para unirse de manera específica y

plantear problemas en entornos industriales porque requiere

reversible a compuestos de forma única llamados ligandos. Los

columnas muy grandes.

ligandos son moléculas pequeñas que se unen a una molécula

La cromatografía de intercambio iónico (IonX) se basa en

grande particular en una proteína. Piense en los ligandos que

una carga electrostática (como la adherencia estática) para unir las

encajan con una molécula de proteína única de la misma manera

proteínas a las perlas de resina en una columna. mientras el acusado

que una llave encaja en una cerradura (Figura 4.12). Una vez que las proteínas se

FIGURA 4.10 Purificación de proteínas por cromatografía de exclusión por tamaño (a)

(a) bajo peso molecular

Las proteínas de bajo y alto peso molecular viajan a

peso

través de una columna de cromatografía de exclusión por tamaño. (b) El diagrama muestra cómo aparecen las

de alto peso molecular

proteínas de bajo y alto peso molecular a medida que salen

peso

de la columna cuando se controlan las proteínas (absorción ultravioleta [UV] 280 nm por los aminoácidos aromáticos utilizados para la detección). Observe que las proteínas de alto peso molecular se mueven rápidamente a través del tampón, mientras que las proteínas de bajo peso molecular son ralentizadas por la matriz de la resina de la columna. Las resinas se pueden comprar con muchos tamaños de poro diferentes.

(b)

Absorbancia/ Densidad óptica (UV280)

O O

de alto peso molecular

peso proteinas

peso molecular intermedio proteinas

Bajo peso molecular proteinas

Tiempo

Machine Translated by Google 140

(a)

Capítulo 4 Proteínas como productos

** *

–

(C)

**

–

*

–

–

–

–

– +

– +

–

–

*

Proteína B

Proteína C

–

–

+

+

+

–

–

–

–

+

**

*

–

–

–

*** Proteína A *

–

+ + –

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

Cargado positivamente perla de intercambio iónico

(b)

Cargado negativamente proteína

* O Tiempo

Incremento lineal concentración de sal degradado

FIGURA 4.11 Cromatografía de intercambio iónico (a) Los aminoácidos cargados se unen a perlas de resina iónica. El aumento de la fuerza iónica del tampón desplaza las proteínas (en función de su fuerza de unión) después de que se hayan unido a la resina de la columna. (b) la proteína A se libera a la concentración más baja del gradiente de sal desplazante; la proteína B tiene una mayor fuerza de unión y se libera en segundo lugar; la proteína C tiene la mayor fuerza de unión y requiere una alta concentración de sal para desplazarla de las perlas de intercambio iónico de la columna. (c) La resina de intercambio aniónico es positiva; Las resinas de intercambio catiónico tienen carga negativa.

Columna de resina talón

enlaces) de las proteínas retenidas. Las proteínas de fusión, como se mencionó anteriormente, pueden usarse en la cromatografía de afinidad porque el sustrato (ligando) de la proteína bacteriana puede ser parte de la columna de afinidad, atrayendo la proteína fusionada (proteína enzimática bacteriana) a la columna. La cromatografía de afinidad puede acortar el proceso de purificación al reducir el número de pasos. Como hemos visto, los aminoácidos son atraídos o

Proteína ligando

una nidad ligando

Adicional ligandos de proteínas

FIGURA 4.12 Cromatografía de afinidad Los ligandos de afinidad están diseñados para unirse específicamente a componentes químicos 3D únicos de la proteína que se está purificando. Las proteínas no unidas se lavan a través de la columna. El aumento de la fuerza iónica del tampón puede desplazar la proteína unida (después de la unión preferencial) y regenerar la columna de afinidad. La proteína desplazada (pura) se puede recolectar y concentrar. Por ejemplo, las proteínas enzimáticas se unirán a la resina de la columna con su sustrato adjunto.

perlas de resina, se utiliza una solución tampón para lavar las moléculas no unidas. Por último, se utilizan soluciones tampón especiales para provocar la desorción (para romper el ligando

repelidos por las moléculas de agua. En la cromatografía de interacción hidrofóbica (HIC), las proteínas se clasifican en función de su repulsión del agua. Las perlas de la columna en HIC están cubiertas con moléculas hidrofóbicas, y los aminoácidos hidrofóbicos en una proteína son atraídos por los químicos similares en las perlas, que se muestran en la Figura 4.13 en la página 141. El enfoque isoeléctrico se usa a menudo en el control de calidad durante la purificación para identificar dos proteínas similares que son difíciles de separar por otros medios. Cada proteína tiene un número específico de aminoácidos cargados en su superficie en lugares específicos. Debido a esta combinación única de grupos cargados, cada proteína tiene una firma electrónica única conocida como su punto isoeléctrico (IEP), donde las cargas de la proteína coinciden

Machine Translated by Google 4.3 Producción de proteínas

141

solución de proteínas celulares en una tira de polímero especialmente

Columna de resina

preparada. Cuando la tira se expone a una corriente eléctrica, cada

rosario

Proteína con hidrófobo “parches” en su superficie

proteína de la mezcla se asienta en una capa según su carga. A continuación, la tira se alinea con un gel y se vuelve a exponer a la corriente eléctrica. A medida que las proteínas migran a través del gel, se separan según su peso molecular.

agua organizada estructura que rodea la parte hidrófoba Hidrofóbico ligando

Métodos analíticos Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) añade un giro a los métodos de cromatografía descritos anteriormente, que dependen del flujo por gravedad o de bombas de muy baja presión

Agregue proteína a la resina debajo

condiciones de alta concentración de sal

para mover el extracto a través de las columnas. Dichos métodos de flujo bajo pueden tardar varias horas en procesar una sola muestra. Por el contrario, los sistemas de HPLC usan una mayor presión para forzar el extracto a través de la columna en un tiempo más corto. Sin embargo, los sistemas de HPLC tienen limitaciones. Se separa menos

La proteína se une a la columna.

por hidrófobo interacción entre el ligando y la proteína

proteína, por lo que la técnica es más útil en situaciones analíticas que en la producción en masa. La espectrometría de masas (mass spec) es un método muy sensible que se utiliza para identificar pequeñas diferencias entre proteínas. De hecho, se utiliza con frecuencia en la salida de los sistemas de HPLC. Todos los espectrómetros de masas hacen tres

Las proteínas se eluyen en un orden de

aumentando la hidrofobicidad linealmente disminución de la concentración de sal

cosas: suspenden las moléculas de la muestra en una fase gaseosa cargada, separan las moléculas en función de sus proporciones de masa a carga acelerando por un tubo estrecho y, finalmente, detectan los iones separados. Una muestra tan pequeña como un picogramo

Gradiente salino decreciente

(la milmillonésima parte de un gramo) puede analizarse mediante este proceso, que se ilustra en la Figura 4.14. Se produce una lectura definitiva, que indica la identidad y el tamaño de la mayoría de las proteínas o fragmentos analizados. Una aplicación importante de este proceso es la secuenciación de proteínas. Una proteína más grande puede digerirse en fragmentos

O

(péptidos) y analizarse para determinar la secuencia de aminoácidos. Tiempo

(aumento de proteínas hidrofobicidad)

La espectrometría de masas es ahora el método preferido y, en las empresas de biotecnología, ha reemplazado en gran medida el método más lento de análisis de grupos finales de Edmond utilizado para la

FIGURA 4.13 Cromatografía de interacción hidrofóbica El aumento de la concentración no polar del tampón puede hacer que las porciones hidrofóbicas de las proteínas se combinen con una resina de columna de intercambio iónico hidrofóbica. La reducción adicional de la concentración iónica desplaza la proteína de la resina de la columna y reemplaza su unión con un solvente no polar. Se pueden recolectar fracciones y determinar la concentración de proteína en base a la detección mediante análisis espectrofotométrico a UV 280 nm.

secuenciación de aminoácidos. La espectrometría de masas puede detectar la diferencia entre los isómeros de la misma proteína y sus capacidades están mejorando más rápido que la mayoría de los instrumentos de laboratorio en términos de análisis crítico. La cromatografía líquida rápida de proteínas (FPLC) es diferente de la espectrometría de masas y, a menudo, se usa para analizar o purificar mezclas de proteínas. Como en otras formas de cromatografía, la separación es posible porque los diferentes componentes de una mezcla tienen diferentes afinidades por dos

el pH de la solución. El IEP se puede utilizar para separar proteínas

materiales, un fluido en movimiento (la “fase móvil”) y un sólido poroso

similares entre sí. El enfoque isoeléctrico es la primera dimensión de

(la fase estacionaria). En FPLC, la fase móvil es una solución acuosa

la electroforesis bidimensional.

o "tampón". La tasa de flujo del amortiguador se controla mediante una bomba de desplazamiento positivo y normalmente se mantiene

La electroforesis bidimensional separa las proteínas en función

constante, mientras que la composición del amortiguador puede variar

de su carga eléctrica y tamaño. Es esencialmente la combinación de

extrayendo fluidos en diferentes proporciones de dos o más depósitos

dos métodos, IEP y electroforesis en gel. En esta técnica, los

externos. La fase estacionaria es una resina compuesta de perlas,

investigadores introducen un

Machine Translated by Google 142

Capítulo 4 Proteínas como productos

(a)

(b)

En línea solvente

precolumna

filtrar

filtrar

Guardia

Electrostático

Magnético

analizador

analizador

columna Bomba

Muestra inyección válvula

Solvente reservorio

columna de HPLC Detector

fuente de iones

atrás

presión regulador

Electrón multiplicador detector Desperdicio

FIGURA 4.14 Cromatografía líquida de alta resolución y espectrometría de masas La cromatografía líquida de alta resolución suele combinarse con la espectrometría de masas para analizar proteínas. (a) HPLC utiliza perlas de resina no comprimibles bajo presiones muy altas para separar proteínas que a menudo tienen un tamaño similar. (b) La espectrometría de masas sigue esta separación inicial para detectar diferencias sutiles en las proteínas ionizadas y aceleradas que se analizarán (por distancia o tiempo) a medida que viajan por un tubo lleno al vacío.

generalmente de agarosa reticulada, empaquetada en una columna cilíndrica de vidrio o plástico. Las resinas FPLC están disponibles en una amplia gama de tamaños de gránulos y ligandos de superficie, según la aplicación. El equilibrio correcto de tampón y ligando se unirá a la proteína de interés.

Verificación En cada paso del proceso de purificación experimental, es importante verificar que la proteína objetivo no se haya perdido y que los esfuerzos de concentración hayan sido exitosos. SDSPAGE (electroforesis en gel de poliacrilamida) se utiliza a menudo para la verificación. En este método, se agrega un detergente llamado dodecilsulfato de sodio (SDS) a una muestra de la mezcla de proteínas y se calienta la mezcla. Las cargas de sulfato se distribuyen uniformemente a lo largo de la proteína desnaturalizada (calentada), lo que hace que la separación dependa del tamaño de la proteína. Después de este tratamiento, la muestra de proteína se carga en una matriz de gel especial (PAGE), donde forma una sola banda en un lugar específico, según su tamaño y masa molecular, como se ve en la Figura 4.15.

Al agregar un tinte que se combina con proteínas, como la tinción de Coomassie, se obtiene una banda coloreada y se puede comparar un marcador de tamaño conocido con la muestra teñida. Cuando la muestra y el marcador conocido son equivalentes, tenemos evidencia de que la proteína de interés se está concentrando. Dado que esta prueba se realiza en cada paso del proceso de purificación, la banda de color debe volverse cada vez más intensa, lo que demuestra que la proteína no se ha perdido. Un método de detección específico para proteínas separadas por SDS-PAGE es la transferencia de Western (similar a la transferencia de Southern para ADN en el Capítulo 3). En la transferencia de Western, la proteína se transfiere de un gel a una membrana de nitrocelulosa y se detecta con un anticuerpo específico que reconoce esa proteína por su estructura única. La membrana de nitrocelulosa une todas las proteínas. Una vez que se transfieren las proteínas, debe “bloquear” el resto de la membrana con proteínas no reactivas. Esto le permite aplicar el anticuerpo (también una proteína) para que no se una de forma no específica a la membrana donde no esté cubierta por una proteína transferida. una enzima

Machine Translated by Google 4.3 Producción de proteínas

Carga proteínas

Fuente de alimentación

– +

Sistema de electroforesis

–

1

2345 Dirección de movimienot con tiempo

Deseado proteína

143

lejos al final de la incubación. Para detectar los anticuerpos que se han unido, se añaden anti-anticuerpos (o anticuerpos secundarios) acoplados a un grupo informador, como la enzima fosfatasa alcalina. Finalmente, después de eliminar el exceso de anticuerpo secundario de la transferencia, se agrega un sustrato que precipita al reaccionar con el conjugado, lo que da como resultado una banda visible donde el anticuerpo primario se une a la proteína (consulte la Figura 4.15). La detección de anticuerpos de una proteína específica también se puede llevar a cabo mediante un ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA). El ELISA más utilizado requiere dos anticuerpos: uno para capturar la proteína única y otro unido a una enzima para producir una reacción de color (consulte la Figura 4.12). ELISA se produce en una placa multipocillo mediante cromatografía de afinidad. El primer anticuerpo contra la proteína única se coloca en una placa ELISA multipocillo, se agrega la proteína y, después de una serie de pasos de lavado y bloqueo, se agrega el segundo anticuerpo (unido a la enzima). La adición de un sustrato permite que se produzca una reacción de color si el anticuerpo se ha unido. Las placas ELISA están diseñadas para capturar muchas proteínas importantes actualmente en investigación.

Conservando Proteínas + FIGURA 4.15 La electroforesis en gel de poliacrilamida SDS-PAGE de proteínas que tienen cargas uniformes (producidas por calentamiento en dodecilsulfato de sodio) se puede separar por tamaño, según su migración en un campo eléctrico vertical. Este procedimiento suele seguir cada paso importante de la purificación para verificar que la banda de proteína deseada se está concentrando más (y no se ha perdido en la separación). Observe que la proteína de 65 kilodalton (kD) tiene la concentración más alta en el paso final (carril 2) de este procedimiento (carril 5) cuando se utilizan proteínas de tamaño conocido para la comparación. Las proteínas más pequeñas llegarán primero al polo +.

unido al anticuerpo puede usarse para convertir un sustrato fluorescente para producir un registro permanente de la detección. En este procedimiento, se aplica una corriente eléctrica al gel. Las proteínas separadas luego migran a través del gel y hacia la membrana en el mismo patrón que se separan en la SDS-PAGE. Todos los sitios de la membrana se pueden bloquear de tal manera que el anticuerpo (suero) no se una a ellos de manera no específica para detectar el antígeno transferido a la membrana; luego se agrega un anticuerpo primario (suero) en una dilución adecuada y se incuba con la membrana. Si hay algún anticuerpo presente que esté dirigido contra uno o más de los antígenos transferidos, esos anticuerpos se unirán a la(s) proteína(s) mientras que otras proteínas se lavarán.

Una vez que la proteína objetivo ha sido aislada, recolectada y purificada, debe guardarse de manera que conserve su actividad hasta que pueda usarse. Un medio de conservar la proteína es la liofilización o liofilización. En este proceso, se congela una solución de proteína líquida purificada. Luego se usa un vacío para acelerar la evaporación del agua del fluido. En la liofilización, los cristales de hielo se convierten directamente en vapor de agua sin derretirse primero en agua líquida. Los contenedores de material liofilizado se sellan después de eliminar el agua, dejando atrás las proteínas secas. Se ha demostrado que la liofilización mantiene la estructura de la proteína, lo que la convierte en un método comúnmente elegido para la conservación de proteínas derivadas biotecnológicamente. Muchas proteínas liofilizadas se pueden almacenar a temperatura ambiente durante períodos prolongados.

Ampliación de la purificación de proteínas Los protocolos de purificación de proteínas suelen diseñarse en el laboratorio a pequeña escala. Estas técnicas a este nivel de productividad son factibles si el producto se necesita solo en pequeñas cantidades. Los pedidos de anticuerpos monoclonales, por ejemplo, están en el rango de gramos por año, una demanda relativamente pequeña. Un solo biorreactor a escala de laboratorio normalmente puede producir cantidades adecuadas. Sin embargo, se requieren otras proteínas en cantidades mucho mayores, lo que significa que los métodos de producción deben ampliarse.

Machine Translated by Google 144

Capítulo 4 Proteínas como productos

La ampliación no siempre es fácil de lograr. Es posible que los métodos de laboratorio que pueden funcionar a pequeña escala no siempre se adapten a la producción a gran escala. Además, los cambios en el proceso de purificación pueden invalidar estudios clínicos anteriores a escala de laboratorio. Por ejemplo, cuando la FDA aprueba una proteína obtenida mediante bioingeniería, también aprueba el proceso para producirla. Para cambiar el proceso, puede ser necesario buscar la aprobación de la FDA una vez más. Por esta razón, los ingenieros de bioprocesos participan en las primeras etapas de la purificación y trabajan para garantizar que sea posible ampliar el proceso más adelante.

Métodos de análisis de pospurificación Durante la investigación, a menudo es útil observar de cerca una proteína purificada. El objetivo puede ser comprender mejor la estructura molecular de una proteína específica o alterar su estructura para cambiar la función de la proteína. Los siguientes dos métodos se utilizan en el análisis posterior a la purificación de proteínas.

las mejoras en la instrumentación ahora permiten a los investigadores utilizar la microscopía crioelectrónica (cryo-EM) para lograr una resolución casi atómica de estructuras proteicas complejas. Después de aplicar una proteína purificada a una red de andamios sostenida por un marco de metal, las proteínas 3D llenan los agujeros en diferentes orientaciones. A continuación, la cuadrícula se congela instantáneamente en el vacío para el EM de exploración. Con el software, se pueden usar numerosas imágenes bidimensionales (2D) en diferentes orientaciones para crear una estructura 3D y proporcionar información estructural más detallada (y ganar el Premio Nobel de Química en 2017 para los tres investigadores que la desarrollaron). En palabras de uno de los investigadores, Richard Henderson, “ahora podemos ver los intrincados detalles de las biomoléculas en cada rincón de nuestras células”.

4.4 Proteómica

Muchas enfermedades son el resultado de fallas en la expresión de proteínas, pero no todas esas enfermedades pueden Recuerde de nuestra discusión sobre las estructuras de las entenderse simplemente en términos de mutación genética. proteínas que cada proteína tiene una secuencia específica de Debido a que las proteínas se someten a modificaciones aminoácidos, conocida como secuencia primaria. Para entender posteriores a la traducción, el rompecabezas puede ser mucho completamente una proteína, es importante determinar su más complicado. Una nueva disciplina científica, la proteómica, secuencia primaria. Los secuenciadores de proteínas se dedica a comprender la compleja relación entre la enfermedad automatizados hacen posible esta tarea (ver Figura 4.14). En el y la expresión de proteínas. método de espectrometría de masas, las masas de péptidos se En proteómica, los proteomas (el complemento de identifican por sus firmas únicas (tiempos de retención). Al PROTEína de un genOMA) se comparan entre estados sanos y convertir péptidos en iones y someterlos a aceleración en el enfermos. Luego, las variaciones de la expresión de proteínas se correlacionan con el inicio o la progresión de una enfermedad vacío, es posible identificar muchas proteínas únicas en cuestión específica. El objetivo de la investigación proteómica es el de minutos. descubrimiento de marcadores proteicos que puedan utilizarse Cristalografía de rayos X en nuevos métodos de diagnóstico y el desarrollo de fármacos La cristalografía de rayos X se utiliza para determinar las dirigidos para el tratamiento de enfermedades. Por ejemplo, complejas estructuras terciarias y cuaternarias de las proteínas. científicos de la Universidad de California, Davis, purificaron la El método requiere cristales puros de proteínas que se hayan proteína producida por BRCA2, un oncogén relacionado con el deshidratado cuidadosamente de las soluciones. Bombardeada cáncer de mama. Luego, los investigadores pudieron sintetizar la con rayos X, una proteína pura crea patrones de sombra proteína para estudiar el papel de BRCA2 en el cáncer de mama. BRCA2 específicos basados en su configuración. El análisis informático es susceptible al fármaco trastuzumab (Herceptin; Genentech, San Francisco), que ha aumentado la tasa de supervivencia del de estos patrones permite la generación de diagramas de “cinta”, que no solo describen la estructura de las proteínas, sino que cáncer de mama a casi un 70 por ciento. Su uso de ceptina también permiten planificar posibles modificaciones de la molécula depende de la presencia de un receptor HER2 sobreexpresado , de proteína para mejorar la función. La cristalografía de proteínas que no siempre es el caso en una mutación BRCA2 (BRCA1, suele ser un requisito para la aprobación de la FDA porque BRCA2 y HER2 negativos son insensibles a trastuzumab). verifica que el proceso produce el producto aprobado. Herceptin se dirige a un receptor de señal de crecimiento de la membrana externa y no al complejo de reparación del ADN. De esta forma, solo las pacientes con biomarcadores BRCA2 específicos reciben trastuzumab, ahorrando molestias y Cryo-EM crea imágenes de proteínas tratamientos innecesarios a todas las pacientes con cáncer de Durante décadas, la cristalografía de rayos X se ha utilizado para mama. obtener imágenes de estructuras macromoleculares, Aunque el gen BRCA2 se descubrió en 1994, la purificación especialmente imágenes tridimensionales de proteínas. Tecnología reciente de la proteína producida por el gen demostró Secuenciación de proteínas

Machine Translated by Google 4.4 Proteómica

Los anticuerpos detectan la unión a proteínas

Proteína objetivo

inmunoensayos

Proteína-proteína interacciones

Proteína-lípido interacciones

145

Proteína-ADN interacciones

Producción de color estreptavidina-biotina enzima

Anticuerpo de captura

Proteína-pequeña

molécula

Quinasa

Proteína-péptido interacciones

perfil inmune respuestas

interacciones

(detector de proteínas)

atp

FIGURA 4.16 Microarreglos de proteínas Se están perfeccionando los microarreglos de proteínas que se unen de manera única a proteínas individuales. Cuando una proteína se une, libera una señal a medida que la enzima unida a la proteína que interactúa degrada un sustrato. Los ensayos de adsorción inmune ligados a enzimas (ELISA) se unen a las proteínas objetivo de esta manera para la detección.

difícil, ya que es muy grande, no se expresa bien y se degrada fácilmente. Los investigadores de UC Davis probaron muchas líneas celulares diferentes y lograron introducir un gen BRCA2 en una línea celular humana y expresarlo como una proteína completa. Otros investigadores utilizaron técnicas de ingeniería genética para fabricar la proteína humana en la levadura. Luego probaron la proteína purificada por su función en la reparación del ADN dañado. Los experimentos con la proteína BRCA2 confirmaron que juega un papel en la reparación del ADN dañado, y cuando se daña en el cáncer de mama, el ADN deja de funcionar. La investigación continúa sobre la función de BRCA2 y otras proteínas involucradas en el cáncer de mama, pero este progreso no hubiera sido posible sin la proteómica.

ADP

FIGURA 4.17 Los microarreglos de proteínas pueden detectar más que solo proteínas La capacidad de los microarreglos de proteínas ha aumentado. Las micromatrices de proteínas funcionales se han aplicado recientemente al descubrimiento de interacciones proteicas (es decir, interacciones proteína proteína, proteína-lípido, proteína-ADN y proteína-fármaco), ampliando el conocimiento de la importancia de las interacciones proteicas para la función celular normal. La unión de anticuerpos u otras proteínas a la matriz permite la detección cuando la unión permite la producción de un producto coloreado.

HACER UNA DIFERENCIA La entrega de proteínas (p. ej., fármacos) ha mejorado con las nanopartículas. Las nanopartículas que interactúan con cadenas polipeptídicas largas para la administración de fármacos han sido la dirección durante algún tiempo, pero han tenido el inconveniente de necesitar ser implantadas quirúrgicamente. Para combatir este problema, se han diseñado hidrogeles para administrar medicamentos. Debido a sus propiedades ajustables, los hidrogeles pueden moldearse en formas específicas y diseñarse para liberar su carga útil durante un período de tiempo específico. Están formados por dos componentes, uno es un tipo de nanopartícula formada por polímeros peptídicos de polietilenglicol

(PEG) mezclados con otro polímero, la celulosa. El uso de dos La proteómica aplica varias técnicas descritas componentes para formar el gel brinda la oportunidad de administrar dos anteriormente: la electroforesis bidimensional se utiliza para medicamentos diferentes al mismo tiempo. Estas nanopartículas tienen separar proteínas, la espectrometría de masas verifica la un núcleo interno ideal para transportar fármacos hidrofóbicos de molécula identidad de la proteína y la proteína se caracteriza mediante pequeña, que incluyen muchos fármacos de quimioterapia. Mientras la secuenciación de aminoácidos. Parte de este trabajo tanto, los polímeros, que existen en una solución acuosa, pueden intensivo en mano de obra puede ser asistido por la transportar moléculas hidrófilas como proteínas, incluidos anticuerpos y automatización en el futuro. Una micromatriz de proteínas es factores de crecimiento. Un inconveniente de los hidrogeles es la alta un conjunto de proteínas inmovilizadas en una superficie, concentración de constituyentes poliméricos que se requiere en la generalmente un portaobjetos de vidrio, que se ha recubierto formulación. Esto puede crear una resiliencia deficiente, lo que resulta en con un reactivo que indicará la unión por cambio de color un fuerte efecto de liberación "ráfaga" de las drogas. Para eludir esta (Figura 4.16). La capacidad de estas matrices ha aumentado limitación, los investigadores de la Universidad de Cambridge crearon un pero no rivaliza con la de las matrices de ADN debido a las autoensamblado con un contenido de agua muy alto (hasta el dificultades de producción. Una sola matriz de ADN puede monitorearhidrogel la expresión de un genoma completo. Las micromatrices de proteínas funcionales se han aplicado recientemente

99,75 por ciento) que tiene una biocompatibilidad mejorada para la

al descubrimiento de interacciones entre proteínas: interacciones proteína-

liberación sostenida del fármaco.

proteína, proteína-lípido, proteína-ADN y proteína-fármaco (Figura 4.17).

Machine Translated by Google 146

Capítulo 4 Proteínas como productos

HERRAMIENTAS DEL OFICIO Proteómica de diagnóstico Los proteomas, la colección de proteínas asociadas

poner grandes cantidades de datos para encontrar la señal en un

con una función vital específica, se han vuelto más

océano de proteínas que permitirán el desarrollo de herramientas

importantes desde el descubrimiento del genoma

bioinformáticas para ayudar en la búsqueda. Los resultados de la proteómica

humano. Como se mencionó anteriormente, el costo de

ahora pueden interpretarse a gran escala y usarse para sacar conclusiones

llevar un fármaco al mercado es de unos 2600 millones de dólares y lleva

sobre una enfermedad en sub

entre 5 y 11 años. Debido a que la mayoría de los medicamentos producidos

grupos de pacientes. Uno de los primeros campos en beneficiarse es la

por la industria biotecnológica son proteínas (como factores de crecimiento,

oncología, con diagnósticos y medicamentos dirigidos que mejoran la

anticuerpos y hormonas sintéticas) que reemplazan las proteínas faltantes o

calidad de vida del paciente. La capacidad de medir una multitud de

no funcionales en los seres humanos, las empresas están particularmente

proteínas diferentes de una sola fuente estaba rezagada con respecto a la

interesadas en desarrollar métodos menos costosos y más rápidos para

capacidad de medir los cambios genéticos. Lo que se necesitaba era la

detectar cómo funcionan las proteínas en humanos. detección y tratamiento

capacidad de medir de miles a cientos de miles de proteínas simultáneamente.

de enfermedades—

Los científicos superaron algunos de estos desafíos utilizando espectrometría de masas de alta sensibilidad y software que proporciona datos analíticos

en concreto, nuevos microarrays de proteínas. Al igual que los

confiables.

microarrays de ADN, estos dispositivos en miniatura detectan proteínas asociadas con enfermedades y aquellas presentes en concentraciones

Acoplamiento de espectrometría de masas con la analítica avanzada

anormales. A medida que se identifican nuevas estructuras de proteínas,

Los enfoques desarrollados para datos altamente complejos

se construyen nuevos microarreglos.

permiten a los científicos descubrir clasificadores de enfermedades

Los microarrays de proteínas tienen muchos usos. La mayoría de

clínicamente relevantes mucho más rápido de lo que era posible

los medicamentos biotecnológicos actuales funcionan a nivel de proteína,

anteriormente. La identificación de subgrupos de pacientes con firmas de

interactúan con los receptores, desencadenan eventos y se dirigen a otras

proteínas de espectrometría de masas basadas en suero dio como resultado

proteínas en las células del cuerpo. La detección de proteínas biomarcadoras

resultados predictivos para pacientes con cáncer. A medida que se mide el

mediante micromatrices ha mejorado la monitorización de la acción de los

conocimiento de la respuesta inmunitaria de un paciente a un tumor

fármacos en muchas enfermedades. Por ejemplo, todos hemos experimentado

canceroso específico, los médicos comienzan a ver cómo se puede potenciar

el beneficio de las vacunas: proteínas que estimulan nuestro sistema

para combatir la enfermedad, otra clave esencial para la medicina de

inmunológico para que reconozca los organismos de la enfermedad sin que

precisión.

tengamos que contraer la enfermedad. La producción de anticuerpos en

Esta tecnología también puede descartar a los que no responden antes de

respuesta a la vacunación es un ejemplo del efecto de un biomarcador

someterlos a tratamientos que no modificarán su enfermedad. Mejora el

proteico y puede indicar inmunidad positiva.

perfil de riesgo-beneficio de los pacientes y permite a los médicos centrarse en terapias que mejorarán su calidad de vida. El potencial de la proteómica

Hasta hace poco, la aceptación de la proteómica como método de descubrimiento para el diagnóstico ha sido lenta. Sin embargo, los avances

para beneficiar la atención al paciente está siendo reconocido por las compañías de seguros, así como por los programas nacionales de seguros

tecnológicos recientes permitieron la medición de suficientes proteínas

de salud como Medicare en los Estados Unidos y el Servicio Nacional de

para hacer que la proteómica de diagnóstico sea una opción viable. Al igual

Salud (NHS) en el Reino Unido.

que con la secuenciación del genoma completo, el desarrollo de pruebas proteómicas requiere com

Observaron una liberación altamente sostenida de proteína durante 160 días. Esto probó el uso de este material como un candidato potencial para uso terapéutico sostenido.

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

1. Mientras trabajas con tu organismo favorito, descubres que tiene una enzima capaz de digerir un sustrato único. ¿Cómo usaría la base de datos pública de proteínas para comenzar a determinar si su enzima es única?

2. Tienes la tarea de producir una enzima para ser utilizado en una nueva “máquina de lavado a vapor” que soportará temperaturas de 100ºC. quieres empezar

Machine Translated by Google Preguntas y actividades

con una bacteria de The Great Geysir en Islandia que

147

13. Explique cómo el crio-EM puede verificar que la estructura de una

tiene una enzima similar, pero necesita aumentar su actividad

proteína predicha a partir de la secuencia de aminoácidos tiene

de sustrato y tolerancia a la temperatura. Describe cómo

un alto grado de similitud estructural con una proteína natural.

harías esto usando evolución molecular dirigida. 14. ¿Qué tipos de secuencias de ADN o ARN esperaría encontrar en un 3. La metaloproteína hemocianina ha demostrado que puede ser reemplazada por histidinas con andamiaje en el sitio activo de una enzima artificial. ¿Cómo se suma este descubrimiento de enzima artificial al conocimiento de la estructura de la enzima 3D?

vendaje inteligente diseñado para tratar una infección? ¿Cómo funcionaría? 15. El sistema de doble híbrido de levadura (Capítulo 3) es una de las técnicas de medición de interacción de proteínas más antiguas. Explique cómo se puede usar para determinar si dos proteínas

4. No se permiten patentes sobre proteínas producidas a partir de “ADN natural”. ¿Cómo podrías usar la secuencia de aminoácidos de una proteína para producir una secuencia de ADN que fuera patentable? 5. ¿Cómo es probable que el estudio de la estructura de la proteína priónica conduzca a descubrimientos que beneficiarán el tratamiento

interactúan para un celular

evento. 16. La formación de enlaces disulfuro es un ejemplo de post

modificación traduccional que comúnmente ocurre para producir la estructura 3D de las proteínas. ¿Qué aminoácidos tienen más probabilidades de participar en PTM?

o la prevención de enfermedades como la enfermedad de Alzheimer? 17. ¿Cómo usaría su conocimiento de que un 6. ¿Bajo qué circunstancias sería preferible el uso de biorreactores

¿La mutación de PRNP causó el plegamiento anormal de

animales a los biorreactores industriales para la producción de

proteínas (priones) en un estudio modelo en ratones? ¿Cómo

proteínas únicas?

detectaría el mal plegamiento en el cerebro en una etapa

7. ¿Cómo configuraría una columna de afinidad que

une preferentemente una enzima que desea purificar?

temprana? 18. Sabiendo que la bacteria B. subtilis secreta proteínas y evita los problemas de replegamiento de proteínas producidas

8. Enumere los métodos de separación de proteínas principalmente

utilizado en la identificación analítica de proteínas en lugar de en la purificación de proteínas. 9. ¿Cómo le ayudaría su conocimiento del punto isoeléctrico (pI) de una proteína a seleccionar el tipo de cromatografía en columna que utilizará para la purificación?

en biorreactores bacterianos, ¿cómo determinaría si es un buen candidato para una proteína que desea producir en cantidad?

19. Si hubiera utilizado un agente precipitante de proteínas como el sulfato de amonio para precipitar todas las proteínas en un extracto crudo, ¿cómo restablecería la estructura de su proteína objetivo?

10. Si una empresa farmacéutica descubre una (estructura) química que se puede utilizar para tratar una enfermedad, ¿cómo podría una empresa de biotecnología proporcionar una proteína económica que pudiera satisfacer la necesidad estructural de manera más económica?

20. Algunos sistemas ELISA utilizan múltiples sitios de unión en el anticuerpo primario para la unión del anticuerpo secundario. ¿Cómo mejora esto la detección?

11. ¿Por qué crees que las enzimas artificiales (zimas XNA) no se degradan tan rápidamente como las enzimas naturales en los sistemas biológicos? 12. Acceda al sitio del proteoma humano: www.

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario

humanproteomemap.org. Seleccione "consulta" (anule la

El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas

selección de "Tejidos adultos" y "Células hematopoyéticas" y

didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y

solo seleccione "Corazón fetal") y observe cómo proporciona los

bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos

resultados. Seleccione EGFR. ¿Qué significan las secuencias de

los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en

letras? ¿Qué significan los colores que van del verde al rojo en la

la industria de la biotecnología.

barra superior?

Machine Translated by Google 148

Capítulo 4 Proteínas como productos

CASO DE ESTUDIO Interacción de la proteína tau-tau en el estudio de la enfermedad de Alzheimer gles de filamentos helicoidales apareados y filamentos rectos, que Las teínas (hiperfosforiladas, agregadas y truncadas) son una Se de ha las establecido que las formas de enfermedad de taude pro principales causas de demencia (enfermedad Alzheimer o EA). Existe un vínculo entre dos patologías de la EA, tau y las placas amiloides (la patología tau se encuentra aguas abajo de la patología

están implicados en la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer. Los resultados de un estudio del péptido tau en ratas se muestran en la siguiente figura. Se analizaron diluciones en serie (1:100 a 1:51,200) de cada suero

amiloide), pero la patología tau puede desarrollarse y ocurrir

contra el péptido sintético 294KDNIKHVPGGGS305, contra tau

independientemente de las placas amiloides. Existe evidencia directa de

desordenada (151-391/4R) y contra tau fisiológica 2N4R usando ELISA

que la patología tau se desarrolla independientemente del amiloide y es

indirecto.

suficiente para causar demencia y neurodegeneración. Estos hallazgos apoyaron el concepto de que la toxicidad del amiloide es dependiente

Preguntas

de tau y que el bloqueo o la reducción de los efectos patológicos de tau pueden proteger contra los efectos nocivos de la patología del amiloide. La inmunoterapia en animales a través del desarrollo de vacunas ha tomado recientemente la delantera en la investigación.

Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com 1. ¿A qué se refieren las letras 294KDNIKHVPGGGS305 ? ¿Y por qué fueron probados? 2. ¿Por qué se compararon los resultados entre

En el cerebro humano, las proteínas tau constituyen una familia de seis isoformas con un rango de 352 a 441 aminoácidos. Tau es una fosfoproteína con 79 sitios potenciales de fosforilación de serina (Ser) y treonina (Thr) en la isoforma tau más larga. Se ha informado de

respuesta a las isoformas de tau y la respuesta al adyuvante? 3. ¿Por qué se analizaron diluciones en serie de los antígenos tau? 4. ¿Cómo se usó ELISA para probar la respuesta de anticuerpos?

fosforilación en aproximadamente 30 de estos sitios en proteínas tau normales. La hiperfosforilación de la proteína tau (inclusiones de tau, pTau) puede resultar en el autoensamblaje de tan

Fuente: Rosenmann H, Blum D, Kayed R, Ittner, LM. Proteína tau: función y patología. Int J Alzheimers Dis. 2012;2012:707482. Publicado en línea el 15 de agosto de 2012. doi:10.1155/2012/707482.

(a) 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 100 200 400 800 1600 3200 6400 12800 25600 51200

tus vacunas

100 200 400 800 1600 3200 6400 12800 25600 51200

Auxiliar

Machine Translated by Google Estudio de caso Interacción de la proteína Tau-Tau en el estudio de la enfermedad de Alzheimer

(b)

***

6000

**

4000

2000

0 Sí

Precio péptidos

(294-305)

(C)

Sí 2N4R

(151-391/4R)

1250 1000 750 500 250 0 IgG1

IgG2a

IgG2b

IgG2c

Respuesta de anticuerpos en ratas transgénicas inmunizadas con vacuna de péptido tau determinada por ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas La vacuna de péptido tau induce altos niveles de anticuerpos específicos para el péptido tau 294KDNIKHVPGGGS305. No se observó respuesta de anticuerpos en los ratones inmunizados solo con adyuvante. Los datos que se muestran son diluciones dobles en serie de sueros animales (a). Los anticuerpos provocados por la vacunación exhibieron una actividad de unión estadísticamente significativamente mayor al péptido tau y al tau desordenado (151-391/4R) que al tau 2N4R completo (***P 5 0,0003 y **P 5 0,0028, respectivamente) ( b). EC50, Concentración efectiva mitad de la máxima. Los anticuerpos inducidos por vacunas específicos para tau mal desordenada son predominantemente del isotipo de inmunoglobulina G (IgG) (c). Los datos mostrados son medias con barras de error que representan SD.

IgM

149

Machine Translated by Google

CAPÍTULO CINCO

Biotecnología microbiana Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿÿ Describir las características de las bacterias que

hacerlos útiles para la biotecnología. ÿÿ Apreciar la importancia de

biotecnología microbiana en la creación de productos que usamos a diario. ÿÿ Explicar cómo se usa la fermentación de alcohol y ácido láctico para producir alimentos y bebidas comunes. ÿÿ Proporcione ejemplos de valiosas

Proteínas que se producen en bacterias usando tecnología de ADN recombinante. ÿÿ Describir el papel que juegan los microorganismos en el desarrollo y producción de antibióticos y vacunas; proporcionar ejemplos de diferentes tipos de vacunas y apreciar objetivos importantes de enfermedades infecciosas para el desarrollo de nuevas vacunas.

ÿÿ Discuta por qué es valioso estudiar los genomas microbianos. ÿÿ Comprender por qué los científicos están

interesado en genomas sintéticos y biología sintética para aplicaciones biotecnológicas. ÿÿ Explicar la metagenómica; describir los principales objetivos y hallazgos del Proyecto Microbioma Humano. ÿÿ Describir las aplicaciones del diagnóstico microbiano para detectar brotes de enfermedades infecciosas. ÿÿ Comprender las funciones que puede desempeñar la biotecnología en la lucha contra el bioterrorismo. ÿÿ Considere cómo se pueden usar los microbios para producir biocombustibles en el futuro.

150

Los microbios, como la célula de Escherichia coli (E. coli) que se muestra en el centro de esta fotografía, tienen una larga historia de aplicaciones en biotecnología. La pared celular y la membrana plasmática de esta célula se han reventado para revelar el cromosoma bacteriano.

Machine Translated by Google 5.1 La estructura de los microbios

una de laslos colecciones másde grandes del mundo de frescos Justo cuando restauradores arte italianos no sabían cómo salvar medievales de los siglos XIV y XV (pinturas hecho en yeso) que decoraba un cementerio en Pisa cerca de la Torre Inclinada, una bacteria del suelo llamada Pseudomonas stutzeri

151

existe una gran necesidad de reducir nuestra dependencia global de los combustibles fósiles y generar fuentes de energía alternativas. ¿Se pueden utilizar los microbios en los procesos metabólicos para crear combustibles o descomponer materiales para liberar componentes que puedan convertirse en combustibles de una

vino al rescate. Los restauradores estaban tratando de limpiar los

forma eficaz y rentable para un uso generalizado? La biotecnología

frescos de la suciedad que nublaba la pintura contenida en el

microbiana es un campo dinámico que está produciendo muchas aplicaciones nuevas. El desarrollo continuo de medicamentos para combatir enfermedades infecciosas (que potencialmente pueden

pegamento que se había usado para repararlos después de los daños de la Segunda Guerra Mundial. Los reactivos químicos tradicionales solo dañaron aún más las pinturas. Sabiendo que P. stutzeri podía degradar nitrógeno, resinas plásticas y contaminantes, los científicos cultivaron una cepa de estos microbios en el laboratorio y los aplicaron a los frescos. Dentro de 6 a 12 horas, las bacterias habían limpiado aproximadamente el 80 por ciento de los residuos de pegamento y el residuo restante se eliminó con un lavado ligero.

avanzar en nuevas direcciones mediante la biología sintética) y el uso de microbios como "robots" para administrar medicamentos son temas que deben vigilarse. También podríamos pronosticar varios otros temas como áreas candentes de la biotecnología microbiana en el futuro, pero creemos que será particularmente interesante estar atento a los desarrollos en biología sintética y biocombustibles.

Los microorganismos, o microbios, son organismos diminutos demasiado pequeños para ser vistos individualmente a simple vista; deben verse con la ayuda de un microscopio. Aunque los

5.1 La estructura de los microbios

microorganismos más abundantes son las bacterias, los microbios también incluyen virus; hongos, tales como levaduras y mohos; algas; y organismos unicelulares llamados protozoos. Las bacterias han existido en la tierra durante más de 3.500 millones de años y superan en gran medida a los humanos. Se ha estimado que los microbios constituyen más del 50 por ciento de la materia viva de la tierra. Sin embargo, menos del 1 por ciento de todas las bacterias han sido identificadas, cultivadas y estudiadas en el laboratorio. Estamos literalmente rodeados de bacterias. Viven en nuestra piel, en nuestra boca y en nuestros intestinos; están en el aire y en prácticamente todas las superficies que tocamos. Las bacterias también se han adaptado para vivir en algunos de los ambientes más duros del planeta: casquetes polares, desiertos, aguas termales hirvientes y bajo una presión extraordinariamente alta en respiraderos de aguas profundas a kilómetros bajo la superficie del océano. La rica abundancia de bacterias y otros microbios proporciona una gran cantidad de posibles aplicaciones biotecnológicas. Mucho antes del desarrollo de las técnicas de clonación de genes, los humanos usaban microbios en biotecnología. En este capítulo, discutimos principalmente los roles importantes que las bacterias han jugado en las prácticas antiguas y nuevas de la

Antes de que pueda considerar las muchas aplicaciones de la biotecnología microbiana, es importante que pueda distinguir los microorganismos de las células vegetales y animales. Recuerde que las células pueden clasificarse en términos generales como eucariotas o procariotas en función de la presencia o ausencia, respectivamente, del núcleo que contiene el ADN de una célula (Capítulo 2). Las células eucariotas incluyen células vegetales y animales; hongos (tales como levaduras); algas; y organismos unicelulares llamados protozoos (como las amebas). A diferencia de las células eucariotas, las células procariotas carecen de la mayoría de los orgánulos unidos a la membrana, incluido un núcleo. Los procariotas incluyen los dominios (categorías taxonómicas por encima del nivel del reino) Bacterias y Archaea: microorganismos procarióticos unicelulares, pero no bacterias, con propiedades únicas de las de los eucariotas y las bacterias. La estructura celular de los microorganismos es importante para determinar dónde prosperarán y cómo se pueden usar en biotecnología. Por ejemplo, las arqueas que viven en ambientes extremos, como condiciones muy salinas, se denominan halófilos o los ambientes cálidos se denominan termófilos; como resultado, tienen propiedades metabólicas muy singulares.

biotecnología. Además, muchas características estructurales de las bacterias las convierten en excelentes microorganismos para la investigación y

PRONÓSTICO DEL FUTURO Especular sobre las direcciones futuras de la biotecnología microbiana no es particularmente fácil porque hay muchas áreas activas de investigación con un gran potencial. Dos áreas de gran intriga son los genomas sintéticos y los biocombustibles. La investigación que involucra la ingeniería de microbios con genomas sintéticos está progresando rápidamente. ¿Cuáles serán algunas de las futuras aplicaciones de esta tecnología y del campo de la biología sintética? Para biocombustibles,

las aplicaciones biotecnológicas. Las células bacterianas son mucho más pequeñas (1 a 5 micrómetros, o ÿm; 1 ÿm 5 0,001 milímetros) que las células eucariotas (10 a 100 ÿm) y tienen una estructura mucho más simple (consulte la Figura 2.1 para ver un diagrama de la estructura de las células procariotas). ). Las células bacterianas también exhiben las siguientes características estructurales: ÿÿ El ADN no está contenido dentro de un núcleo y normalmente consta de un solo cromosoma circular que carece de proteínas histonas.

Machine Translated by Google 152

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

ÿÿ Las bacterias pueden contener ADN plasmídico.

El ADN a menudo contiene genes que no son esenciales para la

ÿÿ Las bacterias carecen de orgánulos unidos a la membrana.

vida, por ejemplo, genes para la resistencia a los antibióticos y genes

ÿÿ La pared celular que rodea la membrana plasmática

brana es estructuralmente diferente de la pared celular de la planta. Compuesta por un polisacárido complejo y una sustancia proteica llamada peptidoglicano, la pared celular forma una barrera externa rígida que protege las células y determina su forma. En archaea, esta estructura no contiene peptidoglicanos.

que codifican proteínas que forman tubos de conexión llamados pili, que permiten que las bacterias intercambien ADN entre células (consulte la Figura 2.1). Como usted sabe, el ADN plasmídico comercialmente disponible es una herramienta esencial para los biólogos moleculares porque se puede usar de varias maneras para experimentos de ADN recombinante. Las bacterias crecen y se dividen rápidamente. En condiciones de crecimiento ideales, muchas células bacterianas se dividen cada 20

ÿÿ Algunas bacterias contienen una capa externa de carbohidratos, que forman una estructura llamada cápsula. La mayoría de las bacterias se clasifican mediante la tinción

minutos aproximadamente, mientras que las células eucariotas suelen crecer durante 24 horas o mucho más antes de dividirse. Por lo tanto, bajo condiciones de crecimiento favorables en el laboratorio, una

de Gram, una técnica en la que se utilizan colorantes para teñir la

pequeña población de bacterias puede dividirse rápidamente para

pared celular de las bacterias. Las bacterias grampositivas se tiñen

producir millones de células idénticas. Debido a que las bacterias son

de púrpura y tienen estructuras de pared celular simples ricas en

tan pequeñas, se pueden cultivar fácilmente millones de células en

peptidoglicanos, mientras que las bacterias gramnegativas se tiñen

pequeños platos de agar o en medios de cultivo líquidos. Cuando se

de rosa y tienen estructuras de pared celular complejas con menos

cultiva en placas de cultivo, cada célula bacteriana normalmente se divide para formar colonias circulares que contienen miles o millones

peptidoglicano. Las bacterias no forman tejidos multicelulares como las células animales y vegetales, aunque algunas bacterias pueden asociarse entre sí para formar cadenas, filamentos o capas (biopelículas, que se analizan más adelante en este capítulo) de

de células (Figura 5.2a). Para muchas aplicaciones en biotecnología, las bacterias suelen cultivarse en fermentadores que pueden contener varios cientos o miles de litros de medio de cultivo líquido (Figura 5.2b).

muchas células conectadas. Las bacterias varían en su tamaño y forma. Las formas más comunes incluyen células esféricas llamadas cocos.

También es relativamente fácil hacer cepas mutantes de bacterias que pueden usarse para estudios moleculares y genéticos.

(singular, coco), células en forma de bastón llamadas bacilos

Los mutantes se pueden crear exponiendo bacterias a rayos X, luz

(singular, bacillus), y en forma de sacacorchos o espiral

ultravioleta y una variedad de productos químicos que mutan el ADN

bacterias (Figura 5.1). A medida que estudie los microbios, aprenderá

(mutágenos), así como mediante la edición de genes usando CRISPR

que los nombres de las bacterias con frecuencia le dan una pista

(repeticiones palindrómicas agrupadas regularmente interespaciadas)–

sobre la forma de esas células. Por ejemplo, los estafilococos son

Cas. Hay miles de cepas mutantes disponibles. Por estas razones y

bacterias esféricas que viven en la superficie de nuestra piel. Estos

muchas más, las bacterias no solo son los organismos favoritos de

crecen en racimos como las uvas, lo que refleja su denominación de

muchos microbiólogos, sino también organismos modelo ideales

un término griego que se refiere a los racimos de uvas.

para estudios de biología molecular, genética, bioquímica y biotecnología.

El único cromosoma circular que constituye el genoma de la mayoría de las bacterias es relativamente pequeño. Los cromosomas bacterianos promedian un tamaño de 2 a 4 millones de pares de bases, en comparación con los 200 millones de pares de bases de

Las levaduras también son microbios importantes

un cromosoma humano típico. Como aprendiste en el Capítulo 3,

Aunque este capítulo se centra principalmente en las aplicaciones

algunas bacterias también contienen plásmidos además de su ADN cromosómico. plásmido

muchas funciones importantes en la biotecnología. Las levaduras son

(a)

de las bacterias en la biotecnología, las levaduras han desempeñado

(b)

3mm

(C)

2 milímetros

FIGURA 5.1 Formas de las bacterias Las formas más comunes de las bacterias son (a) esféricas, llamadas cocos; (b) en forma de varilla, llamados bacilos; y (c) con forma de sacacorchos, denominada helicoidal o espiral.

0,5mm

Machine Translated by Google 5.2 Microorganismos como herramientas

FIGURA 5.2 Bacterias en cultivo

(b)

(a)

153

(a) En medios sólidos, muchas bacterias crecen en grupos circulares llamados colonias, que típicamente comienzan con una sola célula que se divide rápidamente para producir una mancha visible a simple vista. Una sola colonia puede contener millones de células bacterianas individuales. (b) Las bacterias también se pueden cultivar en grandes cantidades. Los fermentadores que se muestran aquí contienen varios cientos de litros de bacterias que crecen en caldo de cultivo líquido. Estos fermentadores funcionan

colonias

como biorreactores que sirven para muchos propósitos, como el cultivo de bacterias para aislar proteínas recombinantes y el cultivo de levadura para producir vino.

microbios eucariotas unicelulares que pertenecen al Reino Fungi. Los

cromosomas que contienen más de 12 millones de pares de bases de

arqueólogos han descubierto recetas en antiguas tablillas babilónicas

ADN y menos de 6.300 genes. Los mecanismos de expresión génica en

del 4300 aC para elaborar cerveza con levadura, que es una de las

la levadura se asemejan a los de las células humanas.

aplicaciones biotecnológicas documentadas más antiguas. Mucho más

Los genes de enfermedades humanas también se han descubierto en la

recientemente, se han generado anticuerpos humanos recombinantes

levadura y, al estudiarlos, los científicos pueden aprender mucho sobre

productores de levadura.

cómo funcionan estos genes en los humanos y nuestra relación evolutiva con la levadura.

Hay más de 1,5 millones de especies de hongos, sin embargo,

Una cepa de levadura llamada Pichia pastoris ha demostrado ser

solo alrededor del 10 por ciento de estos han sido identificados y

un organismo particularmente útil. Pichia crece a una densidad más alta

clasificados, por lo que existe un potencial significativo para identificar

(biomasa) en cultivo líquido que la mayoría de las cepas de levadura de

productos más valiosos a partir de hongos.

laboratorio, tiene varios promotores potentes que se pueden usar para

Por ejemplo, los hongos son fuentes importantes de antibióticos y

una alta producción de proteínas y se puede usar en procesos por lotes

medicamentos que reducen el colesterol en la sangre. Además de tener

para producir un gran número de células.

muchas estructuras similares a las de otras células eucariotas, las levaduras contienen varios orgánulos encerrados en una membrana en

En la siguiente sección, consideramos cómo los científicos pueden

el citoplasma, un citoesqueleto y estructuras cromosómicas similares a

utilizar los microorganismos como herramientas valiosas para la

los cromosomas humanos. Las células de levadura también tienen

investigación biotecnológica.

genomas más grandes que la mayoría de las bacterias. Estas características hacen de las levaduras organismos modelo muy valiosos para estudiar la estructura cromosómica, la regulación génica, la división celular y el control del ciclo celular. Los diferentes tipos de levadura varían mucho en tamaño, pero la

5.2 Microorganismos como herramientas Los microorganismos, ya sea en su estado natural o en formas

mayoría son más grandes que las bacterias y tienen forma esférica,

genéticamente modificadas, han servido como herramientas útiles en

elíptica o cilíndrica. Muchos pueden crecer en presencia de oxígeno

una variedad de formas fascinantes.

(condiciones aeróbicas) o en ausencia de oxígeno (condiciones anaeróbicas) y bajo una variedad de condiciones nutricionales de crecimiento. También está disponible una gran cantidad de diferentes

Enzimas microbianas

tipos de mutantes de levadura. Saccharomyces cerevisiae, una cepa de

Las enzimas microbianas se han utilizado en aplicaciones que van desde

levadura comúnmente estudiada, fue el primer organismo eucariota en

la producción de alimentos hasta la investigación en biología molecular.

el que se secuenció su genoma completo. Tiene 16 lineales

Algunas de las primeras enzimas disponibles comercialmente aisladas para su uso en biología molecular fueron ADN

Machine Translated by Google 154

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

polimerasas y enzimas de restricción de bacterias.

paso esencial en el proceso de clonación de ADN recombinante

Inicialmente aisladas principalmente de Escherichia coli, las

(Capítulo 3). En la clonación de ADN, los plásmidos recombinantes

polimerasas de ADN estuvieron disponibles para una variedad de

se pueden introducir en células bacterianas a través de la

técnicas de ADN recombinante, como el etiquetado de secuencias

transformación para que las bacterias puedan replicar los plásmidos

de ADN para hacer sondas y la reacción en cadena de la polimerasa

recombinantes. La mayoría de las bacterias no captan ADN

(PCR) para amplificar el ADN.

fácilmente a menos que sean tratadas para hacerlas más receptivas,

Taq es una enzima termoestable esencial para la PCR que se aisló de las fuentes termales arcaicas Thermus aquat icus. En el

las llamadas células competentes. Una técnica para preparar células competentes consiste en tratar las células con una solución

Capítulo 3, se le presentó la ADN polimerasa Taq como una enzima

helada de cloruro de calcio. Los átomos cargados positivamente

termoestable. Debido a su capacidad para crecer y prosperar en condiciones de calor extremo, estos microbios se denominan

(cationes) en el cloruro de calcio rompen la pared y la membrana de la célula bacteriana para crear pequeños agujeros a través de

termófilos (de las palabras griegas que significan "amantes del calor"). Se han identificado muchas enzimas termoestables similares

congelar a temperaturas ultrabajas (–80 °C a ÿ60 °C) para mantener

en otros termófilos.

su estado competente y luego usarse en el laboratorio según sea necesario.

La ADN polimerasa Pfu , una popular enzima termoestable ampliamente utilizada para PCR, se deriva del termófilo Pyrococcus

los cuales puede entrar el ADN. Luego, estas células se pueden

Una vez que se preparan las células competentes, se pueden transformar con ADN con relativa facilidad, como se muestra en la

furiosus, una especie de Archaea presente originalmente en

Figura 5.3a. Normalmente, el ADN que se va a introducir en las

sedimentos marinos calentados geotérmicamente. Varias empresas

bacterias se inserta en un plásmido que contiene uno o más genes

tienen permiso del gobierno de EE. UU. para explorar géiseres en

de resistencia a los antibióticos. El vector de plásmido recombinante

el Parque Nacional de Yellowstone para identificar otros

se mezcla con células competentes y la mezcla se coloca en hielo

microorganismos potencialmente valiosos que podrían contener

durante unos minutos. El mecanismo exacto de transformación no

enzimas nuevas y valiosas. Estos proyectos de bioprospección

se entiende completamente, pero sabemos que las células deben

están ocurriendo en todo el mundo. Methanopyrus kandleri es una especie de Archaea aislada de

mantenerse frías, tiempo durante el cual el ADN se adhiere a la

respiraderos hidrotermales en el suelo del Océano Pacífico

de frío también sirvan para crear brechas en la estructura lipídica

nororiental. Se ha demostrado que esta especie sobrevive a 121°C,

de la membrana celular que permiten la entrada de ADN. Se cree

que puede ser el récord descubierto hasta ahora para el límite

que los cationes del cloruro de calcio desempeñan un papel

superior de temperatura en el que puede existir la vida. La enzima celulasa de E. coli degrada la celulosa, un polisacárido que forma la pared celular de las plantas.

superficie exterior de la bacteria. Es probable que las condiciones

importante en la neutralización de las cargas negativas de los fosfatos en la membrana celular y el ADN que, de lo contrario, harían que se repelieran entre sí. A continuación, las células se

La celulasa se usa ampliamente para hacer que los alimentos para

calientan brevemente, durante aproximadamente un minuto, a

animales sean más fáciles de digerir. ¿Alguna vez has tenido un

temperaturas entre 37°C y 42°C. Durante este breve “choque” de

par de jeans de mezclilla lavados a la piedra? Estos jeans suaves y

calor, el ADN ingresa a las células bacterianas.

desteñidos no son producidos por un lavado literal con piedras. En cambio, la mezclilla se trata con una mezcla de celulasas de hongos como Trichoderma reesei y Aspergillus niger.

Después de que se haya permitido que estas células crezcan en caldo de cultivo, se pueden sembrar en un medio de agar que

Estas celulasas digieren levemente las fibras de celulosa del algodón que se

contenga antibióticos. Solo aquellas células que fueron transformadas

usa para hacer los pantalones, lo que da como resultado una tela más suave.

con ADN plasmídico que contiene los genes resistentes a los

La proteasa subtilisina, derivada de Bacillus subtilis,

antibióticos apropiados crecerán para producir colonias. Esta

es un componente valioso de muchos detergentes para ropa, en

técnica se denomina selección de antibióticos (consulte el Capítulo

los que funciona para degradar y eliminar las manchas de proteína

3). Las bacterias transformadas replican (clonan) el ADN del

de la ropa. Varias enzimas bacterianas también se usan para

plásmido y los genes del plásmido se transcriben y traducen en

fabricar alimentos, como las enzimas digestivas de carbohidratos

proteínas.

llamadas amilasas que se usan para degradar los almidones para

Por lo tanto, las células bacterianas transformadas ahora expresan

hacer jarabe de maíz. Los ejemplos de enzimas que mencionamos

proteínas recombinantes.

aquí son todos ejemplos de biotecnología industrial, un campo de rápido crecimiento en el que los procesos sintéticos y de fabricación pueden incorporar biotecnología para mejorar el

Este proceso se denomina transformación porque se pueden “transformar” las propiedades de las células bacterianas mediante la introducción de genes extraños. Las células transformadas han

rendimiento, reducir costos y producir productos ambientalmente

sido modificadas genéticamente con nuevas propiedades codificadas

más limpios.

por el ADN, lo que les permite producir sustancias que normalmente no producirían. Por ejemplo, E. coli se puede transformar con un

Transformación Bacteriana

gen llamado proteína verde fluorescente (GFP), que proviene de

Recuerde que la transformación, la capacidad de las bacterias

útiles de GFP en el Capítulo 10). Como discutiremos en la Sección 5.3, las células bacterianas tienen

para tomar ADN del entorno que las rodea, es una

las medusas (Figura 5.3b; analizamos más de cerca las aplicaciones

Machine Translated by Google 5.2 Microorganismos como herramientas

155

(a) 1) Mezclar células bacterianas competentes y ADN en una solución que contiene cloruro de calcio.

plásmido recombinante

Enfríe la mezcla en hielo y el ADN se adherirá a la pared celular bacteriana.

gen que contiene ADN para la resistencia a los antibióticos

gen humano mezcla de transferencia

Bacteriano cromosoma

a la electroporación

Mezcla de Resistencia a la ampicilina gen (ampR)

taza decorativa

bacterias y ADN plásmido

2) Someter las células a un breve choque térmico (37°C–42°C). El ADN entra en las células a través de

Placa de metal

poros en la pared celular.

3) Las células bacterianas replican el ADN del plásmido, se transcribe en ARNm y se traduce en proteína. Las células transformadas expresan proteínas resistentes a los antibióticos y proteínas humanas clonadas. Clonado

Aplicar resumen

humano

choque eléctrico

proteína

ARN

+

polimerasa

Traducción Ribosoma

Replicación ARNm

(por ejemplo, electrodos

Transcripción

Resistencia antibiótica proteína

(b)

–

1200 V durante 3 ms)

Voltaje El ADN entra electroporador

células

Cultivar células en placa de antibiótico para seleccionar células transformadas que contengan ADN recombinante

Células transformadas expresar gen para Resistencia antibiótica

FIGURA 5.3 Transformación de células bacterianas mediante tratamiento con cloruro de calcio (a) En un entorno de laboratorio, se puede inducir a la mayoría de las células bacterianas para que absorban ADN extraño mediante tratamiento con cloruro de calcio. (b) E. coli transformada con un plásmido que contiene el gen de la medusa para la proteína fluorescente verde (GFP). Estas células bacterianas brillan de color verde brillante, un ejemplo dramático de transformación, lo que indica que han tomado plásmidos que contienen el gen Gfp y expresaron proteína y ARNm de Gfp.

transformado para expresar una amplia gama de genes valiosos, incluidos genes humanos, para diversas aplicaciones en biotecnología.

electroporación Otra técnica común para transformar células se llama electroporación (Figura 5.4). En este enfoque, un instrumento llamado electroporador produce un

FIGURA 5.4 La electroporación es una técnica rápida y eficaz para transformar bacterias En la electroporación, se coloca una mezcla de bacterias y ADN plasmídico en una cubeta. Tras la aplicación de una breve descarga eléctrica a la cubeta, el ADN entra rápidamente en las células. A continuación, las células que contienen ADN recombinante pueden seleccionarse mediante crecimiento en agar que contiene un antibiótico u otro componente de selección.

breve descarga eléctrica que introduce ADN en las células

bacterianas sin matar a la mayoría de ellas. La electroporación ofrece varias ventajas sobre el tratamiento con cloruro de calcio, aunque todavía se requieren celdas competentes para la electroporación. La electroporación es rápida, requiere menos células y también se puede utilizar para introducir ADN en muchos otros tipos de células, incluidas levaduras, hongos, células animales y vegetales. Ade

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Capítulo 5 Biotecnología microbiana

Creación de proteínas de fusión bacterianas para sintetizar y aislar proteínas recombinantes

la electroporación es un proceso mucho más eficiente que la transformación con cloruro de calcio. Una mayor mayoría de células recibirán ADN extraño mediante electroporación que mediante tratamiento con cloruro de calcio. Debido a esto, se puede usar mucho menos ADN para

Una técnica popular para utilizar bacterias para la síntesis y el aislamiento de proteínas recombinantes consiste en fabricar una proteína de fusión. Las técnicas de proteínas de fusión se utilizan para crear proteínas purificadas para estudiar la estructura y la función de las proteínas y para aislar proteínas recombinantes médicamente importantes (consulte la Figura 5.8 más adelante en este capítulo). Hay una variedad de formas de producir una proteína de fusión, pero el concepto básico es usar métodos de ADN recombinante para insertar el gen de una proteína de interés en un plásmido que contiene un gen para una proteína bien conocida o una secuencia de aminoácidos que sirve como una “etiqueta” (Figura 5.5). La etiqueta luego permite el aislamiento y la purificación de la proteína recombinante como una proteína de fusión. Los vectores de plásmidos para fabricar proteínas de fusión a menudo se denominan vectores de expresión porque permiten que las células bacterianas produzcan o expresen grandes cantidades de proteína. Las etiquetas de vectores de expresión comúnmen

transformar células (cantidades de picogramos de ADN son suficientes). Un inconveniente de esta técnica es que es más costosa que la transformación con cloruro de calcio debido al costo de un electroporador y celdas competentes que pueden tolerar descargas eléctricas. Independientemente de cómo se transformen las células bacterianas, una vez que el ADN de interés se introduce en las bacterias, se pueden llevar a cabo una variedad de técnicas útiles.

Técnicas de clonación y expresión Además de replicar el ADN recombinante, las bacterias transformadas son valiosas porque con frecuencia se pueden usar para producir proteínas en masa para una variedad de propósitos.

Paso 1 Gen de interés clonado

Paso 2

Paso 3

Transformar bacterias y expresar proteína de

Añadir lisado celular a perlas de

fusión. Lyse células para liberar la proteína

plástico de maltosa.

sobreexpresada. Una columna de la nidad

Proteína clonada de interés

unión a maltosa proteína

Maltosa Gen para la Vector de expresión

proteína "etiqueta"

de plásmido de proteína de fusión

unión a maltosa Promotor

El plastico

talón

proteína

Proteína de fusión se une a la maltosa

Paso 4

Paso 5

Escindir la proteína de fusión con

Analizar por SDS-PAGE para

proteasa específica del sitio

comprobar la pureza.

(por ejemplo, Trombina o Factor Xa). Tamaño de proteína

Fusión purificada

marcadores

proteína

Recoger eluido—contiene proteína clonada de interés sin proteínas marcadoras.

FIGURA 5.5 Proteínas de fusión Para producir una proteína de fusión, se liga un gen de interés en un vector de expresión. Las células bacterianas se transforman con ADN recombinante. Las células transformadas expresan la proteína de fusión, que se aísla uniéndola a una columna de afinidad.

Machine Translated by Google 5.2 Microorganismos como herramientas

157

proteína de unión a maltosa (que se muestra en la figura 5.5), como biosensores para detectar sustancias químicas glutatión S-transferasa, histidina, luciferasa, proteína cancerígenas, denominadas carcinógenos; contaminantes ambientales; y contaminantes químicos y bacterianos en los fluorescente verde y ÿ-galactosidasa. Los vectores de expresión incorporan secuencias de alimentos. Vibrio fischeri y otra cepa bioluminiscente marina promotores procarióticos de modo que, una vez que el vector de expresión recombinante que contiene el gen de interés se (a) introduce en bacterias por transformación, las bacterias sintetizan ARN mensajero (ARNm) y proteína a partir de este plásmido. Las hebras de ARNm transcritas son moléculas híbridas que contienen la secuencia que codifica el gen de interés y la proteína marcadora. Como resultado, se traduce una proteína de fusión a partir de este ARNm que consta de la proteína de interés unida (fusionada) a la proteína marcadora (Figura 5.5). Para aislar la proteína de fusión y separarla de otras proteínas que normalmente produce la bacteria, las células se rompen (lisan) y se homogeneizan para crear una especie de batido bacteriano conocido como extracto. Luego, el extracto se pasa a través de un tubo llamado columna. Un enfoque común es llenar una columna con perlas de plástico recubiertas con moléculas que se unirán a la porción de proteína marcadora de la proteína de fusión. Esta técnica se llama cromatografía de afinidad porque las perlas en la columna tienen una atracción o "afinidad" para unirse a la proteína marcadora. Por ejemplo, en la figura 5.5, se unen perlas de plástico a la maltosa de azúcar, que se unirá a la proteína de unión a maltosa. A continuación, un tratamiento enzimático que utiliza enzimas de corte de proteínas llamadas proteasas corta y libera la proteína de interés de la proteína etiqueta.

(b)

Algunas técnicas para fabricar proteínas de fusión incorporan etiquetas peptídicas cortas de unos pocos aminoácidos. Por ejemplo, las etiquetas poli-His son una cadena corta del aminoácido histidina. Un beneficio de este enfoque es que, a diferencia de las etiquetas de proteínas grandes, las etiquetas pequeñas generalmente no afectan la estructura y la función de la proteína a la que están fusionadas, por lo que generalmente no es necesario eliminarlas. E. coli y la bacteria (C) La reacción química liberadora de luz catalizada por luciferasa Gram-positiva en forma de bastón Bacil lus subtilis son microbios S Luciferina comúnmente utilizados para producir proteínas de fusión. En particular, B. subtilis es un microbio favorecido para muchas O S C A aplicaciones cuando se producen proteínas de fusión para Luz proteínas humanas porque las secretará en medios de cultivo OH donde se pueden recolectar y purificar fácilmente. Y a diferencia de algunas bacterias, B. subti lis a menudo procesa las proteínas de tal manera que mantiene su plegamiento y función tridimensionales. norte

norte

Luciferina 1 ATP 1 O2

Proteínas microbianas como informantes Según estimaciones recientes, cerca de las tres cuartas partes de todos los organismos marinos pueden liberar luz a través de la bioluminiscencia. Para los peces marinos, la bioluminiscencia en líneas de células a lo largo del costado de un pez y en sus aletas se puede usar para atraer parejas en ambientes oceánicos oscuros. La bioluminiscencia a menudo es creada por bacterias como Vibrio fischeri que utilizan el organismo marino como huésped (Figura 5.6). Se ha utilizado Vibrio

luciferasa

Oxiluciferina 1 AMP 1 CO2 1 PPi (fosfato inorgánico)

FIGURA 5.6 Bacterias marinas bioluminiscentes Las bacterias marinas bioluminiscentes , como Vibrio fischeri que se muestra (a) brillando en los órganos emisores de luz de un pez de aguas profundas y (b) creciendo en el laboratorio, generan luz. (c) Los genes Lux codifican la enzima luciferasa que utiliza oxígeno y energía almacenada (ATP) para convertir la luciferina en oxiluciferina. Esta reacción libera luz. Los genes Lux sirven como genes informadores, lo que permite a los biólogos estudiar la expresión génica. La expresión se indica mediante células brillantes.

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Capítulo 5 Biotecnología microbiana

llamado Vibrio harveyi crea luz a través de genes lux . Varios genes lux codifican subunidades de proteínas que forman una enzima llamada luciferasa (derivada del latín lux ferre, que significa “portador de luz”). La luciferasa es la misma enzima que permite que las luciérnagas produzcan luz. Los genes lux se han clonado y utilizado para estudiar la expresión génica de varias formas únicas. Por ejemplo, al clonar genes lux en un plásmido, el plásmido lux puede usarse para producir proteínas de fusión. Además, los genes lux pueden servir como valiosos genes informadores. Si se inserta en células animales o vegetales, la luciferasa codificada por el plásmido lux hace que estas células emitan fluorescencia (Figura 5.6). De esta manera, el lux el plásmido actúa como un "reportero" para proporcionar un indicador visual de la expresión génica. Los genes Lux se han utilizado para desarrollar un bioensayo fluorescente para detectar tuberculosis (TB). La TB es causada por la bacteria Mycobacterium tuberculosis, que crece lentamente y puede existir en un ser humano durante varios años antes de que se desarrolle la TB (la TB se analiza en la Sección 5.4). Para el bioensayo de TB, los científicos introdujeron genes lux en un virus que infecta a M. tuberculosis. La saliva de un paciente que puede estar infectado con M. tuberculosis se mezcla con el virus que contiene lux. Si M. tuberculosis está en la muestra de saliva, el virus infecta estas células bacterianas, que pueden detectarse por su brillo. De manera similar, se han utilizado cepas modificadas de E. coli para detectar la contaminación por arsénico en el agua. Los genes informadores tienen muchas funciones valiosas en la investigación, la biorremediación (Capítulo 9) y la medicina (Capítulo 11). En la siguiente sección exploramos una variedad de aplicaciones cotidianas que involucran microbios.

leche coagulada, y la coagulación de la leche es un paso importante durante la producción de queso. Para hacer queso, la leche de vaca, cabra u oveja se trata para ayudarla a coagular (cuajada). El líquido acuoso que queda después de que se forma la cuajada se llama suero. Una forma de hacer queso a partir de leche coagulada es tratar la leche con una solución ácida, pero los quesos con mejor sabor se elaboran normalmente con la enzima renina. En los inicios de la producción de queso, el renino se obtenía tradicionalmente extrayéndolo del estómago de terneros y otras especies productoras de leche como cabras, ovejas, caballos e incluso cebras y camellos. La renina coagula la leche para producir cuajada al digerir una familia de proteínas llamadas caseína, que es un componente principal de la leche. La caseína digerida forma una mezcla insoluble de proteínas que se agrupa (coagula) en un proceso similar al que ocurre cuando la leche se echa a perder. Cuando se comprime, se ajusta el contenido de humedad y se le da sabor, este coagulado forma queso. En la década de 1980, utilizando técnicas de ADN recombinante, los científicos clonaron renina y la expresaron en células bacterianas y hongos como Aspergillus niger. El renino recombinante, llamado quimosina, de los microbios es ampliamente utilizado por los queseros como un sustituto económico para extraer el renino de los terneros. En 1990, el renina fue el primer ingrediente alimentario de ADN recombinante aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA). Para algunos tipos de queso, ciertas cepas de bacterias llamadas bacterias del ácido láctico (Lactococcus lactis, Lactobacillus acidophilus) se utilizan para la coagulación. Estas bacterias degradan la caseína y usan una enzima llamada lactasa para descomponer los azúcares en la leche que eventualmente las bacterias usan para la fermentación.

Microbios en fermentación

5.3 Uso de microbios para una variedad de aplicaciones cotidianas Aprovechar el gran potencial de los microbios para fabricar alimentos y desarrollar y producir nuevos medicamentos se encuentran entre las aplicaciones cotidianas más comunes de la biotecnología microbiana.

Productos alimenticios

Los microbios se utilizan para fabricar muchos alimentos, incluidos panes, yogur, quesos y chucrut, así como bebidas como cerveza, vino, champán y licores. De niño probablemente aprendiste la clásica canción de cuna "Little Miss Muffet". La historia de la señorita Muffet, sentada en su tuffet, comiendo “cuajada y suero de leche” puede parecer una manera improbable de hablar de biotecnología, ¡pero la delicia en el plato de la señorita Muffet fue el resultado de la biotecnología! La cuajada y el suero se forman a partir de

La fermentación es un proceso microbiano importante que produce muchos productos alimenticios y bebidas, incluida una variedad de panes, cervezas, vinos, champañas, yogures y quesos. Una de las primeras aplicaciones de los microorganismos, la elaboración de cerveza y vino, implica la fermentación por levadura (Figura 5.7a). Para apreciar cómo la elaboración de cerveza, vino y pan requiere microbios, necesita saber más sobre el proceso de fermentación. Las células animales y vegetales y muchos microbios obtienen energía de los carbohidratos como la glucosa mediante el uso de electrones de estos azúcares para crear trifosfato de adenosina (ATP), una molécula que las células usan para obtener energía. La producción de ATP ocurre como una serie de reacciones. La primera reacción importante, la glucólisis, convierte la glucosa en dos moléculas de piruvato. Durante esta conversión, los electrones se transfieren de la glucosa a las moléculas transportadoras de electrones llamadas NAD+ (nicotinamida adenina dinucleotide), que capturan electrones para producir NADH (Figura 5.7b). NADH transporta electrones al

Machine Translated by Google 5.3 Uso de microbios para una variedad de aplicaciones cotidianas

159

piruvato; sin embargo, ni el NADH ni el piruvato tienen adónde ir. En

(a)

el metabolismo aeróbico, se requiere oxígeno para usar los electrones del NADH para producir ATP, pero en condiciones anaeróbicas hay poco o nada de oxígeno, por lo que el NADH no se puede usar para producir ATP. Todos los organismos deben reciclar NADH en NAD+. La fermentación permite que los anaerobios hagan esto en ausencia de oxígeno, y algunos anaerobios son capaces de fermentar o respirar aeróbicamente, dependiendo de la presencia o ausencia de oxígeno. En ausencia de oxígeno, los anaerobios han evolucionado para adquirir reacciones de (b) Fermentación del ácido láctico

NAD+ reciclado usado para hacer más ATP

fermentación como una forma de resolver el problema del reciclaje de NADH en NAD+. Los microbios en fermentación utilizan el piruvato como molécula aceptora de electrones para tomar electrones del

NAD+

NADH

CCCCCC

NAD+ NADH

2 CCC

Glucosa

piruvato

2 CCC

Dos de los tipos más comunes de fermentación son la fermentación

Ácido láctico

del ácido láctico y la fermentación del alcohol (etanol).

(Fermentación de lactato)

(Glucólisis)

2 ADP

NADH y así regenerar NAD+ (Figura 5.7b).

En la fermentación del ácido láctico, los electrones del NADH se

2 ATP

utilizan para convertir el piruvato en ácido láctico, también llamado lactato; durante la fermentación del alcohol, los electrones del NADH

Fermentación alcohólica NAD+ reciclado usado para hacer más ATP

convierten el piruvato en etanol. El NAD+ se regenera cuando los electrones se eliminan del NADH y se transfieren al piruvato para producir lactato o etanol en el paso final de la fermentación. Durante la

NAD+

NADH

fermentación del alcohol, también se produce dióxido de carbono

NAD+ NADH

gaseoso como producto de desecho. CCCCCC

2 CCC

Glucosa

piruvato

2 12 CCC Etanol

CO2

Hay muchas cepas de bacterias y levaduras fermentadoras. Otros tipos de fermentación crean chucrut a partir de col y producen

(Glucólisis)

2 ADP

(Fermentación alcohólica)

2 ATP

productos tan útiles como ácido acético en vinagre; ácido cítrico en jugos de frutas; y acetona y metanol, dos productos químicos que se utilizan a menudo en los laboratorios para limpiar cristalería. Además,

FIGURA 5.7 Fermentación Ciertas levaduras y bacterias son capaces estos productos microbianos tienen la ventaja de ser producidos de de producir energía a partir de azúcares (glucosa) a través de la manera más eficiente y económica que por otros medios. La fermentación. (a) La levadura como S. cerevisiae (izquierda), que se fermentación del ácido láctico también ocurre en las células musculares muestra aquí, hace que la masa de pan suba; otras cepas de Saccharomyces humanas durante el ejercicio extenuante. El ardor que sientes en las

crecen en las vides y son importantes para hacer vino (foto del centro). b) las bacterias anaerobias que se someten a la fermentación del ácido láctico producen ácido láctico (lactato) como producto de desecho; Las bacterias que fermentan el alcohol crean etanol y dióxido de carbono (CO2) como productos de desecho.

fermentación en las células musculares, creando ácido láctico.

reacciones subsiguientes de la respiración celular, lo que resulta en

hacer alimentos y bebidas? Para hacer cerveza y vino, muchos

la producción de grandes cantidades de ATP en presencia de oxígeno.

procesos se basan en cepas silvestres de levadura que viven en las

Los microbios que utilizan oxígeno para la producción de ATP se

vides y en cepas de levadura domésticas como Saccharomyces

piernas cuando corres porque llegas tarde a clase es creado por la

Entonces, ¿cómo se utilizan los microbios fermentadores para

denominan aerobios porque se someten a una respiración celular

cerevisiae, que son muy buenas para la fermentación alcohólica.

dependiente del oxígeno (aeróbica).

Grandes barriles, o fermentadores, que contienen uvas trituradas y

Muchos microbios viven en áreas donde el oxígeno es escaso o

levadura, se mezclan bajo condiciones cuidadosamente controladas.

está ausente, como los intestinos de los animales, las aguas profundas

La levadura de fermentación convierte los azúcares de las uvas en

o el suelo. Debido a que estos organismos deben sobrevivir sin

alcohol. Las tasas de fermentación se monitorean y controlan

oxígeno, han desarrollado la capacidad de obtener energía de los

cuidadosamente cambiando tanto la cantidad de oxígeno en el

azúcares en ausencia de oxígeno (condiciones anaeróbicas). Esto es

fermentador como la temperatura.

fermentación, y los microbios que utilizan la fermentación se denominan anaerobios. La fermentación utiliza la glucólisis en la que NAD+ se utiliza para capturar electrones para producir NADH y

Mediante la manipulación de las tasas de fermentación, los productores de vino pueden controlar el contenido de alcohol del vino elaborado hasta que se alcance el contenido de alcohol y el sabor deseados.

Machine Translated by Google 160

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

logrado. Las botellas de champán y otros vinos espumosos se tapan

papel en el metabolismo de los carbohidratos. Una de sus funciones

mientras la levadura todavía está en el líquido y fermentando

principales es estimular la absorción de glucosa en las células del

activamente, atrapando así el gas de dióxido de carbono en la botella

cuerpo, como las células musculares, donde la glucosa se puede

y liberándolo cuando se abre la botella, produciendo el característico

descomponer para producir ATP como fuente de energía. La diabetes

"pop" de la botella de champán. La producción de algunos vinos

mellitus tipo 1, o insulinodependiente, ocurre cuando las células

también depende de las bacterias del ácido láctico, como Oenococcus oeni, que convertirán el ácido málico de sabor amargo que se forma

beta no producen insulina. La falta de insulina da como resultado una concentración elevada de glucosa en la sangre, lo que puede causar

durante la fermentación en ácido láctico de sabor más suave y, por

una serie de problemas de salud, como presión arterial alta, mala

lo tanto, le dará al vino un sabor y un aroma más suaves.

circulación, cataratas y daño a los nervios.

Las bacterias fermentadoras del ácido láctico se utilizan para producir quesos, crema agria y yogures; los sabores fuertes o ácidos de estos productos se deben principalmente al ácido láctico.

Las personas con diabetes tipo 1 requieren inyecciones regulares de insulina para controlar sus niveles de azúcar en la sangre. Antes de la tecnología del ADN recombinante, la insulina

El yogur se creó por primera vez en Bulgaria y existe desde hace

utilizada para tratar la diabetes se purificaba a partir del páncreas de

siglos. La producción de yogur generalmente implica una mezcla de bacterias que a menudo incluye cepas de microbios anaeróbicos que

El proceso de purificación era engorroso y costoso, y con frecuencia

cerdos y vacas antes de inyectarla en personas diabéticas.

fermentan el ácido láctico, como Strep tococcus thermophilus, una

producía lotes impuros de insulina. Además, la insulina purificada fue

cepa llamada Lactobacillus (Lactoba cillus delbrueckii y Lactobacillus

ineficaz en algunas personas y muchas otras desarrollaron alergias

bulgaricus) y otra cepa llamada Lactococcus (Lactococcus lactis).

a la insulina de las vacas. En 1978, los científicos de Genentech, una

Los cultivos activos de estos microbios que fermentan el ácido láctico

empresa de biotecnología cerca de San Francisco, California,

se agregan a las mezclas de leche y azúcar en un fermentador, que

clonaron la insulina en un plásmido, la expresaron en células

se mantiene a temperaturas cuidadosamente controladas.

bacterianas y la aislaron. En 1982, esta insulina humana recombinante, llamada Humu lin, fue

Los microbios en la mezcla usan azúcares para producir ácido láctico.

el primer producto biotecnológico aprobado para aplicaciones

Luego se pueden agregar frutas y otros saborizantes al yogur antes

humanas por la FDA.

de que se enfríe a la temperatura de refrigeración (48°C a 58°C) para

Las bacterias normalmente no producen insulina, y la

evitar cambios en su composición.

producción de insulina humana en bacterias recombinantes fue un

Cuando disfruta de una cucharada de yogur, también está comiendo

avance significativo en biotecnología. Sigue siendo un ejemplo

una gran cantidad de microbios en fermentación que todavía están

sobresaliente de biotecnología microbiana en acción.

en el yogur. El ácido láctico y otros productos de la fermentación

La insulina humana consta de dos polipéptidos llamados cadenas o

contribuyen al sabor agridulce del yogur y ayudan en la coagulación

subunidades A (21 aminoácidos) y B (30 aminoácidos); se unen entre

del yogur. Otra bacteria del ácido láctico, Lactobacillus sakei, se encuentra

sí mediante enlaces disulfuro para crear la hormona activa (Figura

de forma natural en la carne y el pescado frescos. L. sakei sirve como

insulina como un polipéptido que se secreta y luego se corta (escinde)

bioconservante natural en productos cárnicos como salchichas,

enzimáticamente y se pliega para unir las dos subunidades. Cuando

5.8). En el páncreas, las células beta sintetizan ambas cadenas de

donde evita el crecimiento de otros microbios indeseables que

los genes humanos para la insulina se clonaron y expresaron en

estropearán los alimentos o causarán enfermedades.

bacterias, los genes para cada una de las subunidades se clonaron

Además del ácido láctico, este microbio produce moléculas llamadas

en plásmidos de vectores de expresión separados que contenían el

bacteriocinas, que actúan como agentes antimicrobianos anulares

gen lacZ que codifica la enzima ÿ-galactosidasa (ÿ-gal) y luego se

naturales para matar a otros microbios.

usaron para transformar bacterias (Figura 5.8). ).

Proteínas Terapéuticas

Debido a que los genes de insulina están conectados al gen lacZ , cuando las bacterias sintetizan proteínas a partir de estos

El desarrollo de la tecnología del ADN recombinante condujo

plásmidos, producen una proteína que contiene ÿ-gal unida a la

rápidamente al uso de bacterias para producir productos médicos tan

proteína de insulina humana para crear una proteína de fusión ÿ-gal-

importantes como las proteínas terapéuticas. La insulina fue la

insulina. Como vimos en la Sección 5.2, hacer una proteína de fusión

primera molécula recombinante expresada en bacterias para su uso

permite a los científicos aislar y purificar una proteína de interés como

en humanos. Aquí usamos la producción de insulina como un ejemplo

la insulina. Los extractos bacterianos se pasan por una columna de

de cómo se pueden usar los microbios para producir proteínas

afinidad para aislar las proteínas de fusión ÿ-gal-insulina (Figura 5.8).

terapéuticas.

La proteína de fusión se trata químicamente para separar el ÿ-gal, liberando la proteína insulina; luego, las cadenas A y B purificadas

Producción de insulina recombinante en bacterias.

de insulina se mezclan en condiciones que permiten que las dos

La insulina es una hormona producida por las células del páncreas, llamadas células beta. Cuando el páncreas secreta insulina en el

subunidades se unan y formen la hormona activa. Después de una mayor purificación para conformar

torrente sanguíneo, juega un papel esencial

Machine Translated by Google 161

5.3 Uso de microbios para una variedad de aplicaciones cotidianas

Bacteriano

b-gal

b-gal

promotor Una cadena

b-gal

purificar un cadenas

Insulina ampR

una proteina cadena

2) Células cultivadas 1) Transformar en E. coli

Replegar y

una proteina cadena

oxidar las cisteínas

3) Una columna de nidad con

producir b-gal fusión de insulina

anticuerpos contra b-gal

proteinas

fusión b-gal-insulina

usado para purificar

proteína

4) Tratar con CNBr para cortar

insulina activa Una cadena de proteínas

COOH NH2 Promotor

cadenas de proteínas

b-gal

b-gal

de b-gal

bacteriano

COOH NH2 cadena de proteína B

Enlace disulfuro b-gal

Insulina ampR

proteína B cadena

cadena B

proteína B cadena

Purificar cadenas B

5) Purificar para inyección en humanos

FIGURA 5.8 Uso de bacterias para la producción de insulina humana La insulina fue la primera proteína expresada en bacterias recombinantes aprobada para su uso en humanos. La insulina consta de dos cadenas de proteínas (A y B) producidas a partir de genes separados. Para producir insulina recombinante, los científicos clonaron los genes de insulina en plásmidos que contenían el gen lacZ, que codifica la enzima ÿ-galactosidasa. Se utilizaron plásmidos recombinantes para transformar bacterias, lo que les permitió producir proteínas de fusión ÿ-gal-insulina. Se usó cromatografía de afinidad para aislar proteínas de fusión, que luego se trataron químicamente para separar la insulina clonada de las proteínas ÿ-gal. Las formas purificadas de las cadenas de proteína A y B de la insulina podrían luego combinarse para formar insulina activa, que se administra a las personas con diabetes para controlar los niveles de azúcar en la sangre.

Según las directrices de la FDA, la hormona recombinante está lista

primer antibiótico que se usó ampliamente en humanos, y su

para su uso en pacientes como fármaco inyectable.

descubrimiento es un excelente ejemplo de cómo algunos microbios

Poco después de que la insulina estuvo disponible, la hormona del crecimiento, utilizada para tratar a los niños que padecen una

se protegen de otros al producir sustancias antimicrobianas. Alexander Fleming fue el microbiólogo que, en 1928, descubrió que las colonias

forma de enanismo, se clonó en bacterias y estuvo disponible para

del moho Penicillium notatum inhibían el crecimiento de la bacteria

uso humano. Poco tiempo después, una amplia variedad de otras

Staphylococcus aureus. Cuando se cultivan juntos en una placa de

proteínas médicamente importantes que alguna vez fueron difíciles

Petri, S. aureus no crece en una pequeña zona de agar que rodea

de obtener estuvieron fácilmente disponibles como resultado de la

las colonias de moho. Una docena de años más tarde, los científicos

tecnología de ADN recombinante y la expresión de proteínas en

usaron P. notatum para aislar la droga que llamaron penicilina, que

bacterias. Como se muestra en la Tabla 5.1, muchas otras proteínas

posteriormente se produjo en masa y se usó para tratar infecciones

terapéuticas con valiosas aplicaciones para tratar enfermedades

bacterianas en humanos.

médicas en humanos se han expresado y aislado de bacterias. Una categoría importante de productos médicos de bacterias recombinantes son las vacunas. Cubrimos las vacunas en la Sección 5.4.

La mayoría de los antibióticos se aíslan de bacterias y la mayoría de estas sustancias inhiben el crecimiento de otras bacterias. Desde que se descubrió la penicilina, se han descubierto miles de

Uso de microbios contra otros microbios

otros microbios productores de antibióticos y se han aislado cientos de antibióticos diferentes. La tabla 5.2 muestra ejemplos de antibióticos comunes y sus microbios de origen.

Los antibióticos son sustancias producidas por microbios que inhiben el crecimiento de otros microbios. Los antibióticos son un tipo de fármaco antimicrobiano, una categoría general definida como

¿Cómo afectan los antibióticos y otros fármacos antimicrobianos a las células bacterianas? La mayoría de estas sustancias actúan de

cualquier fármaco (ya sea producido por microbios o no) que inhibe

unas pocas formas clave (llamadas mecanismos de acción). Por lo

los microorganismos. La penicilina fue la

general, evitan que las bacterias se reproduzcan o matan

Machine Translated by Google 162

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

TABLA 5.1

Ejemplos de proteínas terapéuticas de bacterias recombinantes

Proteína

Función

Aplicaciones médicas)

ADNasa

Enzima digestiva de ADN

Tratamiento de pacientes con fibrosis quística.

eritropoyetina

Estimula la producción de glóbulos rojos

Se utiliza para tratar pacientes con anemia (bajo número de glóbulos rojos).

Factor VIII

factor de coagulación de la sangre

Se utiliza para tratar ciertos tipos de hemofilia (enfermedades hemorrágicas debidas a deficiencias en los factores de coagulación de la sangre).

Factor estimulante de

Estimula el crecimiento de glóbulos blancos

Se utiliza para aumentar la producción de ciertos tipos de glóbulos blancos; estimular la producción de células

colonias de granulocitos

sanguíneas después de trasplantes de médula ósea. Hormona de crecimiento (humana,

La hormona estimula los huesos y

En humanos, se utiliza para tratar personas con

bovina, porcina)

crecimiento del tejido muscular

enanismo. Mejora la ganancia de peso en cerdos y vacas; Estimula la producción de leche en las vacas.

Insulina

glucosa por las células del cuerpo

Se utiliza para controlar los niveles de azúcar en la sangre en pacientes con diabetes.

Hormona requerida para la captación de

Interferones e

Factores de crecimiento que estimulan el crecimiento

Se usa para tratar cánceres de células sanguíneas como la

interleucinas

y la producción de células sanguíneas

leucemia; mejorar los recuentos de plaquetas; algunos utilizados para tratar diferentes tipos de cáncer.

Superóxido dismutasa

Un antioxidante que se une y destruye

Minimiza el daño tisular durante y después de un ataque al corazón.

los radicales libres dañinos. Disuelve los coágulos de sangre

Activador tisular del plasminógeno (tPA)

Se utiliza para tratar pacientes después de un ataque al corazón y un derrame cerebral.

Vacunas (p. ej., vacuna contra la

Estimular el sistema inmunológico para

Se utiliza para inmunizar a humanos y animales.

hepatitis B)

prevenir infecciones bacterianas y virales.

contra una variedad de patógenos; también se usa en algunos tratamientos de tumores cancerosos.

TABLA 5.2 Antibióticos comunes Antibiótico

Microbio fuente

Usos comunes de antibióticos

Bacitracina

Bacillus subtilis (bacteria)

Ungüentos de primeros auxilios y cremas para la piel.

Eritromicina

Streptomyces erythraeus (bacteria)

Amplios usos para tratar infecciones bacterianas, especialmente en niños

Neomicina

Streptomyces fradiae (bacteria)

Ungüentos para la piel y otras cremas tópicas

Penicilina

Penicillium (hongo)

Antibiótico inyectable u oral utilizado en humanos y animales de granja (bovinos y aves de corral) Antibiótico oral utilizado para tratar muchas infecciones bacterianas en niños

Estreptomicina

Streptomyces griseus (bacteria)

tetraciclina

Streptomyces aureofaciens (bacteria) Se utiliza para tratar infecciones del tracto urinario en humanos; comúnmente utilizado en la alimentación animal para reducir las infecciones y estimular el aumento de peso

vancomicina

Amycolatopsis orientalis

En uso durante 7 a 50 años contra una amplia variedad de

(bacteria del suelo)

bacterias; importante para el tratamiento de Staphyloccoccus aureus resistente a la meticilina (MRSA), una de las principales causas de infecciones adquiridas en los hospitales

Machine Translated by Google 5.3 Uso de microbios para una variedad de aplicaciones cotidianas

resistente a varias categorías importantes de antibióticos, incluida la

Inhibición de la síntesis de la pared celular DETÉNGASE

163

Inhibición de la síntesis de proteínas

meticilina, el antibiótico más utilizado para combatir S. aureus. Nuevas categorías de antibióticos llamados antibióticos retinoides sintéticos se muestran prometedores contra el MRSA en ratones, pero se necesita más investigación para determinar si estos medicamentos serán seguros

DETÉNGASE

Transcripción

ADN

Traducción DETÉNGASE

Proteína DETÉNGASE

ARNm

Replicación

Inhibición de DETÉNGASE

Inhibición de ácido nucleico replicación y transcripción

enzimático actividad requerida para celular

metabolismo

y efectivos en humanos. Debido a que la mayoría de los antibióticos atacan las células bacterianas en un número limitado de formas (Figura 5.9), la resistencia a un antibiótico a menudo conduce a la resistencia a otros, lo que se conoce como resistencia a múltiples fármacos. Por lo tanto, la propagación de patógenos resistentes a los antibióticos es un problema importante. ¡En los últimos 50 años, solo se ha descubierto y puesto en uso un antibiótico con un nuevo mecanismo de acción! En consecuencia,

Plasma de daño membrana

FIGURA 5.9 Los antibióticos y otros fármacos antimicrobianos actúan contra los microbios de diversas formas

existe una necesidad urgente de descubrir y desarrollar nuevos fármacos antimicrobianos con diferentes mecanismos de acción para su uso en humanos, así como para el tratamiento de mascotas y animales de granja como vacas, cerdos y pollos. Cambiar las propiedades químicas de los antibióticos existentes para crear nuevos mecanismos de acción es un enfoque que utilizan los investigadores. Pero es evidente que es

microbios directamente, lo que por supuesto también evita que las células afectadas se repliquen. Los antibióticos pueden dañar la pared celular o impedir su síntesis (que es como actúa la penicilina), bloquear la síntesis de proteínas, inhibir la replicación del ADN o inhibir la síntesis o la actividad de una enzima importante necesaria para el metabolismo de las células bacterianas (Figura 5.9). Estornuda, le duele el cuerpo, le gotea la nariz, le duele la garganta

necesario desarrollar nuevos antibióticos. Desde las copas de los árboles hasta los casquetes polares, desiertos y muestras de suelo de muchos ambientes diferentes y las profundidades del océano, los científicos están bioprospeccionando muchos microorganismos como fuentes potenciales de nuevas sustancias antimicrobianas. Otra forma de crear nuevos medicamentos antimicrobianos es estudiar patógenos bacterianos e identificar toxinas y propiedades que

y no puede dormir, pero todavía tiene un examen para mañana por la tarde. ¿Como lo haras? ¡Acudiendo a su médico y pidiéndole antibióticos,

causan enfermedades. Al comprender estos factores, los científicos

por supuesto! Pero, ¿son los antibióticos lo que realmente necesita?

Los investigadores están trabajando en antibióticos que interfieren con

Debido a que los antibióticos solo son efectivos contra bacterias, no

las señales químicas que los microbios usan para comunicarse en las

funcionan contra virus como los que causan la gripe. Además, la

poblaciones de manera sincronizada (lo que los científicos llaman

resistencia bacteriana a los antibióticos se ha convertido en un problema importante. El uso inadecuado y excesivo de antibióticos en humanos y animales de granja ha llevado a aumentos dramáticos en las bacterias resistentes a los antibióticos, incluidas algunas cepas que no responden

pueden desarrollar nuevas estrategias para matar o inhibir las bacterias.

detección de quórum) que pueden conducir a la formación de biopelículas bacterianas: capas de microbios que pueden acumularse y cubrir superficies, incluidos los dispositivos médicos. y tus dientes Por ejemplo, las biopelículas de P. aeruginosa, el principal patógeno en las

a muchos antibióticos que fueron efectivos en el pasado. En 2006, la

infecciones de fibrosis quística, en los pulmones son muy difíciles de

Unión Europea prohibió administrar antibióticos a los animales de granja

tratar. Discutimos las biopelículas con más detalle en el Capítulo 10.

únicamente para mejorar su crecimiento y minimizar la propagación de microbios resistentes a los antibióticos. El uso rutinario de antibióticos en la agricultura también estará prohibido a partir de 2022.

En la Sección 5.5 discutiremos el Proyecto Microbioma Humano y cómo los microbios “buenos” en nuestro cuerpo producen moléculas que nos protegen de los patógenos. El estudio de los genes de estos microbios también está en marcha para

Las cepas resistentes a los antibióticos de S. aureus, Pseudomonas

identificar nuevas categorías de moléculas pequeñas que podrían

aeruginosa, Streptococcus pneumoniae, M. tuberculosis y muchas otras

convertirse en fármacos antimicrobianos.

cepas mortales de patógenos humanos (microorganismos que causan enfermedades) son problemas importantes para hospitales y granjas.

Una empresa llamada Oragenics en Florida, Estados Unidos, participa en ensayos clínicos con una forma recombinante de

Estas y otras cepas emergentes de microbios resistentes a los

Streptococcus mutans para evaluar su seguridad y eficacia para reducir

medicamentos a menudo se denominan "superbacterias" y, en los

la caries dental. A diferencia de las cepas naturales de S. mutans que

últimos años, son responsables de la muerte de unas 33 000 personas

se encuentran en la cavidad oral, la cepa recombinante no puede

solo en Europa y de 700 000 personas al año en todo el mundo. Es

metabolizar los azúcares para producir ácido láctico. Debido a que el

posible que haya oído hablar de "MRSA" ( Staphy lococcus aureus

ácido láctico disuelve el esmalte y la dentina de los dientes, provoca

resistente a la meticilina), un microbio que puede causar infecciones

caries y caries.

mortales en la piel, los pulmones y la sangre. MRSA es un problema

Los científicos están intentando utilizar S. mutans recombinante

importante en los hospitales porque esta superbacteria se ha vuelto

para colonizar la cavidad oral y reemplazar las cepas naturales de S. mutans y luego determinar si se reduce la caries dental.

Machine Translated by Google 164

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

En otro enfoque creativo, los científicos de la Universidad de California-

había varios ensayos clínicos en curso para afecciones como

Los Ángeles (UCLA) crearon una piruleta sin azúcar que contiene un

infecciones pulmonares por P. aeruginosa en fibrosis quística,

ingrediente en el regaliz que mata a S. mutans, y estas paletas que

infecciones por S. aureus y E. coli y P. aeruginosa

matan bacterias ahora están disponibles para su compra.

quemaduras e infecciones de la piel. La mayoría de los enfoques implican el uso de fagos que se encontraron originalmente en el medio

Finalmente, la ingeniería de microbios para atacar y destruir otros

ambiente y luego se modificaron genéticamente para que tuvieran

microbios es otra oportunidad potencial. Un ejemplo reciente involucró

características particulares. Esto también puede incluir el uso de

el recubrimiento de E. coli no patógena

enfoques de biología sintética para modificar el fago.

con nanopartículas de níquel y estaño recubiertas de oro. Cuando

Hay ventajas potenciales de la terapia con fagos para combatir

estas bacterias se adhieren al tejido enfermo o al E. coli patógeno, las

los microbios resistentes a los antibióticos. Por ejemplo, los fagos

perlas se pueden calentar con luz infrarroja para destruir las células

funcionan a través de mecanismos de acción completamente diferentes

circundantes. En otra investigación, los científicos están explorando

a los de los antibióticos, por lo que pueden ser efectivos contra las

activamente el uso de bacterias para transportar nanopartículas como

bacterias resistentes a múltiples fármacos, incluidas, potencialmente,

“robots” microbianos para administrar medicamentos a las células

las “superbacterias”. Además, los fagos son específicos de la especie,

enfermas.

por lo que, en teoría, pueden diseñarse para atacar patógenos

Aplicaciones de terapia de fagos y CRISPR-Cas El problema de la resistencia a los antibióticos también ha dado lugar a un interés renovado en las aplicaciones de la terapia con fagos: el

específicos para que también eviten destruir las bacterias naturales de las que dependemos para una salud adecuada. CRISPR-Cas está siendo explorado para apuntar a los genes de resistencia a los antibióticos en cepas de bacterias patógenas, pero no

uso de bacteriófagos para tratar infecciones. Recuerde del Capítulo 3

nativas (Figura 5.10). Esta es un área de investigación muy interesante.

que los fagos son virus que infectan y se replican en bacterias, y

Un grupo del MIT ha desarrollado un enfoque en el que un fago inyecta

algunos pueden matar bacterias. La terapia con fagos se ha utilizado

bacterias con un ARN guía que se dirige a los genes de resistencia a

en países como Rusia y Polonia, pero no ha sido ampliamente aceptada

los antibióticos y Cas9 corta esta secuencia, matando a las bacterias.

en Occidente.

Los primeros ensayos demostraron que estos fagos podían matar a

Pero a principios de 2017, la terapia con fagos ocupó los titulares

más del 99 por ciento de las bacterias resistentes a los antibióticos,

cuando un paciente en San Diego, California, con una infección

pero no interferir con las células no resistentes. Esta "prueba de

bacteriana grave y generalizada resistente a los antibióticos, fue tratado

concepto" inicial es prometedora y se están realizando pruebas para

por vía intravenosa con una mezcla de fagos como último recurso. A

tratar la resistencia a los antibióticos en ratones, que, si tiene éxito,

los pocos días de tratamiento, el paciente se despertó de un coma

puede conducir a ensayos en humanos. También se han utilizado

inducido por una infección aparentemente sin efectos nocivos de la

enfoques para administrar CRISPR-Cas para proteger a las bacterias

terapia con fagos. La mayor parte de la terapia con fagos en los Estados

de la infección por fagos. El ARN guía puede orientarse para reconocer

Unidos, así como en algunos países de la Unión Europea, incluidos

el ADN del fago y cuando el fago intenta infectar las células, CRISPR-

Francia, Bélgica y Suiza, aún se encuentra en etapas preclínicas; a

Cas desactiva el ADN del fago.

partir de 2017

1) Phage ofrece CRISPR guía RNA y Cas 3) Células editadas con CRISPR sin

2) Objetivos CRISPR y elimina antibiótico fago

los genes de resistencia son sensibles al antibiótico y morir

gen de resistencia resistente a los antibióticos

R

patógeno

Gen de resistencia a los antibióticos

integrado en el cromosoma no patogénico bacterias

FIGURA 5.10 Terapia con fagos que incorpora CRISPR-Cas

ARN CRISPR

Machine Translated by Google 5.4 Vacunas

TÚ DECIDES

165

Microbios sueltos

Una de las muchas controversias en torno a

cepas naturales de P. syringae para acelerar la formación de cristales y

la biotecnología microbiana

crear nieve.

es la posibilidad de que los microbios recombinantes puedan entrar en el medio ambiente, a través de la introducción accidental o liberación intencional. Si los microbios recombinantes están sueltos en

Debido a que la transferencia de genes entre bacterias es un proceso natural que ocurre en la naturaleza, los científicos están preocupados por la transferencia horizontal de genes, la propagación

el medio ambiente, ¿cómo podemos saber qué sucederá finalmente con

de genes a microbios relacionados. Como resultado de la recombinación

estos organismos? La primera aplicación de campo de bacterias

genética, se pueden producir cepas de microbios con diferentes

genéticamente modificadas (GM) fue desarrollada en la Universidad de

características según los genes que heredan.

California por el patólogo de plantas Steven Lindow y sus colegas. Identificaron una cepa común de la bacteria Pseudomonas syringae, que

Con respecto al asunto de los "microbios sueltos", surgen ciertas preguntas y consideraciones, como las siguientes:

produce proteínas que estimulan la formación de cristales de hielo. El grupo de Lindow creó bacterias sin hielo eliminando los genes productores de proteína de hielo de P. syringae. Ellos propusieron que la liberación

ÿÿ ¿Qué sucedería si los microbios GM transfirieran genes

de bacterias menos hielo en las plantas haría que las bacterias menos

alterados genéticamente a otros microorganismos para los

hielo desplazaran a P. syringae normal, que forma hielo, y proporcionaría a las plantas de cultivo sensibles a las heladas protección contra el frío,

que no estaban destinados originalmente (por ejemplo, cepas naturales de P. syringae?

extendiendo así la temporada de crecimiento y aumentar los rendimientos de los cultivos.

ÿÿ Por ejemplo, ¿qué pasaría si los genes bacterianos sin hielo se transfirieran a cepas de bacterias que están acostumbradas

Rodeado de una gran controversia, Lindow recibió la

a vivir en condiciones frías?

aprobación en 1987 para probar P. syringae en un cultivo de papas. Casi al mismo tiempo, otros científicos recibieron permiso para probar bacterias sin hielo en fresas en un pequeño pueblo de California. Esta fue la primera vez que los microbios GM fueron liberados intencionalmente en el medio ambiente en los Estados Unidos. En ambos experimentos, la mayoría de las plantas fueron dañadas por activistas preocupados por la liberación de microbios transgénicos. La P. syringae sin hielo ha

ÿÿ Una vez que los microbios recombinantes escapan o son liberados en el medio ambiente, no podemos simplemente llamarlos de vuelta al laboratorio si no nos gusta lo que están haciendo en el campo. ÿÿ ¿Podemos prevenir el escape de microbios GM en

demostrado ser prometedora para la protección contra las heladas, pero

experimentos de campo? Es una tarea difícil, si no imposible,

no ha sido tan eficaz para impedir el crecimiento de la P. syringae normal

cuando el viento, la lluvia y otras condiciones meteorológicas

que forma hielo como Lindow y otros esperaban. Por cierto, en los

intervienen elementos.

últimos años, muchos operadores de estaciones de esquí utilizan máquinas comerciales de nieve que contienen

¿Deberían liberarse los microbios GM incluso en experimentos “controlados” que podrían resultar en aplicaciones beneficiosas de la biotecnología? Tú decides.

5.4 Vacunas

La primera vacuna se desarrolló en 1796, cuando Edward Jenner demostró que un virus vivo de la viruela bovina podía usarse para vacunar a los humanos contra la viruela.

Los antibióticos y las vacunas han demostrado ser muy efectivos

La viruela y la viruela bovina son virus estrechamente relacionados.

para tratar enfermedades infecciosas inducidas por patógenos en

Las epidemias de viruela asolaron áreas de Europa, y se estima

humanos y animales. Sin embargo, han surgido patógenos con

que el 80 por ciento o más de los nativos americanos en la costa

resistencia a los antibióticos y vacunas de uso generalizado que

este de los Estados Unidos murieron a causa de las infecciones de

desafían su eficacia. Las enfermedades infecciosas afectan a todos y, en todo el mundo,

viruela transmitidas por los colonos europeos. La viruela vacuna produce ampollas y lesiones en las ubres de las vacas y úlceras

más del 60 % de las muertes de niños menores de 4 años se deben

cutáneas similares en los seres humanos. Basado en la afirmación

a enfermedades infecciosas. Sin duda, nuestra capacidad para

de una lechera de que las infecciones de viruela vacuna la protegían

prevenir y tratar enfermedades infecciosas es un aspecto importante

de la viruela, Jenner preparó su vacuna. Extrajo líquido de las

de la biotecnología microbiana, y las vacunas juegan un papel clave

ampollas de viruela vacuna de la lechera y usó agujas que contenían

en este proceso.

este líquido para rascar la piel de voluntarios sanos. Su primer "paciente" fue un

Machine Translated by Google 166

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

Niño de 8 años. La mayoría de los voluntarios de Jenner no

hongos y virus o moléculas individuales como proteínas o lípidos

desarrollaron viruela bovina ni viruela, incluso cuando se expusieron

que se encuentran en el polen. Por ejemplo, las personas con

posteriormente a personas infectadas con viruela. La exposición al

alergias alimentarias tienen respuestas inmunitarias a las proteínas,

fluido de la viruela vacuna había estimulado el sistema inmunológico

los carbohidratos y los lípidos de ciertos alimentos.

de los voluntarios de Jenner para desarrollar protección contra la viruela.

El sistema inmunitario responde a los antígenos en parte

Estos experimentos demostraron el potencial de la vacunación

mediante la producción de anticuerpos. Esta respuesta se denomina

(llamada así por la palabra latina vacca, que significa “vaca”),

inmunidad mediada por anticuerpos (Figura 5.11). Cuando se

utilizando agentes infecciosos para brindar protección inmunológica

exponen a antígenos, los linfocitos B (simplemente llamados

contra enfermedades. Aunque Estados Unidos detuvo las vacunas

células B), que son un tipo de glóbulos blancos o leucocitos, reconocen

de rutina contra la viruela en 1972, en 1980, las posteriores aplicaciones generalizadas de la vacuna habían erradicado esta enfermedad. En los Estados Unidos, muchas vacunas se administran de forma rutinaria a recién nacidos, niños y adultos. Aunque es

Respuesta primaria

Antígeno

(encuentro inicial con antígeno) Unión a antígeno

posible que no recuerde su primera vacuna (que generalmente

a un receptor en

ocurre entre los 2 y los 15 meses de edad), probablemente recibió

un linfocito B

la vacuna DPT, que brinda varios años de protección contra tres toxinas bacterianas llamadas toxina diftérica, toxina pertussis y Proliferación (división celular) para formar clones

toxina de la tos ferina. y toxina tetánica. La difteria puede causar problemas respiratorios, parálisis e insuficiencia cardíaca. La tos ferina causa tos ferina, que implica episodios de parálisis por tos tan

linfoblastos B

graves que a los bebés les resulta difícil comer, beber o respirar. El tétanos puede causar bloqueo mandibular, impidiendo la apertura de la boca. Otra vacuna infantil es la vacuna MMR (sarampión , paperas y rubéola). Como sabrá, el sarampión produce sarpullido, fiebre y tos; también puede causar una variedad de otras complicaciones,

Memoria

Células de plasma

Célula B

(productor de anticuerpos células)

como infecciones de oído, convulsiones e incluso la muerte. Las paperas causan fiebre, glándulas inflamadas y dolores de cabeza, pero también pueden causar sordera. La rubéola, o sarampión alemán, causa fiebre, sarpullido y artritis.

secretado anticuerpo moléculas

Probablemente también te vacunaron con OPV (vacuna oral contra la poliomielitis ) contra el poliovirus, una cepa que infecta las

Subsecuente

neuronas en la médula espinal y causa una parálisis devastadora

desafío por el mismo antígeno

llamada poliomielitis (polio). La OPV es la vacuna de elección en los países desarrollados y ha disminuido drásticamente la incidencia de la poliomielitis. La poliomielitis prácticamente se ha eliminado en América del Norte, América del Sur y la mayor parte de Europa; sin

Respuesta secundaria (puede ser años después)

Clon de células idénticas a células ancestrales

embargo, todavía existe en algunas áreas del mundo. Una vez que una enfermedad mucho más común, la poliomielitis asoló a millones de niños en todo el mundo antes de 1954, cuando Jonas Salk desarrolló la primera vacuna contra la poliomielitis. La vacuna

Plasma células

original de Salk requería inyección; Albert Sabin desarrolló la versión actual, que se puede tomar por vía oral, en 1961. Para comprender cómo funcionan las vacunas, debe estar

secretado

Memoria

familiarizado con los aspectos básicos del sistema inmunitario humano.

anticuerpo moléculas

Células B

Introducción a los anticuerpos El sistema inmunológico en humanos y otros animales es extremadamente complejo. Numerosas células en todo el cuerpo trabajan juntas de formas intrincadas para reconocer materiales extraños que han entrado en nuestro cuerpo y montar un ataque para neutralizar o destruir esos materiales. Por ejemplo, las sustancias que estimulan una respuesta inmunitaria se denominan antígenos. Pueden ser bacterias enteras,

FIGURA 5.11 Los antígenos estimulan la producción de anticuerpos por parte del sistema inmunitario En respuesta a la exposición inicial a los antígenos, que constituyen células enteras o moléculas individuales, las células B se dividen repetidamente para formar muchas otras células B (clones). Las células B se diferencian en células plasmáticas, que producen anticuerpos específicos para el antígeno. Durante este proceso, se forman las células B de memoria. Si una persona se vuelve a exponer al mismo antígeno en el futuro, incluso muchos años después, las células B de memoria pueden reconocer y producir una respuesta más fuerte y rápida al antígeno.

Machine Translated by Google 5.4 Vacunas

mecanismo de protección

Aglutinación (agrupamiento) Mejora la fagocitosis y reduce el número de infecciones

167

Activación del complemento

de anticuerpos de unión

(fijación del complemento)

a los antígenos Complementar

unidades a tratar bacterias

Lesión

lisis

Célula extraña opsonización Recubrimiento de antígeno con anticuerpo

Inflamación

mejora la fagocitosis

Alteración de la célula por complemento/reactivo macrófago

la proteína atrae a las células fagocíticas y otras células defensivas del sistema inmunitario

Vaso sanguíneo

lisosomas

Neutralización

Bloquea la adhesión de bacterias. y virus a las células del cuerpo

Bloques activos sitio de toxina

Virus

Célula infectante

macrófago

Citotoxicidad mediada por células dependiente de anticuerpos

Bacteria Toxina

Los anticuerpos unidos a la causa de la célula diana destrucción por células inespecíficas del sistema inmunitario

FIGURA 5.12 Mecanismos de acción de los anticuerpos Los anticuerpos pueden inactivar y destruir antígenos de varias formas.

y se une al antígeno. Los linfocitos T (células T) desempeñan

anticuerpos, un tipo de leucocito llamado macrófago

funciones esenciales para ayudar a las células B a reconocer y

a menudo puede reconocerlos. Los macrófagos son células que son

responder al antígeno. Después de la exposición al antígeno, las

muy eficaces en la fagocitosis (que literalmente significa "comer

células B se desarrollan para formar células plasmáticas, que producen y secretan anticuerpos. La mayoría de los anticuerpos se

"célula"). En la fagocitosis, los macrófagos engullen el antígeno

liberan en el torrente sanguíneo, pero también hay anticuerpos en la

cubierto de anticuerpo; luego, los orgánulos del macrófago llamados

células", derivado de los términos griegos phago, "comer" y cito,

lisosomas liberan enzimas digestivas que degradan el antígeno saliva, las lágrimas y los líquidos que recubren el sistema digestivo, entre otros. Otro propósito de la producción de anticuerpos es proporcionar una protección duradera contra los antígenos. Durante el proceso de

(Figura 5.12). Cuando el antígeno es una célula extraña, como una bacteria,

desarrollo de las células B, algunas células B se convierten en células

algunos anticuerpos participan en mecanismos que rompen la célula

de "memoria", que tienen la capacidad de reconocer materiales

a través de un proceso llamado lisis celular.

extraños años más tarde y, en respuesta, crecen y producen más

Estamos constantemente expuestos a antígenos, contra los

células plasmáticas y anticuerpos, que brindan al cuerpo protección

cuales nuestro sistema inmunológico desarrolla anticuerpos. Pero a

a largo plazo contra antígenos (Figura 5.11).

veces nuestra producción natural de anticuerpos no es suficiente para protegernos de patógenos como la viruela, los virus que causan

Los anticuerpos son muy específicos para el antígeno para el que fueron creados, pero ¿cómo protegen estas proteínas al cuerpo

la hepatitis y el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), la causa del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA).

contra materiales extraños? Muchos anticuerpos se unen al antígeno para el que fueron creados y lo recubren (Figura 5.12). Después de

La biotecnología puede ayudar a nuestro sistema inmunitario

cubrir los antígenos con

aumentando nuestra inmunidad mediante el uso de vacunas.

Machine Translated by Google 168

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

Tipos de vacunas: ¿Cómo se fabrican las vacunas?

la inyección a perros, gatos y humanos, la vacuna DPT y la vacuna contra la influenza (gripe), que se ha vuelto común en los últimos años, también son ejemplos de vacunas

Las vacunas son partes de un patógeno o de organismos completos que pueden administrarse a humanos o animales por vía oral o por inyección para estimular el sistema inmunitario contra la infección por esos patógenos. Cuando se vacuna a personas o animales, su sistema inmunitario reconoce la vacuna como un antígeno y responde produciendo anticuerpos y células B de memoria. Al estimular el sistema inmunitario, la vacuna lo ha presionado para que almacene anticuerpos y células de memoria inmunitaria que puedan funcionar en caso de exposición al patógeno real en el

inactivadas. La vacuna antigripal inactivada también se administra en forma de aerosol nasal. 4. Se han intentado vacunas basadas en ADN , pero hasta ahora no han demostrado ser ampliamente efectivas. En 2005, el Departamento de Agricultura de EE. UU. (USDA) aprobó la primera vacuna de ADN autorizada del mundo, una vacuna diseñada para proteger a los caballos contra el virus del Nilo Occidental (WNV) transmitido por

futuro, en caso de que ocurra dicha exposición. Por lo tanto, muchas

mosquitos. Las infecciones equinas de WNV van en aumento, y alrededor de un tercio de los caballos infectados con WNV

pero no todas las vacunas están diseñadas para ser preventivas o

morirán o tendrán que ser sacrificados. En 2016, la Agencia

profilácticas (al proporcionar protección contra un patógeno en caso de exposición) y no terapéuticas, es decir, una cura una vez que se ha infectado o desarrollado una condición particular. Recuerda también que la vacunación se utiliza en mascotas, animales de granja, animales de zoológico e incluso animales salvajes.

Europea de Medicamentos aprobó la primera vacuna de ADN en la Unión Europea contra el alfavirus del salmón que causa la enfermedad del páncreas del salmón. Esta vacuna consiste en un plásmido que contiene un gen para una enzima humana (tirosinasa). Se están realizando ensayos clínicos para una vacuna basada en ADN contra el virus del Zika (que se analiza

Entonces, ¿cómo se fabrican las vacunas? Actualmente, varios enfoques experimentales nuevos son áreas activas de desarrollo de vacunas, pero en general se han utilizado tradicionalmente cuatro estrategias principales para crear respuestas inmunitarias con vacunas. 1. Las vacunas de subunidades se fabrican inyectando

en la siguiente sección). Del mismo modo, se están realizando varios ensayos utilizando ADN plasmídico que codifica antígenos proteicos del VIH. Sin embargo, una limitación importante de los vectores basados en ADN, evidente en la investigación del VIH, ha sido que, por lo general, dan como resultado una producción muy baja de proteína codificada por los genes administrados y, por lo tanto, la respuesta inmunitaria

porciones de estructuras virales o bacterianas, generalmente

en las personas vacunadas es insuficiente para proporcionar

proteínas o lípidos del microbio, a las que responde el sistema

la protección deseada.

inmunitario. Una vacuna bastante eficaz contra el virus de la

El trabajo en vacunas basadas en ADN, y recientemente en

hepatitis B fue uno de los primeros ejemplos de una vacuna

vacunas de ARN, continúa siendo un área activa de

recombinante de subunidades expresadas (discutida en el

exploración, pero aún está por verse si alguna vez tendrán un papel importante en el mercado de vacunas.

texto que sigue) y vacunas contra el tétanos, el ántrax y la enfermedad meningocócica (para las cuales usted puede haber sido vacunado, porque esta muchos colegios y universidades requieren la vacuna) también son vacunas de subunidades.

La inmunidad de las vacunas puede desvanecerse con el tiempo, particularmente para las vacunas inactivadas, que a menudo no producen una respuesta inmunológica fuerte. Como resultado, muchas vacunas requieren inyecciones de refuerzo de inmunización

2. Las vacunas atenuadas implican el uso de bacterias o virus vivos que se han debilitado con el envejecimiento o alterando

cada pocos años para volver a estimular el sistema inmunitario para que continúe brindando niveles protectores de anticuerpos y células

sus condiciones de crecimiento para evitar su replicación una

de memoria inmunitarias. Por ejemplo, la vacuna DPT es eficaz

vez que se introducen en el receptor. La vacuna Sabin para la

durante unos 10 años, al igual que la vacuna contra el tétanos, y la

poliomielitis (OPV) es una vacuna atenuada. También lo son

vacuna contra la gripe que puede haber recibido requiere inyecciones

las vacunas MMR, tuberculosis, cólera y varicela (varicela),

anuales porque cada año se desarrollan nuevas cepas del virus de

así como muchas otras. Una desventaja de las vacunas

la gripe.

inactivadas es que el virus vivo puede mutar y recuperar las propiedades que causan enfermedades. Por ejemplo, los

Las vacunas atenuadas e inactivadas estuvieron entre las primeras vacunas desarrolladas. Algunas vacunas de subunidades

brotes de poliomielitis derivados de la OPV ocurren casi todos

contra bacterias se fabricaron antes de la tecnología de ADN

los años en diferentes áreas del mundo.

recombinante cultivando patógenos bacterianos en cultivo líquido. Muchas bacterias liberan proteínas en los medios circundantes, y

3. Las vacunas inactivadas (muertas) se preparan eliminando

estas proteínas pueden purificarse y mezclarse con compuestos

el patógeno y utilizando el microorganismo muerto o inactivo

que ayudarán a estimular una respuesta inmunitaria cuando se

para la vacuna. En la vacuna Salk contra la poliomielitis se utiliza una mezcla de poliovirus inactivados. Las vacunas

inyectan en humanos. Pero a medida que los científicos han aprendido más sobre la estructura molecular de muchos patógenos,

antirrábicas administradas por

los intentos de hacer

Machine Translated by Google 5.4 Vacunas

169

Las vacunas de subunidades recombinantes se han vuelto más

y nonavalentes, dirigidos a 9 tipos de VPH que son responsables de

populares.

aproximadamente el 90 por ciento de los cánceres de cuello uterino,

Por ejemplo, la hepatitis B es un virus transmitido por la sangre por exposición a fluidos corporales, relaciones sexuales y transfusiones de sangre contaminada. La hepatitis B causa

están disponibles en más de 100 países para la prevención primaria del cáncer de cuello uterino y otras enfermedades asociadas con el VPH.

enfermedades hepáticas mortales. Cuando se prepararon por primera vez las vacunas para la hepatitis B, los científicos aislaron el virus de la sangre de los pacientes infectados y luego usaron técnicas

Objetivos principales para el desarrollo de vacunas

bioquímicas para purificar las proteínas virales.

Los patógenos están cambiando todo el tiempo, dando lugar a cepas

Estas proteínas luego se inyectaron en humanos como una vacuna. La vacunación contra el virus de la hepatitis B se ha agregado a los

de bacterias y virus que causan enfermedades resistentes tanto a los medicamentos como a las vacunas. Existen más microbios infecciosos

programas de vacunación de rutina de 179 países de todo el mundo.

que vacunas. Como resultado, existen muchas prioridades de

La vacuna contra la hepatitis B también se recomienda para los

investigación para mejorar las vacunas existentes y producir otras

viajeros internacionales, en particular las personas que visitan África

nuevas, y las empresas de biotecnología tienen más de 50 objetivos

y Asia, y los trabajadores de la salud y otras personas que puedan

para el desarrollo de vacunas.

entrar en contacto con personas infectadas con hepatitis o sus fluidos

Varios de los principales objetivos de la vacuna incluyen la fiebre del

corporales.

dengue; virus del Ébola; hepatitis C y E; enfermedades de transmisión

Actualmente, la mayoría de las vacunas de subunidades,

sexual tales como herpes, gonorrea e infección por clamidia; SARM;

incluida la vacuna contra la hepatitis B, se fabrican utilizando

enfermedad neumocócica; rotavirus; Vírus del oeste del Nilo; y virus

enfoques de ADN recombinante en los que la vacuna se produce en

Zika. Además, las enfermedades humanas no patógenas tales como

microbios. Para producir la vacuna de subunidad recombinante para

la enfermedad de Alzheimer, la esclerosis múltiple, las alergias, la

la hepatitis B, los científicos clonaron genes de proteínas en la

adicción a las drogas, la diabetes y la hipertensión son objetivos de

superficie externa del virus en plásmidos. Las levaduras transformadas

las vacunas terapéuticas .

con estos plásmidos se usan para expresar grandes cantidades de

Incluso el desarrollo de vacunas para tratar las mordeduras de

proteína viral como proteínas de fusión, que luego se purifican y se

serpientes es un área activa de investigación. Más de 5 millones de

usan para vacunar a las personas contra las infecciones por hepatitis

personas son mordidas por serpientes en todo el mundo cada año, lo que resulta en más de 100 000 muertes. Aquí, consideramos objetivos

B. Este enfoque es una estrategia común para producir vacunas de subunidades, aunque a veces las proteínas de fusión se expresan en

seleccionados de enfermedades infecciosas para el desarrollo de

bacterias o en células de mamífero cultivadas.

nuevas vacunas, incluidos los objetivos de los “tres grandes”: VIH/ SIDA, tuberculosis y malaria.

En 2006, la compañía farmacéutica Merck recibió la aprobación

La gripe es causada por una gran cantidad de virus que

de la FDA para Gardasil, una vacuna de subunidad recombinante

pertenecen a la familia de virus de la influenza . Aunque la mayoría

contra el cáncer de cuello uterino y la primera vacuna contra el cáncer

de las personas experimentan síntomas de gripe que duran unos

aprobada por la FDA. Gardasil es una vacuna tetravalente porque se

días y pueden tratarse fácilmente con medicamentos de venta libre, la influenza mata entre 500 000 y 1 millón de personas en todo el

dirige a cuatro cepas específicas del virus del papiloma humano (VPH). Entre las mujeres, el cáncer de cuello uterino se ubica como el cuarto cáncer diagnosticado con más frecuencia y la principal

mundo cada año. A pesar de los muchos esfuerzos para crear una

causa de muerte por cáncer con un estimado de 570 000 casos nuevos y 311 000 muertes en todo el mundo en 2018.

que los virus de la gripe mutan tan rápido, ninguna vacuna protege

Desafortunadamente, aproximadamente el 90 % de las muertes

la gripe en función de las tres cepas principales del virus de la gripe

causadas por cáncer de cuello uterino ocurren en niveles bajos y bajos. países de medianos ingresos. El VPH también puede causar

temporada.

verrugas genitales en hombres, cáncer de pene y cáncer anal, de cabeza y cuello en hombres y mujeres.

internacional que monitorea enfermedades infecciosas y epidemias,

mujeres.

Las vacunas contra el VPH son de tipo profiláctico, lo que

vacuna universal contra la mayoría de los virus de la gripe, debido a contra todas las cepas. Cada año se generan nuevas vacunas contra que se espera que prevalezcan durante la próxima gripe. La Organización Mundial de la Salud (OMS), un grupo ha establecido centros en más de 80 países para que pueda recolectar y examinar muestras de influenza para analizarlas y luego

significa que deben tomarse para brindar protección inmunológica

desarrollar estrategias de tratamiento con vacunas. Los científicos de

antes de la exposición al VPH. Por ello, en determinados países, la

enfermedades infecciosas trabajan a través de un “laboratorio global”

vacuna se administra a niñas de entre 9 y 14 años en series de dos

para monitorear las cepas de los virus de la influenza en todo el

a tres dosis con intervalos estipulados por los fabricantes. Sin

mundo, replicar estos virus (que se cultivan en huevos) y luego usar

embargo, los diferentes sistemas e infraestructuras de atención

técnicas de ADN recombinante para producir vacunas de subunidades

médica han resultado en diferentes estrategias de implementación

en respuesta a las nuevas cepas virales detectadas. Esta estrategia

en países de ingresos altos, medios y bajos. Desde 2014, tres vacunas profilácticas contra el VPH: bivalente, tetravalente y

es un enfoque de vigilancia y respuesta para mantenerse al día con los nuevos patógenos y producir vacunas según sea necesario (consulte el Capítulo 12).

Machine Translated by Google 170

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

La influenza A representa una de las mayores amenazas potenciales para la salud humana a través de una pandemia, un

En 2015, se identificó un brote del virus Zika transmitido por mosquitos (ZIKV) en el Caribe y las Américas como la causa de

brote global. En el pasado han surgido cepas pandémicas de

defectos congénitos, como microcefalia, en bebés de mujeres

influenza A. En 1918, el virus de la influenza mató al menos a 20

infectadas con ZIKV. Por lo tanto, una prioridad fue desarrollar una

millones de personas. Otras pandemias ocurrieron en 1957 y 1968,

vacuna para establecer la inmunidad ZIKV en mujeres en edad fértil

y los epidemiólogos predicen que una futura pandemia podría ser

y mujeres embarazadas en riesgo de infección por ZIKV que podría

mucho peor que los episodios anteriores. Una cepa de gripe aviar

dañar a un feto en desarrollo. Se ha demostrado que los ensayos

(H5N1)

en etapa inicial con ADN que expresa proteínas ZIKV crean niveles

recibió mucha atención de los medios debido a su presencia en los pollos. Las variaciones en la influenza A se deben a dos

de anticuerpos en ratones y macacos Rhesus capaces de neutralizar el virus y proteger contra la infección por ZIKV. Los ensayos clínicos

glicoproteínas llamadas hemaglutinina (HA) y neuraminidasa (NA),

de la vacuna de ADN ZIKV ya han comenzado, por lo que será muy

que se proyectan desde la superficie del virus. La gripe aviar es un

interesante ver si este enfoque es efectivo en humanos.

subtipo de influenza A llamado H5N1 debido a la variación de estas dos proteínas contenidas en esta cepa (abreviadas como H y N cuando se usan en los nombres de las cepas). El VIH es responsable de más muertes que cualquier otra En 2003, la cepa H5N1 provocó una pandemia en pollos en

enfermedad infecciosa; aproximadamente 6000 personas se

Asia que resultó en la muerte de más de 200 millones de aves en

infectan cada día y más de 33 millones de personas se infectan en

un esfuerzo por detener la propagación. A los científicos les

todo el mundo. Varios medicamentos antivirales permiten a muchas

preocupaba que esta cepa, al igual que otros virus, pudiera mutar y

personas vivir con el SIDA como una enfermedad manejable,

dar el salto a los humanos. Aunque se observaron algunos casos aislados de infección humana, no se produjo una infección generalizada; sin embargo, se ha producido la transmisión del virus de ave a cerdo, y la mutación del virus en los cerdos podría producir

mientras que antes de estos medicamentos, la infección por el VIH para la mayoría de las personas les llevaba a la muerte. Pero en las más de tres décadas desde que se descubrió que el VIH es la causa del SIDA, todavía no existe una vacuna eficaz contra el VIH.

una cepa que infectaría a los humanos. Debido a la devastación que podría causar un virus de este tipo, la OMS declaró de alta

Por lo tanto, la necesidad de una vacuna para tratar y detener la

prioridad el desarrollo de una vacuna para proteger contra el H5N1

devastadora enfermedad y finalmente eliminar la epidemia del

y posteriormente se produjeron vacunas. En 2009, la gripe porcina (H1N1) generó importantes problemas de salud pública, pero la

SIDA. Se han probado en humanos varias vacunas para la prevención de infecciones por VIH o el tratamiento de individuos

vacunación contra este virus ha demostrado ser eficaz para

infectados por VIH; la mayoría de estas vacunas se dirigen a las

controlar su propagación en humanos.

propagación del VIH es fundamental si queremos frenar esta

proteínas de la superficie viral, pero hasta la fecha ninguna ha funcionado. En 2007, una vacuna prometedora de Merck fracasó

En 2014, un brote del virus del Ébola en África Occidental mató a más de 1500 personas, y es probable que muchos más casos no se notifiquen. El ébola causa fiebre hemorrágica y produce tasas de mortalidad de aproximadamente el 90%. Actualmente no existe un tratamiento eficaz para curar o prevenir la infección por el

en los ensayos clínicos de fase II cuando se determinó que la vacuna aumentaba el riesgo de infección por VIH en algunos hombres. Dos ensayos posteriores relacionados con esta vacuna resultaron ineficaces. Un obstáculo que enfrentan los científicos de vacunas contra

virus del Ébola. Pero los anticuerpos contra el ébola expresados en

el VIH es la alta tasa de mutación del VIH. Por lo tanto, tratar de

hojas de tabaco se muestran prometedores en los ensayos clínicos

prevenir la infección mediante la creación de anticuerpos contra

en curso. Se utilizaron ratones para crear anticuerpos monoclonales

cepas de virus genéticamente diversas y que mutan rápidamente

contra el virus. Los genes de anticuerpos se introdujeron luego en

es un desafío importante para los desarrolladores de vacunas. Otro

plantas de tabaco. Las plantas de tabaco transgénicas expresan

obstáculo es que relativamente pocas proteínas de la superficie del

grandes cantidades de proteínas de anticuerpos, que luego pueden aislarse y purificarse para su uso en humanos. Las plantas de

VIH pueden ser atacadas por anticuerpos neutralizantes. En consecuencia, las vacunas de subunidades múltiples denominadas

tabaco transgénicas se usan comúnmente para expresar proteínas

cócteles (aquellas que contienen mezclas de muchas proteínas

recombinantes debido al gran tamaño de sus hojas y al rendimiento

virales, junto con medicamentos antivirales que bloquean la

relativamente alto de proteínas recombinantes en comparación con

replicación viral) pueden ser una estrategia más eficaz para combatir

otras plantas. Además, un enfoque de vacuna de virus completo

el VIH que usar vacunas o medicamentos antivirales solos. Se

atenuado vivo ha demostrado ser prometedor en primates no

están desarrollando estrategias similares para tratar otros virus,

humanos (macacos). Se están desarrollando otras vacunas a un

como la hepatitis B y C.

ritmo sin precedentes de pasar del laboratorio a los ensayos clínicos, y los científicos de la vacuna contra el ébola son optimistas de que pronto se pueda desarrollar una vacuna exitosa.

La tuberculosis (TB), causada por la bacteria Mycobacterium tuberculosis, es responsable de entre 2 y 3 millones de muertes cada año, solo superada por el VIH. Las partículas inhaladas de M. tuberculosis pueden infectar el tejido pulmonar y crear lesiones grumosas llamadas tubérculos. La propagación de la tuberculosis ha

Machine Translated by Google 5.5 Genómica microbiana

171

ha sido controlado eficazmente en muchas áreas del mundo

cuando publicó la secuencia para Haemophilus influenzae. Desde

mediante el uso de antibióticos y vacunas. La vacuna más utilizada, llamada BCG, es una vacuna atenuada pero protege en gran

y se está trabajando en los genomas de cientos, si no miles, de

medida solo a los bebés. Ha habido un resurgimiento de la TB

otros microbios.

entonces, se han secuenciado más de 2000 genomas microbianos

porque M. tuberculosis ha demostrado ser muy hábil para desarrollar nuevas cepas que son resistentes al tratamiento. La preocupación por estas nuevas cepas es tan grande que la OMS ha declarado que la TB es una emergencia sanitaria mundial. La Fundación Bill y

¿Por qué secuenciar genomas microbianos?

Melinda Gates y otras organizaciones han proporcionado más de

Un equipo de investigadores de la Universidad de California–

$30 millones en apoyo de los esfuerzos para desarrollar nuevas vacunas contra la TB.

Los Ángeles analizó secuencias de ADN de 101 estudiantes universitarios, 49 de los cuales tenían acné y 52 no. Se aislaron

Se ha secuenciado el genoma de M. tuberculosis y, como resultado,

más de 1000 cepas de Propionibacterium acnes . Usando la

se han descubierto nuevas proteínas, lo que ha llevado al desarrollo

secuenciación del genoma completo y la bioinformática, los investigadores agruparon estas cepas en 10 tipos de cepas

de nuevas vacunas contra la TB, muchas de las cuales se encuentran actualmente en ensayos clínicos. La malaria es causada por el parásito protozoario Plas

relacionadas. Seis de estos tipos fueron más comunes entre los estudiantes propensos al acné y un tipo apareció repetidamente en

modium falciparum y transmitida por insectos. En todo el mundo,

muestras de piel de estudiantes sin acné. El análisis de secuencia

las cepas de Plasmodium están desarrollando resistencia a los

de los tipos asociados con el acné indicó grupos de genes que

medicamentos antipalúdicos más utilizados. Aunque estos

pueden contribuir a la enfermedad de la piel, y esta información

medicamentos han sido eficaces en algunas partes del mundo, la

está ayudando a los dermatólogos a desarrollar nuevos

tasa de mortalidad por paludismo sigue siendo inaceptable. Cada

medicamentos destinados a matar las cepas de P. acnes que

año aproximadamente medio billón de casos de Plasmodium las infecciones ocurren en niños y causan más de 1 millón de

causan el acné.

muertes solo en África. Análisis genómico de Plasmodium

genómica microbiana. Mediante la secuenciación de genomas

Este es solo un ejemplo de los beneficios potenciales de la

está ayudando a los científicos a identificar nuevos objetivos de

microbianos, los científicos podrán identificar muchos secretos de

genes y proteínas para inhibir este parásito. Una vacuna de

las bacterias, desde genes implicados en el metabolismo y la

subunidades denominada RTS,S, producida por GlaxoSmithKline y probada en niños, es la vacuna más eficaz desarrollada hasta el

división celular de las bacterias hasta genes que causan enfermedades en humanos y animales. Además, los investigadores

momento. Pero el RTS,S sigue siendo efectivo para proteger aproximadamente al 50 por ciento de los niños tratados porque se

encontrarán genes bacterianos que pueden permitirles desarrollar nuevas cepas de microbios que puedan usarse en la biorremediación

enfoca en una etapa particular del desarrollo del parásito mientras está en el torrente sanguíneo, pero no es efectivo contra el parásito

efecto invernadero, para encontrar organismos causantes de

y para reducir el dióxido de carbono atmosférico y otros gases de

una vez que ingresa al hígado. Varias otras vacunas experimentales

enfermedades en los alimentos y el agua, para detectar armas,

se encuentran actualmente en ensayos clínicos, pero hasta la fecha

para sintetizar plásticos, para hacer mejores productos alimenticios

ninguna ha resultado ser totalmente eficaz en la protección contra

y para producir bacterias genéticamente alteradas como biosensores

la malaria.

para detectar sustancias nocivas, entre muchos otros ejemplos.

En la siguiente sección, consideraremos las muchas razones para secuenciar genomas microbianos y las herramientas utilizadas para llevar a cabo este trabajo.

Las bacterias realizan una gran cantidad de actividades bioquímicas, lo que se refleja en sus genomas. De los genomas microbianos secuenciados hasta la fecha, un gran porcentaje de

5.5 Genómica microbiana

genes identificados producen proteínas de función desconocida y, a menudo, muchos genes descubiertos por secuenciación producen proteínas que son exclusivas del genoma bacteriano secuenciado.

En 1994, como una extensión del Proyecto Genoma Humano, el

Por lo tanto, el potencial para identificar nuevos genes y proteínas

Departamento de Energía de los Estados Unidos inició el Programa

con propiedades únicas que puedan tener importantes aplicaciones

Genoma Microbiano (MGP). Un objetivo del MGP era secuenciar

en biotecnología es muy alto.

genomas completos de microorganismos con aplicaciones potenciales en biología ambiental, investigación, industria y salud, como bacterias que causan tuberculosis, gonorrea y cólera, así

De los millones de bacterias diferentes que se han identificado, ¿cuáles son de mayor interés para los investigadores del genoma

como genomas de protozoos patógenos como Plasmodium . , que

microbiano? Como se muestra en la Tabla 5.3, muchos de los

causa la malaria. En 1995, el Instituto de Investigación Genómica, que desempeñó un papel importante en el Proyecto Genoma

genomas bacterianos que han recibido la mayor atención provienen

Humano, informó sobre la primera secuencia completa de un

graves en humanos. Por ejemplo, P. aeruginosa es un importante patógeno humano que causa infecciones del tracto urinario,

genoma microbiano.

de microbios responsables de enfermedades y enfermedades

infecciones de la piel e infecciones pulmonares persistentes que son un

Machine Translated by Google 172

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

CUADRO 5.3

Genomas microbianos seleccionados Aproximado Tamaño del

Aproximado genoma (megabases, mB) Número de genes

Bacteria

Condición de enfermedad humana

Bacillus Anthracis

Ántrax

5.23

5,000

Borrelia burgdorferi

enfermedad de Lyme

1.44

853

Chlamydia trachomatis

Infecciones oculares, infecciones del tracto

1.04

896

Enfermedad grave transmitida por alimentos (diarrea)

4.10

5,283

Infecciones graves en niños (infecciones de

1.83

1,746

Úlceras estomacales (gástricas)

1.66

1,590

Listeriosis (enfermedad grave transmitida por los

2.94

2,853

Tuberculosis

4.41

3,974

Infecciones por Neisseria meningitidis (MC58)

Meningitis y sangre

2.27

2,158

Pseudomonas aeruginosa

Neumonía, infecciones pulmonares crónicas

6.30

5,570

Rickettsia conorii

fiebre maculosa mediterranea

1.30

1,374

Rickettsia prowazekii

Tifus

1.11

834

steotococos neumonia

Infección respiratoria aguda (a corto plazo)

2.16

2,236

Yersinia pestis

Plaga

4.65

4,012

Cólera (enfermedad diarreica)

4.00

3,885

genitourinario (p. ej., enfermedad pélvica inflamatoria) Escherichia coli O157:H7 Haemophilus influenzae

ojos, garganta y oídos, meningitis) Helicobacter pylori Listeria monocytogenes

alimentos)

Tuberculosis micobacteriana

Vibrio cólera

causa significativa de muerte en pacientes con fibrosis quística, Uno de los primeros microbios objetivo del análisis genómico fue Vibrio cholerae, que se encuentra típicamente como se mencionó anteriormente en este capítulo. P. aeruginosa es particularmente problemática porque es en aguas contaminadas en áreas del mundo con malas resistente a muchos antibióticos y desinfectantes comúnmente prácticas sanitarias. Esta bacteria causa el cólera, que se utilizados para tratar otros microbios. A partir de secuenciar su caracteriza por diarrea y vómitos intensos, lo que lleva a una pérdida masiva de líquidos, que puede causar shock e incluso genoma y aprender más sobre los genes involucrados en el metabolismo, la replicación y la descomposición de los la muerte. El V. cholerae resistente a los antibióticos está causando problemas recurrentes en Asia, India, América Latina antibióticos, los científicos están desarrollando nuevos e incluso en áreas de la Costa del Golfo en los Estados Unidos. enfoques para tratar las infecciones por P. aeruginosa . Streptococcus pneumoniae, una bacteria que puede Comprender el genoma de V. cholerae está ayudando a los causar meningitis bacteriana, así como infecciones de los científicos a identificar genes de toxinas, genes de resistencia oídos y los pulmones, incluida la neumonía, mata anualmente a los antibióticos y otros genes que mejorarán los métodos actuales para combatir este microbio. a aproximadamente 3 millones de niños en todo el mundo. Las infecciones por S. pneumoniae se han tratado con eficacia desde 1946. Los científicos han estado estudiando la genética de las Pero muchas de las vacunas son ineficaces en los niños bacterias del ácido láctico durante aproximadamente 35 años para comprender cómo estas bacterias contribuyen al sabor y pequeños, que son particularmente susceptibles a la infección. El genoma de S. pneumoniae ha sido secuenciado, revelando la textura de los quesos, la leche y otros productos que muchos genes que codifican proteínas no descubiertas analizamos anteriormente. Se han completado proyectos de previamente en la superficie de estas bacterias. Los genoma para varias docenas de bacterias del ácido láctico investigadores son optimistas de que esta nueva comprensión relacionadas con los lácteos. Por ejemplo, los científicos han del genoma de S. pneumoniae conducirá a nuevos tratamientos secuenciado el genoma de Lactococcus lactis, una cepa que para la neumonía. es importante para hacer queso. Tales proyectos están ayudando

Machine Translated by Google 5.5 Genómica microbiana

TÚ DECIDES

173

¿Deberían permanecer las secuencias del genoma del patógeno en las bases de datos públicas?

La ciencia como proceso depende de que

Otros han sugerido que los terroristas podrían usar los datos

los científicos compartan datos e

del genoma para hacer que los patógenos de “superarma” sean más

información a través de presentaciones en conferencias, publicaciones

efectivos y resistentes a las vacunas y medicamentos existentes.

y recursos web, como bases de datos.

Sin embargo, muchos científicos del genoma se han pronunciado

Ahora que se han completado los genomas de muchos patógenos

a favor de mantener las secuencias de patógenos en bases de

humanos, como los que causan el cólera, el ántrax, la meningitis y

datos públicas, citando la importancia del acceso abierto a la

la viruela, ha surgido un debate considerable sobre si las secuencias

información y afirmando que hay tanto que no entendemos sobre los

del genoma de las armas biológicas potenciales deberían estar

genomas de estos patógenos que no afecta la salud humana. La

disponibles públicamente en las bases de datos de ADN. Existe la preocupación de que los terroristas puedan usar secuencias para

¿Qué piensas? ¿Deberían permanecer las secuencias del genoma del

desarrollar proteínas recombinantes para toxinas patógenas como una forma de producir armas biológicas.

amenaza se plantea al hacer que sus secuencias estén disponibles. patógeno en las bases de datos públicas? Tú decides.

Los científicos de alimentos utilizan mejor las diferentes cepas para hacer

especies bacterianas desconocidas e identificó cientos de genes

quesos específicos con características de sabor mejoradas y para refinar las condiciones de cultivo para maximizar las capacidades de crecimiento

fotorreceptores. Los científicos están interesados en aprender más sobre

de diferentes microbios.

fotosíntesis pueda usarse para producir hidrógeno como fuente de

Los biólogos del genoma también se están centrando en los

los fotorreceptores para ayudar a desarrollar formas en las que la combustible. Los investigadores médicos también están muy interesados

microorganismos que pueden utilizarse como armas biológicas.

en los fotorreceptores porque, en los humanos y en muchas otras

En la Sección 5.7, analizamos cómo se puede utilizar la biotecnología

especies, los fotorreceptores del ojo son responsables de la visión.

para detectar y combatir las armas biológicas. Un beneficio clave de la metagenómica es su potencial para

Estudios metagenómicos secuencian genomas de comunidades microbianas

enseñarnos más sobre millones de especies de bacterias aún no caracterizadas. También se han identificado muchos virus nuevos, en particular bacteriófagos, a través de estudios metagenómicos de muestras

La metagenómica implica la secuenciación de genomas para

de agua y suelo.

comunidades enteras de microbios. Los proyectos de metagenómica

La metagenómica proporciona nueva información importante sobre la

están secuenciando genomas microbianos de muestras ambientales de

diversidad genética de los microbios que es clave para comprender las

agua, aire y suelos, así como de océanos de todo el mundo, glaciares,

complejas interacciones entre las comunidades microbianas y su entorno,

minas, prácticamente todos los rincones del mundo. Se han lanzado

además de permitir la clasificación filogenética de los microbios recién

proyectos de metagenómica en todo el mundo.

identificados. La metagenómica también tiene un gran potencial para identificar genes con funciones novedosas, algunas de las cuales pueden

El pionero del genoma humano J. Craig Venter, a quien analizamos

tener valiosas aplicaciones en medicina y biotecnología.

en el Capítulo 3, dejó Celera en 2003 para formar el Instituto J. Craig Venter (JCVI), y su grupo desempeñó un papel central en el establecimiento de la metagenómica como un área emergente de investigación genómica. Una de las principales iniciativas del instituto fue

El método general utilizado en metagenómica a menudo implica aislar el ADN directamente de una muestra ambiental sin necesidad de

una expedición mundial para tomar muestras de microorganismos

cultivos de microbios o virus, y luego secuenciar el ADN. Tal enfoque es

marinos y terrestres de todo el mundo y secuenciar sus genomas.

necesario porque a menudo es difícil replicar la compleja variedad de condiciones de crecimiento que los microbios necesitan para sobrevivir

Llamado Sorcerer II Global Ocean Sampling (GOS)

en el cultivo. Las estimaciones sugieren que más del 99 por ciento de la

Expedición, entre 2004 y 2006, Venter y sus investigadores viajaron por

diversidad microbiana actualmente conocida existe en organismos que

todo el mundo en yate, en un viaje a vela que cubrió 32.000 millas

no se pueden cultivar; por lo tanto, un avance de la metagenómica es

náuticas, descrito como una versión moderna del famoso viaje de Charles

que las secuencias se generan a partir de muestras ambientales sin

Darwin en el HMS Beagle. Una de las primeras expediciones de este

necesidad de cultivar microbios.

grupo secuenció genomas bacterianos del Mar de los Sargazos frente a las Bermudas. Este proyecto produjo más de 1,2 millones de nuevas secuencias de ADN de 1800 especies microbianas, incluidas 148 anteriormente

Un ejemplo de cómo la metagenómica puede proporcionar una visión novedosa del mundo microbiano que nos rodea se refleja en un estudio de la microbiota que se encuentra en New

Machine Translated by Google 174

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

subterráneos de la ciudad de York. Este proyecto reveló que la

para microbios aislados del cuerpo humano fueron desarrollados.

mayoría de los microbios presentes son bacterias que no causan

El HMP acumuló más de 1000 veces los datos de secuenciación

enfermedades y que normalmente prevalecen en la piel humana y

generados por el HGP.

en el tracto gastrointestinal, aunque, ocasionalmente, se identificaron patógenos como Bacillus anthracis . ¡Pero casi la mitad del ADN

¿Cuáles son algunos de los conceptos clave que hemos aprendido sobre el microbioma humano?

secuenciado no coincidía con ningún organismo en las bases de datos de genomas eucarióticos, procarióticos, arqueales y virales!

El Proyecto Microbioma Humano En 2007, los Institutos Nacionales de la Salud iniciaron el Proyecto Microbioma Humano (HMP, por sus siglas en inglés), un proyecto de $170 millones para completar los genomas de

ÿÿ Los datos de secuencia del HMP han identificado un estimado del 81 al 99 por ciento de los microbios y virus distribuidos entre las áreas del cuerpo en hombres y mujeres humanos. ÿÿ Cada persona puede tener hasta 1000 cepas bacterianas.

aproximadamente 600 a 1000 bacterias, virus, levaduras y otros

ÿÿ El microbioma comienza al nacer. Los bebés adquieren bacterias del microbioma de sus madres.

microorganismos que viven sobre y dentro de los humanos.

ÿÿ Una sorpresa para los científicos de HMP, el microbioma

Muchos microbios, como E. coli en el tracto digestivo, tienen funciones importantes en la salud humana y, por supuesto, otros microbios nos enferman. Al comienzo del proyecto se pensaba que los microorganismos constituían entre el 1 y el 2 por ciento del cuerpo humano, superando en número a las células humanas en una proporción de 10 a 1, aunque esta cifra ha sido cuestionada. Además, se encuentran aproximadamente 1200 bacteriófagos

puede ser sustancialmente diferente de una persona a otra. Con base en la variación entre individuos, unas 10 000 especies bacterianas estimadas pueden ser parte del microbioma humano total. ÿÿ En el intestino humano, aunque el microbioma difiere de una persona a otra, se mantiene relativamente estable a lo largo del tiempo en los individuos.

diferentes en el intestino, y no sabemos prácticamente nada sobre más de la mitad de ellos.

Según estos hallazgos, no existe un microbioma humano de referencia único con el que se pueda comparar a las personas.

El HMP tiene varios objetivos principales, que incluyen: ÿÿ Determinar si los individuos comparten un microbioma humano central.

La diversidad microbiana varía mucho de un individuo a otro, y se produce una personalización del microbioma en los individuos. Por ejemplo, la comparación de secuencias de microbiomas de dos personas sanas de edad equivalente revela microbiomas que

ÿÿ Comprender cómo adquirimos y mantenemos comunidades microbianas.

pueden ser bastante diferentes. Sin embargo, hay similitudes en

ÿÿ Comprender cómo se pueden correlacionar los cambios

característicos asociados que son específicos de ciertas ubicaciones.

ciertas partes del cuerpo, con bacterias distintivas y genes

en el microbioma con los cambios en la salud humana y las

¡Algunos científicos piensan que los microbiomas pueden incluso

condiciones (como el estrés y la dieta) que afectan al microbioma.

usarse para la toma de huellas dactilares de ADN para identificar a las personas en las escenas del crimen en el futuro!

ÿÿ Desarrollar nuevos métodos, incluidas herramientas bioinformáticas, para respaldar el análisis del microbioma. ÿÿ Abordar las implicaciones éticas, legales y sociales planteadas por la investigación del microbioma humano. ¿Te suena esto familiar? Recuerde que abordar cuestiones éticas, legales y sociales fue un objetivo del Proyecto Genoma Humano (PGH). El HMP involucró a unos 200 científicos en 80 instituciones. En

El conocimiento sobre la naturaleza personalizada del microbioma ya está resultando valioso para mejorar la salud humana y la medicina, que en el futuro incluirá terapias específicas para el microbioma. El aumento de la promoción y el uso de probióticos (microorganismos vivos que brindan beneficios para la salud) en los últimos años es un resultado directo de lo que hemos aprendido sobre los roles críticos que desempeña el microbioma en tantos aspectos de nuestra salud.

2012 se publicaron una serie de artículos que resumen los

Se están considerando criterios para definir un microbioma

hallazgos del HMP. El HMP analizó 15 sitios del cuerpo de hombres

saludable, que se espera que ayude a determinar el papel de las

y 18 sitios de mujeres de 242 individuos sanos en los Estados

bacterias en el mantenimiento de una salud normal. Esto puede

Unidos y aplicó la secuenciación del genoma completo de microbios

proporcionar información sobre los factores que alteran el

y virus presentes en estos sitios. Cada persona fue muestreada

microbioma de una persona y por qué ciertos individuos son

hasta tres veces durante casi 2 años. Además, también se utilizó la

susceptibles a ciertas enfermedades, especialmente afecciones

secuenciación de genes ribosómicos 16S (ARNr), que son únicos

crónicas como la psoriasis, el síndrome del intestino irritable e

para casi todas las especies bacterianas. Más de 3000 secuencias

incluso la obesidad, según su microbioma. Se están realizando

de referencia

proyectos similares para estudiar los microbiomas de perros y otros animales. Ojo con estas y otras metagenómicas

Machine Translated by Google 5.5 Genómica microbiana

175

TABLA 5.4 Ejemplos de genomas virales médicamente importantes que han sido secuenciados Virus

Enfermedad humana o dolencia

virus del ébola

Fiebre hemorrágica del ébola

virus de la hepatitis A

Hepatitis A

virus de la hepatitis B

Hepatitis B

virus de la hepatitis C

Hepatitis C

Virus del herpes simple, tipo I

herpes labial

Virus de la inmunodeficiencia humana (VIH-1)

Síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA)

Virus del papiloma humano

Cáncer de cuello uterino

Poliovirus humano

Poliomielitis

Rinovirus humano

Resfriado comun

virus de la gripe A • Subtipo H5N1 (gripe aviar)

Gripe severa

• Subtipo H5N1 (gripe porcina)

Gripe severa

Coronavirus respiratorio agudo severo (SARS-CoV)

Síndrome respiratorio agudo severo (SRAS)

virus de la viruela

Viruela

proyectos, porque están aportando datos muy interesantes sobre los

aprender cómo los virus causan enfermedades y conduce al desarrollo

microbios que hay entre nosotros.

de medicamentos antivirales nuevos y efectivos.

Genómica viral

Creación de genomas sintéticos

El estudio de los genomas virales es otra área candente de investigación

En 2010, los científicos del JCVI publicaron el primer informe de un

(Tabla 5.4). Esto es cierto en parte porque muchos virus mortales mutan

genoma sintético funcional. En este proyecto diseñaron y sintetizaron

rápidamente en respuesta a las vacunas y los tratamientos antivirales.

químicamente más de mil segmentos de 1.080 pb que cubren todo el

Los medicamentos antivirales están diseñados para funcionar de varias

genoma de 1,08 Mb de la bacteria Mycoplasma mycoi des (Figura 5.13).

maneras. Algunos medicamentos antivirales impiden que los virus se

Para ensamblar estos segmentos correctamente, los segmentos tenían

unan a la superficie de las células y las infecten, mientras que otros

secuencias de 80 pb en cada extremo, que se superponían con sus

bloquean la replicación viral después de que el virus haya infectado las

secuencias vecinas. Estas

células del cuerpo. La investigación sobre genomas virales ayuda a los científicos

TÚ DECIDES

¿Deberíamos crear vida sintéticamente?

Si las aplicaciones de la biología sintética

estrategias genómicas para recrear bacterias o virus mortales

eventualmente se vuelven rutinarias,

(lea más sobre armas biológicas en la Sección 5.7) a partir de

hemos simplificado o desmitificado la vida, haciéndola menos sagrada? ¿Deberían los humanos ser tales “creadores” de vida?

bacterias y virus benignos. ¿Hasta qué punto deberíamos usar

Por supuesto, llevamos mucho tiempo creando vida en el

que consideremos mejores o más deseables? En el futuro, ¿podrían

laboratorio; la fertilización in vitro es un ejemplo de ello.

usarse genomas sintéticos para crear vida a partir de componentes

esta tecnología para rehacer células naturales con características

Pero la biología sintética es un enfoque muy diferente.

inanimados?

No es sorprendente que uno de los temores planteados

¿Debe hacerse esto si es técnicamente posible? Tú decides.

sobre la biología sintética sea que los bioterroristas puedan usar

Machine Translated by Google 176

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

1) Diseño del genoma de M. mycoides

2) Síntesis química de 10ÿ000 casetes de oligonucleótidos de 1080 pb que abarcan los 1,8 Mb completos Genoma de M. mycoides

3) Clonación de casetes en E. coli

4) Montaje completo del genoma en S. cerevisiae

genoma La selección para la resistencia a la tetraciclina y la determinación de que las células receptoras producían proteínas características de M. mycoides y no de M. capricolum también se usaron para verificar la conversión de la cepa. Un logro particularmente impresionante de estos experimentos fue que el ADN sintético estaba "desnudo" porque no contenía ninguna proteína de M. mycoides; por lo tanto, fue capaz de transcribir los genes apropiados y traducir todos los productos proteicos necesarios para la vida como M. mycoides. Este no es un logro trivial. El genoma sintético reinició efectivamente las células receptoras de M. capricolum para cambiarlas de una forma a otra. Esta investigación no creó vida a partir de un objeto inanimado, ya que se basó en convertir una cepa viva en otra. J. Craig Venter afirmó: “Esto es equivalente a cambiar una computadora Macintosh a una PC insertando una nueva pieza de software para PC”. Este fue un trabajo tedioso, que abarcó más de 15 años. ¡Noventa y nueve por ciento de los experimentos involucrados fallaron!

Venter y otros han utilizado tecnología de ADN recombinante para construir copias sintéticas de genomas virales. Investigadores de la Universidad de Stony Brook en Nueva York fueron noticia cuando ensamblaron aproximadamente 7500 pb de secuencias de ADN producidas sintéticamente para sintetizar proteínas y lípidos; estos se ensamblaron en un virus de la poliomielitis recreado: el primer virus fabricado sintéticamente. El genoma de la cepa de influenza de 1918 responsable de la pandemia también se ensambló de esta manera.

El trabajo de Venter con M. mycoides JCVI-syn1.0 fue aclamado como un momento decisivo en la biología sintética. Hay muchas preguntas fundamentales sobre los genomas sintéticos y el trasplante de genomas que deben responderse. 5) Trasplante Pero claramente estos estudios proporcionaron una "prueba de de genoma a M. capricolum concepto" clave de que los genomas sintéticos podrían producirse, ensamblarse y trasplantarse con éxito para crear una cepa microbiana codificada por un genoma sintético y acercar a FIGURA 5.13 Construcción de una versión sintética del genoma JCVI-syn1.0 de Mycoplasma mycoides de 1,08 Mb. los científicos a la producción de nuevos genomas sintéticos que Aquí se muestra una descripción general del enfoque utilizado para incorporan genes para rasgos específicos de interés. producir M. mycoides JCVI-syn1.0.

las secuencias se clonaron en E. coli. Luego, utilizando la levadura Saccharomyces cerevisiae, ensamblaron las secuencias en 11 ensamblajes separados de 10 kb, que finalmente se combinaron para abarcar completamente el genoma completo de M. mycoides . El genoma ensamblado, llamado JCVI syn1.0, luego se trasplantó a un pariente cercano, M. capricolum, como células receptoras, lo que resultó en nuevas células con el genotipo JCVI-syn1.0 y el fenotipo de una nueva cepa de M. mycoides. JCVI determinó que las células receptoras se tomaron para convertirse en JCVI-syn.10 M. mycoides porque se demostró que expresan el gen lacZ , que se incorporó en el sintético

En los últimos años, JCVI ha seguido refinando el genoma sintético de M. mycoides para determinar el número mínimo de genes necesarios para la vida (que parece ser 473 genes). ¿Cuáles son las aplicaciones potenciales de la biotecnología microbiana de los genomas sintéticos y la biología sintética? JCVI afirma que su objetivo final es crear microorganismos que puedan usarse para sintetizar biocombustibles de tamaño. Existen muchas otras posibilidades, como la creación de microbios sintéticos con genomas diseñados para la biorremediación, la producción de combustibles alternativos, la síntesis de nuevos productos biofarmacéuticos, el desarrollo de bacterias genéticamente programadas para ayudarnos a sanar y la fabricación de “genomas protésicos”. La levadura diseñada por biología sintética ya se ha utilizado para

Machine Translated by Google 5.6 Diagnóstico microbiano

177

producir compuestos que aportan el aroma de pomelo y naranja en

porque los genomas microbianos completos se pueden secuenciar en

perfumería y cosmética. ¡Incluso hay equipos de científicos en todo el

menos de un día.

mundo que usan biología sintética para diseñar levaduras diseñadas

Muchas bases de datos de patrones de PCR y secuencias de ADN

para producir ciertos subproductos de la fermentación cuando se elabora

bacteriano están disponibles para comparar muestras. Si un médico

cerveza para producir sabores y aromas deseados!

sospecha una infección bacteriana o viral, se pueden usar muestras de sangre, saliva, heces y líquido cefalorraquídeo del paciente para aislar

Recientemente, los científicos utilizaron un enfoque de biología

patógenos bacterianos y virales. Luego, el ADN del patógeno sospechoso

sintética para modificar la levadura para producir precursores de

se aísla y se somete a PCR o secuenciación. La PCR es una herramienta

opiáceos a partir del azúcar que se pueden convertir en morfina e

importante en los laboratorios de microbiología clínica y se usa

hidrocodona, analgésicos potentes pero adictivos que se han cosechado

ampliamente para diagnosticar infecciones nasales causadas por

de las plantas de amapola durante miles de años. La levadura se diseñó

microbios como los virus de la hepatitis (A, B y C), Chlamydia trachomatis

con genes de tres amapolas diferentes. A través de este enfoque, puede

y Neisseria gonorrhoeae (ambos causantes de enfermedades de

ser posible diseñar analgésicos efectivos pero menos adictivos. A los

transmisión sexual), VIH -1, y muchas otras bacterias y virus.

expertos en políticas también les preocupa que las cepas de levadura que producen morfina puedan permitir que los fabricantes de drogas ilegales produzcan opiáceos tan fácilmente como los cerveceros caseros pueden crear cervezas artesanales. Los opiáceos derivados de levadura

Cada vez más, los métodos de secuenciación de próxima

aún no están a la venta. Pero con un mercado de opiáceos estimado en

generación (NGS) y secuenciación de tercera generación (TGS) se

más de $ 8 mil millones, hay razones para esperar que una empresa

utilizan para WGS e identificación de patógenos. WGS puede ser una

ingrese a este mercado con levadura GM que produce opiáceos. ¡Esté

forma rápida de identificar bacterias, virus u otros microorganismos

atento a las aplicaciones de la biología sintética en el futuro!

patógenos, y también es muy valioso para rastrear variaciones genéticas en microorganismos. Esto permite a los funcionarios de salud pública realizar un seguimiento de los patrones y la evolución de los microbios que causan enfermedades para ayudar a desarrollar enfoques proactivos para combatir los brotes de nuevas cepas mortales. Otra ventaja de

5.6 Diagnóstico microbiano

WGS es que, combinado con la bioinformática, también es posible identificar rápidamente muchas especies diferentes en una muestra en particular.

Los microorganismos causan una serie de enfermedades en humanos, mascotas y cultivos importantes para la agricultura. Los científicos pueden usar una variedad de técnicas moleculares para detectar y rastrear microbios, enfoques llamados diagnósticos microbianos.

Como ejemplo, NGS proporcionó una gran cantidad de datos sobre la evolución de las cepas del virus del Ébola durante el brote de 2014-2015 en África Occidental, información esencial para avanzar en el desarrollo de vacunas. Desde el primer caso hospitalizado confirmado de una mujer con ébola en Sierra Leona a fines de mayo de 2014, las

Detección y seguimiento de microorganismos causantes de enfermedades

muestras de sangre de los pacientes que dieron positivo para el ébola se enviaron a un laboratorio en Cam Bridge, Massachusetts, para su secuenciación. A mediados de junio, 149 muestras de sangre de 78

Antes del desarrollo de las técnicas de biología molecular, los

pacientes habían sido procesadas para secuenciación profunda. La

microbiólogos se basaban en pruebas bioquímicas y en el cultivo de

alineación de estas secuencias arrojó 78 casos confirmados de Ébola y

bacterias en diferentes medios de crecimiento para identificar cepas de

proporcionó 99 genomas completos. Las nuevas mutaciones se

bacterias causantes de enfermedades. Por ejemplo, cuando los médicos

asignaron a un genoma de referencia. A partir del análisis genómico, se

toman un cultivo de garganta, usan un hisopo de bacterias de la garganta

estimó que las cepas del brote actual divergieron de una versión

para verificar la presencia de Streptococcus pyogenes, una bacteria que

centroafricana del virus del Ébola hace menos de 10 años. La influenza

causa la faringitis estreptocócica. Si bien estas y otras técnicas similares

aviar, el síndrome respiratorio de Oriente Medio (MERS) y el virus del

aún tienen un lugar importante en el diagnóstico microbiano, la biología

Zika se encuentran entre otros patógenos que han sido identificados y

molecular permite la detección rápida de bacterias y virus con gran

caracterizados por WGS.

sensibilidad. El seguimiento de los microbios que causan enfermedades es muy Inicialmente, se utilizaron técnicas moleculares como el análisis de polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción (RFLP) en la

importante para la industria de servicios alimentarios. La contaminación

identificación bacteriana con fines de diagnóstico. Actualmente, la PCR

bacteriana de los alimentos es un problema importante en todo el mundo. En 2010, ocurrieron en todo el mundo 582 millones de casos de

y la secuenciación del ADN son las técnicas predominantes ampliamente

enfermedades transmitidas por alimentos debido a microbios, lo que

utilizadas (Figura 5.14).

resultó en 351 000 muertes. El norovirus fue la principal causa de

La secuenciación del genoma completo (WGS) , en particular, se está

enfermedades transmitidas por los alimentos y contribuyó a 125 millones

convirtiendo rápidamente en la herramienta para el diagnóstico microbiano

de casos, seguido por Campylobacter spp., que causó 96 millones de casos.

Machine Translated by Google 178

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

FIGURA 5.14 Uso de técnicas moleculares para identificar bacterias Hay muchas técnicas moleculares disponibles para identificar bacterias. (a) PCR tiene la ventaja de ser muy sensible; por lo tanto, se requieren pequeñas muestras y pequeñas cantidades de ADN, lo que permite una rápida identificación de un microbio. En este

Células bacterianas

Muestra a probar (por ejemplo, sangre, saliva,

ADN

comida etc)

(a) Análisis PCR

(b) Genoma completo Secuenciación ADN diana

59

ADN/ARN

ejemplo, el ADN de una muestra clínica (por ejemplo, sangre) coincide con P. aeruginosa. (b) Rutinariamente, las estrategias de secuenciación de ADN se utilizan para la identificación microbiana.

extracción

39 Objetivo

39 59

Primer 1

Primer 2 Taq polimerasa

Muestra (sitio estéril)

ADN bacteriano amplificación

Amplificación en termociclador ADN secuenciación

Electroforesis de productos de PCR

Análisis bioinformático de datos de secuencia ADN bacteriano de

ADN de P. aeruginosa

ADN de M. tuberculosis

ADN de E.coli

Marcadores de tamaño

muestra clinica

Identificación de bacterias en muestra basada en la secuencia de ADN comparación con las bases de datos del genoma microbiano

Como sabe, los microbios juegan un papel importante en la Figura 5.14. Inicialmente, PulseNet se basó en gran medida en la producción de ADN de productos lácteos como yogures y huellas dactilares, los productos pero gradualmente lácteos son susceptibles está migrando de contaminarse más quesos. Pero con métodos basados en PCR y secuenciación de ADN. inación con microorganismos pueden comparar patógenos. con unaLos base resultados de datos de para la información identificar losse microbios en la leche y se pueden usar para determinar los brotes deleche microbios y el deterioro en los alimentos de la leche. contaminados Debe decidir y la cómo calidad responder de la para que un número mínimo de personas hábilmente también haya oído hablarPulseNet de la bacteria Salmonella, que afecta a las personas. monitorea E. coli O157, puede contaminar carnes, aves y huevos. Salmo Salmonella, Shigella y Listeria, y muchas causar no nella enfermedades pueden infectar transmitidas el tracto por intestinal los alimentos, humano como y la tuberculosis. Inciden diarreas y vómitos graves, síntomas que comúnmente capítulose que cuentan, comentamos recordemos se denomina que anteriormente intoxicaciónen alimentaria. el

terapia de fagos Varias empresas han desarrollado hace poco más de 20 años después de la exitosa terapia de fagos para controlar los patógenos por los alimentos en respuesta a un brote transmitidos de carne contaminada como O157:H7 y L. monocytogenes y Salmonella . con E. coli, que afectó a más de 700 personas en los bares de ensaladas. y resultó en cuatro muertes, los Centros para Dis Microarrays se han utilizado para detectar y facilitar el Control y la Prevención (CDC) y la identificación de patógenos y para examinar el huésped USDA creó una infecciosas. red nacionalUna de laboratorios paraaplicaciones respuestas a enfermedades de las primeras que determinaron las causas de las enfermedades transmitidas por los alimentos,por llamadas cationes, fue elpermite SARS-CoV desarrollado PulseNet. PulseNet a los GeneChip, científicos crear rápidamente microarreglos pioneros en Affymetrics Inc., que contenía cerca en de una 30 000 sondasde que representan los microbios involucrados condición salud pública usando variaciones de las técnicas que se muestran en el genoma del coronavirus que causa enfermedades agudas graves.

Machine Translated by Google 5.7 Lucha contra el bioterrorismo

179

incluso la secuenciación de ARN está comenzando a reemplazar los microarrays para la detección de patógenos. En relación con esto, se desarrolló una prueba de estilo ELISA en papel de bajo N. meningitidis

SARS

E. coli

costo que detecta secuencias de ARN viral para detectar niveles bajos del virus Zika en muestras de sangre. En la siguiente sección, brindamos una breve descripción de los agentes biológicos que pueden representar una amenaza como armas y discutimos cómo se puede usar la biotecnología para detectar y combatir el bioterrorismo.

Identificar firmas de respuesta del huésped a diferentes patógenos E. coli SARS N. meningitidis

5.7 Lucha contra el bioterrorismo El bioterrorismo se define ampliamente como el uso de materiales biológicos como armas para dañar a los humanos oa los animales y plantas de los que dependemos para alimentarnos. La biotecnología, por su propia definición, está diseñada para mejorar la calidad de vida de los seres humanos y otros organismos. Desafortunadamente, el bioterrorismo representa el abuso más extremo de los organismos vivos. En las últimas décadas se han presenciado casos de usos hostiles de la biotecnología. El caso más conocido son los ataques de ántrax de 2001 en los Estados Unidos cuando cartas contaminadas con esporas de polvo seco de la bacteria Bacillus anthracis fueron enviados por correo a dos senadores, otros legisladores y miembros de la prensa (Figura 5.16a). Cinco personas murieron y 17 resultaron infectadas. El culto japonés Aum Shinrikyo también intentó varios ataques a principios de la década de 1990, pero no tuvo éxito, con fallas probables tanto en la producción como en el

FIGURA 5.15 Firmas de expresión génica de respuesta del huésped armamento de las bacterias en las que estaban trabajando para la identificación de patógenos En este modelo animal, los ratones se (Clostridium botu linum y Bacillus anthracis). infectaron con Neisseria meningitidis (la bacteria que causa la meningitis), el SARS o E. coli, y se llevó a cabo un análisis de micromatrices para examinar El bioterrorismo ha sido una preocupación legítima durante los cambios en la expresión génica. después de la infección por cada patógeno. En este ejemplo, los genes expresados activamente se muestran siglos. En el siglo XIV, los cuerpos de las víctimas de la peste como puntos claros. Observe cómo cada patógeno activa un subconjunto bubónica se utilizaron para propagar la bacteria Yersinia pestis, que específico de genes (encerrados en un círculo), creando una expresión génica causó la peste bubónica durante las guerras en Rusia y otros países de "naturaleza de firma" que los investigadores pueden usar para identificar el patógeno infeccioso.

(Figura 5.16b). Posteriormente, esto jugó un papel en la causa de la pandemia de la Peste Negra que asoló Europa. Los primeros

síndrome respiratorio (SRAS). El SARS es un virus respiratorio altamente contagioso que ha infectado aproximadamente a 10 000

colonos europeos del Nuevo Mundo contagiaron el sarampión, la viruela y la influenza a los nativos americanos. Aunque la

personas y ha matado a más de 1000 desde que se detectó por

introducción de estas enfermedades puede no haber sido

primera vez en 2002. Se han utilizado chips similares para detectar

intencional, condujo a la muerte de cientos de miles de nativos

las cepas de gripe H1N1 y H5N1. Los microarreglos también se utilizan para estudiar los cambios en la expresión génica que

americanos porque prácticamente no tenían inmunidad a estos patógenos. Entre 1990 y 1995, se liberaron aerosoles de toxinas

ocurren cuando un organismo se infecta con un patógeno (Figura

de la bacteria Clostridium botulinum en sitios concurridos en el

5.15), proporcionando una "firma" para la infección por un organismo

centro de Tokio, Japón, aunque estos intentos no provocaron infecciones.

en particular. Con estos chips, los patrones de genes que son estimulados o inhibidos por un patógeno pueden analizarse como una firma distintiva exclusiva de ese patógeno en particular. Observe cómo los tres patógenos utilizados en la figura 5.15

En las últimas décadas, han ocurrido muchos otros incidentes

estimulan diferentes conjuntos de genes en ratones. Pero aquí,

menos conocidos y, afortunadamente, fallidos en todo el mundo.

también, las técnicas WGS y

Machine Translated by Google 180

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

(a)

(b)

A pesar de que miles de organismos diferentes que infectan a los humanos son opciones potenciales como armas biológicas, la mayoría de los expertos creen que solo una docena de organismos podrían ser cultivados, refinados y utilizados en bioterrorismo (Tabla 5.5). Estos agentes incluyen Bacilo lus anthracis, el bacilo Grampositivo que causa el ántrax y virus mortales como la viruela y el Ébola. La posibilidad de que organismos desconocidos puedan usarse como armas biológicas es inquietante porque probablemente serían muy difíciles de detectar y neutralizar. Sin embargo, un microbio poco conocido probablemente sería difícil de usar como arma biológica. Como arma biológica, la viruela, que es una enfermedad causada por el virus de la viruela, es motivo de preocupación por

FIGURA 5.16 Microbios mortales como armas biológicas Las armas biológicas potenciales podrían incluir los organismos que causan el ántrax [Bacillus anthracis (a)] y la placa [Yersinia pestis (b)].

varias razones. Prácticamente todos los humanos son susceptibles a la infección de viruela porque la vacunación generalizada se detuvo hace más de 30 años. Los últimos casos confirmados de viruela se informaron en 1977 y en 1980, después de lo cual la OMS declaró que la enfermedad estaba erradicada en todo el

Microbios como armas biológicas

mundo, en gran parte gracias a las vacunas. Sin embargo, los

Nuevas cepas de patógenos infecciosos y potencialmente mortales

brotes recientes de una cepa de viruela del mono también pueden

están evolucionando todos los días en todo el mundo. La amenaza

revivir la viruela como una preocupación. Después de 2001, los

que representan estos microorganismos causantes de enfermedades,

CDC trabajaron con empresas de biotecnología para producir en

que podrían usarse como armas biológicas, puede evocar imágenes de novelas de ciencia ficción; sin embargo, el potencial

masa y almacenar suministros de vacunas contra la viruela. Vacunación obligatoria de cierto personal militar y una campaña

de un ataque de bioterrorismo es real y de gran preocupación.

voluntaria para vacunar a los trabajadores de la salud y a los socorristas más

TABLA 5.5

Armas biológicas potenciales

Agente

Amenaza de enfermedad y síntomas comunes

Bacillus anthracis (bacteria)

Ántrax. La forma de la piel (cutánea) produce lesiones en la superficie de la piel que generalmente son tratables. La inhalación de ántrax inicialmente produce síntomas similares a los de la gripe que conducen a neumonía pulmonar, que suele ser mortal.

Brucella (bacteria)

Diferentes cepas de Brucella infectan al ganado como el ganado vacuno y caprino. Pueden causar brucelosis en animales y humanos. La fiebre prolongada y el letargo son síntomas comunes. La enfermedad puede ser leve o potencialmente mortal.

Clostridium botulinum (bacteria)

Botulismo. Causada por la ingestión de alimentos contaminados con C. botulinum o sus toxinas. Son típicos diversos grados de parálisis del sistema muscular creados por las toxinas botulínicas. La parálisis respiratoria y el paro cardíaco a menudo causan la muerte.

Virus del Ébola o virus de Marburg

Ambos son virus altamente virulentos que causan fiebre hemorrágica. Los síntomas incluyen fiebre intensa, dolor muscular/articular y trastornos hemorrágicos.

Francisella tularensis (bacteria)

tularemia. La inflamación pulmonar puede causar insuficiencia respiratoria, shock y muerte.

Virus de la influenza (un grupo grande y

Influenza (gripe). La gravedad y el resultado dependen en gran medida de la cepa del virus.

altamente contagioso) Rickettsia (varias cepas de bacterias)

Diferentes cepas causan enfermedades como la fiebre maculosa de las Montañas Rocosas y el tifus.

virus de la viruela

Viruela. Escalofríos, fiebre alta, dolor de espalda, dolor de cabeza y lesiones en la piel.

Yersinia pestis (bacteria)

Peste bubónica. Fiebre alta, dolor de cabeza, hinchazón dolorosa de los ganglios linfáticos, shock, colapso circulatorio, insuficiencia orgánica y, en la mayoría de los casos, la muerte pocos días después de la infección.

Machine Translated by Google 5.7 Lucha contra el bioterrorismo

181

Experimentos e ingeniería de "ganancia de función"

TÚ DECIDES

Patógenos virales

Diversos investigadores de todo el

mundo han llevado a cabo los llamados experimentos de ganancia de función diseñados para ayudar a comprender cómo ciertos patógenos pueden volverse más

En respuesta a las preocupaciones sobre dicha investigación, en los Estados Unidos se prohibió la financiación federal para la investigación de ganancia de función que aumenta la virulencia de los virus de la influenza o los virus que causan el SARS o el síndrome

mortales y potencialmente transmisibles a los humanos. Por

respiratorio de Oriente Medio (MERS). A principios de 2018, se

ejemplo, los investigadores de la gripe en la Universidad de

levantó la prohibición, basándose en parte en estudios que

Wisconsin informaron un hallazgo muy controvertido de que habían

concluyeron que pocos estudios de ganancia de función representan

manipulado genéticamente la gripe H5N1 que resultó en la

un riesgo significativo para la salud pública. Se implementarán nuevas

transmisión por el aire entre los hurones. Recuerde que el H5N1

políticas para evaluar y aprobar la investigación sobre patógenos con

normalmente solo se transmite entre aves. El mismo grupo diseñó

potencial pandémico. Los investigadores argumentaron que los virus

H1N1 utilizando genes relacionados con los de la cepa pandémica

siempre están mutando y estudios como estos pueden ayudarnos a

de 1918. El virus diseñado era transmisible en mamíferos y más

predecir los cambios genéticos que debemos buscar para ayudarnos a combatir los brotes de enfermedades infecciosas. ¿Tienen razón

peligroso que la cepa natural de H1N1. Por lo tanto, este equipo concluyó que una gripe pandémica podría originarse potencialmente

estos investigadores? ¿Deberían imponerse restricciones sobre qué

a partir de los virus de la gripe aviar salvaje.

patógenos virales pueden o no pueden alterarse? Por ejemplo, ¿debería permitirse la ingeniería de una forma de VIH o ébola transmitida por el aire? Tú decides.

también se instituyeron las probabilidades de entrar en contacto con el virus de la viruela.

Los expertos también se preocupan por prevenir los ataques con armas biológicas que podrían causar daños severos a los cultivos, los animales destinados a la alimentación y otros suministros alimentarios (consulte la Tabla 5.6).

Objetivos del bioterrorismo

Un ataque de este tipo no solo podría afectar la salud humana, sino que este enfoque podría paralizar la economía agrícola de un país si los animales

Los expertos en antibioterrorismo esperan que los bioterroristas apunten a

destinados a la alimentación, como las vacas, estuvieran infectados. Si hubiera

ciudades o eventos donde se reúnen grandes cantidades de humanos al mismo

preocupaciones generales sobre la seguridad de la carne de res y la leche,

tiempo. Los expertos, sin embargo, han tenido un historial deficiente en la

muchos consumidores probablemente evitarían comprar estos productos por

predicción de dónde y cómo podrían ocurrir tales actos. En el mejor de los

temor a la contaminación.

casos, podemos especular que puede haber muchas formas potenciales diferentes de entregar un arma biológica para herir o matar humanos. Es más probable que los bioterroristas usen un número limitado de enfoques para

Uso de la biotecnología contra las armas biológicas

lograr resultados rápidos y efectivos. La aplicación generalizada de la mayoría

La mayoría de los países están mal preparados para los grandes brotes de

de los agentes puede ocurrir a través de algún tipo de liberación de aerosol en

enfermedades, ya sea de origen natural o provocados por un mal uso

el que se liberan pequeñas partículas del arma biológica en el aire y se inhalan.

deliberado de la biología. Se han tomado varias iniciativas para desarrollar la

El aerosol podría crearse moliendo el arma biológica en un polvo fino y produciendo una "bomba silenciosa" que liberaría una nube del arma biológica

preparación contra los ataques bioterroristas. Por ejemplo, la Agenda de

en el aire. Esta nube de aerosol sería similar a un gas, incolora, inodora e

internacionales y partes interesadas no gubernamentales para lograr objetivos

insípida.

Seguridad Sanitaria Mundial reúne a más de 50 países, organizaciones

específicos y medibles en torno a las amenazas biológicas. El Fondo de Financiamiento de Emergencia para Pandemias del Banco Mundial proporciona fondos de emergencia para evitar que los brotes de enfermedades de alta

Un ataque tan silencioso podría pasar desapercibido durante varios días. Si se

gravedad se conviertan en pandemias. Un informe de 2015 del Grupo de

exponen a un agente biológico, en los días posteriores a un ataque, algunas

Trabajo de Bioseguridad de la Asociación Interacadémica, que también es

personas pueden desarrollar síntomas tempranos, que los médicos pueden

relevante para la Convención de Armas Biológicas y Toxínicas, destacó varias

diagnosticar erróneamente, o sus síntomas pueden parecerse mucho a

áreas en las que la biotecnología ha avanzado desde 2011: comprensión de

enfermedades comunes. Mientras tanto, si el agente biológico pudiera

las enfermedades; detección de enfermedades; lanza de diagnóstico y

propagarse de humano a humano, un mayor número de personas en otros

vigilancia; prevención, mitigación y tratamiento de enfermedades mediante

estados e incluso en otros países se infectarían a medida que las personas

vacunas y medicamentos; industrialización de la biotecnología; y entrega de

infectadas viajaran de un lugar a otro y propagaran su enfermedad. Los expertos también sospechan que los agentes biológicos pueden ser

antibioterrorismo, nuevos

transportados por aviones fumigadores o diseminados en los suministros de agua.

medicamentos. Incluso con mayores presupuestos para el trabajo

Machine Translated by Google 182

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

TABLA 5.6

Patógenos biológicos potenciales para un ataque con armas biológicas a las fuentes de alimentos

Enfermedad

Objetivo/Vector

Agente

Influenza aviar

pájaros, cerdos

Virus de la influenza (ortomixovirus)

Enfermedad de pies y boca

Ganado

Virus de la fiebre aftosa

viruela caprina

ovejas, cabras

Viruela caprina y viruela ovina (Capripoxvirus)

Cólera porcino

cerdos

Virus del cólera porcino

enfermedad de Newcastle

pollos, pavos

paramixovirus

Plaga

Animales, aves, peces

Yersinia pestis (bacteria)

Rabia

Ganado

Virus de la rabia (Lyssavirus)

Cancro de los cítricos

Agrios

Xanthomonas axonopodis pv. citri (bacteria)

Tizón de la papa

Papa

Phytophthora infestans (hongo)

Explosión de arroz

Arroz

Pyricularia grisea (hongo)

Tizón de la hoja del maíz del sur

Maíz

Bipolaris maydis (hongo)

Roya del tallo de los cereales

Avena, cebada, trigo

Puccinia spp. (hongo)

enfermedades animales

enfermedades de las plantas

Zoonosis (enfermedades que pueden transmitirse de animales a humanos) Brucelosis

Ganado

Brucella melitensis (bacteria)

Ántrax cutáneo

Ganado

Bacillus anthracis (bacteria)

La encefalitis japonesa

mosquitos

virus de la encefalitis japonesa

Fuente: Gilmore RUS ¿Seguridad alimentaria bajo asedio? Nat Biotechnol. 2004; 22: 1503–1504.

leyes y tratados internacionales, ninguna medida puede garantizar que el bioterrorismo nunca ocurrirá o que podemos detectar y proteger

por el ejército de EE. UU. para detectar patógenos transportados por

adecuadamente a las personas contra la enfermedad de tal ataque si llegara a ocurrir. Los esfuerzos mundiales para prevenir el bioterrorismo son

Diseñados para su uso en entornos de laboratorio o incluso para pruebas de

esenciales, pero ¿cómo puede ayudar la biotecnología a detectar armas

completos o componentes de patógenos, como proteínas o esporas.

biológicas y responder a un ataque si ocurriera?

También se llamará a los equipos de respuesta a emergencias y de limpieza para evaluar el alcance de la contaminación y determinar

Las pruebas de campo son un paso esencial en la detección de un ataque. Algunas pruebas de campo implican pruebas basadas en anticuerpos,

el aire, como las esporas de ántrax y el virus de la viruela (Figura 5.17). diagnóstico rápido en entornos de campo, estos arreglos detectan patógenos

los procedimientos de limpieza apropiados en función del arma biológica liberada (Figura 5.18).

como los ensayos inmunoabsorbentes ligados a enzimas (ELISA), para

Si ocurre un ataque, se necesitarán medicamentos como antibióticos. Por

determinar si hay patógenos o moléculas específicas de un patógeno en una

ejemplo, el antibiótico ciprofloxacina (Cipro) tuvo una gran demanda durante

muestra de aire o agua.

las amenazas de ántrax de 2001.

Estas unidades se establecieron alrededor del Pentágono en 2001, la Guerra del Golfo y las guerras en Afganistán e Irak. Estas unidades usan anticuerpos

Los países deben acumular reservas de medicamentos y vacunas

para detectar patógenos en el aire, pero esta técnica es defectuosa porque

que puedan distribuirse ampliamente a un gran número de personas si es

muchos de estos instrumentos no son muy sensibles y no pueden detectar

necesario. El problema básico con las vacunas es que deben administrarse

pequeñas cantidades de patógenos. De hecho, se sabe que estos sensores

antes de la exposición a las armas biológicas para que sean efectivas;

detectan microbios naturales inofensivos. Por lo tanto, se deben desarrollar

dárselas a las personas infectadas después de un ataque es inútil. Sin

biosensores más sensibles y altamente específicos.

embargo, incluso los medicamentos y las vacunas pueden ser ineficaces si un ataque involucra organismos que han sido diseñados contra la mayoría de los tratamientos convencionales o si se utiliza un organismo desconocido

Las variaciones de los ensayos basados en proteínas incluyen inmunoensayos manuales rápidos y micromatrices de proteínas utilizadas

como arma biológica.

Machine Translated by Google 5.8 Microbios para hacer biocombustibles

183

Etiquetado

Proteínas

anticuerpo

en sangre fluorescentemente

Anticuerpo contra

etiquetado

una proteína de ántrax

anticuerpos

Proteína de la sangre

Punto

Anticuerpo contra el ántrax

Anticuerpo contra

Anticuerpos

una proteína de la viruela

no unidos

Leer

fluorescente que indica ese ántrax las proteínas son

presente en el muestra de sangre

anticuerpo de un proteína de la gripe

Escáner

chip de anticuerpos

1) Aplicar sangre de un paciente a un chip, o matriz, que consta de anticuerpos asignados

2) Aplicar anticuerpos marcados con fluorescencia capaz de adjuntar a un segundo sitio en el

3) Introduzca el chip en un escáner para determinar

a cuadrados específicos en una cuadrícula.

proteínas reconocibles por los anticuerpos

Cada cuadrado incluye múltiples

en el chip Si una proteína de la sangre

en el cuerpo del paciente. En esto

copias de un anticuerpo capaz de unirse a

se ha unido al chip, uno de estos anticuerpos fluorescentes se unirá a ese

caso, se muestra que el culpable

una proteína específica de un organismo y por lo tanto representa una enfermedad distintaagente causante.

proteína, encerrándola en un anticuerpo "emparedado."

qué organismo está presente

es Bacillus anthracis, la bacteria que causa ántrax.

FIGURA 5.17 Micromatrices de proteínas para detectar patógenos de armas biológicas

Una lamentable realidad es que en algún lugar de este mundo,

biodiesel, fue producido en el mismo año. La producción de

alguien puede estar trabajando para planear un ataque con armas

biocombustibles tiene el potencial de proporcionar fuentes de

biológicas. ¿Estaremos preparados?

energía alternativas y reducir el calentamiento global resultante de la quema de combustibles fósiles. Para producir etanol, los microbios que fermentan el alcohol

5.8 Microbios para hacer biocombustibles

convierten la glucosa y otros azúcares del grano en etanol, pero este proceso no es rentable ni eficiente. Se necesitan muchos

El mundo consumió más de 4,6 millones de toneladas de equivalente de petróleo por año en 2017, y solo alrededor de 84 toneladas métricas de biocombustible equivalente de petróleo, incluido el etanol y

granos de maíz para producir cantidades relativamente pequeñas de etanol. Aunque, como aprenderá en el Capítulo 6, la biomasa celulósica, como los tallos de maíz, es una fuente abundante y fácilmente disponible de azúcares para producir etanol, descomponer la glucosa de la celulosa no es un asunto simple. El truco consiste en descomponer la celulosa en moléculas individuales de glucosa, que luego se pueden usar para crear etanol mediante procesos de fermentación. La celulosa en la pared celular de la planta es algo resistente a la descomposición natural en el medio ambiente. También sabes que tú y yo no podemos digerir la celulosa; por lo tanto, aporta fibra a nuestra dieta. Algunas técnicas usan tratamientos químicos para ayudar a aflojar la estructura de la celulosa, pero estos químicos inhiben muchos microbios que podrían usarse para producir etanol.

Muchas empresas que trabajan en fuentes de energía alternativas consideran que los azúcares celulósicos para la producción de etanol son una fuente sostenible de biocombustibles FIGURA 5.18 Lucha contra el bioterrorismo Trabajadores de materiales peligrosos de la Guardia Costera de EE. UU. descontaminan a un compañero

para reducir la dependencia mundial de los combustibles fósiles. Un concepto es crear biorrefinerías en las que la biomasa sobrante de

de trabajo después de trabajar dentro del edificio de oficinas del Senado de Hart

cultivos convencionales, como cáscaras y tallos de maíz, desechos

para limpiar el edificio de esporas de ántrax durante los ataques de ántrax en 2001.

de madera como astillas, aserrín y desechos de jardín.

Machine Translated by Google 184

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

recortes— incorporaría enzimas microbianas para procesar azúcares

en el medio ambiente y reforzar la producción de oxígeno? En el

con gran eficiencia a partir de biomasa en combustibles. Los

Capítulo 9, discutiremos brevemente cómo los enfoques de

investigadores están mejorando las cepas de bacterias, como

biorremediación están investigando el uso de microbios para degradar

Zymomonas mobilis, para ayudar con este proceso.

componentes en sedimentos como una forma de generar energía.

Los genes clave que codifican las enzimas que convertirán los azúcares en etanol a tasas más altas que las levaduras pueden

No está claro si la biotecnología microbiana puede producir

haberse modificado en estas bacterias, pero su eficacia en los

biocombustibles como una solución importante a nuestros problemas

procesos de escalado para producir etanol no está probada hasta el momento.

energéticos y para ayudar a reducir nuestra dependencia de los

La tecnología de ADN recombinante se está utilizando para producir E. coli con una mayor capacidad para producir etanol, así

combustibles fósiles en el futuro. Pero se espera que la investigación en curso durante la próxima década resulte en mejoras significativas en la tecnología de biocombustibles.

como bacterias con una mayor capacidad para fermentar azúcares en etanol mediante la fermentación del alcohol. Otros han modificado genéticamente E. coli para que secrete enzimas que degradan la

HACER UNA DIFERENCIA

celulosa, y se están realizando enfoques de biología sintética para diseñar microbios con una serie de genes que pueden impulsar la

Durante más de 80 años, los antibióticos han tenido un impacto significativo

producción de enzimas involucradas en la producción de

en el tratamiento exitoso de infecciones en humanos, mascotas, ganado y

biocombustibles.

otros animales y en la limitación de la propagación de microbios infecciosos

Esto incluye microbios que pueden producir azúcares mediante la

en todo el mundo. Sin duda, los antibióticos como producto biotecnológico

fotosíntesis que luego pueden ser degradados en combustibles por

han marcado una gran diferencia en la mejora de nuestra calidad de vida

los mismos microbios modificados sintéticamente o por otros microbios.

cuando se trata de combatir enfermedades. También hay muchos ejemplos en los que el uso excesivo de antibióticos está causando problemas de

En 2017, un equipo de la Universidad de California–

salud en personas que reciben tratamientos con antibióticos a largo plazo,

Berkeley informó que al agregar una pequeña cantidad de cadmio a

y dicho uso puede dar lugar a nuevas cepas de microbios resistentes a los

una cepa de bacterias no fotosintéticas de origen natural llamada Moorella thermoacetica, las bacterias pueden producir cristales de

antibióticos. Por lo tanto, la bioprospección continúa en nuestra guerra

sulfuro de cadmio en la superficie de sus células. Sirviendo como

buscando nuevos antibióticos y otros medicamentos para combatir los

diminutos paneles solares fotosintéticos, estos cristales permiten que

patógenos microbianos.

contra la infección a medida que las empresas de biotecnología continúan

las células produzcan ácido acético (el componente principal del vinagre) a partir de dióxido de carbono, agua y luz. Estas bacterias se pueden mezclar con E. coli genéticamente modificada que puede usar ácido acético como fuente de alimento para crear butanol, un componente del líquido para encendedores, y polímeros que se pueden convertir en plásticos. En el laboratorio, estas bacterias

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

fueron mucho más efectivas para recolectar luz solar que las células vegetales. Será interesante seguir cómo avanza esta investigación en el futuro para ver si conduce al desarrollo de aplicaciones para generar biocombustibles.

1. Explique cómo la estructura de las células procariotas difiere de la estructura de las células eucariotas describiendo al menos tres diferencias estructurales. Proporcione ejemplos específicos de cómo las células procarióticas han desempeñado funciones importantes en la biotecnología.

Finalmente, se están realizando importantes esfuerzos de

2. Describir en qué se diferencian las levaduras de las bacterias y

bioprospección en todo el mundo para identificar bacterias que

Describa la(s) función(es) de la levadura en al menos dos

produzcan enzimas que podrían ayudar a procesar la biomasa en

importantes aplicaciones biotecnológicas.

combustible. Las cianobacterias, a menudo confundidas con algas

3. Varios equipos de investigación han demostrado que

debido a la forma en que crecen en el agua, producen y liberan azúcares en el agua. microbios como E. coli pueden modificarse Cuando se cultivan en las condiciones adecuadas, las cianobacterias genéticamente para producir morfina y otros analgésicos. pueden producir cantidades significativas de azúcar por litro de Si los opiáceos productores de levaduras o bacterias biomasa. Una bacteria llamada Prochlorococcus es la célula transgénicas estuvieran disponibles comercialmente, ¿qué fotosintéticamente activa más pequeña pero más abundante en el restricciones deberían existir para su uso? Explique su océano que se ha descubierto hasta la fecha. respuestas

¡Algunos estiman que este pequeño microbio representa aproximadamente el 5 por ciento de la fotosíntesis global! Las diferentes cepas de Prochlorococcus tienen unos 80.000 genes.

4. ¿Durante qué paso del cloruro de calcio

Procedimiento de transformación ¿Cómo se une el ADN

¿Qué podemos aprender de Prochlorococcus ?

a las células? ¿Qué paso en este procedimiento hace que el

que podría ser importante para reducir la contaminación por carbono

ADN entre en las células? Describa varias ventajas de

Machine Translated by Google Preguntas y actividades

electroporación sobre el procedimiento de cloruro de calcio para la transformación.

5. ¿Qué es una proteína de fusión y cómo se puede utilizar para aislar una proteína recombinante de interés?

185

14. ¿Cómo se puede utilizar la información obtenida del estudio de los genomas microbianos en la biotecnología microbiana? Proporcione tres ejemplos. ¿Qué es la metagenómica? En su respuesta proporcione un ejemplo de por qué los proyectos metagenómicos pueden ser valiosos.

6. ¿Por qué los microbios anaeróbicos son importantes para mak ing muchos alimentos?

15. ¿Por qué los experimentos del genoma sintético del JCVI se 7. Si estuvieras interesado en producir un dulce

consideran un gran avance para la biología sintética?

probando vino con bajo contenido de alcohol, explique cómo podría intentar controlar la concentración de oxígeno en su biorreactor para lograr los resultados deseados.

8. En este capítulo mencionamos la urgente necesidad de

16. Describa las posibles aplicaciones futuras de micro biotecnología biológica que pueda surgir de la biología sintética.

17. Lanzado en 2011, Global Microbial

desarrollar nuevos antibióticos con diferentes mecanismos de acción.

Identifier (www.globalmicrobialidentifier.org/) se ha convertido

Hasta el momento, se han descubierto algunas clases nuevas de

en un recurso importante. Visite el sitio web de GMI para conocer para qué se utiliza este recurso.

antibióticos y algunos de ellos se han utilizado en ensayos clínicos. Realice una búsqueda en Internet para obtener información sobre "lantibióticos" y "odilorhabdinas" y qué los hace diferentes entre sí.

18. Visite el sitio web de PulseNet International (http://www.pulsenetinternational.org/) y haga clic en “Tipificación

9. Analice las cuatro formas principales en que se pueden fabricar vacunas para combatir un virus o una bacteria, y describa cómo funciona cada vacuna. 10. Busque en el sitio web del ECDC

molecular” para conocer las técnicas de diagnóstico (p. ej., PFGE, MLVA y WGS) utilizadas para la vigilancia de enfermedades transmitidas por los alimentos. 19. Si estuviera a cargo de proteger a los ciudadanos de un ataque

(https://ecdc.europa.eu/en/home) y el sitio web de la OMS

bioterrorista, ¿qué estrategias biotecnológicas consideraría para

(http://www.who.int/) para determinar (1) qué cepas de influenza

monitorear agentes infecciosos? ¿Cree que la vacunación contra un

se recomiendan para el desarrollo de vacunas para el año, (2)

arma biológica como el virus Variola vaccinia , que causa la viruela,

cuántos tipos de vacunas contra la influenza estacional están

debería ser obligatoria para todos los ciudadanos incluso si la vacuna

disponibles en los estados miembros de la UE/EEE y (3) qué

causa efectos secundarios potencialmente mortales en algunas personas?

formulaciones de vacunas se usarán en el norte y hemisferios sur.

20. En este capítulo, cubrimos una amplia gama de temas relacionados 11. Nos hemos acostumbrado a vacunarnos contra patógenos como los que causan el sarampión y la poliomielitis. La vacuna contra la

con la biotecnología microbiana. Muchos de estos temas son controvertidos y suscitan cuestiones éticas sobre sus aplicaciones

hepatitis B es una vacuna profiláctica para prevenir una infección

en la vida cotidiana. Desde su perspectiva, describa cuáles cree

causada por el virus de la hepatitis B (VPH). Por lo tanto, la OMS

que son los tres principales temas éticamente desafiantes en

recomienda que los recién nacidos reciban una inyección de la vacuna, preferiblemente dentro de las 24 horas posteriores al

y considere cada uno de ellos desde perspectivas deontológicas y

nacimiento. Esto debe ir seguido de dos o tres dosis para completar

utilitarias.

biotecnología microbiana y por qué estos temas son controvertidos,

la serie primaria de vacunación. ¿Cree que es necesaria esta rutina de dosis al nacer de la vacunación contra la hepatitis B? Aunque la vacuna contra la hepatitis B no es costosa, ¿cree que el proceso de vacunación es rentable en países de ingresos bajos y medios?

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y

12. La mayoría de las vacunas están diseñadas para ser preventivas o profilácticas. ¿Qué significa esto? 13. ¿Cuáles son los "3 grandes" objetivos de enfermedades infecciosas para el desarrollo de vacunas?

bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

Machine Translated by Google 186

Capítulo 5 Biotecnología microbiana

Este estudio de caso se ha incluido para brindarle la oportunidad de familiarizarse con un ejemplo de investigación aplicable a este campo de estudio. Una vez que haya analizado los datos y respondido las preguntas, puede compararlas con las proporcionadas a su instructor con los materiales de texto.

CASO DE ESTUDIO Los microbios de diseño confían en los aminoácidos sintéticos Preguntas nature14095), Farren Isaacs y colegas de Yale E nUniversidad 2015 (Vayareportó a doi.org y busque 10.1038/ la producción de bacterias GM cuyo crecimiento está restringido por la expresión de diferentes aminoácidos esenciales que se derivan de aminoácidos sintéticos, no naturales. De manera similar, George Church y sus colegas de Harvard (visite doi.org y busque 10.1038/nature14121) describieron una versión GM de E. coli, también creada por genómica sintética, con un código genético reprogramado que hace que estos microbios dependan de un organismo sintético. aminoácidos. En 2017, el laboratorio de Church también describió el diseño de un genoma sintético para E. coli en el que se reemplazaron siete codones con codones alternativos sinónimos (ver Ostrov N, et al. Science. 2017;353:819–822). Estos experimentos sugieren enfoques para usar métodos de biología sintética para crear microbios GM dependientes de nutrientes artificiales.

Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com 1. Explique cómo se pueden usar estos enfoques para prevenir el escape y la replicación de microbios GM en el medio ambiente. 2. Basado en lo que sabes sobre la capacidad de microbios muten y se adapten, ¿son los enfoques de biología sintética como estos una garantía de que los microbios GM conservarán sus características de ingeniería? Explique sus respuestas. 3. Si este enfoque funciona para las bacterias, ¿hay aplicaciones potenciales para células animales y vegetales? 4. ¿Puedes pensar en posibles preocupaciones sobre este enfoque para crear microbios GM? Explique su respuestas

Revise estos documentos y considere lo siguiente.

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CAPÍTULO SEIS

Biotecnología Vegetal Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿÿ Describir el impacto de la biotecnología en la producción de cultivos agrícolas. ÿÿ Resuma cómo la biotecnología vegetal podría reducir el hambre y la desnutrición en todo el mundo. ÿÿ Explicar algunas ventajas de utilizar la ingeniería genética para mejorar las plantas.

ÿÿ Enumerar y describir varios métodos utilizados en la ingeniería genética de plantas.

ÿÿ Describir el uso del plásmido Ti de Agrobacterium como gen vector. Clonación de plantas para evaluación de características

ÿÿ Explicar el valor de usar pilas de genes en el desarrollo de nuevas variedades de plantas. ÿÿ Explicar cómo la eliminación de genes ha Aprobación acelerada de nuevas obtenciones vegetales.

ÿÿ Describa algunas de las controversias en el etiquetado de alimentos genéticamente modificados.

ÿÿ Enumere algunas oportunidades para usar la biotecnología vegetal para producir fármacos proteicos. ÿÿ Enumerar los impactos ambientales, tanto positivos como negativos, de las plantas mejoradas biotecnológicamente.

187

Machine Translated by Google 188

Capítulo 6 Biotecnología Vegetal

En los últimos 40 años, la población mundial ha casi se duplicó, mientras que la cantidad de tierra disponible para la agricultura aumentó apenas un 10 por ciento. Sin embargo, todavía vivimos en un mundo de abundancia comparativa. De hecho, la producción mundial de alimentos por persona ha aumentado un 25 % en los últimos 40 años. ¿Cómo ha sido posible alimentar a tanta gente con sólo un aumento marginal de la tierra disponible? Parte de la respuesta está en los fertilizantes, los pesticidas, el riego y otros elementos de la agricultura moderna:

Sobre

tecnologías que aportan grandes beneficios pero que también suponen riesgos para el medio ambiente. La productividad agrícola contribuyó con aproximadamente el 24 por ciento de las emisiones globales de gases de efecto invernadero según las últimas cifras. La agricultura utiliza el 70 por ciento del agua dulce mundial, y la escorrentía de fertilizantes y pesticidas de las granjas contribuye a la contaminación de los suministros de agua y las zonas costeras.

se puede cultivar con menos uso de pesticidas y fertilizantes y una menor demanda de agua y combustibles fósiles. Sin embargo, el poder y la novedad de estas técnicas plantean preocupaciones de que podrían ser mal utilizadas o tener consecuencias no deseadas.

En este capítulo, examinaremos algunas de las biotecnologías clave utilizadas en la agricultura y veremos cómo se aplican. Luego analizaremos las preocupaciones que han planteado y las estructuras regulatorias que existen para evitar consecuencias no deseadas.

PRONÓSTICO DEL FUTURO Desde principios de la década de 1990, algunas empresas de biotecnología han propuesto utilizar plantas de cultivo como fábricas en miniatura para producir proteínas farmacéuticas, incluidas vacunas.

áreas

Las vacunas tradicionales deben crearse en instalaciones farmacéuticas La otra mitad de la historia es, simplemente, que las plantas de cultivo actuales son mejores que las de sus antepasados: más

de alta tecnología, y muchas vacunas requieren refrigeración continua y deben administrarse mediante inyección.

productivas, más resistentes a las enfermedades y capaces de crecer

Por el contrario, una vacuna a base de plantas podría cultivarse de

en una gama más amplia de condiciones. Estos avances se lograron en

forma económica en un campo o invernadero cerca de donde se

parte a través de la cría selectiva convencional, pero cada vez más este

necesita. Administrar la vacuna podría ser tan simple como darle al

proceso es instigado y acelerado por la biotecnología. Figura 6.1

receptor una cápsula que contenga hojas secas y molidas, o incluso una

fruta o verdura para comer. La necesidad de vacunas económicas que muestra el crecimiento constante en el área total plantada no requieran refrigeración fue expresada por primera vez por la en cultivos biotecnológicos. A medida que la población Organización Mundial de la Salud a principios de la década de 1990 y mundial sigue aumentando, es probable que dependamos ha resultado en estudios de vacunas cultivadas en plátanos, papas, cada vez más de las técnicas de bioingeniería. Usadas bien, tomates, arroz, trigo, soya, maíz y tabaco. estas técnicas pueden producir plantas que son más nutritivas y que

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20

Países con cultivos biotecnológicos (28)

Hectáreas totales 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

FIGURA 6.1 Área mundial de cultivos biotecnológicos en millones de hectáreas (1996-2015) Desde 1996, 2 mil millones de hectáreas de tierra cultivable, un área de más del doble del tamaño de China o los Estados Unidos, se han sembrado con cultivos biotecnológicos, según Crop Biotech Update Special Edition 13, abril de 2016, www.isaaa.org/kc/cropbiotechupdate.

Machine Translated by Google 6.1 Usos de la biotecnología para mejorar la cría selectiva

Al momento de escribir este artículo, una vacuna contra la influenza (gripe) producida por plantas de tabaco modificadas

189

crecer, se puede tomar una pequeña muestra de tejido de cada uno de ellos y analizar la presencia de marcadores heredados con los

genéticamente se encuentra en ensayos clínicos de fase III. Es muy

alelos para la calidad de la fruta y la resistencia a enfermedades.

posible que su próxima vacuna contra la gripe provenga de esta fuente.

Es casi seguro que una plántula que tiene estos marcadores también

Es necesario asegurarse de que las plantas diseñadas para

ha heredado los alelos deseados. Estas plántulas se pueden

producir medicamentos o vacunas no ingresen al suministro de

seleccionar y cultivar, mientras que el resto se descarta. Esta técnica

alimentos ni transmitan sus genes a los cultivos alimentarios, por lo que estas plantas generalmente deben cultivarse en invernaderos o

de selección asistida por marcadores también se puede utilizar para seleccionar rasgos que son difíciles de medir o que exhiben baja

en campos sujetos a protocolos de aislamiento. El tabaco tiene la

heredabilidad.

ventaja de ser una planta no alimenticia y, por lo tanto, es poco probable que contamine el suministro de alimentos.

Cría de mutaciones

6.1 Usos de la Biotecnología para

están disponibles en la especie de interés o en parientes cercanos con los que puede cruzarse. Por ejemplo, Luther Burbank no pudo

La cría selectiva convencional puede funcionar solo con rasgos que

Mejorar la cría selectiva

obtener una zarzamora blanca hasta que obtuvo una cepa silvestre mutante que tuviera bayas pálidas (junto con la fruta pequeña y ácida

Los seres humanos se han involucrado en la reproducción selectiva desde que domesticamos las plantas por primera vez. Al principio, esto consistía simplemente en plantar semillas de plantas con características deseables. Luego, armados con una comprensión cada vez más sofisticada de la herencia y la genética, aprendimos a cruzar diferentes líneas para crear plantas con las mejores características de ambas. Sin embargo, este proceso de reproducción selectiva convencional siguió siendo lento, impredecible y laborioso. El famoso criador de plantas Luther Burbank creó una zarzamora blanca pura, pero a costa de 65 000 cruces fallidos. El problema es particularmente grave para los cultivos arbóreos: la descendencia de un solo cruce puede tardar años (y acres) en madurar y dar frutos, pero una nueva enfermedad de rápida evolución puede causar una rápida devastación.

típica de una planta silvestre). Sin embargo, tales mutaciones espontáneas son raras. Para crear muchos mutantes y así aumentar el conjunto de características disponibles, los mejoradores pueden realizar la reproducción por mutación, el proceso de exponer semillas a sustancias químicas o radiación que causan mutaciones. La mayoría de los mutantes resultantes no serán interesantes, pero algunos pueden tener características útiles, como un nuevo color de fruta o semillas más grandes. Desde 1930 hasta 2014 se liberaron más de 3.200 plantas que tenían mutagénesis en su fondo. Las plantas de cultivo representan el 75 por ciento de las especies derivadas de mutaciones y el 25 por ciento restante son plantas ornamentales o decorativas. Por ejemplo, casi todos los pomelos rojos que compramos en la tienda hoy en día fueron producidos por este proceso.

En las últimas décadas, las técnicas de la biotecnología han revolucionado la cría selectiva, haciéndola mucho más rápida y eficiente. Las siguientes secciones examinan algunas de estas técnicas.

Fusión de protoplastos Ocasionalmente, en la naturaleza, dos plantas se reproducen de tal manera que la descendencia hereda el genoma diploide completo de

Selección asistida por marcador

cada padre. Este proceso puede permitir que las plantas que normalmente no se cruzarían entre sí produzcan una descendencia

En el fitomejoramiento convencional, la única forma de saber si un cruce había funcionado era esperar a la descendencia o, en el caso

padres. Como ejemplo, el trigo moderno se deriva de dos de estos

de un rasgo recesivo, a su descendencia.

cruces espontáneos, que combinaron sucesivamente los genomas de

descendencia—para madurar lo suficiente como para exhibir el rasgo

tres especies de pastos silvestres.

fértil, y la descendencia suele ser más grande y más vigorosa que los

en cuestión. Una técnica conocida como selección asistida por marcadores, o MAS, puede acortar este proceso. El primer paso es identificar las variantes genéticas que están

Este raro proceso espontáneo se puede duplicar en el laboratorio a través de una técnica llamada fusión de protoplastos,

asociadas con los rasgos deseados, como la productividad o la

se muestra en la Figura 6.2. Esta técnica comienza con la creación

resistencia a enfermedades. A continuación, se identifican los

de un callo, una masa de células que crece sobre el sitio de una

marcadores genéticos ubicados cerca de estos alelos. A diferencia

herida en las plantas. Estas células tienen la capacidad de formar

de los genes, estos marcadores, que son secuencias cortas de ADN,

una nueva planta completa si se cultivan adecuadamente. (Si alguna

se pueden identificar de forma rápida y económica.

vez ha enraizado un esqueje, ha aprovechado esta habilidad). Como

Suponga que un cruce entre dos árboles frutales, uno con buena

todas las células vegetales, las células callosas están rodeadas por

fruta y el otro con un rasgo de resistencia a enfermedades, ha

una gruesa pared celular hecha de celulosa. Por suerte, la pared

producido una gran cantidad de plántulas. En lugar de plantar todas

celular se puede disolver con la enzima celulasa, dejando una célula

las plántulas y esperar mientras

desnuda llamada protoplasto. Eso

Machine Translated by Google 190

Capítulo 6 Biotecnología Vegetal

6.2 Ingeniería genética de plantas Ahora pasaremos a las técnicas que manipulan directamente el genoma

Callo

de la planta. La mayoría de estas técnicas insertan nuevos genes en la planta objetivo, creando una planta transgénica. Este proceso se llama transformación de la planta. La transformación de Tratar las células de los callos

plantas puede lograr resultados que son imposibles con los métodos de

con celulasa

protoplastos

reproducción convencionales, como la introducción de genes bacterianos fusión protoplasto células

para la resistencia a plagas, o la ingeniería de una planta de cultivo para que sea resistente a los herbicidas. el 83 por ciento de la producción mundial de soja, 75 por ciento

restos de la pared celular

Protoplastos de cultivo e inducir la fusión

de algodón, y el 29 por ciento del maíz son modificados genéticamente. Entre los países que producen cultivos transgénicos, EE. UU. (70,9 Mha), Brasil (44,2 Mha), Argentina (24,5 Mha), India (11,6 Mha) y Canadá (11

Agar con nutrientes

Mha) son los mayores usuarios. La Tabla 6.1 enumera los cultivos

Transferir a disparar

genéticamente modificados actuales.

medio estimulante

Uso de Agrobacterium para insertar genes Una de las principales formas en que los genes se insertan en las plantas Transferir a medio estimulante de raíces

es mediante el uso de una bacteria del suelo llamada Agrobacterium tumefaciens (recientemente reclasificada como Rhizobium radiobacter por análisis genómico, pero el nombre Agrobacterium todavía es de uso

Cultura caja

común). En la naturaleza, esta bacteria se gana la vida entrando en una planta a través de una herida e insertando ADN en las células de la planta. Este ADN se integra en los cromosomas de la célula y luego dirige la célula Transferir al suelo y crecer

para que prolifere en un tumor que alberga y alimenta a las bacterias. Los tumores se conocen como agallas de la corona (ver Figura 6.3). Específicamente, A. tumefaciens infecta la célula vegetal por medio de un

Diseñado planta

gran plásmido circular de ADN de doble cadena, que se conoce como plásmido Ti (de “inductor de tumores”). La porción del plásmido Ti que se integra en el ADN cromosómico de la planta se llama T-DNA.

Para usar Agrobacterium para la ingeniería genética, el T-DNA se modifica eliminando los genes que causan la formación de tumores y

FIGURA 6.2 Fusión de protoplastos y regeneración de una planta híbrida Los protoplastos se crean al digerir la pared celular con la enzima celulasa. Para crear una planta híbrida, los protoplastos de diferentes plantas se fusionan cultivándolos en un medio estéril con hormonas vegetales para estimular el crecimiento y el desarrollo.

reemplazándolos con los genes que se insertarán en la planta.

La técnica del fragmento de hoja Para utilizar el ADN transferido (T-DNA), los investigadores pueden emplear la técnica del fragmento de hoja. En este método, pequeños discos cortados de una hoja se cultivan brevemente en un medio que contiene

también es posible partir de un cultivo de células vegetales que ha sido

Agrobac terium modificado genéticamente, como se muestra en la Figura

denudado y esterilizado. En el cultivo celular, el protoplasto se puede

6.4. El plásmido Ti ha sido desarmado de genes tumorales y se han

fusionar con otro protoplasto de una planta diferente, creando una célula

insertado genes clonados. Durante esta exposición, el ADN del plásmido

fusionada que puede convertirse en una planta híbrida. La fusión de

Ti puede integrarse en el ADN de la célula huésped.

protoplastos se ha utilizado para crear broccoflower, una fusión de brócoli y coliflor.

Luego, los discos de las hojas se tratan con hormonas vegetales para

También se ha utilizado para combinar diferentes especies de trigo y para

estimular el desarrollo de brotes y raíces antes de que las nuevas plantas

combatir la enfermedad del enrollamiento de la hoja de la papa.

se coloquen en el suelo.

Machine Translated by Google 6.2 Ingeniería genética de plantas

CUADRO 6.1

191

Cultivos Genéticamente Modificados Actuales Fecha de introducción;

Cultivo

Alfalfa

Rasgos

Modificación genética

Resistencia a glifosato o glufosinato

Genes agregados

(resistencia a herbicidas)

Porcentaje del cultivo total cultivado Plantado en EE. UU. 2005–2007; desregulado 2011

Canola/colza

Resistencia a herbicidas

Genes agregados

Maíz

Resistencia a herbicidas; Bt (resistencia

Genes agregados

a insectos); amilasa añadida para la

2005; 21–87% 2013 herbicidas; 2013 genes apilados; 26–85%

producción de etanol (biocombustible) Algodón (aceite de semilla de algodón) Resistencia a herbicidas e insectos Genes añadidos

2013 herbicida; 2013 Bt; 2013; genes apilados 49–80% 1998; 80%

papaya (hawaiana)

Resistencia al virus de la mancha anular de la papaya Genes añadidos

patata (comida)

Patata innata: menos acrilamida y magulladuras

interferencia de ARN

2015; 0%

Almidón de patata)

Mejor producción de almidón

modificación genética

2018; 0%

soja

Menos grasas saturadas; resistencia a insectos

gen knockout; bt

2013; 77–90%

calabacín, pepino

Resistencia a los virus del mosaico amarillo

Se agregaron genes de

2005; 13%

Resistencia a herbicidas

Genes agregados

Remolacha azucarera

proteína de cubierta de virus

2010–11 regulado; 2012 desregulado; 59%

Caña de azúcar

resistencia a insectos; aumento de azúcar Genes agregados

No reportado

Pimientos dulces

Resistencia al mosaico del pepino

Se agregaron genes de

Pequeña cantidad cultivada en China

virus

proteína de cubierta de virus

Tomates

supresión del gen PG

gen antisentido

Pequeña cantidad cultivada en China

Trigo

Resistencia a herbicidas

Genes agregados

Desconocido

manzanas árticas

No dorado

Genes eliminados

2017; % no medido

Berenjena

Flavonoides reducidos

Genes eliminados

2017; % no medido

Champiñón blanco

No dorado

Genes eliminados

2017; % no medido

Fuente: “Resumen ejecutivo: Situación mundial de los cultivos transgénicos/biotecnológicos comercializados: 2014—Resumen de la ISAA 49-s2014 | ISAAA.org” y https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jafc.7b05617, marzo

Pistolas de genes

descubrió que puede usar una pistola genética para transformar casi cualquier variedad de maíz, una planta que había sido un desafío transformar por otros métodos.

Otra forma de introducir ADN en una célula vegetal es con una pistola de genes. Como se muestra en la figura 6.5, una pistola de genes dispara diminutos gránulos de oro o tungsteno recubiertos de ADN directamente en las células vegetales. Una Ingeniería de cloroplastos vez en la célula, el ADN se separa del metal y puede integrarse Las células vegetales contienen cloroplastos, los orgánulos en el ADN de la célula. Este método es particularmente útil para responsables de la fotosíntesis. Los cloroplastos contienen su las monocotiledóneas (plantas con flores cuyas semillas propio ADN, que codifica algunas de sus proteínas. El ADN del normalmente contienen solo una hoja embrionaria o cotiledón), cloroplasto puede ser un objetivo tentador para los bioingenieros como el trigo o el maíz, para las cuales la transformación usando Agrobacterium (ver Figura 6.6). Este ADN puede aceptar varias ha tenido menos éxito. DuPont Pioneer recientemente

Machine Translated by Google 192

Capítulo 6 Biotecnología Vegetal

Cultivar brevemente fragmentos de hojas en plantas modificadas genéticamente

Herida

plásmido ti (TDNA)

agrobacteria infectar herida

Agrobacterium y seleccione para células transformadas usando medios selectivos

hacer hoja

discos

Cromosómico ADN Corona

agrobacteria

tumor biliar

célula

Transferir a medio cultural

Célula vegetal

Núcleo

Transferir a disparar medio estimulante TDNA integra en el genoma de la planta

FIGURA 6.3 Proceso de formación de agallas en la corona El plásmido Ti de Agrobacterium causa “agallas en la corona” en plantas susceptibles. A través de la ingeniería genética, es posible silenciar los genes inductores de tumores e insertar genes deseables en el plásmido, convirtiéndolo en un vector para la transferencia de genes.

nuevos genes a la vez. Además, un alto porcentaje de genes insertados en el cloroplasto permanecerán activos cuando la planta madure, lo que no siempre es el caso de los genes insertados en el ADN nuclear. Otra ventaja es que el polen carece de cloroplastos, por lo que el ADN de los cloroplastos no puede transferirse a través del polen a otras plantas de cultivo. Además, tanto los genomas nucleares como los de cloroplastos pueden modificarse con varios genes a la vez. Quedan varios desafíos, incluida la regulación de genes y los efectos no deseados fuera del objetivo. Se espera que la transformación de cloroplastos ofrezca ventajas únicas en varias aplicaciones, incluida la producción de enzimas industriales, biocombustibles y biomateriales, así como la producción de antibióticos, vacunas y otros medicamentos. La transformación de cloroplastos se ha logrado en tabaco, lechuga, Arabidopsis (una mostaza), tomate, zanahoria, patata de colza, col, algodón, petunia, soja, caña de azúcar, remolacha azucarera, arroz, berenjena, coliflor y álamo.

Inactivación de genes usando CRISPR-Cas Tecnología La tecnología CRISPR-Cas se puede utilizar para eliminar un gen de una célula con gran precisión. En algunos casos, este es un efecto deseado. Por ejemplo, la inactivación de los genes que codifican la polifenol oxidasa (PPO), una enzima que causa el oscurecimiento, puede producir champiñones que no se oscurecen, lo que mejora la vida útil y permite la cosecha mecánica automatizada. Además, muchos países, empezando por la Unión Europea (UE) en 2015, han decidido que una planta en

Aparecen brotes Transferir a un medio inductor de raíces

Aparecen raíces

Transferir a tierra y crecer

Diseñado planta

FIGURA 6.4 Transferencia de plásmido Ti modificado genéticamente a plantas susceptibles a través del cultivo de tejidos Los plásmidos Ti de Agrobacterium, modificados genéticamente para contener nuevos genes, pueden cultivarse con fragmentos de hojas en un medio estéril y estimularse para que crezcan en embriones de plantas que pueden regenerarse en plantas modificadas .

que un gen existente ha sido eliminado mediante ingeniería genética no se incluye en la definición de un organismo modificado genéticamente (OMG). Esto significa que estas plantas se pueden cultivar sin restricciones y ha llevado al rápido desarrollo de nuevas variedades en la UE. En EE. UU., Canadá, Brasil y varios otros países, las plantas editadas con CRISPR-Cas9, como el maíz ceroso y los champiñones blancos, no se tratan legalmente como plantas modificadas genéticamente porque esas plantas se han transformado inactivando o alterando genes, no por introducir genes foráneos de otros organismos. Por el contrario, el tribunal supremo de Europa dictaminó en julio de 2018 que los cultivos modificados genéticamente deberían estar sujetos a las mismas normas estrictas que los modificados genéticamente convencionales. Esta ley dificulta el desarrollo de cultivos transgénicos para alimentos.

Machine Translated by Google 193

6.2 Ingeniería genética de plantas

(b)

(a)

Promotor de

Gen clonado

expresión vegetal

Bacteriano secuencias 1 milímetro

Tungsteno

Precipitado ADN en

micropartículas

partículas

Cargar en pistola de partículas

Respiraderos

Carga en blanco

retener lámina Células objetivo

o tejido Percutor

Bala de plástico (macroproyectil)

Partículas

Barril al vacío

y cámara celular

Dispara partículas en células vegetales

vacuola

Citoplasma Núcleo Placa sobre filtro

Pared celular

Micropartículas entrar en las celdas

y selecciona para marcador

FIGURA 6.5 Pistolas de genes (a) Una pistola de genes. (b) Las “balas” de la pistola son perlas de oro o tungsteno de 1 micrómetro de diámetro, que están recubiertas de ADN y disparadas a una velocidad de unos 430 metros por segundo. Los objetivos pueden incluir suspensiones de células embrionarias, hojas intactas y semillas blandas. Las células transformadas de este proceso están rodeadas por masas de células no transformadas. Por lo tanto, los genes marcadores seleccionables (generalmente genes de resistencia a antibióticos o herbicidas) se incluyen en los vectores de transformación. Esto permite realizar la selección después de la transformación. Después de la selección de la planta, sobrevive un grupo de células transformadas (callos), y luego debe regenerarse con medios de inducción de brotes y raíces.

Un equipo de científicos de la Universidad de Purdue y la Academia de Ciencias de China ha desarrollado una variedad de

Tecnología antisentido

arroz manipulada genéticamente que no habría sido posible crear a

Los tomates frescos son rojos, jugosos y sabrosos, y extremadamente

través de métodos de cultivo tradicionales.

perecederos. Cuando se recogen maduros, la mayoría de los

La variedad produjo un 25 por ciento más de grano en una prueba

tomates se convierten en papilla en cuestión de días. Pero el tomate

de campo en Shanghái y un 31 por ciento más en una prueba de campo realizada en la isla china de Hainan. La FDA, en 2015,

y disponible brevemente en las tiendas, permaneció maduro y fresco

también aprobó nuevas variedades de manzanas (manzanas árticas)

durante semanas. Fue creado con tecnología antisentido en la que un

y papas diseñadas por CRISPR (que son resistentes al oscurecimiento y contienen menos asparagina).

Flavr Savr, introducido en 1994 después de años de experimentación

Machine Translated by Google 194

Capítulo 6 Biotecnología Vegetal

Plásmido Ti diseñado llora2aa2 operón

de Agrobacterium 16S-39 trn 1

muyA

prrn

PG ARNm normal

de 1

orf 2 psbA39 Cry2Aa2 trn A

(sentido)

Tomate normal

Proteína

Tomate en descomposición natural por PG

gen PG

Mediada por Agrobacterium Transferencia de ADN a la planta

plásmido de cloroplasto con gen insertado Sentido de ARNm

cloroplasto

PG Expresado proteína Célula vegetal

Citoplasma

transgénico tomate

ARNm antisentido

Complementario ARNm

pared

FIGURA 6.6 Ingeniería genética del cloroplasto Los transgenes se pueden insertar en el ADN del cloroplasto, a diferencia del ADN nuclear. Hacerlo ofrece varias ventajas.

Sintético antisentido

Tomate maduro

gene

(sin pudrirse durante aproximadamente 3 semanas)

Se inserta en la planta una copia complementaria de un gen existente. Tanto la versión normal (“sentido”) como la complementaria (“antisentido”) del gen se transcriben en ARN mensajero (ARNm), pero luego las dos moléculas se unen, evitando que el gen se traduzca en proteína. En el tomate Flavr Savr, se utilizó tecnología antisentido para evitar que la fruta madura produzca la enzima poligalacturonasa, que digiere la pectina en las paredes celulares de la fruta y, por lo tanto, hace que la fruta se

FIGURA 6.7 Silenciamiento de genes usando ARN antisentido para producir tomates Flavr-Savr Los tomates Flavr Savr con ablandamiento reducido se produjeron aislando primero el gen que codifica la poligalacturonasa (PG), creando una versión complementaria (ADN de doble cadena) e insertando esta versión en la planta. Las plantas con ambos genes producen ARNm normal (sentido) y complementario (antisentido). Estas moléculas se alinean y se unen entre sí, cancelando la producción de la enzima PG. Esto retarda el proceso de pudrición y produce un tomate que durará unas 3 semanas después de la maduración.

ablande rápidamente (consulte la Figura 6.7). El tomate Flavr Savr fue el primer alimento genéticamente modificado aprobado por la FDA, y aunque no fue un éxito económico, hoy en día se encuentran comúnmente en el mercado otras variedades de alimentos genéticamente modificados creados por tecnología antisentido. Tolerante a herbicidas

resistente a los insectos

línea (gen Cry1Ab)

Apilamiento de genes

3

línea (gen EPSPS)

Tanto para los fitomejoradores convencionales como para los ingenieros genéticos, el objetivo suele ser mover más de un gen deseado a una planta, por ejemplo, dos genes de resistencia a enfermedades de parientes silvestres, o genes de resistencia a plagas y resistencia a herbicidas de diferentes líneas modificadas (Figura 6.8). . Estas combinaciones de resistente a los insectos y dos o más genes insertados se denominan pilas de genes. tolerante a herbicidas Una forma común de apilar genes es cruzar líneas parentales híbrido en las que cada una tenga uno de los genes y luego (Cry1Ab 1 EPSPS) seleccionar descendientes que hereden ambos. Este proceso se llama apilamiento híbrido. Si las plantas progenitoras que contienen los genes ya han sido aprobadas para uso comercial por las agencias reguladoras, la descendencia del apilamiento FIGURA 6.8 Creación de una pila de genes En este caso, la pila de híbridos heredará esa aprobación. En consecuencia, la de genes se crea a través de la reproducción selectiva convencional a mayoría de las pilas biotecnológicas disponibles en el mercado partir de dos líneas en las que los genes se insertaron mediante ingeniería genética. (incluidas las pilas triples y cuádruples) son productos de pilas híbridas en serie.

Machine Translated by Google 6.3 Aplicaciones prácticas

Otra forma de apilar genes, denominada apilamiento molecular, es

195

Virus del mosaico del tabaco

introducirlos mediante ingeniería genética, ya sea de forma simultánea o

molécula de ARN

secuencial. Aproximadamente 51 millones de hectáreas de cultivos transgénicos

subunidad proteica del pelaje

apilados se plantaron en 2014 en 13 países diferentes. Esto representa el 28 1) ARN de la cubierta del virus convertido en ADNc e

por ciento de los 181 millones de hectáreas de cultivos transgénicos plantados

insertado en el plásmido Ti

en todo el mundo.

Promotor ADN para

6.3 Aplicaciones prácticas

capa de virus Gen antibiótico para la selección en células vegetales

Proteger las plantas de virus, insectos y malas hierbas mientras se mejoran sus propiedades nutricionales es el objetivo de los productores comerciales, y la

2) Transferencia al vector Agrobacterium

biotecnología ha ofrecido algunas herramientas poderosas para ayudar a los productores.

Proteger las plantas de los virus Las plantas de cultivo son vulnerables a una amplia gama de virus de plantas. Las infecciones pueden conducir a tasas de crecimiento reducidas, bajos

Célula vegetal

rendimientos de los cultivos y baja calidad de los cultivos. Afortunadamente, los agricultores pueden proteger sus cultivos mediante el uso de partículas similares a virus para estimular las defensas naturales de una planta contra las enfermedades. Estas “vacunas vegetales” consisten en versiones inactivadas o parciales del virus vegetal. Activan la versión de la planta de un sistema inmunológico,

Plásmido de ADN Ti que lleva un

haciendo que la planta sea resistente al virus real, algo similar a cómo funcionan

nuevo gen dentro del cromosoma

las vacunas para los humanos. Por ejemplo, los investigadores han insertado

de la planta

transformado células vegetales cultivadas en cultivo

un gen del virus del mosaico del tabaco (TMV) en plantas de tabaco. El gen produce una proteína que se encuentra en la superficie del virus, que activa el sistema inmunológico de la planta.

Planta regenerada

Esta protección de la cubierta viral surge del silenciamiento por ARN de

3) Agregar virus a las hojas

los ARNm virales. Las plantas de tabaco con este gen son inmunes a la infección por el virus del mosaico del tabaco (ver Figura 6.9). Las vacunas vegetales han demostrado su eficacia en una amplia

Planta transgénica

planta de control

regenerada que expresa

variedad de cultivos. Como otro ejemplo, la industria de la papaya en Hawái fue devastada por el virus de la mancha anular de la papaya. A partir de 1984,

proteína

investigadores de la Universidad de Cornell y la Universidad de Hawái trabajaron para desarrollar una variedad resistente a este virus, llamada papaya Rainbow. A los 4 años de su introducción comercial en 1998, esta variedad no solo detuvo el declive de la industria de la papaya en Hawái, sino que también devolvió la

La hoja vive

producción a casi sus niveles previos a la aparición de la mancha.

Hoja de control destruida

FIGURA 6.9 Protección contra virus para plantas Los

Pesticidas Genéticos Durante los últimos 50 años, los agricultores han confiado en un plaguicida bacteriano natural para evitar que los insectos dañen los cultivos.

investigadores han insertado un gen del virus del mosaico del tabaco (TMV) en plantas de tabaco. El gen produce una proteína que se encuentra en la superficie del virus y que activa el sistema inmunológico de la planta. Las plantas de tabaco con este gen son inmunes a la infección por el virus del mosaico del tabaco.

La bacteria Bacillus thuringiensis (Bt) produce una familia de proteínas cristalizadas, llamadas Cry, que mata insectos dañinos y sus larvas. Se ha estudiado la estructura molecular de al menos tres proteínas Cry.

(incluidos los humanos) y a las aves; de hecho, solo pueden funcionar en el ambiente alcalino del intestino del insecto; el ambiente ácido de nuestro intestino los destruye.

Cuando una larva de insecto susceptible consume un cristal de proteína Cry

En el pasado, la única forma de utilizar las toxinas Bt como plaguicidas

mientras come una planta, el cristal se disuelve en el intestino medio del insecto

era rociarlas sobre los cultivos, donde corrían el riesgo de ser arrastradas por

y las moléculas de proteína atacan y matan las células intestinales, provocando

la lluvia o inactivadas por la luz solar. Más recientemente, la ingeniería genética

la muerte del insecto (Figura 6.10). Estas proteínas son inofensivas para los

se ha utilizado para insertar Cry

mamíferos.

genes directamente en las plantas, para que las plantas hagan sus

Machine Translated by Google 196

Capítulo 6 Biotecnología Vegetal

supervivencia. A través de la bioingeniería, los científicos han creado cultivos transgénicos que producen una enzima alternativa que no se ve afectada por el glifosfato, lo que significa que las malezas son susceptibles mientras que las plantas deseables no lo son (consulte la Figura 6.11). La enzima atacada por el glifosato no toxina bt (Llorar proteína)

está presente en los animales. El glifosato se degrada fácilmente por los microorganismos del

La proteína Cry se adhiere a la

suelo. Tanto el glifosato como el AMPA (ácido aminometilfosfónico),

pared intestinal del insecto, la rompe y

su producto de descomposición, se adsorben fuertemente en las

causa la muerte.

partículas del suelo, lo que significa que es poco probable que pasen a las aguas subterráneas. En el suelo de un campo típico, el glifosato tiene una vida media de unos 47 días. Un problema que ha ocurrido es la deriva del herbicida rociado hacia áreas adyacentes; se está trabajando para abordar este problema.

glufosinato La larva del insecto come una planta que ha sido rociada con Bt o modificada para producir su propia toxina Bt

El glufosinato es un herbicida que actúa interfiriendo con la síntesis del aminoácido glutamina y con la desintoxicación del amoníaco. Se han diseñado plantas para resistir este herbicida mediante el uso de un gen aislado primero de la bacteria Streptomyces . Los cultivos que son resistentes al herbicida glufosinato han sido diseñados para resistir a múltiples herbicidas, lo que permite a los productores usar

FIGURA 6.10 Cómo funciona la toxina Bt Cuando el insecto ingiere la proteína Cry (toxina Bt), las enzimas digestivas del insecto descomponen la proteína en dos porciones, una de las cuales ataca y destruye la pared intestinal del insecto, causándole la muerte.

un grupo mixto de dos a cuatro productos químicos diferentes que combaten la resistencia a los herbicidas.

2-4D y dicamba Dow AgroSciences ha solicitado la aprobación de semillas resistentes pesticidas propios. El tabaco, los tomates, el maíz y el algodón han sido

al quizalofop 2-4D (un herbicida para gramíneas) y al glufosinato.

diseñados de esta manera. De hecho, la mayoría de las semillas de

Además, Monsanto ha solicitado la aprobación de una cepa apilada

algodón plantadas hoy en día contienen genes para la toxina Bt, que

que sea tolerante tanto al glifosato como al dicamba. Tanto 2-4D

efectivamente mata a la mayoría de los insectos que infestan el algodón.

como dicamba se han utilizado individualmente en millones de acres durante décadas sin daños generalizados.

Resistencia a herbicidas

Dicamba controla malezas de rosas anuales y perennes en cultivos

Los herbicidas tradicionales tienen un defecto fundamental: a menudo

de granos y tierras altas, y se usa para controlar matorrales y

matan las plantas deseables junto con las malas hierbas. Sin

helechos en pastos. Dicamba funciona aumentando la tasa de

embargo, la ingeniería genética se ha utilizado para hacer que las

crecimiento de las plantas. La bacteria del suelo Pseu domonas

plantas de cultivo sean resistentes a herbicidas específicos, lo que

maltophilia (cepa DI-6) convierte el dicamba en ácido diclorosalicílico,

convierte a los herbicidas en una forma eficaz de controlar las malas

que se adsorbe en el suelo con mucha más fuerza que el dicamba.

hierbas. Además, la llegada de herbicidas más seguros ha reducido

La velocidad de descomposición de este herbicida es similar a la del

el daño ambiental y ha aumentado la producción de cultivos al reducir la maleza. glifosato (por los microorganismos del suelo, en suelos ácidos). Glifosato, glufosinato, 2-4D y dicamba son los herbicidas más utilizados.

glifosato

Nutrición mejorada

Desde 1999, el rasgo transgénico más común en las plantas ha sido

Uno de los objetivos de la biotecnología es hacer cultivos que tengan

la resistencia al herbicida glifosato, que es el ingrediente activo del

una nutrición mejorada, con el potencial de salvar a millones de

Roundup y otros productos herbicidas. El glifosato actúa bloqueando

personas de los efectos paralizantes de la desnutrición.

la enzima EPSPS (5-enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintasa), que

Un arma potencial contra la desnutrición es el Arroz Dorado —arroz

funciona en una ruta bioquímica responsable de la síntesis de

que ha sido modificado genéticamente para producir grandes

aminoácidos aromáticos y otros compuestos vitales para el

cantidades de betacaroteno, una provitamina que el cuerpo convierte

crecimiento y crecimiento de las plantas.

en vitamina A. Según estimaciones recientes, 500,000 niños en muchas partes del mundo

Machine Translated by Google 6.3 Aplicaciones prácticas

197

Plásmido Ti diseñado Insensible al glifosato EPSPS de bacterias ADN de cloroplasto con EPSPS incorporado Mediada por Agrobacterium Transferencia de ADN a la planta

cloroplasto Bacteriano EPSPS

Rocíe con glifosato cloroplasto

EPSPS planta endógena es inhibido por herbicida

Bacteriano EPSPS sigue activo

Tipo salvaje

transgénico

FIGURA 6.11 Ingeniería de plantas resistentes a herbicidas El glifosato actúa inhibiendo la proteína EPSPS nativa de las plantas. Las plantas se pueden diseñar para incluir un EPSPS bacteriano gen, que produce una proteína que no se ve afectada por el glifosato. Las plantas transgénicas con este gen bacteriano pueden rociarse con seguridad con glifosato, mientras que las malas hierbas susceptibles mueren con él.

eventualmente quedará ciego debido a la deficiencia de vitamina A. Actualmente, los trabajadores de la salud llevan dosis de vitamina A de pueblo en pueblo en un esfuerzo por prevenir la ceguera. Simplemente agregar este nutriente a un alimento común como el arroz sería más eficiente y, en teoría, más efectivo. Una limitación de Golden Rice es que la provitamina que suministra debe disolverse en la grasa antes de que el cuerpo pueda utilizarla. Por lo tanto, Golden Rice podría ofrecer beneficios limitados a los niños que consumen muy poca grasa en su dieta. El uso de cultivos genéticamente modificados para abordar la desnutrición es controvertido. A partir de 2017, los agricultores aún no han plantado Golden Rice, en gran parte debido a las preocupaciones expresadas por las organizaciones ambientales. Como alternativa a los cultivos modificados, algunos grupos respaldan programas como Harvest Plus, que es una colección de 12 cultivos que tienen como objetivo aumentar los niveles de vitamina A, hierro y zinc, y se basa en la reproducción convencional. Otros grupos han apoyado el desarrollo de cultivos transgénicos. La Fundación Bill y Melinda Gates, por ejemplo, está gastando $ 36 millones para apoyar el arroz dorado, así como la yuca, el sorgo y los plátanos transgénicos.

“biofarmacia”

Desde principios de la década de 1990, algunas empresas de biotecnología han propuesto utilizar cultivos modificados como fábricas en miniatura para producir proteínas farmacéuticas y productos químicos industriales (lo que se denomina “biofarmacia”). Un solo campo de un cultivo transgénico puede producir una gran cantidad de proteínas extraíbles y comercialmente valiosas, incluidos medicamentos proteicos y vacunas. Al comienzo de este capítulo, describimos la creación de plantas de tabaco que producen vacunas contra la influenza en sus hojas. También se han realizado estudios sobre la producción de vacunas en banano, papa, tomate, arroz, trigo, soja y maíz. Investigadores de la Universidad de Cornell han creado recientemente tomates y plátanos que producen una vacuna humana contra el virus de la hepatitis B. Otros productos farmacéuticos proteicos que podrían producirse en las plantas incluyen anticuerpos, hemoderivados, citocinas, factores de crecimiento, hormonas y enzimas recombinantes. Las enfermedades que estos podrían tratar incluyen la fibrosis quística, el linfoma no Hodgkin, la hepatitis, el virus de Norwalk, la rabia y una variedad de enfermedades gastrointestinale

Machine Translated by Google 198

Capítulo 6 Biotecnología Vegetal

FIGURA 6.12 Tomates cuya forma ha sido

modificada mediante el uso de tecnología CRISPR para editar secuencias de promotores. Se utilizó la tecnología CRISPR para modificar las secuencias promotoras que controlan el número de lóculos (compartimentos de semillas) en estos tomates, así como el tamaño de la f Estos tomates no son transgénicos, ya que no se insertó ADN extraño.

Eliminación diseñada de promotores de genes En lugar de genes

El New England Journal of Medicine informó que un intento de convertir una proteína nutritiva de las nueces de Brasil en soja destinada a la alimentación animal produjo plantas que causaron una fuerte reacción alérgica en personas sensibles a las nueces de Brasil. El problema se descubrió durante el desarrollo del cultivo y se terminó el esfuerzo de mejoramiento. Por un lado, este incidente puede verse como una demostración de los peligros de

Hasta ahora, hemos hablado de agregar y eliminar genes. También es posible utilizar técnicas de edición de genes CRISPR para modificar las secuencias promotoras que controlan cuándo, dónde y cuánto se expresa un gen existente. Los investigadores del Laboratorio Cold Spring Harbor utilizaron la ingeniería genética. Por otro, puede verse como una historia de estas técnicas para ajustar los genes del tomate que controlan el éxito: el sistema detectó la amenaza antes de que llegara al rendimiento, incluidos los genes que regulan la cantidad de público. órganos florales y lóculos (las cavidades gelatinosas de las Otra preocupación se centra en los genes de resistencia a semillas dentro del tomate), que pueden determinar qué tan grande crecerá la fruta. (ver Figura 6.12). El estudio podría los antibióticos. Estos genes a menudo se insertan en una planta proporcionar un catálogo de variantes de tomate beneficiosas que junto con un gen de interés, de modo que los antibióticos se los productores podrían usar para elegir fácilmente las mejores pueden usar para seleccionar células o plántulas que han adquirido características de crecimiento y ajustarlas durante las futuras el gen. La preocupación es que estos genes antibióticos puedan temporadas de crecimiento. Debido a que este enfoque no agrega luego pasar a las bacterias, confiriéndoles resistencia a los genes extraños, es probable que reciba la aprobación rápida y antibióticos. Sin embargo, las bacterias normalmente no adquieren desregulada del Departamento de Agricultura de EE. UU. (USDA) y puede generar menos resistencia. genes de las plantas. Según un informe reciente de la revista

6.4 Salud y Medio Ambiente Preocupaciones Desde el inicio de las plantas transgénicas, la gente se ha preocupado por los efectos potencialmente dañinos para los humanos y el medio ambiente. En una era en la que “natural” se equipara a menudo con “seguro”, estas plantas decididamente antinaturales transmiten un aire de peligro. Los activistas han organizado protestas contra las empresas que producen plantas modificadas genéticamente.

Preocupaciones sobre la salud humana Una preocupación es que las proteínas codificadas por genes extraños puedan causar reacciones alérgicas u otros problemas cuando se ingieren. Esto, de hecho, ha sucedido. En 1996, el

Science, solo existe una posibilidad "minúscula" de que un gen de resistencia a los antibióticos pueda pasar de una planta a una bacteria. Por el contrario, las bacterias adquieren fácilmente genes de resistencia a los antibióticos entre sí, y las bacterias resistentes pueden seleccionarse para cuando un paciente o un animal se trata con antibióticos. La resistencia a los antibióticos es una preocupación muy seria, pero es poco probable que las plantas transgénicas desempeñen algún papel en ella.

Preocupaciones por el Medio Ambiente Los estudios científicos han disipado los temores de que el maíz modificado con bioingeniería podría matar a un gran número de mariposas monarca (en 2001, varios estudios de seguimiento concluyeron que “los tipos más comunes de polen de maíz Bt no son tóxicos para las mariposas monarca en concentraciones que los insectos encontrarían). en los campos"). Sin embargo, las preocupaciones sobre el daño ambiental debido a las plantas genéticamente modificadas no son infundadas. Por una cosa,

Machine Translated by Google 6.4 Inquietudes sobre la salud y el medio ambiente

199

USTED DECIDE Etiquetado de alimentos transgénicos

En julio de 2016, el Senado de los EE. UU. votó 63-30 para exigir etiquetas

El proyecto de ley excluye la carne de animales que consumieron alimentos genéticamente modificados, y es posible que

en los alimentos producidos con técnicas de ingeniería genética, pero

sigan más dispensaciones. Además, podría decirse que la distinción

con algunas opciones. La Secretaría de Agricultura desarrollaría un

entre OGM es arbitraria, ya que casi todo lo que comen los humanos

programa que requiera que los productores agreguen un símbolo o

ha sido modificado genéticamente a través de técnicas de reproducción

aviso sobre OGM en los paquetes, o un código QR que los consumidores puedan escanear con un teléfono inteligente. Los

la suma del conocimiento del consumidor, porque la modificación

o biotecnología. Se puede argumentar que esta legislación no aumentará

productores también pueden optar por distribuir la información a través

genética no es un ingrediente, sino una innovación, que ha hecho que

de un sitio web o un número de teléfono gratuito (ver la figura). La industria alimentaria apoya el proyecto de ley, en parte porque permite

la agricultura sea más sostenible y los alimentos más asequibles. Un estudio de la Universidad de Purdue presentó la pérdida de rendimiento

a las empresas flexibilidad sobre cómo transmitir la información. Una

de cultivos (hipotéticamente significativa) y otros efectos económicos

sola ley federal también reduce la necesidad de que los 50 estados creen sus propios sistemas de etiquetado únicos. Los defensores

de la prohibición de cultivos transgénicos en los Estados Unidos. El

afirman que este etiquetado respondería al argumento de que el

modificados en los Estados Unidos, las emisiones de gases de efecto

modelo mostró que si se eliminaran todos los organismos genéticamente

verdadero contenido de los alimentos se oculta a los consumidores, y

invernadero aumentarían significativamente ya que se necesitaría más

que los consumidores se beneficiarán de etiquetas precisas que les permitan tomar decisiones informadas sobre los alimentos que

tierra para la producción agrícola. Además, los precios del maíz

consumen.

ciento, debido a los menores rendimientos de los cultivos.

aumentarían hasta un 28 por ciento y los de la soja hasta un 22 por

Por el contrario, las prácticas de plantación de cultivos transgénicos han ayudado a los agricultores de todo el mundo a producir más por menos.

Otra pregunta sin respuesta es cómo lidiar con los alimentos que se crean mediante la edición de genes existentes, en lugar de insertar nuevos genes o eliminar los existentes. CRISPR-Cas, el sistema mencionado anteriormente como una herramienta para eliminar genes, también es cada vez más capaz de editarlos y alterarlos. Como se mencionó anteriormente, los alimentos creados con estas técnicas están desregulados porque no contienen transgenes. Las Arctic Apples aprobadas en 2015 y lanzadas comercialmente en 2017 tienen un código QR escaneable en la bolsa que dirige a los consumidores a un sitio web con información sobre su producción. Aproximadamente 34 000 productos ya tienen páginas SmartLabel™ que utilizan códigos QR que brindan información detallada sobre su nutrición, ingredientes, alérgenos y marca. La investigación previa a la comercialización indica que alrededor del 60 por ciento de los clientes dicen que comprarán estos productos por sus características mejoradas. Un 10 a 15 por ciento adicional se opone firmemente, pero la investigación indica que algunos de ellos cambiarán de opinión después de haber experimentado el producto. ¿Cree que las plantas alimenticias producidas por eliminación de genes, como estos ejemplos, seguirán siendo recibidas por el público como “modificación genética” o como un producto mejorado sin la distinción de OGM? Tú

Este código QR (al escanearlo con su teléfono celular) brinda información detallada sobre nutrición, ingredientes, alérgenos, marca y otros detalles.

la mejora genética de los cultivos ha dado lugar a supermalezas— es decir, a malezas que tienen rasgos adaptados tales como resistencia a herbicidas de plantas de cultivo. Se necesitan más estudios para medir el alcance total de esta amenaza y

decides.

desarrollar formas de minimizar el riesgo. Los riesgos que plantean los cultivos mejorados biotecnológicamente deben sopesarse frente a los beneficios que ofrecen. En primer lugar, la biotecnología puede reducir drásticamente el uso de

Machine Translated by Google 200

Capítulo 6 Biotecnología Vegetal

plaguicidas químicos menos selectivos. En países donde se han sembrado cultivos biotecnológicos, el uso de pesticidas en cuatro cultivos biotecnológicos (soja, maíz, algodón y canola) ha caído en 791 millones de libras por año (8,8 por ciento). Esto ha resultado en una reducción del 17,2 por ciento en el impacto ambiental asociado. El informe de las Academias Nacionales de Ciencias de 2016: “Cultivos modificados genéticamente, experiencias y perspectivas” presenta los efectos positivos y adversos de los cultivos transgénicos y anticipa lo que las tecnologías emergentes de ingeniería genética deparan para el futuro. Este informe indica dónde existen vínculos inciertos sobre los impactos económicos, agronómicos, de salud, seguridad u otros de los cultivos y alimentos GM, y hace recomendaciones para llenar los vacíos en las evaluaciones de seguridad, aumentar la claridad regulatoria y mejorar las innovaciones y el acceso a los GM. tecnología. El informe de la Academia Nacional de Ciencias está disponible en línea.

Reglamento La biotecnología no es una frontera sin ley. Varias agencias diferentes regulan la producción y comercialización de alimentos modificados genéticamente. En los Estados Unidos, la FDA (Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos) regula los alimentos en el mercado, el USDA (Departamento de Agricultura de los Estados Unidos) supervisa las prácticas de cultivo y la Agencia de Protección Ambiental (EPA) controla el uso de plantas que funcionan como pesticidas. La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) evalúa la seguridad de los productos OGM antes de que puedan ser autorizados para su uso como alimento o para cultivo en los estados miembros de la UE.

Protocolo de Cartagena sobre Bioseguridad. El enfoque de estas agencias ha cambiado a lo largo de los años, pero todas participan activamente en la aprobación de cultivos vegetales. Ya en 1992, al comienzo de la revolución biotecnológica, la FDA anunció que los productos alimenticios modificados genéticamente serían regulados de acuerdo con las mismas estrictas normas que se aplican a los alimentos normales. Aunque no estaban obligados por la ley, las empresas de alimentos consultaron voluntariamente con la FDA antes de comercializar cualquier producto. En 2001, la agencia adoptó un enfoque más estricto y formal. Las normas exigen que las empresas notifiquen a la FDA al menos 120 días antes de que un alimento modificado genéticamente llegue al mercado. El fabricante también debe proporcionar evidencia de que el nuevo producto no es más peligroso que el alimento al que reemplaza. El Centro para la Seguridad Alimentaria y la Asociación de Fabricantes de Comestibles y la Asociación de Productos Alimenticios han informado al USDA de su “fuerte oposición al uso de cultivos alimentarios para producir productos farmacéuticos fabricados con plantas en ausencia de controles y procedimientos que garanticen la seguridad de 100% del suministro de alimentos”. Hay muchas plantas no alimenticias y sistemas de plantas de crecimiento contenido que satisfarán esta preocupación, y ningún fabricante ha violado estas reglas hasta la fecha.

HACER UNA DIFERENCIA Durante más de dos décadas, se han fabricado moléculas biológicas grandes, o productos biológicos, dentro de células de mamíferos, aves y bacterias modificadas genéticamente. La insulina, por ejemplo, se produce utilizando bacterias Escherichia coli modificadas genéticamente desde 1982.

En países como Japón, los OMG en los alimentos están regulados por la

TÚ DECIDES

¿El Roundup es tóxico para el medio ambiente?

El glifosato, el ingrediente activo del herbicida Roundup, se diseñado para ser tóxico para ciertas plagas de plantas, pero los científicos han observado algunos efectos nocivos en los animales de

explican, que causan la degradación de la membrana y la posterior descomposición mitocondrial en altas dosis. Afirman que verías lo mismo con detergente para platos o jabón de manos. Un análisis realizado en 2017, basado en datos del Estudio

laboratorio. Algunos estudios sugieren que el glifosato (en altas

de Salud Agrícola, que incluyó a unos 90ÿ000 trabajadores agrícolas

concentraciones) puede reducir la función mitocondrial y la motilidad

y sus cónyuges en Iowa y Carolina del Norte durante casi dos

del esperma en el pez cebra y puede alterar la actividad de los

décadas, no mostró una asociación significativa entre el glifosato y el

neurotransmisores en el cerebro de las ratas. Esto animó al investigador

linfoma no Hodgkin, ni con el riesgo general de cáncer ( aunque

a comparar los efectos del glifosato solo con los efectos del Roundup

mostró una débil asociación con la leucemia mieloide aguda).

(que contiene la misma concentración de glifosato) en el pez cebra. Sorprendentemente, descubrió que el efecto del Roundup era opuesto al del glifosato solo: los peces se movían más y su respiración basal era más alta.

Dado que los fabricantes de herbicidas a menudo cambian sus formulaciones, los científicos deberían tener la responsabilidad de continuar investigando cualquier efecto secundario que se haya pasado por alto, ya que estos productos químicos se venden y utilizan en

Los investigadores de Monsanto no están sorprendidos por

grandes cantidades. ¿Cree que las pruebas periódicas de la fórmula

estos resultados. Los tensioactivos utilizados en Roundup son

del producto deberían ser un requisito para la aprobación de un

similares a los que se utilizan en los productos domésticos regulares,

producto como Roundup por parte de una empresa?

Machine Translated by Google Preguntas y actividades

El mercado de productos biológicos se estima en alrededor de $ 100 mil millones por año. Un ejemplo de un producto biológico necesario es la proteína que podría usarse para tratar la enfermedad de Gaucher. La enfermedad de Gaucher tipo 1 es un raro trastorno genético de almacenamiento de liposomas que afecta a unas 10 000 personas en todo el mundo. Ocurre cuando se producen cantidades insuficientes de la enzima glucocerebrosidasa, lo que hace que los lípidos se acumulen en el bazo, el hígado, los riñones y otros órganos. Esto a su vez produce daño en el hígado o el bazo, anemia, recuento

201

7. ¿Por qué se le otorgó a la manzana ártica modificada genéticamente la aprobación desregulada del USDA? 8. ¿Cree que las plantas genéticamente modificadas para ser resistentes a la sequía serán recibidas más favorablemente por el público que otras plantas genéticamente modificadas? ¿Por qué? 9. ¿Cómo se emplea Agrobacterium tumefaciens para introducir transgenes en las plantas?

bajo de plaquetas y problemas óseos. Hasta el año pasado, el principal tratamiento para la enfermedad de Gaucher tipo 1 era Cerezyme (imiglucerasa), fabricado por Genzyme (Cambridge, Massachusetts) en cultivo de células de mamíferos. La producción de Cerezyme de Genzyme se detuvo en junio de 2009 después de que un virus contaminara sus

10. ¿Cómo puede la selección asistida por marcadores acelerar la creación de una planta modificada genéticamente? 11. Explique cómo las proteínas Cry de Bacillus thuringi ensis matan a los insectos objetivo.

instalaciones de Allston, Massachusetts, lo que resultó en una escasez mundial del fármaco durante años. Otra empresa, Protalix (Israel), ha ideado una solución a este problema de contaminación del biorreactor. El enfoque de Protalix consiste en introducir una versión normal del gen

12. Explique cómo insertar un transgén en el genoma del cloroplasto puede representar un riesgo ambiental menor que insertarlo en el genoma nuclear. 13. ¿Por qué el USDA considera que las plantas de las que se han

humano que se ve afectado por la enfermedad de Gaucher en células de

eliminado los genes son “tan seguras y nutritivas como sus

zanahoria modificadas y extraer la enzima que producen las células. Esta

contrapartes convencionales”, lo que permite una aprobación más

enzima luego se procesa en una solución inyectable para la terapia de

rápida de las variedades de plantas mediante este método?

reemplazo enzimático a largo plazo. El fármaco resultante, llamado Elelyso, es el primer fármaco biológico producido dentro de células vegetales modificadas que obtiene la aprobación de la FDA para una enfermedad humana. La producción de productos biológicos en células

14. ¿Por qué la introducción de ADN viral a través de un plásmido para transformar una planta no induciría también una infección viral?

vegetales puede continuar para otros medicamentos que puedan satisfacer una necesidad de producción similar.

15. ¿Cómo se demostraría que un nuevo cultivo alimentario modificado genéticamente “no es más peligroso para el medio ambiente que el cultivo al que reemplaza”?

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

1. ¿Por qué los genes que inducen un tumor vegetal generalmente se eliminan del plásmido Ti durante la construcción del plásmido T-DNA que servirá como vector para la transformación de la planta? 2. Enumere algunos de los beneficios y desventajas de usar plantas para producir proteínas farmacéuticas, como vacunas y la proteína que falta en las personas con la enfermedad de Gaucher.

16. Busque controversias sobre alimentos modificados genéticamente en Internet y resuma las principales objeciones a la introducción de nuevos OMG.

17. ¿Qué tipos de proteínas farmacéuticas ¿Espera tener la mayor aplicación potencial para la producción en plantas (biofarmacia)?

18. Explique cómo la tecnología antisentido puede bloquear la enzima PG en tomates.

19. ¿Por qué la mayoría de los disponibles comercialmente ¿La biotecnología apila productos de apilamiento híbrido en serie?

3. ¿Por qué es probable que las malezas eventualmente desarrollen resistencia a un solo herbicida?

20. Describa el beneficio de modificar los promotores de genes en las plantas.

4. ¿Es probable que la tecnología CRISPR-Cas se vuelva globalmente dominante como tecnología genética para la transformación de plantas en un futuro cercano?

5. ¿En qué se diferencian el apilamiento de genes híbridos y el apilamiento de genes moleculares?

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología,

6. ¿Por qué cree que los avances en biotecnología agrícola están ocurriendo más rápido en los países menos desarrollados?

incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

Machine Translated by Google 202

Capítulo 6 Biotecnología Vegetal

Este estudio de caso se ha incluido para brindarle la oportunidad de familiarizarse con un ejemplo de investigación aplicable a este campo de estudio. Una vez que haya analizado los datos y respondido las preguntas, puede compararlas con las proporcionadas a su instructor con los materiales de texto.

CASO DE ESTUDIO ¿Puede la interferencia de ARN silenciar genes en una plaga de cítricos?

Consulte el diagrama para responder las siguientes El ARN de interferencia (ARNi) en insectos ha ganado Silenciamiento geneslos deúltimos resistencia insecticidas mediante impulso de durante años.a La interferencia de ARN se

preguntas. (a)

ha utilizado para causar la mortalidad de insectos, inhibir el crecimiento de insectos, aumentar la susceptibilidad a los insecticidas y prevenir el desarrollo de resistencia a los insecticidas. Las monooxigenasas del citocromo P450 son un grupo importante de enzimas que participan

Pesticida LD50

Actual solicitud de dsARN

en el metabolismo de los compuestos xenobióticos (como los insecticidas)

48h

en los insectos y están asociadas con la resistencia a los insecticidas. Intenso (b)

80

ns

El uso de insecticidas ha llevado al desarrollo de diversos niveles de resistencia a los insecticidas en las poblaciones de Diapho rina citri

24 horas

* 60

(el insecto psílido asiático de los cítricos) en Florida. Investigadores de Florida midieron la eficacia del dsRNA

40

*

aplicado tópicamente para inducir ARNi para cinco genes del citocromo 20

ns

P450 , familia 4 (CYP4), en D. citri. Anteriormente se informó que estos genes CYP4 están asociados con el desarrollo de resistencia a insecticidas en adultos de D. citri. Los investigadores se dirigieron a

0 CH Y PL IZQUIERDA CH Y PL IZQUIERDA Pesticida

H2O _

cinco genes CYP4 que comparten una secuencia de consenso (común) con una construcción de dsRNA (consulte el Capítulo 3 para conocer el mecanismo que produce RNAi de dsRNA). La mortalidad fue significativamente mayor en los adultos tratados con este dsRNA que en los adultos tratados con agua. Los resultados de los investigadores indican que el dsRNA aplicado

H2O _

LS Y LA

PL LS Y LE PL Pesticida

H2O _

dsARN-P450

( a ) Ilustración del protocolo utilizado para probar el efecto de dsRNA en la resistencia de insectos. (b) Porcentaje de mortalidad de D. citri después de la exposición a imidacloprid (un insecticida neonicotinoide que actúa sobre el sistema nervioso central de los insectos, pero con una toxicidad mucho menor para los mamíferos) durante 24 horas. Los insectos se mantuvieron en discos

tópicamente puede penetrar la cutícula de D. citri e inducir ARNi

de hojas de plantas no tratadas durante 48 horas después del tratamiento con

contra los genes CYP4 (resistencia). Estos resultados amplían el

el dsRNA a P450 (la secuencia del gen CYP4 consenso), antes de la

alcance de RNAi como mecanismo para controlar plagas al dirigirse

exposición a imidacloprid. LS, Población susceptible de laboratorio; OG,

a una amplia gama de genes. Los resultados también respaldan el

Población susceptible recolectada de una huerta orgánica; PL, Población

desarrollo de RNAi como una herramienta viable para superar la

resistente recolectada del condado de Polk, Florida, administrado

resistencia a los insecticidas en las poblaciones de D. citri.

Construyendo dsRNA

comercialmente. LA, Población resistente recolectada del condado de Lake, Florida, administrado comercialmente. Los asteriscos indican diferencias significativas, mientras que ns indica que no hay diferencias significativas (P < 0,05).

Se utilizó una secuencia de consenso, derivada de cinco secuencias de CYP4 publicadas anteriormente, para diseñar

Preguntas

cebadores específicos de CYP4 para la transcripción genética. Los

Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com

cebadores específicos de CYP4 se acoplaron con una secuencia promotora de T7 para generar transcritos con sentido y antisentido por separado. También utilizaron dsRNA-gfp como un control de dsRNA irrelevante de la proteína fluorescente verde y evidencia de inserción de genes. Un nuevo enfoque para la protección de las plantas

1. ¿Qué sucedió con la mortalidad de los insectos después de la aplicación del dsRNA y luego del insecticida? 2. ¿Qué provocó que cambiara la mortalidad después de la aplicación del dsRNA?

puede implicar la vacunación de las plantas contra patógenos específicos con moléculas de ARN de doble cadena que se pueden rociar directamente sobre las hojas.

3. Si el dsRNA se aplica tópicamente a las plantas, ¿es considera modificación genética de la planta? ¿Por qué o por qué no?

Machine Translated by Google

CAPÍTULO SIETE

Biotecnología Animal Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿÿ Explicar cómo se elige un animal como

un modelo para estudios de drogas. ÿÿ Enumerar algunos de los avances médicos realizados utilizando modelos de investigación con animales. ÿÿ Describir los beneficios y las limitaciones del “órgano en un chip” como alternativa a los modelos animales. ÿÿ Discuta algunas de las regulaciones que protegen a los animales en la investigación con animales. ÿÿ Resuma el proceso utilizado para clonar un animal después de la transferencia de genes. ÿÿ Describir el proceso utilizado para crear anticuerpos monoclonales a partir de hibridomas.

ÿÿ Discutir los beneficios de la energía nuclear

transferencia a estudios de enfermedades mitocondriales. ÿÿ Enumere algunos de los beneficios de usar animales transgénicos como biorreactores. ÿÿ Explique por qué CRISPR-Cas tiene

convertirse en el método predominante de El noventa y nueve por ciento de los animales utilizados en la investigación en los EE. UU. son

edición de genes utilizado en la investigación

ratones, ratas, peces y pájaros.

con animales. ÿÿ Discutir el progreso actual de

Investigación de xenotrasplantes para la donación de órganos.

203

Machine Translated by Google 204

Capítulo 7 Biotecnología Animal

7.1 Animales en Investigación campo por muchas razones. Investigación y Mercados La investigación coninforme animales unasobre actividad necesariaanimal: y en expansión. publicó su de es 2018 biotecnología Tecnologías, Mercados y Empresas. Según el informe, la biotecnología tiene aplicaciones potenciales en el manejo de varias enfermedades

El ratón blanco es un ícono de la investigación científica, ya que representa el primer paso del descubrimiento. Aunque los animales han sido fundamentales para los métodos de investigación durante décadas,

animales, como la fiebre aftosa, la peste porcina clásica, la gripe aviar y la encefalopatía espongiforme bovina. Los productos biotecnológicos más relevantes son las vacunas, en particular las vacunas de ADN modificadas

su uso es controvertido. A continuación, exploramos el papel de los animales en la investigación y los problemas resultantes.

genéticamente. Los científicos también están comenzando a utilizar la terapia génica para las enfermedades de los animales de compañía. Es un campo de estudio de rápido desarrollo porque muchas de las

¿Por qué utilizar animales en la investigación?

tecnologías utilizadas en los ensayos clínicos en humanos se desarrollaron en animales y muchas de las enfermedades de gatos y perros son

La investigación con animales ha sido clave para la mayoría de los

similares a las de los humanos.

avances médicos en el siglo pasado. Sin duda, tal investigación ha evitado

Los animales también se pueden utilizar para fines que pueden parecer inhumanos y poco éticos, pero las reglamentaciones

mucho sufrimiento humano. Aquí están algunos ejemplos:

gubernamentales han impedido en gran medida la introducción generalizada de prácticas tan controvertidas. Los animales ofrecen oportunidades biotecnológicas, pero también presentan muchos desafíos científicos y éticos difíciles. Los investigadores

ÿÿ Sin la vacuna contra la poliomielitis, que se desarrolló utilizando animales, miles de niños y adultos morirían o sufrirían los efectos secundarios debilitantes de la enfermedad cada año.

que afrontan con éxito esos desafíos tienen el potencial de realizar importantes contribuciones a la ciencia y la sociedad. Por ejemplo, el tamaño del mercado mundial de la salud animal se valoró en 44 740 millones de dólares estadounidenses en 2018. Con una tasa de crecimiento continuo del 5,7 %, se estima que el valor será de 69,44 dólares estadounidenses para 2026.

ÿÿ Sin la diálisis, que se probó en animales, morirían decenas de miles de pacientes que padecen enfermedad renal en etapa terminal. ÿÿ Sin técnicas de cirugía de cataratas, que fueran perfeccionados en animales, más de un millón de personas

Este capítulo revisa muchos aspectos de la biotecnología animal.

perderían la vista en al menos un ojo este año.

Comenzamos analizando el uso de animales en la investigación y luego visitamos algunos de los temas de vanguardia de la biotecnología: clonación, transgenia y el uso de animales como biorreactores.

La investigación con animales también ha beneficiado directamente a la salud animal. Las tecnologías genómica, transgénica y de clonación brindan nuevos enfoques para mejorar la calidad y la eficiencia de la

PRONÓSTICO DEL FUTURO Una de las enfermedades genéticas más letales, la distrofia muscular de Duchenne (DMD), afecta a 1 de cada 3500 nacimientos de varones en todo el mundo. Se caracteriza por una rápida degeneración muscular causada por el reemplazo de fibras musculares fuertes con tejido adiposo, una progresión que reduce la expectativa de vida promedio de los pacientes con DMD a 25 años. Biólogos del Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas han utilizado con éxito la edición del genoma CRISPR-Cas9 para corregir la mutación genética responsable de la DMD en ratones. Vieron que el músculo se rescata progresivamente incluso en animales con un porcentaje relativamente bajo de genes corregidos. La cirugía genética es una cura futura para enfermedades genéticas en animales como primera prueba para curas humanas, y esta nueva tecnología (CRISPR-Cas) está acelerando el proceso.

producción de carne, leche y huevos y reducir el impacto ambiental de la agricultura. Estas tecnologías también se están utilizando para ayudar a preservar especies en peligro de extinción. Quizás se pregunte por qué las pruebas en células in vitro (células cultivadas fuera del cuerpo) no sería suficiente. La respuesta es que los nuevos medicamentos y procedimientos médicos tienen efectos que van más allá de las células individuales en tejidos y órganos y deben probarse en animales para determinar el impacto del tratamiento en un organismo completo. Por ejemplo, un fármaco puede ser un agente poderoso capaz de matar células cancerosas, pero también puede ser destructivo para órganos no relacionados. Un fármaco con efectos secundarios inesperados es Finaste Ride (Propecia), que se utiliza para estimular el crecimiento del cabello. Lleva una clara advertencia de que las mujeres embarazadas no deben manipular pastillas rotas o trituradas.

Machine Translated by Google 7.1 Animales en Investigación

CUADRO 7.1

205

Pruebas en animales en los Estados Unidos

Animal

Objetivo

Problemas

Beneficio

Moscas de la fruta

Comprensión genética

El sistema inmunológico es diferente al de los humanos.

Números grandes

Lombrices intestinales

cuerpo transparente

El sistema inmunológico es diferente al de los humanos.

Ratones

Seguimiento del destino embrionario celular

Primeros estudios de drogas

Algunas diferencias de

humanas (la mayoría de los animales

humanos

99% de similitud genética con los humanos

humanas

Más difícil de manipular que los ratones

Gran similitud genética con los humanos.

Estudios neurológicos

Uso altamente regulado

Similitud neurológica

Similitud con algunos procesos de

Uso altamente regulado

utilizados) Ratas

gatos Perros

Los primeros estudios de las drogas

enfermedades humanas. Macacos, titíes, monos araña, monos ardilla, babuinos y

Estudios de polio, SIDA y estimulación cerebral profunda

chimpancés

Cerdos, cabras, ovejas

Transferencia de genes, knockout

Cardiología, endocrinología y estudios óseos y articulares

Uso altamente regulado, contención anormal

reproducción, genética y

Comportamiento y cognición,

comportamientos

xenotrasplante

Comprensión limitada de los efectos

Biofarmacia, estudios de

a largo plazo

plantaciones de xenotrasplante

Esa advertencia y una capa protectora especial en las píldoras son

(moscas de la fruta) y gusanos. El diminuto pez cebra (Danio rerio),

el resultado directo de la información recopilada durante las pruebas

un animal de investigación extremadamente valioso, es un pez de

en sujetos animales. Esas pruebas revelaron graves defectos de

acuario popular y resistente (Figura 7.1).

nacimiento (malformaciones de los órganos reproductivos) en crías

El pez cebra es pequeño (la longitud del adulto es de 3 cm,

machos nacidas de madres animales que recibieron grandes dosis

aproximadamente la longitud de un clip), lo que permite albergar

orales de la droga.

una gran cantidad de animales en espacios reducidos. El desove es

Aunque es poco probable que la simple manipulación de las píldoras provoque defectos similares en los bebés humanos, las advertencias

virtualmente continuo en este activo pez de aguas cálidas, con solo

se establecieron antes de que se comercializara el medicamento.

descendencia por hembra por semana puede exceder

unos 3 meses entre generaciones. El número promedio de

En este caso, los experimentos con sujetos animales ayudaron a prevenir desastres inesperados. Gracias a las pruebas con animales, las mujeres embarazadas nunca reciben el medicamento.

Tipos de animales utilizados en la investigación Las diferencias entre ratones y humanos son obvias, pero hay muchas similitudes genéticas y fisiológicas entre los dos. Por esta razón, la investigación realizada en ratones (u otros animales, para el caso) puede decirnos mucho sobre nosotros mismos (Tabla 7.1). Los animales que se utilizan con mayor frecuencia en la investigación son ratones y ratas de raza pura (cuyos genes son conocidos y controlados), pero también se utilizan otras especies. Los investigadores han desarrollado modelos de sistemas animales utilizando vertebrados (pez cebra) e invertebrados

FIGURA 7.1 El pez cebra se usa comúnmente en la investigación con animales El pez cebra es una alternativa de rápido crecimiento a otros animales para estudios genéticos y análisis de toxicidad. Después de trasplantar genes en sus embriones, es posible estudiar los cambios en el desarrollo (como el crecimiento de los vasos sanguíneos) en los embriones y los adultos. Los embriones transparentes, la rápida tasa de crecimiento y la facilidad de estudio del pez cebra los convierten en modelos animales comunes para las pruebas.

Machine Translated by Google 206

Capítulo 7 Biotecnología Animal

200. Los huevos de pez cebra completan la embriogénesis (desarrollo

Como parte de las pruebas de fase, la FDA requiere que los

temprano de órganos) en unas 120 horas; el intestino, el hígado y los riñones se desarrollan en las primeras 48 a 72 horas.

fabricantes realicen un número estadísticamente significativo de ensayos en cultivos celulares, así como ensayos en animales vivos y participantes

Debido a que los peces crecen tan rápido, los científicos pueden probar la

humanos en investigaciones antes de que dichos productos puedan estar

toxicidad o los efectos adversos en aproximadamente 5 días. Si una droga

disponibles para el público en general.

es tóxica para un pez cebra, probablemente lo sea para los humanos. Hay momentos en que los ratones, los peces o las ratas no son los

Si las pruebas iniciales en cultivos celulares indican niveles peligrosos

mejores animales de prueba. Por ejemplo, los sistemas cardiovascular y

de toxicidad, el producto nunca se prueba en animales vivos. La elección

pulmonar de los perros son similares a los de los humanos, lo que hace que

del animal para la prueba generalmente está determinada por su similitud

los perros sean una mejor opción para el estudio de enfermedades cardíacas

genética con los humanos o su potencial para imitar las condiciones en los

y trastornos pulmonares. La investigación sobre el VIH/SIDA se lleva a cabo

humanos. Se utilizan dos o más especies en las pruebas porque pueden

en monos y chimpancés porque son los únicos animales conocidos que

revelarse diferentes efectos en diferentes animales. La toxicidad y los

comparten la vulnerabilidad de los humanos al virus. Aunque los gatos,

efectos no deseados inesperados a menudo se pueden detectar utilizando

perros y primates como monos y chimpancés se utilizan en casos específicos

más de una especie con genes homólogos a los de los humanos. La tasa

cuando su biología particular es importante para la investigación, representan

de absorción, el metabolismo químico específico y el tiempo requerido para

menos del 1 por ciento del número total de animales de investigación (la

excretar la sustancia pueden examinarse en modelos animales. Si se

mayoría son ratones). Además, el número de esos animales utilizados en

detectan problemas significativos en las pruebas con animales, los

experimentos ha disminuido durante los últimos 20 años debido al mayor

participantes humanos de la investigación nunca son reclutados para

uso y disponibilidad de métodos alternativos de prueba, que discutiremos

participar en los ensayos y se les informa de este potencial como requisito

en breve.

del consentimiento informado.

Los anticuerpos monoclonales son un buen ejemplo del uso de animales en la investigación y el desarrollo de fármacos (ver Figura 7.2). Los anticuerpos monoclonales generalmente se fabrican mediante cultivo

Alternativas al Uso de Animales

celular que implica la fusión de células de mieloma con células de bazo de ratón inmunizadas con el antígeno deseado. Para aislar los monoclonales se utiliza un medio selectivo en el que sólo pueden crecer células fusionadas.

Siempre que sea posible, los investigadores utilizan cultivos celulares y modelos generados por computadora en las pruebas iniciales. Ambas

Una descripción más completa del proceso para producir anticuerpos

herramientas son significativamente menos costosas que los animales de investigación y también pueden ahorrar tiempo.

monoclonales se describirá más adelante en este capítulo.

Como se mencionó anteriormente, los estudios de cultivos celulares a menudo se usan como una pantalla preliminar para verificar la toxicidad de

Normativa en Investigación Animal

las sustancias. Además, las preguntas fundamentales sobre biología a

De acuerdo con las normas aplicadas por la Administración de Drogas y

sobre qué compuestos podrían ser los mejores medicamentos a menudo

Alimentos de los EE. UU. (FDA), los nuevos medicamentos, procedimientos

son el resultado de investigaciones in vitro , como aquellas que usan

médicos e incluso productos cosméticos deben pasar pruebas de seguridad

"órganos en un chip".

menudo se responden mejor reuniendo evidencia a nivel celular. Las pistas

antes de que puedan comercializarse. Las pruebas de seguridad involucran una metodología científica rigurosa conocida como prueba de fase, como

Órganos en un chip

se ilustra en la Tabla 7.2. Otras agencias reguladoras de medicamentos como la Agencia Europea de Medicamentos (EMA) y la Agencia Reguladora

Los órganos en un chip son sistemas imitadores biológicos creados por

de Medicamentos y Productos Sanitarios (MHRA) en el Reino Unido siguen

microingeniería que representan modelos funcionales clave de órganos

procedimientos de prueba similares.

humanos como el hígado, el corazón, los riñones, el intestino,

FIGURA 7.2 Los ratones nos hablan de

Sistema inmunitario destruido Sistema inmunitario de origen humano

Granulocitos Transferir células madre de la sangre

linfocitos Meses

del cordón umbilical humano

Células mieloides

nosotros mismos Aquí, después de que se destruye el sistema inmunitario de un ratón en desarrollo, se puede reemplazar mediante la inyección de células madre humanas. De esta forma es posible estudiar terapias para humanos usando ratones como modelos.

Machine Translated by Google 7.1 Animales en Investigación

TABLA 7.2

207

Fases de prueba requeridas por la Administración de Alimentos y Medicamentos para la aprobación de medicamentos

La prueba de fase de la FDA implica el uso de animales para pruebas preclínicas antes de que se permita en humanos. Si se ha demostrado que el nuevo fármaco candidato no es tóxico y tiene beneficios, entonces se le puede otorgar un estado de nuevo fármaco en investigación (IND). Si tiene éxito en las tres fases de las pruebas en humanos, puede recibir una solicitud de nuevo fármaco (NDA) y una probable aprobación para su comercialización. La FDA sigue evaluando la NDA durante otros 2,5 años, lo que da como resultado un total de unos 12 años para la aprobación satisfactoria de un fármaco. Fase I

Fase II

Fase III

FDA

Fase IV

3.5

1

2

3

2.5

12 totales

animales en el

20–80 voluntarios sanos

100–300 pacientes voluntarios

preclínico

Pruebas Años Probado en

laboratorio

Objetivo

1000–3000 pacientes voluntarios

Evaluar la

Determinar la

Evaluar la

Verifique la

Proceso de revisión/

Pruebas

seguridad y la

seguridad y

efectividad

efectividad, controle

aprobación

adicionales

actividad biológica

la dosis.

y buscar efectos

las reacciones

después de la

secundarios

adversas a largo

aprobación requerida por la FDA

uso del término

Presentar NDA en la FDA

Presentar IND en la FDA

Tasa de éxito

5 entrar en ensayos

5.000

1 aprobado

compuestos evaluados

Fuente: www.fda.gov/cder/handbook/develop.htm

cerebro y hueso. Un buen ejemplo es el pulmón en un chip que

Los hallazgos clave de las evaluaciones de toxicidad con este

replica la barrera alveolocapilar activa en el pulmón humano (ver

sistema 3D de ratón se replicaron en el pulmón completo del ratón,

Figura 7.3). Este sistema tridimensional (3D) se crea cuando el

lo que demuestra la capacidad de predecir fielmente la patología

tejido alveolar humano se cultiva muy cerca del tejido endotelial

fisiológica en el pulmón.

humano en una membrana elastomérica delgada. Los cambios de presión controlados por computadora simulan el estiramiento de los

los sustitutos animales se enfrentan a un mayor escrutinio para

alvéolos durante la respiración.

Aunque los modelos animales emulan la complejidad fisiológica, demostrar su traducibilidad y validez con respecto a los humanos. Los órganos en un chip tienen el potencial de validar la eficacia, la seguridad y la capacidad de los medicamentos de objetivos potenciales al principio de la tubería para aumentar la probabilidad de éxito en los ensayos clínicos. La capacidad de predecir las

Epitelio

respuestas a nivel corporal se ha abordado mediante la vinculación

Aire

de múltiples modelos de órganos creados mediante microingeniería

Membrana

mediante una red fluídica que permite su integración funcional. Uno de esos estudios combinó modelos de cáncer de mama, intestino e hígado interconectados para demostrar la absorción, el metabolismo y la eficacia de cuatro medicamentos contra el cáncer. Las agencias reguladoras han reconocido el potencial de la tecnología de órgano

endotelio

en un chip y están observando los hallazgos de laboratorio en preparación para este cambio potencial en las pruebas de drogas de fase inicial. Vacío

Regulación de la Investigación Animal Tramo Cámara lateral

La investigación con animales está fuertemente regulada. La UE ha elaborado directivas sobre el bienestar animal y las normas se basan

FIGURA 7.3 Pulmón en un chip El tejido alveolar humano se cultiva muy cerca del tejido endotelial humano en una membrana elastomérica delgada. Los cambios de presión controlados por computadora simulan el estiramiento de los alvéolos durante la respiración, lo que permite probar fármacos potenciales en tejido humano antes de la fase de prueba.

en el Convenio Europeo para la Protección de los Animales en las Explotaciones Agrícolas. La Ley Federal de Bienestar Animal de los EE. UU. establece estándares específicos relacionados con el alojamiento, la alimentación, la limpieza y la atención médica de los animales de investigación. Antes de que un estudio con animales pueda

Machine Translated by Google 208

Capítulo 7 Biotecnología Animal

Para empezar, los investigadores están obligados a probar la

Universidad. El Consortium for Canine Comparative Oncology reúne

necesidad de los animales. También deben seleccionar las especies

a médicos e investigadores del cáncer y financiará proyectos de

más apropiadas y diseñar un plan para usar la menor cantidad de

investigación que incluyan a ambos.

animales posible. Un comité de supervisión con la institución anfitriona revisa la investigación mientras está en progreso para asegurarse de que se cumplan los estándares institucionales y federales. Las agencias gubernamentales monitorean regularmente las

7.2 Clonación

condiciones en los laboratorios. Para recibir fondos para investigación de los Institutos Nacionales de Salud (NIH), la FDA o los Centros

La producción de un animal a partir del núcleo de otro animal adulto

para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC), los investigadores en los EE. UU. deben seguir los estándares de

fue un gran avance científico en 1997, cuando la oveja Dolly se

atención establecidos en la Guía para la atención. y Uso de Animales

la clonación humana sería alguna vez factible. Aquí, examinamos

de Laboratorio, formulado por la Academia Nacional de Ciencias.

los métodos y los problemas involucrados en la clonación.

produjo de esta manera, pero también generó controversia sobre si

Dado el costo de la investigación, la mayoría de las instituciones están ansiosas por seguir las pautas. Los investigadores tienen la tarea de lograr las "Tres R" de la investigación con animales:

Creación de Dolly: un gran avance en la clonación ÿÿ Reducir el número de especies superiores (gatos, perros, primates) que se utilizan ÿÿ Reemplazar animales con modelos alternativos siempre que posible ÿÿ Perfeccione las pruebas y los experimentos para garantizar el máximo

condiciones humanas posibles

El ADN humano, como el de todos los animales superiores, contiene genes de dos padres. La mezcla de genes se reduce al azar. Para probar esto, basta con mirar a los niños de cualquier familia numerosa: algunos pueden tener el cabello rizado y otros pueden tener el cabello lacio; algunos pueden “hacer rodar” sus lenguas y otros no; un niño puede tener un trastorno genético que los demás no tienen. Esta incertidumbre se elimina con la clonación. Cuando se utiliza la

Medicina Veterinaria: Beneficios para humanos y animales

clonación para reproducir un animal, solo hay un contribuyente genético. Si la oveja donante tiene lana larga y suave, el clon del cordero también la tendrá. La descendencia tiene exactamente la

No toda la investigación con animales se lleva a cabo en laboratorios para el beneficio exclusivo de los humanos. Los veterinarios, que dedican su vida al cuidado de los animales, también participan en la

misma programación genética que el padre. El hermanamiento de embriones (dividir los embriones por la mitad) fue el paso inicial hacia la clonación. El primer experimento

investigación. La investigación en clínicas veterinarias ha llevado a

exitoso produjo dos terneros perfectamente sanos que eran

nuevos tratamientos contra el cáncer para mascotas. Debido a que los cánceres de animales y humanos son sorprendentemente

esencialmente mellizos. Para crear un clon de un adulto, el ADN de una célula donante debe insertarse en un óvulo. En el primer paso,

similares, la información obtenida de una especie podría usarse para

se recolectan células del animal donante y se colocan en una

tratar a la otra. Por ejemplo, el gen BRCA1 que se encuentra en el

solución de cultivo con bajo contenido de nutrientes. Las células

65 por ciento de los tumores de mama humanos es similar al gen

están vivas pero hambrientas, por lo que detienen la división y

BRCA1 en los perros. La similitud del carcinoma de mama en perros

apagan sus genes activos. Las células de la donante están entonces

y humanos se conoce desde hace mucho tiempo, pero se desconocía

listas para ser introducidas en un óvulo receptor.

si estas células tumorales también influyen en el tejido circundante en perros de la misma manera que lo hacen en humanos hasta que la Universidad de Zúrich comenzó a hacer comparaciones en 2017.

El huevo mismo se prepara por enucleación. Una pipeta succiona suavemente el ADN congregado en el núcleo del óvulo.

lo que demostró que algunas células cercanas a los tumores en

Luego, el investigador debe elegir un método para entregar la carga

perros se comportan de la misma manera que las células

genética deseada en el óvulo. Un método se ilustra en la Figura 7.4.

correspondientes en humanos. Los ensayos clínicos de terapias método, conocido como técnica de Honolulu, consiste en contra el cáncer en mascotas pueden allanar el camino para los ensayos enOtro humanos. Muchos de los genes que conocemos que causan cáncer en humanos, como los genes BRCA en el cáncer de mama, fueron descubiertos al estudiar familias que tienen una alta predisposición

inyectar el núcleo de la célula donante directamente en el centro del óvulo enucleado. Una vez que el ADN se ha entregado al óvulo, la biología se

al cáncer. Cuando una raza de perro en particular tiene una alta tasa

hace cargo. La nueva célula responde comportándose como si fuera

de cáncer en particular, significa que hay algo en su composición

una célula embrionaria en lugar de una célula adulta. Si todo va

genética que los predispone. El enfoque está detrás de una nueva

bien, se produce la división celular, tal como sucedería en un óvulo

asociación formal entre Duke Cancer Institute y la Facultad de

fertilizado ordinario. Durante los primeros días, el embrión crece en

Medicina Veterinaria del Estado de Carolina del Norte.

una incubadora. Luego, cuando el nuevo embrión está listo, se transfiere a un sustituto

Machine Translated by Google 7.2 Clonación

209

FIGURA 7.4 Páncreas humano desarrollado en cerdos Los científicos agregan células madre pluripotentes inducidas por humanos

herramienta CRISPR

Pdx1 gene

o iPSC, en el embrión en desarrollo después de eliminar los genes pdx1 de cerdo, lo que significa que el embrión quimérico ahora puede desarrollar un páncreas (pero estará hecho de células similares a las humanas).

5

Cas9

madre para la gestación. El sustituto dará a luz a un clon que es

la genética molecular aplicada es abundante. El Jockey Club del Reino

genéticamente idéntico al donante genético.

Unido insiste en las pruebas genéticas para confirmar la paternidad, pero

La lista de especies clonadas con éxito de esta manera ahora incluye

prohíbe el uso de caballos clonados, aunque en 2012 la Federación

ovejas, cabras, cerdos, vacas y un animal parecido a una vaca en peligro

Internacional de Deportes Ecuestres anunció que los clones podrían

de extinción llamado gaur.

competir en los Juegos Olímpicos futuros.

Límites de la clonación

Más significativamente, la tasa de éxito de la clonación ha mejorado desde Dolly. Dolly la oveja fue el resultado de 277 intentos. De estos,

Hay límites al poder de la tecnología de clonación.

solo 29 embriones implantados vivieron más de 6 días, y de esos 29

Primero, la célula donante debe provenir de un organismo vivo.

embriones, solo nació Dolly. Los científicos aún están tratando de

Es probable que los dinosaurios en libertad al estilo Jurassic Park sigan

comprender algunos de los problemas inesperados que surgen durante

siendo ciencia ficción. Además, la mayoría de los expertos piensan que

el proceso de clonación.

las posibilidades de encontrar una célula de mamut viable, lograr clonarla y tener éxito en fomentarla en un elefante u otro pariente lejano son

Un problema aún más desafiante es la posibilidad de que los

ridículamente remotas. Las transferencias nucleares también se pueden utilizar para

clones envejezcan antes de tiempo. Este problema salió a la luz cuando los análisis indicaron que las células de Dolly parecían ser más antiguas

corregir errores en las células humanas. Las enfermedades mitocondriales

que ella. Esta observación tiene una pequeña explicación. Cada célula

son causadas por cualquiera de las aproximadamente 200 mutaciones

de su cuerpo contiene los cromosomas que determinan su composición

que afectan los genes de las mitocondrias, diminutas centrales eléctricas

genética. Al final de cada cromo hay una cadena de ADN altamente

dentro de casi todas las células del cuerpo. Dependiendo de los genes y

repetitivo llamada telo mero (consulte el Capítulo 2 para una revisión). A

tipos de células afectados, las enfermedades pueden causar debilidad

medida que sus células se replican, el telómero se vuelve más corto con

muscular, enfermedad hepática, diabetes, convulsiones, retrasos en el

cada división. En este sentido, realmente existe un reloj biológico dentro

desarrollo o problemas de visión. Ahora, los investigadores del Instituto Salk, California, se han

de las células vivas. La edad cromosómica de una célula se puede leer

acercado un paso más a hacer realidad algunas curas: han convertido

se deshacen, aparecen signos de envejecimiento en el organismo. Las

inspeccionando la longitud de sus telómeros. A medida que los telómeros

células de pacientes en células madre sanas y libres de mutaciones que

pruebas mostraron que los telómeros de Dolly no eran como los de otros

luego pueden convertirse en cualquier tipo de célula. El enfoque del

corderos nacidos el mismo año que ella; en cambio, tenían

equipo fue mover el núcleo de las células de la piel del paciente, que

aproximadamente la misma longitud que los de su donante, o 6 años

contiene la mayoría de sus genes, a un óvulo donante con mitocondrias

mayores que Dolly.

sanas, y luego usar el nuevo óvulo para generar células madre pluripotentes. Cuando los investigadores hicieron esto, encontraron que las mitocondrias sanas se hicieron cargo, y se generaron con éxito células sanas y genéticamente similares del paciente. Por ahora, esto

Aunque se han clonado otras ocho especies (vaca, ratón, cerdo, cabra, conejo, gato, mula y caballo) desde Dolly, la transferencia nuclear

significa que los investigadores pueden utilizar las células sanas para

sigue siendo un proceso muy ineficiente (alrededor del 2 por ciento de

generar células cardíacas, cerebrales, musculares u oculares a partir de

eficiencia) y se dispone de cantidades muy pequeñas de clones. para investigación. Sin embargo, la longitud de los telómeros parece haber

células madre libres de mutaciones.

sido exonerada de la ineficiencia. El efecto de las células donantes sobre Incluso los caballos de carrera, que se crían cuidadosamente para

la longitud de los telómeros está bien examinado. En un estudio reciente,

que tengan características genéticas esenciales, están determinados por

los investigadores produjeron 14 bovinos clonados utilizando núcleos de

factores distintos de la genética. La diversión de correr y la voluntad de

células de donantes derivadas de músculo, oviducto, mama y piel de la

ganar pueden no estar codificadas genéticamente. Mirar el ADN de los

oreja. Los tres tipos (normal, más corto, más largo) de telómeros se

caballos para encontrar buenos reproductores puede parecer una

encontraron cuando se compararon diferentes tipos de células donantes.

obviedad, pero va en contra de siglos de tradición en el deporte más conservador, en el que la sospecha de

Machine Translated by Google 210

Capítulo 7 Biotecnología Animal

El tiempo que las células pasan en cultivo puede ser un factor. Un tiempo de cultivo más corto dio como resultado una longitud de

ahora están en marcha para clonar pandas, utilizando osos negros más comunes como anfitriones.

los telómeros similar a la de los controles, mientras que un cultivo extremadamente largo dio como resultado una longitud de los telómeros más larga. Una explicación podría ser que el cultivo de corta duración

Desarrollo de órganos humanos en animales GM

permitió transferir el núcleo de la célula donante con telómeros relativamente largos; es decir, comenzarían largos y permanecerían

Cada día, una media de 16 personas en Europa y 22 en Estados

largos. Por el contrario, un tiempo de cultivo extremadamente largo

Unidos mueren mientras esperan un corazón, hígado u otro órgano de

erosiona los telómeros tan cortos que los mecanismos de reparación

reemplazo. Una forma de abordar la escasez sería cultivar órganos de

se activan y dan como resultado un alargamiento excesivo de los telómeros.

San Antonio de Murcia en España y la Fundación Moxie en San Diego,

Esta nube sobre la clonación tiene un lado positivo potencial.

reemplazo en el laboratorio. Investigadores de la Universidad Católica California, han creado un consorcio internacional para probar sus ideas.

Los investigadores que estudiaban el problema de los telómeros acortados en los clones aprendieron más sobre la telomerasa, una

Comenzaron a inyectar embriones de cerdo con células madre

enzima que regenera los telómeros.

7.4). A medida que el embrión crece, forma capas externas, medias e

pluripotentes inducibles humanas (iPSC) en 2015 (consulte la Figura

Esta enzima eventualmente podría servir como clave para comprender

internas, y la ubicación precisa de cada célula individual determina el

y prevenir muchas enfermedades relacionadas con la edad.

crecimiento futuro. Trabajos previos habían demostrado que ciertas

Entonces, ¿por qué son necesarios los clones? Por muchas razones, es ventajoso tener varios animales con la composición

células dentro de la capa interna del embrión responden a las señales de proteínas en su microambiente activando el gen Pdxl. Este paso, a

genética exacta. Los clones se pueden utilizar en la investigación

su vez, activa muchos otros genes que desencadenan la maduración

médica, en la que su genética idéntica facilita la clasificación de los resultados de los tratamientos sin el factor de confusión de las

del páncreas.

diferentes predisposiciones genéticas. Los clones también pueden proporcionar una ventana única a los

Algunas células ubicadas en la capa intermedia reaccionan a las

secretos celulares y moleculares del desarrollo, el envejecimiento y las enfermedades.

riñones. Todas las células del cuerpo contienen la misma secuencia de

En el caso de los animales en peligro de extinción, existe una

señales externas activando el gen Six2, que inicia la formación de los ADN; durante el desarrollo, estos desencadenantes determinan qué

razón convincente para considerar la clonación para mantener las

genes se activan o desactivan y, por lo tanto, qué tipo de tejido

poblaciones reproductoras. Ya se han tomado medidas para usar la

resultará. Un solo gen, como Pdxl o Six2, puede activar una vía

clonación para preservar animales. La transferencia de embriones

completa que conduce a la formación de un páncreas o un riñón. Al

entre especies se ha utilizado con éxito para proporcionar madres

eliminar el único gen crítico necesario para hacer crecer un páncreas,

sustitutas para gatos monteses africanos (Felis silvestris lybica). Noah,

los miembros del equipo crearon embriones de cerdo que no harán

el ternero gaur, fue un clon nacido de una vaca doméstica sustituta.

crecer el órgano productor de insulina a menos que inyecten suficientes

Noah murió más tarde de una infección no relacionada con el proceso

células madre humanas que contengan las células faltantes.

de clonación. A pesar de esa decepción, los esfuerzos

TÚ DECIDES

¿Puede la edición de genes en pollos prevenir la transmisión de la gripe aviar a los humanos?

Los pollos son anfitriones potenciales que pueden permitir que nuevas cepas de gripe

otros pollos en el mismo corral con ellos. Esto es bastante diferente de las vacunas contra la gripe convencionales, que deben actualizarse

transmitirse a los humanos. La prevención de la transmisión del virus

ante la evolución del virus, ya que tienden a proteger solo contra

entre pollos debería reducir el riesgo que corren las personas expuestas

cepas de virus similares y no siempre previenen la propagación a

a las aves infectadas y el impacto económico de la enfermedad. Para

otras aves. Las enfermedades infecciosas del ganado representan

producir estos pollos, los científicos de Cambridge y Edimburgo

una amenaza importante para la seguridad alimentaria mundial, y el

introdujeron un nuevo gen que fabrica una proteína que imita un

potencial de los patógenos, como el virus de la gripe aviar, de saltar a

importante elemento de control del virus de la gripe aviar.

los humanos y convertirse en una pandemia se ha identificado como un riesgo de seguridad nacional de primer nivel. Teniendo en cuenta el

Se engaña a la maquinaria de replicación del virus para que reconozca

beneficio de esta transferencia de un solo gen, ¿es probable que

la molécula señuelo en lugar del genoma viral que interfiere con la

podamos cambiar a pollos genéticamente modificados (GM) por sus

replicación del virus. Cuando los pollos transgénicos se infectaron

beneficios para la salud? ¿Cómo decidirías?

con la gripe aviar, se enfermaron pero no transmitieron la infección a

Machine Translated by Google 7.3 Animales transgénicos

gene. Si las células añadidas se desarrollan adecuadamente, dan lugar a un órgano maduro hecho completamente de células humanas.

211

sistema inmunitario, e insertar otros que prevendrán las interacciones tóxicas con la sangre humana.

El resto del animal estará formado por células de cerdo. El equipo aún tiene mucho que aprender sobre la mejor manera de preparar células madre humanas y embriones animales para que las quimeras (embriones de origen combinado) sigan siendo viables durante el

7.3 Animales transgénicos

embarazo. Muchas cosas podrían salir mal. Pero incluso si no podemos crear órganos completamente formados, se espera que dentro de 10 años este proceso se complete.

Hemos cubierto los transgénicos en su aplicación a la biotecnología vegetal en el Capítulo 6. El proceso de introducir nuevo material genético a un organismo no se limita a las plantas. También se

Remanentes de infecciones virales antiguas, genes de

puede utilizar en animales. Hemos visto algunas de las diferencias

retrovirus endógenos porcinos (PERV), están dispersos por todo el

entre las proteínas producidas a partir de fuentes bacterianas

genoma del cerdo y podrían infectar a una persona que recibe un

(procariotas) y las que provienen de otras fuentes, como aprendimos

corazón, pulmón o riñón de cerdo como reemplazo u órgano

en el Capítulo 4. Debido a que las diferencias estructurales entre las

temporal. Ahora, una empresa estadounidense, eGenesis, dice que

proteínas son mínimas, los cultivos de células y animales ofrecen

ha eliminado estos virus.

buenas soluciones a la necesidad. para una estructura adecuada.

Usando la edición de genes CRISPR, los investigadores de la compañía y varios laboratorios académicos crearon docenas de

Algunos de los desarrollos más emocionantes en biotecnología

cerdos sanos sin rastro de genes PERV. Para hacer cerdos libres

son el resultado de la investigación transgénica en animales.

de PERV, comenzaron con células genéticamente normales directamente de un cerdo vivo. En el nuevo trabajo, realizado con un equipo de colaboradores daneses y chinos, el equipo de eGenesis aplicó el sistema CRISPR a células derivadas del tejido conectivo

Los primeros experimentos en animales transgénicos se realizaron a nivel celular. Se añadió un nuevo gen a una célula en cultivo y se observaron los efectos en esa célula. Cuando la tecnología de clonación

de fetos de cerdo. Insertaron los núcleos que contenían ADN de

estuvo disponible, los transgénicos tomaron un nuevo rumbo. En lugar

estas células editadas en óvulos extraídos de ovarios de cerdos.

de manipular una sola célula, se añadieron genes a un gran número de

Permitieron que cada óvulo se convirtiera en un embrión y lo

células. Luego, estas células se examinaron para descubrir cuáles exhibían los genes deseados. Después de seleccionar estas células,

implantaron en el útero de una madre sustituta.

cada una podría usarse para hacer crecer un animal completo a partir de

Los PERV no son el único obstáculo que se interpone en el

una sola célula, usando tecnología de clonación (ver Figura 7.5).

camino de los órganos de cerdo listos para trasplante. Los investigadores deberán eliminar los genes de cerdo que provocan al humano

FIGURA 7.5 EnviroPigs El EnviroPig fue modificado para secretar fitasa en su saliva para reducir la escorrentía de fosfatos aguas abajo de las granjas porcinas. La Universidad de Guelph mató a los cerdos, de la décima generación del proyecto, en junio de 2012 después de que no pudo encontrar un nuevo socio para financiar el proyecto, a pesar de que

fue un éxito medioambiental.

Machine Translated by Google 212

Capítulo 7 Biotecnología Animal

Técnicas Transgénicas

pronúcleos Óvulo de ratón

Se puede utilizar una variedad de métodos para introducir nuevo material genético en los animales, y se siguen desarrollando y perfeccionando nuevos

fertilizado antes de la fusión de los pronúcleos

métodos. Aquí hay una breve descripción general de algunas técnicas:

masculino y femenino

1) Inyectar ADN extraño en uno de los pronúcleos

2) Transferir los óvulos

ÿÿ Los transgénicos mediados por retrovirus se acompañan se obtiene infectando embriones de ratón con retrovirus antes de

inyectados a crianza madre.

implantar los embriones. El retrovirus actúa como vector para el nuevo ADN. Este método tiene aplicaciones restringidas debido a que el tamaño del transgén (o material genético transferido ) es limitado y la propia secuencia genética del virus puede interferir con el proceso, lo que convierte a la transgenia en un proyecto bastante impredecible (los retrovirus se analizan en Capítulo 3).

3) Alrededor del 10% al 30% de primavera contienen ADN extraño inyectado.

ÿÿ El método de microinyección pronuclear introduce el ADN transgénico en la etapa más temprana posible de desarrollo del cigoto (óvulo fertilizado).

Cuando el espermatozoide y el óvulo se unen, el ADN se inyecta directamente en el núcleo del espermatozoide o del óvulo (aunque el pronúcleo del espermatozoide es más grande). Debido a que el nuevo ADN se inyecta directamente, no se requiere vector; el ADN extraño debe integrarse en el

4) Los ratones que expresan ADN extraño se crían para continuar con el ADN en la línea germinal.

genoma antes de la duplicación del material genético que precede a la primera escisión para que el animal nazca con una copia de esta nueva información en cada célula (ver Figura 7.6).

ÿÿ En el método de células madre embrionarias (ES), ES las células se recogen de la masa celular interna de los blastocistos. Luego se mezclan con ADN, que generalmente se ha creado utilizando métodos de ADN recombinante. Algunas de las células ES absorberán el ADN y serán transformadas por el nuevo material genético. A continuación, esas células ES transformadas se inyectarán en la masa celular interna de un blastocisto huésped.

FIGURA 7.6 Clonación por microinyección pronuclear El proceso de inyección de ADN en uno de los pronúcleos (el pronúcleo femenino y el pronúcleo masculino se combinan en la fecundación) para que se incorpore puede utilizarse para producir clones que porten el nuevo ADN.

por el mayor contenido de hierro (esencial para el desarrollo saludable de los bebés) que se encuentra en la leche humana. La descendencia de su hombre también lleva el gen de la lactoferrina.

ÿÿ Un método similar, la transferencia mediada por espermatozoides, utiliza "proteínas enlazadoras" para unir el ADN a los

En consecuencia, de la misma manera que se pueden producir anticuerpos policlonales humanos en el plasma del ganado (ver Figura 7.7), las hijas de

espermatozoides. Cuando el espermatozoide fertiliza un óvulo, lleva

Herman pueden ser las primeras de muchas vacas capaces de producir

consigo los valiosos genes.

leche más adecuada para el consumo de niños humanos.

ÿÿ Finalmente, las pistolas de genes también se pueden usar en células animales (consulte el Capítulo 6).

Otra mejora importante es la reducción de enfermedades en los animales criados para la alimentación. Durante la epidemia de fiebre aftosa en Inglaterra en 2000, se destruyeron rebaños de ganado lechero y de

Animales transgénicos para la industria agrícola

carne, así como de ovejas y cabras. La pérdida de rebaños enteros fue

La industria láctea también es un objetivo para el mejoramiento genético.

esa nación. En los Estados Unidos, la preocupación por la propagación de

Los investigadores han utilizado transgénicos para aumentar la producción

la fiebre aftosa dio lugar a la confiscación y destrucción de ovejas que

catastrófica para los granjeros y devastadora para la industria agrícola de

de leche, hacer que la leche sea más rica en proteínas y reducir el contenido

habían sido importadas de Inglaterra, aunque no necesariamente dieron

de grasa. Herman, un toro transgénico (producido por transgenia y

positivo para la enfermedad. estimulado por

transferencia nuclear), porta el gen humano de la lactoferrina. Este gen es responsable

Machine Translated by Google 7.3 Animales transgénicos

213

Ante la amenaza de futuros brotes de enfermedades, los Humano ADN

Cromosoma artificial humano con genes inmunes humanos insertado en bovino somático células por transferencia nuclear

genes inmunitarios bovinos knockout

Animal con inmunidad humana genes

Expandir manada

Inmunización

Recolección de suero, purificación

Anticuerpos policlonales humanos

FIGURA 7.7 Plasma similar al humano de ganado El plasma humano para pacientes es escaso y podría obtenerse de ganado clonado para portar genes humanos para factores sanguíneos y genes de anticuerpos. Los cromosomas artificiales humanos que portan estos genes se han transferido con éxito mediante los procedimientos descritos anteriormente.

investigadores están estudiando genes para la prevención de enfermedades y esperan desarrollar animales que sean resistentes a la fiebre aftosa. Procesos similares podrían algún día ayudar a prevenir el cólera en los cerdos y la enfermedad de Newcastle en los pollos. Investigadores del USDA en Maryland recurrieron a la ingeniería genética para crear vacas lecheras que pudieran resistir la mastitis, una inflamación de las glándulas mamarias causada por infecciones bacterianas. Las bacterias como Staphylococcus aureus infectan las glándulas mamarias, lo que resulta en una condición altamente contagiosa que se propaga rápidamente y genera pérdidas de miles de millones de dólares para la industria láctea. Los científicos crearon vacas transgénicas que contienen un gen de Staphylococcus simulans, un pariente de S. aureus, que produce una proteína llamada lisostafina, que mata a S. aureus. Los datos preliminares indican que estos animales sí muestran resistencia a la mastitis. Pero los investigadores deben ser cautelosos. Saben que estos animales no necesariamente estarán completamente protegidos de las infecciones por S. aureus u otros microbios y que estas vacas representan solo un primer paso para mejorar la resistencia de las vacas a la bacteria que causa la mastitis. Queda por verse si la industria láctea adoptará estas y otras vacas GM. Investigadores de la Universidad de Guelph en Ontario, Canadá, desarrollaron recientemente EnviroPig (ver Figura 7.5), un cerdo transgénico que expresa la enzima fitasa en su saliva. Se considera respetuoso con el medio ambiente porque produce mucho menos fósforo en la orina y las heces que los cerdos no transgénicos. El fósforo es el principal contaminante generado en las granjas porcinas. La fitasa degrada los fosfatos en la comida de los cerdos, reduciendo las cantidades de productos de desecho de fósforo excretados en aproximadamente un 30 por ciento.

HERRAMIENTAS DEL OFICIO Terapias humanas para mascotas

En promedio, los dueños de mascotas en los EE.

más de 100 países y reportó ingresos de $ 4.8 mil millones el año

UU. gastan aproximadamente $15,25 mil millones

pasado. Su último fármaco trata el miedo en los perros.

al año en atención veterinaria. The Kindred Bio

Los dueños de al menos un tercio de los 70 millones de perros en los

Company estima que gastará entre $ 3 millones y

Estados Unidos reportan problemas con el miedo a los ruidos fuertes.

$ 5 millones para desarrollar cada medicamento para mascotas.

Los perros a veces están tan asustados que saltan a través de

La compañía reformula moléculas que ya se sabe que funcionan en

ventanas de vidrio, destruyen puertas mientras intentan escapar de

humanos, reduciendo la cantidad de veces que deben tomarse al día y

una habitación o corren hacia el tráfico y los autos los atropellan. El

haciéndolas más apetecibles para los animales. Otros candidatos

producto más nuevo de la compañía, Sileo, funciona al bloquear la

biológicos incluyen la eritropoyetina felina, para tratar la anemia en

norepinefrina, una sustancia química cerebral similar a la adrenalina

gatos; inhibidores de puntos de control; y anticuerpos contra la

que aumenta la ansiedad. Viene en jeringas de plástico precargadas.

interleucina.

En pruebas con 182 beagles de mascotas realizadas en una víspera

Un buen ejemplo del mercado de remedios para mascotas es

de Año Nuevo reciente, el 75 por ciento de sus dueños calificaron su

Zoetis. La empresa produce medicamentos y vacunas para

efecto como bueno o excelente, lo que sugiere que la biotecnología

mascotas y ganado. Anteriormente parte del fabricante farmacéutico

para mascotas no solo es un gran negocio, sino que también puede

Pfizer Inc., Zoetis opera en

conducir a medicamentos humanos.

Machine Translated by Google 214

Capítulo 7 Biotecnología Animal

La seguridad de los alimentos que llegan a nuestras mesas también se puede mejorar con la tecnología transgénica. La intoxicación alimentaria humana puede reducirse en el futuro mediante la transferencia de genes antimicrobianos a los animales de granja. Esta aplicación podría reducir numerosas muertes por intoxicación alimentaria cada año y también significaría que se utilizarán menos antibióticos en la agricultura. Esas son buenas noticias, porque el uso excesivo de antibióticos está provocando el desarrollo de cepas resistentes de Salmonella, Listeria y Escherichia coli. La producción y el uso de animales transgénicos siguen siendo importantes para la investigación. En la expansión de la manada de cerdos transgénicos, solo se consideran para la reproducción aquellos animales capaces de transmitir el transgén a la siguiente generación. Los animales transgénicos que poseen características con mayor comerciabilidad se utilizan para la expansión del rebaño. Se propone un programa de cribado previo a la reproducción de tres pasos para verracos transgénicos para seleccionar cerdos mediante el ensayo de hibridación in situ con fluorescencia (FISH) combinado con procesos comunes de cribado previo a la reproducción. El primer paso combina un análisis de fenotipo transgénico general con FISH para identificar los verracos transgénicos. Los individuos que producen semen de alta calidad y esperma transgénico se identifican a continuación mediante la combinación de la prueba de semen convencional y FISH. Los embriones de fertilización in vitro luego se someten al paso final de selección: identificar a los individuos capaces de producir embriones transgénicos a través de FISH. Aparte de los cerdos, este programa también se puede aplicar a otros animales grandes y podría proporcionar una estrategia económica y eficiente para la expansión del hato transgénico.

Animales transgénicos como biorreactores Recuerde que las proteínas son un producto biotecnológico importante y que los animales completos pueden servir como “biorreactores” para producir esas proteínas (Capítulo 4). Un biorreactor animal funciona de la siguiente manera: en primer lugar, el gen de una proteína deseada se introduce a través de transgénicos en la célula diana. En segundo lugar, utilizando técnicas de clonación, la célula se cría para convertirse en un animal adulto. Ese adulto puede producir leche o huevos ricos en la proteína deseada, gracias al gen introducido. Un ejemplo de una aplicación de esta tecnología es el "bioacero", un nuevo producto potencial que pronto se puede usar para fortalecer los chalecos antibalas y la seda de sutura en los quirófanos. Seis empresas compiten con diferentes versiones de proteína de seda de araña a partir de 2017. Fundamentalmente, el bioacero está hecho de proteína de telaraña, una de las fibras más fuertes de la Tierra. En el pasado, la seda de araña nunca ha sido un producto industrial viable porque las arañas producen muy poca seda para que sea útil. Una empresa, Bolt Threads, probó cada uno de los miles de genes de seda de araña publicados en GenBank antes de seleccionarlos para la producción. Con los transgénicos, el gen que gobierna la producción de seda de araña se ha transferido con éxito a las cabras, y esas cabras se han reproducido, pasando el nuevo gen a su descendencia. Estas cabras, como las que se muestran en la figura 7.8, comen pasto, heno y granos y naturalmente producen la leche que ahora contiene las proteínas que componen la seda de araña. Luego, la proteína de seda se puede purificar a partir de la leche de cabra y se puede tejer en hilo para fabricar chalecos antibalas y otros productos que se probarán. También se están utilizando animales transgénicos para producir proteínas farmacéuticas. Un gen humano llamado ATryn,

FIGURA 7.8 Cabras con transgenes que producen valiosas proteínas en su leche ATryn, una forma recombinante de antitrombina humana desarrollada en cabras por GTC Biotherapeutics, fue aprobada por la FDA en 2009 para la prevención de eventos tromboembólicos perioperatorios y periparto en pacientes con deficiencia hereditaria de antitrombina. ATryn es la primera proteína terapéutica producida transgénicamente y la primera antitrombina recombinante aprobada en los Estados Unidos.

Machine Translated by Google 7.3 Animales transgénicos

215

que es responsable de un agente anticoagulante en humanos, es necesario para pacientes con una deficiencia hereditaria para prevenir el tromboembolismo antes o después de la cirugía o el parto. La empresa que desarrolló la cabra transgénica (GTC) vinculó ATryn a promotores mamarios específicos para que se expresara en la leche. El método transgénico es más rápido, fiable y económico que otras formas más complejas de sintetizar proteínas farmacéuticas. El producto fue aprobado para su uso por la FDA en 2009, y aunque el mercado para pacientes con deficiencia de antitrombina hereditaria tratable con ATryn

método de producción de productos biotecnológicos en animales. Debido a que las aves de corral tienen un sistema reproductivo eficiente, es fácil generar miles de huevos de una parvada pequeña en un tiempo relativamente corto. Una gallina promedio produce 250 huevos por año. Con cada clara de huevo que contiene alrededor de 3,5 gramos de proteína, el reemplazo de incluso una pequeña fracción con proteína recombinante crea un “biorreactor de gallina” altamente productivo. Algunos productos médicos, como la lisozima y las vacunas de virus atenuados, ya se derivan de los huevos.

no es grande, puede tener otros usos en el quirófano. Este sistema transgénico es considerablemente menos costoso utilizando animales biorreactores y está en desarrollo para otras proteínas (como anticuerpos monoclonales) que se necesitan en grandes volúmenes. Tal vez se pregunte por qué los investigadores en transgenia usan cabras con tanta frecuencia. Las cabras se reproducen más rápidamente y son más baratas de criar que el ganado. Debido a que también producen abundante leche, son una excelente opción para el desarrollo de productos transgénicos. Muchas enfermedades necesitan un tratamiento a corto plazo con proteínas recombinantes en grandes cantidades que pueden estar ampliamente disponibles a partir de fuentes de animales transgénicos. Hasta que la terapia génica se utilice ampliamente, las proteínas terapéuticas derivadas de transgénicos son la alternativa más atractiva para la terapia de reemplazo en trastornos genéticos como la hemofilia. Las personas con hemofilia carecen de la proteína de coagulación funcional factor VIII o factor IX. Estas proteínas se están produciendo en cabras transgénicas y se están analizando para obtener la aprobación de la FDA. El uso de biorreactores de animales transgénicos para la producción de proteínas terapéuticas complejas proporciona costos de producción más bajos, capacidades de producción más altas y productos libres de patógenos más seguros. Sin embargo, los animales productores de leche no son los únicos biorreactores animales. Los huevos son otro eficiente

Kidney on a Chip determina la dosificación de fármacos La dosificación precisa en las unidades de cuidados intensivos (UCI) es fundamental, ya que hasta dos tercios de los pacientes en la UCI experimentan una lesión renal grave. Sin embargo, determinar una dosis segura puede ser sorprendentemente difícil. Hoy en día, los médicos y los desarrolladores de fármacos confían principalmente en las pruebas con animales para medir la toxicidad de los fármacos y determinar las dosis seguras. Pero los animales procesan los medicamentos más rápidamente que los humanos, lo que dificulta la interpretación de los resultados de las pruebas y, en ocasiones, lleva a los investigadores a subestimar la toxicidad. La nueva técnica ofrece una forma más precisa de probar medicamentos, replicando de cerca el entorno dentro de un riñón humano. Utiliza un dispositivo de chip de microfluidos para administrar un flujo preciso de medicamento a través de células renales cultivadas. El uso de un dispositivo artificial brinda la oportunidad de realizar una prueba tras otra en un entorno controlado. También permite a los investigadores alterar el flujo a través del dispositivo para simular niveles variables de función renal. En una prueba de un antibiótico común usado en la UCI, encontraron que una dosis del medicamento una vez al día es significativamente menos dañina que una infusión continua (ver Figura 7.9).

FIGURA 7.9 El riñón en un chip determina la dosificación del fármaco Un dispositivo de chip de microfluidos para administrar un flujo preciso de medicamento a través de células de riñón humano cultivadas.

Machine Translated by Google 216

Capítulo 7 Biotecnología Animal

Tecnologías de edición de genes en animales

de un anticuerpo como dispositivo de orientación condujo al concepto de la "bala mágica", un tratamiento que podría buscar y destruir de

La ingeniería del genoma ha cambiado significativamente con el desarrollo de métodos más eficientes y fáciles de usar para introducir deleciones específicas en genes individuales. En el pasado, la recombinación homóloga era el estándar y se utilizaba la tecnología de cruce de cromosomas en un proceso lento y propenso a errores. El ARN de interferencia (ver ARNi, Capítulo 3) se convirtió rápidamente en la herramienta de investigación para el silenciamiento de genes luego de que sus descubridores obtuvieran el Premio Nobel en 2006.

manera efectiva las células tumorales dondequiera que residan. Una limitación importante en el uso terapéutico de anticuerpos es el problema de producir un anticuerpo específico en grandes cantidades. Inicialmente, los investigadores examinaron los mielomas, que son tumores secretores de anticuerpos, para la producción de anticuerpos útiles. Pero carecían de un medio para programar el mieloma para fabricar un anticuerpo según sus especificaciones. Esta situación cambió drásticamente con el desarrollo de la tecnología de anticuerpos monoclonales. La Figura 7.10 ilustra el procedimiento para

De hecho, podemos esperar ver muchos medicamentos ARNi aprobados por la FDA en los próximos años. Estos medicamentos son efectivos cuando se inyectan localmente en el ojo u otros órganos específicos, pero las enzimas los degradan rápidamente cuando se liberan en el torrente sanguíneo y no pueden atravesar las membranas celulares. Se han desarrollado otros métodos de edición de genes que se centran en la edición de ADN. Las nucleasas con dedos de zinc (ZFN) que se unen a un sitio de escisión del ADN y reconocen inyectar purificado

sitios objetivo específicos, y las nucleasas efectoras similares a

antígeno.

activadores de la transcripción (TALEN), que combinan una enzima de restricción artificial con un sitio de unión al ADN, han tenido un interés considerable en la investigación, pero son difícil de diseñar. Una tecnología más nueva que es más fácil de diseñar está

Aislar

comenzando a reemplazar otras tecnologías de edición. Fue adaptado

bazo

de un mecanismo de defensa bacteriano que se basa en repeticiones

mieloma

1

células.

células

Células fusibles.

palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas (CRISPR). Estas secuencias repetidas fueron almacenadas por bacterias como un registro molecular de secuencias genéticas hostiles encontradas previamente como ADN viral o plásmido. Permiten un

Seleccionar hibridoma células en medio selectivo

sistema de reconocimiento preciso basado en ARN que dirige a las

para el gen marcador.

enzimas nucleasas de ADN para escindir la secuencia de ADN complementaria. Mediante la ingeniería de la secuencia guía de ARN

individuo clon

(contra un gen de interés conocido), es posible eliminar un gen

células en pocillos.

objetivo con precisión, al unir una enzima de escisión llamada "Cas", por lo tanto, CRISPR-Cas. CRISPR-Cas ha arrasado en los laboratorios de investigación con animales y se ha convertido rápidamente en la tecnología de edición común desde su descubrimiento en 2012 (como

Células de cultivo.

se explica en el Capítulo 3). Los anticuerpos se secretarán en el medio de cultivo.

7.4 Producción de anticuerpos humanos en animales

Clon de hibridoma de prueba medio para Mab que reacciona con el antígeno.

El poder de los anticuerpos los coloca entre los productos proteicos

Propagar clones positivos.

más valiosos. Aquí, observamos cómo se producen los anticuerpos mediante el uso de animales como biorreactores.

Congelar un reserva de células clonadas.

Aislar monoclonal anticuerpos de

Anticuerpos monoclonicos Los investigadores han soñado durante mucho tiempo con aprovechar la especificidad de los anticuerpos para una variedad de usos que se dirigen a sitios específicos del cuerpo. En la década de 1980, el uso

medio cultural.

FIGURA 7.10 Producción de anticuerpos monoclonales Un ratón estimulado con antígeno proporcionará células de bazo que pueden fusionarse con células de mieloma (cáncer) para producir continuamente anticuerpos monoclonales en un cultivo.

Machine Translated by Google 7.4 Producción de anticuerpos humanos en animales

TÚ DECIDES

217

De humanos a mascotas a humanos: ¿Aceptará el público este tipo de experimentación con animales?

En 2013, la FDA aprobó un medicamento de Pfizer para la dermatitis atópica canina. El fármaco se derivó de uno aprobado para la artritis

uso en gatos y perros. Otra empresa, MediVet Biologics, ha extendido la terapia con células madre para la osteoartritis a las mascotas. Extrae tejido adiposo de las mascotas y lo convierte

reumatoide humana que bloquea la señalización de las citoquinas

en células madre que se reinyectan en los animales. La

para la respuesta inflamatoria. Ajustando el objetivo de citoquinas

comprensión de que las mascotas podrían ser una evaluación

al de los perros, lograron un nuevo medicamento para mascotas.

más realista para los medicamentos humanos ha llevado al

El nuevo medicamento detuvo la picazón en cuestión de horas y

Instituto Nacional del Cáncer a desarrollar una iniciativa para

despejó los estantes muy rápidamente. Dado que los productos

utilizar los ensayos clínicos con mascotas para nuevas terapias

biológicos representan 6 de los 10 medicamentos más vendidos,

contra el cáncer para tratar a las mascotas y aprender más sobre

la empresa NexVet tiene licencias exclusivas para adaptar

los cánceres humanos. ¿Crees que el público aceptará este tipo

anticuerpos terapéuticos humanos para

de experimentación con animales? Tú decides.

producir anticuerpos monoclonales (hechos a partir de un solo clon de células) (Mabs). En primer lugar, se inocula un ratón o una rata con el antígeno (Ag) para el que se desea un anticuerpo. Después de que el animal produce una respuesta inmune al antígeno, se extrae su bazo. El bazo alberga células productoras de anticuerpos o linfocitos. Estas células de bazo se fusionan en masa con una línea celular de mieloma especializada que ya no produce un anticuerpo propio. Las células fusionadas resultantes, o hibridomas, retienen las propiedades de ambos progenitores. Crecen continua y rápidamente en cultivo como las células de mieloma (cancerosas) y producen anticuerpos especificados por los linfocitos fusionados del animal inmunizado. Se pueden producir cientos de hibridomas a partir de un solo evento de fusión. Luego, los hibridomas se analizan sistemáticamente para identificar el clon, que produce grandes cantidades del anticuerpo deseado. Después de identificar este clon, el anticuerpo se producirá en grandes cantidades. Los productos de anticuerpos monoclonales ahora se usan para tratar el cáncer, las enfermedades cardíacas y el rechazo de trasplantes, pero el proceso no siempre ha sido sencillo. Una de las primeras limitaciones para el éxito de los anticuerpos terapéuticos fue la inmunogenicidad. El método clásico para producir Mab utilizando células de hibridoma de ratón provocó una respuesta inmune en pacientes humanos. Los omas híbridos de ratón producen suficientes antígenos de "ratón" para provocar una respuesta inmunitaria indeseable en los seres humanos. Los pacientes eliminaron rápidamente los Mabs de ratón, por lo que los efectos terapéuticos fueron de corta duración. Los

diferentes organismos. En 2010, había 22 Mabs terapéuticos que habían sido aprobados por la FDA. Todos menos tres de estos han sido diseñados para reducir la inmunogenicidad, y la mayoría tiene alguna secuencia genética humana. Los ratones transgénicos que producen Mabs humanizados están bajo estudio en al menos 33 ensayos actuales para nuevos medicamentos. En 2007, la FDA aprobó el primer anticuerpo monoclonal producido en animales que no activa el sistema inmunitario humano frente al rechazo. Panitu mumab, producido a partir de ratones transgénicos con genes inmunitarios humanos knock, fue fabricado por Amgen en Thousand Oaks, California. El proceso implicó inactivar la maquinaria de anticuerpos de ratón (proteínas de anticuerpos de cadena pesada y ligera) e introducir el equivalente humano de estos genes productores de anticuerpos mediante recombinación homóloga en las regiones inactivadas (eliminadas). El trabajo se realizó en células ES de ratón, seguido de la introducción de estas células en embriones de ratón para producir animales fundadores. Los ratones transgénicos (xenomice) producen un anticuerpo completamente humano contra el receptor del factor de crecimiento epidérmico (como tratamiento para personas con cáncer colorrectal avanzado), que puede purificarse y no produce la respuesta HAMA. Desde el descubrimiento de que se podían generar anticuerpos monoclonales, los científicos se han centrado en la creación de productos "totalmente" humanos para reducir los efectos secundarios de los anticuerpos humanizados o quiméricos. En noviembre de 2016, 13 de las 19 terapias de anticuerpos monoclonales "totalmente" humanos en el mercado se derivaron

de la tecnología de ratones transgénicos. Los anticuerpos han sido aprobados para tratar el cáncer, las investigadores llamaron a esto la respuesta del anticuerpo anti-ratón monoclonales humano (HAMA). La solución es hacer que Mabs sea más humano. La eliminación enfermedades cardiovasculares, las enfermedades inflamatorias, de antígenos de ratón o la creación de células quiméricas es la degeneración macular, el rechazo de trasplantes, la esclerosis costosa y lleva mucho tiempo, y los Mab resultantes siguen múltiple y las infecciones virales. provocando una respuesta HAMA. Los investigadores están trabajando para resolver este problema y están produciendo Mabs en

Machine Translated by Google 218

Capítulo 7 Biotecnología Animal

HACER UNA DIFERENCIA

9. Explicar el concepto de “reducir, reemplazar y refinar” en el uso de animales para la investigación biológica.

La simplicidad, alta eficiencia y amplia aplicabilidad del sistema Cas9 guiado por ARN (CRISPR-Cas) está transformando la investigación biológica y biomédica. La facilidad con la que ahora los investigadores pueden realizar cambios en la secuencia o expresión de cualquier gen

10. ¿Por qué se utilizan células de mieloma en los hibridomas? 11. ¿Por qué la terapia génica (que rara vez se usa en

hace posible silenciar o activar un gen en prácticamente cualquier

humanos in vivo) un campo en expansión en la investigación de

organismo o tipo de célula. La capacidad de expresar múltiples ARN guía

biotecnología de mascotas?

en una sola célula aumenta aún más la capacidad de esta tecnología. Aunque los efectos fuera del objetivo de Cas9 deben controlarse, el alto grado de éxito de las inserciones o eliminaciones de genes hace posible el análisis sin el uso de medios de selección de fármacos requeridos por otros métodos. Los recientes avances en el desarrollo y optimización de

12. ¿Qué ventajas tienen las pruebas de drogas de “órganos en un chip” sobre las pruebas en animales? 13. ¿Por qué se interconectan "órganos en un chip" individuales para las pruebas de detección de drogas?

sistemas basados en CRISPR-Cas9 para la edición del genoma deberían impulsar la tecnología hacia aplicaciones terapéuticas, abriendo la puerta al diagnóstico de los mecanismos y nuevos tratamientos de una amplia variedad de enfermedades humanas. La capacidad de adaptar esta

14. ¿De qué manera la composición genética de las mascotas que tienen una alta incidencia de una enfermedad en particular (como el cáncer) proporciona un valioso potencial de investigación para enfermedades similares en humanos?

tecnología a problemas específicos de la biotecnología animal ha acelerado el progreso en este ámbito, y los modelos animales serán el punto de partida.

15. ¿Por qué sería beneficioso transferir donantes núcleos en células madre embrionarias de una fuente parental diferente?

16. ¿Cómo puede reducir la probabilidad de su transmisión a los humanos cambiar a pollos diseñados para bloquear la replicación del virus de la gripe aviar en los animales?

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES 17. La experimentación con embriones humanos tiene severas Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

1. ¿Cuáles son los beneficios para el desarrollo de fármacos humanos del uso de la edición de genes para curar enfermedades en animales? 2. ¿Cómo se extiende la inmunoterapia tradicional fármacos terapéuticos en el tratamiento del melanoma?

limitaciones. ¿Cómo alivia esta limitación la I/D (investigación y desarrollo) para el reemplazo de órganos humanos?

18. ¿Cuál es el costo de desarrollar medicamentos para mascotas en comparación con el costo de los medicamentos para humanos y cómo afecta esto al progreso del desarrollo de medicamentos para humanos?

3. ¿Por qué se usan comúnmente las cabras para la producción transgénica de proteínas terapéuticas?

19. ¿Cómo se puede usar el análisis FISH para identificar animales con los rasgos genéticos deseados para la

4. Con el genoma completo del cerdo ahora com

expansión del rebaño?

completado, ¿qué objetivos genéticos es probable que se elijan primero para la investigación?

20. ¿Cómo es útil el estudio de “riñón en un chip” de un fármaco? en la determinación de la dosificación del fármaco?

5. ¿Cómo permite la transparencia de los embriones de pez cebra una nueva dimensión para un estudio de fármacos antiinflamatorios?

6. ¿Cómo se puede evitar que los pollos modificados genéticamente transmitan la gripe aviar? 7. Si tuviera que elegir un fármaco para fabricarlo en un animal (pollo, conejo, cabra), ¿cuál elegiría y para qué tipo de fármaco?

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan

8. ¿Cómo se construye un órgano en un chip para que sea útil para estudios de drogas en humanos?

en la industria de la biotecnología.

Machine Translated by Google Estudio de caso utilizando el pez cebra como modelo de enfermedad cardíaca

219

Este estudio de caso se ha incluido para brindarle la oportunidad de familiarizarse con un ejemplo de investigación aplicable a este campo de estudio. Una vez que haya analizado los datos y respondido las preguntas, puede compararlas con las proporcionadas a su instructor con los materiales de texto.

CASO DE ESTUDIO Uso del pez cebra como modelo de enfermedad cardíaca señalización eléctrica alterada mediada por las proteínas desmosómicas mutantes. forma arrítmica de enfermedad cardíaca humana y una causa La miocardiopatía arritmogénica (MCA)en eslos una enfermedad altamente importante de muerte súbita jóvenes. La degeneración de los miocitos cardíacos (células musculares) y el reemplazo

Para explorar de manera eficiente la fisiopatología de la ACM, la investigación Los investigadores desarrollaron un modelo de pez cebra transgénico

por tejido cicatricial fibroadiposo se desarrolla con la progresión de la

inducible estable. Utilizaron el sistema de transactivación GAL4/UAS para

enfermedad, pero las arritmias suelen ser la característica más temprana de la

impulsar la expresión específica de miocitos cardíacos de la mutación humana

ACM y, por lo general, preceden a la remodelación estructural del miocardio

2057del2 (eliminación de 2 pares de bases) en el gen que codifica la proteína

(músculo cardíaco). La ACM es causada por mutaciones en genes que codifican

desmosomal placoglobina.

proteínas en el desmosoma (sitios de adhesión celular) de los cardiomiocitos. Se

Esta mutación se encuentra en ciertos defectos cardiomiopáticos humanos. Los

ha observado una localización anormal de la proteína placoglobina desmosómica

peces transgénicos que expresan esta mutación desarrollan una fisiología cardíaca

en pacientes con MCA. Se ha propuesto que la ACM se desarrolla como

anormal dentro de las 48 horas posteriores a la fertilización, con una progresión

consecuencia de

posterior dentro de las 4 a 6 semanas. Responde las preguntas con base en la siguiente figura.

Datos de investigación originales de los autores. (a y b) Imágenes representativas de un hermano de control de 5 semanas de edad (a) y 2057del2 plakoglobina (PG) pez cebra (b) (paneles de la izquierda); corazones disecados (paneles centrales) [hermano de control (a') y placoglobina 2057del2 (b'); OFT, tracto de salida; un atrio; v, ventrículo]; y secciones teñidas (paneles de la derecha) [hermano de control (a”) y pez mutante de placoglobina 2057del2 (b”), que muestran cardiomegalia, adelgazamiento de la pared y dilatación de la cámara en la edad adulta temprana]. ( c ) Curvas de supervivencia para el control y peces mutantes de placoglobina 2057del2. Se combinaron los datos de tres experimentos independientes y se presentaron como un porcentaje total de supervivencia de los peces en función del tiempo (n = 125; P < 0,0001). WT, tipo salvaje.

Fuente: Asimaki A, Kapoor S, Plovie E, et al. Identificación de un nuevo modulador del disco intercalado en un modelo de pez cebra de miocardiopatía arritmogénica. Sci Transl Med. 11 de junio de 2014; 6 (240): 240ra74. doi:10.1126/ scitranslmed.3008008.

Preguntas

3. ¿Cómo mejora este modelo de pez cebra la capacidad estudiar remedios potenciales para este tipo de mutación en humanos con

Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com 1. ¿Por qué el pez cebra es un buen modelo animal para la miocardiopatía arritmogénica humana? 2. ¿Por qué se eligieron peces hermanos para medir la superficie?

tasas de vival para la mutación del corazón?

miocardiopatía arritmogénica? 4. ¿Cuáles son los próximos pasos probables en este tipo de investigación?

Machine Translated by Google

CAPÍTULO OCHO

Huellas dactilares de ADN y análisis forense Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿ Describir el proceso para producir un perfil de ADN.

ÿ Describir la importancia de contaminación hasta la recolección y preparación de una muestra de ADN para ser utilizada como evidencia.

ÿ Explicar por qué el ADN basado en PCR ha reemplazado en gran medida al análisis basado en RFLP.

ÿ Describir cómo se comparan los perfiles de ADN en busca de similitudes o diferencias.

ÿ Explicar cómo los perfiles de “ADN táctil” pueden contaminarse fácilmente. ÿ Explicar los requisitos para que se utilice una huella dactilar de ADN para excluir a un sospechoso.

El diagnóstico en el punto de atención (principalmente a través de microfluidos) es un campo de rápido crecimiento habilitado por el diagnóstico de ADN como resultado de la capacidad ampliada de

ÿ Explicar cómo se puede realizar el análisis de ADN. Se utiliza para detectar fraudes en alimentos/bebidas.

ÿ Describir cómo se pueden utilizar las huellas dactilares de ADN para identificar las relaciones familiares.

los microchips. Las biopsias líquidas para la detección y el control del cáncer se están convirtiendo en un área de gran interés. Guardant Health, Exosome Diagnostics e Illumina han invertido millones en este proceso de análisis basado en sangre. Illumina, con sede en San Diego, anunció en 2016 que sus análisis de sangre deberían llegar al mercado en 2019 y costar alrededor de $ 1,000 o menos. El nuevo concepto de prueba se conoce como "biopsia líquida". La técnica utiliza máquinas de secuenciación de ADN de alta velocidad para buscar en la sangre de una persona fragmentos de ADN

ÿ Explicar cómo el análisis de ADN puede mejorar los diagnósticos médicos. ÿ Explicar cómo se podría usar la “proteómica de escopeta” como prueba comparativa con el análisis forense del ADN.

220

liberados por las células cancerosas.

Machine Translated by Google 8.1 ¿Qué es una huella dactilar de ADN?

La ciencia orense es la intersección de la ley y

F

221

enfrentar décadas después. La Universidad Johns Hopkins desarrolló un

Ciencias. Se puede utilizar para condenar a los culpables o

modelo utilizando registros de miles de gemelos idénticos que, a pesar de

exonerar a los inocentes. Muchos casos judiciales giran

compartir genes, pueden desarrollar diferentes enfermedades. Los

en la evidencia científica proporcionada por los forenses. A lo largo de

investigadores examinaron 24 dolencias, incluidos diferentes tipos de cáncer,

los años, los científicos han desarrollado tecnologías para descubrir

enfermedades cardíacas, diabetes y enfermedad de Alzheimer, para

hechos en investigaciones criminales, y la ley ha adoptado rápidamente

encontrar muchas diferencias en el ADN.

estas nuevas tecnologías a medida que estuvieron disponibles.

Sin duda, la microfluídica se utilizará para este tipo de diagnóstico de ADN (es decir, la toma de huellas dactilares) y tiene un impacto en el

Por ejemplo, a fines del siglo XIX, los esfuerzos para combatir el

desarrollo del mercado de Point-of-Care (POC). Se proyecta que el mercado

crimen recibieron un impulso gracias a una nueva tecnología: la fotografía.

global de diagnósticos en el punto de atención alcance aproximadamente

Las fotografías fueron sin duda una mejora con respecto a las

$41 mil millones para 2022, frente a los $23 mil millones en 2016. La

descripciones verbales y los carteles de "se busca" dibujados a mano,

capacidad de los dispositivos de laboratorio en un chip (ver imagen de

pero aún tenían severas limitaciones. Los delincuentes encontraron

apertura) para configurarse en un punto de necesidad El entorno tiene un

muchas formas de alterar su apariencia que podrían hacer que la

potencial considerable para aplicaciones en pruebas de agentes de

identificación basada en una fotografía fuera casi imposible.

enfermedades infecciosas y pruebas de enfermedades cardiovasculares, así

Hace poco más de 100 años, los científicos descubrieron que los

como otras aplicaciones ambientales y de biodefensa, según un análisis de

diminutos arcos y espirales de la piel de las yemas de los dedos

2016. La impresión de huellas dactilares de ADN se extenderá aún más a la

humanos podían utilizarse para establecer la identidad.

atención de la salud.

Después de que una huella sangrienta en el fondo de una caja ayudara a resolver un asesinato en Inglaterra, el proceso de entintar los dedos de un sospechoso y recolectar un juego de huellas se convirtió en una rutina. La Organización Internacional de Policía Criminal (Interpol), así

8.1 ¿Qué es una huella dactilar de ADN?

como otros organismos encargados de hacer cumplir la ley, acumularon enormes colecciones de estas impresiones. Pero las huellas dactilares

Sabemos que cada ser humano porta un conjunto único de genes. La

no siempre están disponibles: se pueden borrar y se pueden usar

estructura química del ADN es siempre la misma, pero el orden de los

guantes para evitar dejarlas atrás.

pares de bases en los cromosomas difiere en los individuos. El ensamblaje novedoso de los 3.300 millones de nucleótidos formados en

En 1985, surgió una nueva tecnología revolucionaria como una importante herramienta forense. En lugar de contar con las huellas dactilares manchadas dejadas en la escena del crimen, los investigadores

23 pares de cromosomas nos da a cada uno de nosotros una identidad genética única. También sabemos que cada célula contiene una copia del ADN

podrían observar un nuevo tipo de “huella dactilar”, la firma única que se

que define al organismo como un todo, aunque las células individuales

encuentra en la estructura genética de cada persona. En este capítulo,

tienen funciones diferentes (las células del músculo cardíaco mantienen

observamos una descripción de las huellas dactilares de ADN y

latiendo nuestro corazón, las neuronas transmiten las señales que son

discutimos qué hace que el ADN de cada persona sea único. Luego

nuestros pensamientos, etc.). Estos dos aspectos del ADN, su naturaleza

aprendemos los procesos utilizados para recolectar muestras de ADN y

uniforme en un solo individuo y la variabilidad genética entre individuos,

producir huellas dactilares de ADN para su análisis. Comparamos

hacen posible la toma de huellas dactilares del ADN. Debido a que todas

perfiles de ADN y aprendemos lo que se necesita para que se produzca una coincidencia de ADN. A continuación, consideramos ejemplos que

recolectadas al frotar el interior de la mejilla de una persona serán una

las células de un cuerpo comparten el mismo ADN, las células

ilustran el valor y las vulnerabilidades.

combinación perfecta para las que se encuentran en los glóbulos

del ADN como prueba. Luego veremos cómo se pueden usar los

blancos, las células de la piel o cualquier otro tejido.

perfiles de ADN para establecer relaciones familiares, centrándonos en el uso del ADN mitocondrial para proporcionar pruebas de parentesco. A continuación, ilustraremos cómo se ha ampliado el análisis de ADN

¿Cómo se realiza la tipificación de ADN?

para diagnosticar enfermedades en etapas más tempranas debido a la

Solo una décima parte del 1 por ciento del ADN (alrededor de 3 millones

presencia de fragmentos de ADN en muestras de sangre. Finalmente,

de bases) difiere de una persona a otra. Estas regiones variables pueden

debido a que los perfiles de ADN no se limitan a los humanos, analizamos

generar un perfil de ADN de un individuo, utilizando muestras de sangre,

los usos del análisis de ADN para establecer el origen de cultivos

huesos, cabello u otros tejidos corporales que contengan un núcleo con

vegetales valiosos, ayudar a hacer cumplir las leyes para proteger la

ADN. En los casos penales, esto generalmente implica obtener muestras

vida silvestre y realizar investigaciones biológicas.

de la evidencia de la escena del crimen y de un sospechoso, extraer el ADN y analizarlo para detectar la presencia de un conjunto de regiones

PRONÓSTICO DEL FUTURO

de ADN específicas. Hay dos tipos principales de pruebas forenses de ADN: una basada

A medida que la secuenciación del ADN y el mapeo del genoma se vuelven

en el polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción (RFLP) y la

más rápidos y económicos, los científicos y los consumidores se han

otra en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) (consulte la

preguntado sobre un posible uso más amplio, como encontrar todas las

Figura 8.1 para ver una ilustración de un RFLP). El método original de

mutaciones ocultas en el ADN para predecir qué enfermedades desarrollará una persona. prueba de ADN, la prueba RFLP, requiere

Machine Translated by Google 222

Capítulo 8 Huellas dactilares de ADN y análisis forense

Individuo 1

Individuo 2

GRAMO

CA

GRAMO

C GRAMO

GRAMO

C

C.G.

C

GRAMO

C

C

GRAMO

GRAMO

GRAMO

C

C

GRAMO

C

C

GRAMO

GRAMO

C

GRAMO GRAMO GRAMO

GRAMO

C

C

C GRAMO

X

Con

GRAMO

C.G.

C.G.

C

A

GRAMO GRAMO

C

C

GRAMO

C

C.G. C.G.

GRAMO

y

C

C C

C

GRAMO

GRAMO

GRAMO

C C.G.

GRAMO

GRAMO

en

y

Fragmentos más largos

– Con

en

X

Fragmentos más cortos

+

y

y

Individual 1 Individual 2

FIGURA 8.1 Los polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción (RFLP) se pueden usar para producir huellas dactilares de ADN Las enzimas de restricción reconocen una secuencia corta de nucleótidos y cortan el ADN. Las mutaciones aleatorias interfieren con el reconocimiento de enzimas, creando diferentes longitudes de ADN (no cortadas si están mutadas). El patrón de estos fragmentos cortados (cuando se separan en un gel mediante electroforesis) se puede utilizar para determinar similitudes y diferencias. La toma de huellas dactilares de ADN humano se ha trasladado al análisis STR en gran parte debido a la necesidad de una cantidad considerablemente menor de ADN para el proceso de PCR. El individuo 1 en la figura tiene tres sitios de corte en su ADN, mientras que el individuo 2 tiene solo 2. Los patrones de bandas resultantes de la separación electroforética muestran las diferencias.

muestras más grandes que la PCR, y el ADN debe estar intacto y

Afortunadamente, no es necesario catalogar cada par de bases

sin degradar (el FBI acepta RFLP de cuatro tipos para la comparación

en el ADN de un individuo para llegar a una huella dactilar única. En

de casos). Es posible que desee ver la animación "Polimorfismos de

cambio, el perfil de ADN depende solo de una pequeña porción del

longitud de fragmentos de restricción" en el sitio web complementario

genoma. Cada hebra de ADN está compuesta tanto de información

para obtener un análisis visual del proceso. La evidencia de la

genética activa, que codifica proteínas, como de ADN inactivo, que

escena del crimen que es antigua o está presente solo en pequeñas

no lo hace.

cantidades a menudo no es adecuada para las pruebas de RFLP.

Algunas de estas porciones inactivas contienen secuencias repetidas

Las condiciones cálidas y húmedas pueden acelerar la degradación

de entre 1 y 100 pares de bases. Estas secuencias, llamadas

del ADN, haciéndolo inadecuado para las pruebas de RFLP en un

repeticiones en tándem de número variable (VNTR), son de

período de tiempo relativamente corto. Debido a esto, el RFLP no

particular interés para determinar la identidad genética. Cada

se usa con tanta frecuencia para las pruebas de ADN como antes.

persona tiene algunos VNTR que fueron heredados de su madre y padre. Ninguna persona tiene VNTR que sean idénticos a los de

La tipificación basada en PCR requiere menos ADN que las pruebas RFLP y sigue siendo efectiva si la muestra está parcialmente

cualquiera de los padres (ya que recibimos un alelo de cada padre y

degradada. Sin embargo, las pruebas basadas en PCR también son

es posible que no sean iguales). Los VNTR del individuo son una

extremadamente sensibles a la contaminación por ADN extraño en

combinación de repeticiones de los del

la escena del crimen y dentro del laboratorio.

Machine Translated by Google 223

8.2 Preparación de una huella dactilar de ADN

13 CODIS Núcleo STR Loci con posiciones cromosómicas

Anatomía de un

microsatélite

CROMOSOMA

imagen cortesía del Instituto Nacional de Salud

TPOX D3S1358

CROMOSOMA FIBRA ADN DOBLE

D8S1179

D5S818 FGA CSF1PO

HÉLICE

TH01 VOZ

D7S820

1 12111098765432 T A A C C CA T C A T CA C T T A T T A T T A T T A T T A T T A T T A C C A T A C A C A T A C GRAMO

GRAMO

ATT C

GRAMO GRAMO GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

T A C T A C T C AA T AA T AA T AA T AA T AA T AA T GRAMO

GRAMO

flanqueando

secuencia

GRAMO

microsatélite secuencia (TTA)8

GRAMO GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

C TA T C T C TA T C C GRAMO

GRAMO

GRAMO

flanqueando

secuencia

FIGURA 8.2 Anatomía de un microsatélite de ADN Un microsatélite es un número variable de nucleótidos repetidos (como TTA) que se encuentran en lugares específicos del genoma. El uso de cebadores para las regiones flanqueantes en los extremos del microsatélite permite la amplificación mediante PCR (desde ambas direcciones).

Los individuos heredan un número específico de estas repeticiones de sus padres, pero el número de repeticiones varía para individuos no emparentados, formando un patrón distinto o huella digital de ADN.

regiones de ADN de los padres en tándem. Los VNTR se dividen en dos subgrupos, los minisatélites, que son la base de gran parte del análisis RFLP, y los microsatélites, que son la base de la base de datos CODIS actual. La singularidad de los VNTR de un individuo

ACCIÓN

D13S317 D16S539 D18S51

D21S11

ACCIÓN

13 YX222120191817161514 FIGURA 8.3 Patrones de repetición en tándem cortos humanos En 1998, el FBI eligió 13 regiones STR únicas (que se muestran en los cromosomas humanos) para su análisis y comparación en su biblioteca de huellas dactilares de ADN. Se agregaron siete loci adicionales al CODIS Core a partir del 1 de enero de 2017. Los siete loci adicionales:

D1S1656, D2S441, D2S1338, D10S1248, D12S391, D19S433 y D22S1045, junto con los 13 loci originales, constituirán los nuevos CODIS Core Loci. Los cebadores de ADN para las regiones flanqueantes de estos sitios se encuentran comúnmente en kits de PCR que amplifican estos sitios. Después de la secuenciación del ADN, los resultados indican el número de repeticiones de cada cromosoma homólogo en ese sitio y constituyen una huella dactilar del ADN de ese individuo.

proporciona el marcador científico de identidad conocido como huella dactilar de ADN.

Coleccion de especimenes Los investigadores de la escena del crimen buscan rutinariamente

Las huellas dactilares de ADN producidas por PCR generalmente se limitan a detectar la presencia de microsatélites (Figura 8.2), que son repeticiones de uno a seis nucleótidos dispersas a lo largo de los cromosomas. Debido a que estas regiones repetidas pueden ocurrir en muchos lugares dentro del ADN, las sondas utilizadas para identificarlas complementan las regiones de ADN que rodean el microsatélite específico que se analiza. El pequeño tamaño de estos segmentos repetidos ha resultado en el término repetición corta en tándem o STR. El FBI ha elegido 13 STR únicos para analizar los perfiles de ADN contenidos en su Sistema de índice de ADN

fuentes de ADN: ropa sucia, un sobre lamido, una colilla de cigarrillo o cualquier otra cosa que pueda ser una fuente de células humanas dejadas atrás. Diminutas manchas de sangre o un rastro de saliva suelen ser todo lo que se necesita para resolver un caso. Todo ser vivo tiene ADN, por lo que cada escena del crimen está llena de fuentes de posible contaminación. Por esta razón, se requiere una atención escrupulosa a los detalles al recopilar y conservar las pruebas. Para proteger la evidencia, los trabajadores en la escena del crimen deben tomar precauciones (consulte el sitio web del FBI para obtener una lista completa de precauciones).

combinado, o CODIS, como se ve en la Figura 8.3. A principios de 2015, el FBI anunció que se agregarían siete loci adicionales al CODIS Core a partir del 1 de enero de 2017.

Los enemigos de la evidencia están en todas partes. La luz solar y las altas temperaturas pueden degradar el ADN. Las bacterias, ocupadas en realizar su trabajo natural como descomponedores, pueden contaminar una muestra antes o durante la recolección. Una pequeña cantidad de humedad puede dañar y arruinar una

8.2 Preparación de una huella dactilar de ADN

muestra. La toma de huellas dactilares de ADN es un proceso comparativo. El ADN de la escena del crimen debe compararse con muestras de

La preparación de una huella digital de ADN requiere la recolección

ADN conocidas del sospechoso. El ADN se ha recuperado y analizado

de muestras, el aislamiento y la cuantificación del ADN y la

con éxito a partir de muestras que tenían una década de antigüedad

amplificación por PCR. Discutimos estos pasos en detalle en las

mediante la amplificación del ADN utilizado para la comparación

siguientes páginas.

mediante PCR.

Machine Translated by Google 224

Capítulo 8 Huellas dactilares de ADN y análisis forense

Extracción de ADN para análisis

escena. Debido a esto, la PCR ahora se usa normalmente para "crecer" o amplificar la muestra en una cantidad que se pueda

Después de recolectar una muestra de la fuente conocida, un técnico

analizar.

de laboratorio es responsable de determinar los detergentes que

PCR es muy parecido a una fotocopiadora de ADN. El primer paso

eliminan químicamente el material celular no deseado, seguido de

consiste en localizar las porciones de ADN que pueden ser útiles para la

enzimas que digieren proteínas y ARN y precipitación en etanol. A

comparación. Los cebadores, o piezas cortas de ADN, son las herramientas

continuación, se debe cuantificar el ADN para realizar comparaciones

que se utilizan para encontrar esas porciones en cada hebra de ADN en la

precisas con otras muestras.

dirección de 5´ a 3´ (ver flechas en la Figura 8.4).

Una vez que se extrae y cuantifica el ADN, el técnico debe seguir

Los cebadores (alrededor de 20 nucleótidos de largo) se

varios pasos para transformar la firma única de ese ADN en evidencia

complementan mediante interacciones de apareamiento de bases de

visible.

ADN y se unen mejor cuando las bases coinciden exactamente con las secciones complementarias del ADN. Una vez que se localiza el

Análisis PCR y STR

segmento complementario de ADN, comienza la copia mediante un

Se requieren varios miles de células para hacer un análisis de RFLP,

dispositivo llamado termociclador. La Figura 8.4 ilustra la PCR

más de lo que a menudo se puede recolectar en un crimen

utilizada en la amplificación de ADN para la toma de huellas dactilares. Con la ayuda d

FIGURA 8.4 Amplificación del ADN en sitios específicos mediante PCR La reacción en cadena de la polimerasa genera muchas copias de una región específica del ADN in vitro. La PCR se basa en una ADN polimerasa termoestable, Taq

Región a copiar

Modelo ADN

TA TCA A TA

GRAMO

GRAMO

A TCCA T

TCTA

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

A

GRAMO

T

TACCTCA

… …

…

TATCAGATCCATGGAGT

GRAMO

A

GRAMO

TACTA

CTCA T

GAGÁ

GRAMO

CTA GRAMO

GRAMO

TCCTA T

A TCA

GRAMO

GRAMO

GRAMO

TCCTA T

A TCA

GRAMO

GRAMO

GRAMO

CA

GRAMO

A TCCA T

TCTA

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

GRAMO

T A C C TCA … CTCATGATCAGGATACTCA

Desnaturalización (96°C)

Primer recocido (55° C)

Repetir 25—353

Extensión de imprimación (72° C)

Resultado después de 1 ciclo: Número de Las moléculas de ADN se han duplicado.

GRAMO

T

A

GRAMO

T

A TACTCA

Primer 1 UNA ETIQUETA

A

A TACTCA

Primer 2

polimerasa, y requiere cebadores de ADN complementarios a una región de ADN específica. La enzima ADN polimerasa Taq crea nuevas hebras de ADN, utilizando hebras existentes como moldes. Taq la polimerasa puede producir ADN solo si se le da un cebador, una secuencia corta de nucleótidos que proporciona un punto de partida para la síntesis de ADN. Cuando los cebadores se unen a la plantilla, la polimerasa puede extenderlos y la región que se encuentra entre ellos se copiará. Los pasos son los siguientes: desnaturalización (96 °C): el calor separa o desnaturaliza las hebras de ADN; hibridación (de 55 a 65 °C): enfría la reacción para que los cebadores puedan unirse a sus secuencias complementarias en el molde de ADN monocatenario; extensión (72 °C): eleva las temperaturas de reacción para que la polimerasa Taq extienda los cebadores y sintetice nuevas hebras de ADN. En la PCR, la reacción pasa repetidamente por una serie de cambios de temperatura, lo que permite que se produzcan simultáneamente muchas copias de la región objetivo.

Machine Translated by Google 8.3 Uso del ADN

la enzima Taq polimerasa y los nucleótidos de ADN, los ciclos de calor y frío hacen que el ADN se separe y luego se replique repetidamente. En cuestión de horas, los segmentos de ADN pueden aumentar en miles de millones. Ese rápido crecimiento presenta un posible problema: la PCR es muy sensible a la contaminación, y un pequeño error en un procedimiento de campo o de laboratorio puede resultar en la duplicación de una muestra de ADN contaminante. Es posible que desee ver la animación "Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)" en el sitio web complementario para ver cómo se realiza normalmente el proceso.

225

GeneScan Project™ 100

200

300

D3S1358 TH01 D21S11 D18S51

400

500

600

Penta E

1200 800 400 0 300 0,5 mg 1200 800 400 0

D5S818 D7S820 CSF1PO Penta E D13S317 D16S539

300 0,5 mg Amel. vWA D8S1179 TPOX FGA

Análisis de RTS Después de amplificar los STR mediante PCR, los alelos se separan y detectan mediante electroforesis capilar, que separa las longitudes del ADN amplificado, lo que permite determinar el número de repeticiones en cada uno de los dos alelos en los cromosomas homólogos. Un STR contiene números repetidos de una secuencia de ADN corta (típicamente de tres a cuatro nucleótidos). El número de repeticiones dentro de un STR se denomina alelo. Por ejemplo, el STR conocido como D7S820, que se encuentra en el cromosoma 7, contiene entre 5 y 16 repeticiones de GATA. Un individuo con los alelos 10 y 15 de D7S820, por ejemplo, habría heredado una copia de D7S820 con 10 repeticiones GATA de un padre y una copia de D7S820 con 15 repeticiones GATA del otro padre. Hay 12 alelos diferentes para este STR, creando 78 genotipos posibles diferentes, o pares de alelos, para este sitio. El gran número de variaciones de cada STR proporciona la variabilidad necesaria para distinguir diferentes individuos utilizando huellas dactilares de ADN.

1200 800 400 0 300 0,5 mg FIGURA 8.5 Visualización GeneScan de los 13 STR aceptados por CODIS Utilizando electroforesis capilar para detectar las secuencias de ADN microsatélite STR amplificadas, es posible determinar el número de STR. Al comparar los patrones obtenidos como evidencia, se puede determinar si los patrones de ADN son exactamente iguales o diferentes. Tenga en cuenta que ninguna de las huellas dactilares de ADN que se muestran son coincidencias exactas.

es alto. Vea si está de acuerdo con la exclusión de un individuo como se muestra en la Figura 8.6. También puede utilizar la "Actividad: huellas dactilares de ADN" en el sitio web complementario para un repaso visual. Como veremos, esta evidencia visual clara puede ser invaluable para los investigadores de delitos. A continuación, consideramos algunos ejemplos de perfiles de ADN en acción.

El caso del asesinato de Narborough Village condujo a un nuevo método de separación de ADN La figura 8.5 muestra los alelos de los 13 sitios STR utilizados por CODIS, con sus posiciones de pares de bases (y los nombres en clave de los 20 sitios). Es posible que desee ver "Probabilidad" en el sitio web complementario para una revisión de los cálculos de herencia.

8.3 Uso del ADN

El primer uso informado de huellas dactilares genéticas en un caso penal involucró la agresión sexual y el asesinato de una colegiala en el Reino Unido en 1983. Sir Alex Jefferies y sus colegas, el Dr. Peter Gill y el Dr. Dave Werrett, desarrollaron técnicas para extraer ADN y elaboración de perfiles a partir de muestras antiguas de tejido humano. Gill también desarrolló un método para separar los espermatozoides de las células vaginales, que permite que las huellas dactilares se ejecuten primero en las células vaginales y luego en los espermatozoides para proporcionar muestras de comparación (Figura 8.7). En este método, un detergente abre las células vaginales pero deja intactos los espermatozoides. Sin estos avances, sería difícil utilizar pruebas de ADN para resolver casos de violación porque no se podrían ubicar los espermatozoides para compararlos con muestras conocidas. En este caso, Jefferies y sus colegas compararon las pruebas de ADN recogidas en la escena del crimen con una muestra de

La toma de huellas dactilares de ADN es similar al análisis de huellas dactilares a la antigua en un aspecto importante. En ambos casos, la evidencia recopilada en la escena del crimen se compara con la evidencia recopilada de una fuente conocida. Durante la evaluación de las muestras, los analistas buscan la alineación de las bandas. Si las muestras son de la misma persona (o de gemelos idénticos), las bandas o puntos deben alinearse exactamente. Todas las pruebas se basan en la exclusión. En semen de una violación y un asesinato similares anteriores, y el otras palabras, la prueba continúa solo hasta que se encuentra análisis indicó que ambos delitos fueron cometidos por el mismo una diferencia. Si no se encuentra ninguna diferencia después de hombre. En este punto, la policía tenía un principal sospechoso. una cantidad estadísticamente aceptable de pruebas, la probabilidad de una coincidencia Sin embargo, cuando el ADN

Machine Translated by Google 226

Capítulo 8 Huellas dactilares de ADN y análisis forense

Maqueta de caso: Resultados VOZ

FGA

16, 19

18, 22

X

16, 17 20, 21

X

15, 16

16, 19

18, 22

15, 16

16, 19

18, 22

ejemplo de identificacion

D3S1358

Fulano de tal,

15, 16

Referencia

ACCIÓN

D8S1179 D21S11 D18S51 D5S818 D13S317 D7S820

11, 12

30, 31.2

14

10, 13

31, 31.2

12,

X

11, 12

30, 31.2

14 9, 12 9, 12 8, 11

X

11, 12

30, 31.2

14 9, 12 9, 12 8, 11

9, 12

9, 12

8, 11

utilizado en el crimen, mientras que la mancha C se encontró en el mango del cuchillo. Las

Muestra Dorothy Smith, Referencia

15, 18

dieciséis

10, 12

11, 12

Muestra Hoja de cuchillo Mancha A

Hoja de cuchillo Mancha B

FIGURA 8.6 ¿Quién queda excluido de la comparación de ADN? Los archivos de perfil de ADN que se muestran fueron tomados de la escena del crimen. Las manchas de cuchillo A y B se encontraron en la hoja de un cuchillo

8

tres tinciones se amplificaron para el análisis de ADN. Dos individuos fueron probados para una coincidencia con los perfiles de ADN. Lea la conclusión de la figura y vea si está de acuerdo con el análisis.

Conclusiones: Dorothy Smith PUEDE ser excluida de contribuir al ADN encontrado en el las manchas de la hoja del cuchillo A y B. Jane Doe NO PUEDE ser excluida de contribuir al ADN encontrado en la hoja del cuchillo las manchas A y B.

la evidencia se comparó con una muestra de ADN de la sangre del sospechoso, el ADN no coincidía. Por lo tanto, el principal sospechoso quedó excluido de la consideración. La investigación continuó. La policía realizó la primera prueba masiva de ADN del mundo, recolectando 5.500 muestras de la población masculina del distrito. Usando pruebas simples de tipo de sangre, todos menos el 10 por ciento del grupo inicial fueron rápidamente excluidos (usando métodos de análisis RFLP). Después de muchas horas agotadoras de análisis, la investigación se había estancado: ninguno de los perfiles restantes coincidía con el del violador/asesino. Luego vino el golpe de suerte. Se escuchó a un hombre decir que había dado una muestra a nombre de un amigo. Cuando se detuvo al hombre que había evadido las pruebas masivas, se analizó su ADN y se encontró que coincidía exactamente con el ADN de las muestras de semen de los crímenes. El sospechoso confesó y fue condenado a cadena perpetua. Este caso destaca una de las limitaciones importantes para el uso de pruebas de ADN: a menos que haya

una muestra conocida para ser utilizada como comparación, no se puede establecer la identidad. En el ejemplo que se muestra en la Figura 8.8, se conocen las muestras de sangre de la víctima y del sospechoso. Al comparar estas dos huellas dactilares de ADN conocidas, los investigadores pudieron ubicar al sospechoso en la escena del crimen basándose únicamente en las huellas dactilares de ADN de la sangre encontrada en la ropa del sospechoso.

¿Qué importancia tiene la contaminación? En un famoso caso de contaminación de la escena del crimen, la policía alemana buscó durante unos 15 años a un asesino en serie que creían que era una mujer vinculada por rastros de ADN a seis asesinatos en Alemania y Austria. En 2009, la policía descubrió que una trabajadora de una fábrica que producía los bastoncillos de algodón utilizados en las investigaciones los había contaminado accidentalmente con su propio ADN. Este ejemplo enfatiza la importancia de los controles.

USTED DECIDE ¿Podría la detección genética mejorar la prevención del cáncer de mama? El Instituto de Investigación del Cáncer tiene una prueba para una amplia gama

vínculo entre la puntuación, llamada "puntuación de riesgo poligénico", y el riesgo de cáncer de mama de una mujer. Por ejemplo,

de factores de riesgo genéticos que podría mejorar la capacidad de los médicos para determinar qué mujeres tienen un mayor riesgo de

poligénico tenía 1,8 veces más probabilidades de desarrollar cáncer de

una mujer en el 20 por ciento superior en la puntuación de riesgo

desarrollar cáncer de mama, según un estudio importante de más de

mama que la mujer promedio. El análisis de este panel de 77 marcadores

65,000 mujeres. La investigación, una colaboración de cientos de

genéticos, todos los cuales se habían relacionado previamente con ligeros

instituciones de investigación dirigida por el Instituto de Investigación del

aumentos en el riesgo de cáncer de mama por sí solos, fue mucho más

Cáncer de Londres y la Universidad de Cambridge, mostró que una prueba

preciso para definir el riesgo que las pruebas anteriores que usaban menos marcadores. ¿Deberían convertirse en rutina los análisis forenses de ADN

de diferencias en 77 letras separadas del código de ADN podría indicar el riesgo de una mujer de desarrollar cáncer de mama. Encontraron un importante

para el cáncer de mama? ¿Cómo justificaría el gasto el seguro médico? Tú decides.

Machine Translated by Google 227

8.3 Uso del ADN

ejemplo de identificacion

Torunda

D5S818

Agregue detergente. Persona A

especímenes

1) Incubar durante la noche a 4°C.

Persona B

9, 12

8 (o 8,8)

FIGURA 8.8 Ejemplo de una exclusión basada en un STR de un sospechoso En el locus D5S818 (cromosoma 5), la persona A tiene 9 repeticiones de su madre y 12 repeticiones de su padre. La persona B tiene 8 repeticiones de ambos padres.

Eventos mundiales conducen al desarrollo de nuevas tecnologías 2) Centrifugar y desechar el sobrenadante.

Agregar detergente de extracción sin TDT.

Cuando ocurren desastres importantes y es necesario identificar a un gran número de personas, las comparaciones de ADN no son suficientes. Los nuevos métodos de catalogación de pruebas han resultado en comparaciones más rápidas y eficientes para distinguir a las personas.

Análisis forense de ADN utilizado después del World Trade

3) Incubar 2 horas a 37°C.

Desastre central Guardar sobrenadante 4) Centrífuga.

que contiene ADN femenino.

Poco después de que las torres gemelas del World Trade Center en la ciudad de Nueva York fueran destruidas por los ataques terroristas del 11 de septiembre de 2001, los científicos forenses se unieron y aceleraron rápidamente los esfuerzos para utilizar técnicas basadas en el ADN para identificar los restos de las víctimas. Se enfrentaron a una enorme cantidad de escombros en el sitio, condiciones de trabajo peligrosas, calor y descomposición microbiana de los restos, y cientos de miles de muestras

5) Añadir extracción

de tejido de las casi 3000 personas perdidas.

detergente que contiene TDT.

Estos problemas hicieron evidente que sería necesario emplear nuevas estrategias para preparar y organizar rápidamente los perfiles de ADN y compararlos con los perfiles de ADN de los familiares. ¿Cómo establecerían los científicos la identidad del ADN de aquellos que perecieron en más de Celula de esperma

1,5 millones de toneladas de escombros?

pellet centrifugado

Las agencias estatales, como el Departamento de Salud de Nueva York y el laboratorio del médico forense, y varias agencias federales,

6) Incubar. ADN de esperma

en solución

incluido el Departamento de Defensa de EE. UU., los Institutos Nacionales de Salud y el Departamento de Justicia de EE. UU., respondieron de inmediato para ayudar con esta tarea. Dentro de las 24 horas posteriores al desastre, el Departamento de Policía de la ciudad de Nueva York había establecido puntos de recolección en toda la ciudad donde los miembros de la familia podían presentar informes

FIGURA 8.7 Aislamiento de ADN de esperma o ADN de células vaginales de fuentes mixtas El ADN de una célula de esperma se puede

de personas desaparecidas y proporcionar hisopos de células de la mejilla

tomar mediante huellas dactilares para compararlo con el perfil obtenido de una

para el aislamiento de ADN. También se recolectaron artículos personales

muestra de esperma obtenida en un hisopo vaginal. El tampón, que contiene ditiotreitol (DTT), romperá la membrana de la célula espermática y se puede usar

(peines, cepillos de dientes) de los desaparecidos para realizar un perfil de ADN.

para detectar ADN espermático después de que el ADN vaginal se haya

Myriad Genetics, Inc., Gene Codes Forensics, DNA VIEW, Celera

Genomics, Bode Technology Group y Orchid Genescreen estuvieron entre analizado por separado con evidencia mixta (debido a la capacidad de la lasTDT). empresas que ayudaron membrana de la célula espermática para resistir la interrupción hasta que se agregue de la

Machine Translated by Google 228

Capítulo 8 Huellas dactilares de ADN y análisis forense

TÚ DECIDES

¿Ayudarán las fuerzas del orden las pruebas rápidas de ADN en la escena del crimen?

Los avances tecnológicos pronto harán factibles y prácticas las pruebas rápidas

que podría buscarse instantáneamente en una base de datos de perfiles de delincuentes conocidos. Para ayudar en este esfuerzo,

de ADN (ADN-R). Pero estos nuevos sistemas portátiles de

en 2011 se estableció un grupo de trabajo científico para el ADN

muestreo de ADN forense de "laboratorio en un chip" también

rápido en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Este

plantean nuevos desafíos para la comunidad de tipificación forense

grupo se formó para monitorear y abordar la calidad específicamente

de ADN. Existen pautas de validación para las técnicas actuales de

con respecto a la nueva generación de tecnologías de ADN rápido

tipificación de ADN basadas en laboratorio y son empleadas por

y para ayudar a evaluar y validar estos procesos no probados. El

especialistas forenses. Durante la última década, el procesamiento

grupo de trabajo R-DNA influirá en la política, definirá los

de cada muestra utilizando la tipificación forense actual de ADN

procedimientos y discutirá las posibles implicaciones del uso.

basada en laboratorio ha llevado entre 8 y 10 horas. Por ejemplo, la porción de amplificación de PCR del flujo de trabajo por sí sola

Las recomendaciones de este grupo de trabajo guiarán a la

suele tardar aproximadamente 3 horas con los protocolos de ciclos

comunidad forense de tipificación de ADN en el uso adecuado de

térmicos estándar, mientras que las aplicaciones potenciales para

los dispositivos R-DNA. En un entorno de laboratorio, una persona

los dispositivos de ADN rápido son muchas, incluso en la estación

capacitada completa la tipificación del ADN, mientras que un

de reserva. El personal de la estación de policía podría realizar

dispositivo R-DNA realiza automáticamente la tipificación del ADN.

pruebas preliminares a los sospechosos entrantes rápidamente y

¿Qué se debe hacer para asegurarse de que las pruebas sean

con poca capacitación. Las muestras de saliva podrían recolectarse

precisas con los dispositivos R-DNA? ¿Cómo se mantendría la privacidad? Tú decides.

de una manera mínimamente invasiva y tipificarse directamente en la estación. Las fuerzas del orden tendrían entonces un perfil

en este esfuerzo. Varias otras empresas participaron en el desarrollo de

Al analizar el ADN mitocondrial (consulte la Sección 8.5), M-FISys

nuevos programas de software para ayudar a unir las muestras enviadas

incorporó variaciones específicas masculinas en el cromosoma Y,

por los miembros de la familia con los perfiles de ADN obtenidos de las víctimas del World Trade Center. Las muestras de tejido disponibles

llamadas Y-STR, para ayudar en la identificación de individuos. En 3 meses, se habían identificado aproximadamente 800 víctimas.

consistían principalmente en pequeños fragmentos de huesos y dientes, que proporcionaron ADN fragmentado debido a la degradación por el intenso calor en el sitio. Debido a esto, los científicos forenses utilizaron

Gene Codes también estableció el Proyecto DNA Shoah (shoah es el nombre hebreo para el Holocausto), un esfuerzo por usar M-FISys

principalmente análisis STR, ADN mitocondrial (ADNmt) y SNP de

para establecer una base de datos genética de los sobrevivientes del

fragmentos de ADN para desarrollar perfiles.

Holocausto de la era nazi con el objetivo general de tratar de reunir a

Se realizaron análisis de ADN en más de 15.000 muestras de tejido,

aproximadamente 10,000 personas de la posguerra. huérfanos de todo el mundo.

aunque finalmente se identificaron menos de 1.700 de las 2.819 personas estimadas que murieron en el sitio. Esta tragedia obligó al desarrollo de nuevas estrategias forenses para analizar y organizar los restos

8.4 AND y las Reglas de Evidencia

recuperados del sitio y, lo que es más importante, proporcionó un cierre para varias familias que perdieron a sus seres queridos en el ataque.

Antes de que las huellas dactilares de ADN pudieran usarse en un tribunal de justicia, las huellas dactilares de ADN tenían que cumplir con los

Análisis forense de ADN después del tsunami del sur de Asia El tsunami del sur de Asia de diciembre de 2004 fue una tragedia que cobró más de 225.000 vidas y devastó áreas de Indonesia, Sri Lanka y

estándares legales generales con respecto a la admisibilidad de la evidencia. Los tribunales estadounidenses utilizan cinco estándares diferentes para determinar si se debe permitir la evidencia científica en un caso. La prueba utilizada depende de la jurisdicción. Cuando se utiliza una nueva técnica o método para recolectar, procesar o analizar evidencia, debe

Tailandia. La empresa Gene Codes, con sede en Michigan, modificó su

cumplir con uno o varios de estos estándares antes de que se acepte la

sistema de software, denominado Sistema de Identificación de

evidencia.

Fatalidades Masivas (M-FISys), para ayudar con el esfuerzo de Identificación de Víctimas del Tsunami en Tailandia. Debido a que M-

ÿ La prueba de relevancia (Reglas Federales de Evidencia 401, 402 y

FISys se creó esencialmente en respuesta a la tragedia del 11 de

403) esencialmente permite todo lo que los tribunales consideren

septiembre, Gene Codes no tuvo que escribir software completamente

relevante.

nuevo y pudo personalizar M-FISys según fuera necesario. Además de

ÿ El estándar Frye (1923) requiere que la teoría y las técnicas subyacentes utilizadas en la recopilación

Machine Translated by Google 8.4 AND y las Reglas de Evidencia

la evidencia ha sido "suficientemente utilizada y probada

Error humano y fuentes de

dentro de la comunidad científica y ha ganado aceptación

Contaminación

229

general". Esto se conoce como una prueba de aceptación general. ÿ El estándar de Coppolino (1968) permite el uso de ciencia nueva o controvertida si se puede sentar una base adecuada, incluso si la profesión en su conjunto no está familiarizada con el nuevo método. ÿ El estándar de Marx (1975) es básicamente una prueba de sentido común que requiere que el tribunal sea capaz de comprender y evaluar la evidencia científica presentada. Esto a veces se conoce como la regla de no jerga.

Una de las mayores amenazas para las pruebas de ADN es el error humano. Anteriormente, revisamos algunas de las precauciones que toman los investigadores de la escena del crimen para preservar y recolectar evidencia de ADN. Un estornudo, un almacenamiento inadecuado, no etiquetar cada una de las muestras: estos errores aparentemente pequeños pueden resultar en la destrucción de la evidencia. Incluso si la evidencia de ADN no se degrada por un manejo poco cuidadoso o por malas condiciones, puede descartarse si la “cadena de evidencia” es sospechosa, como vimos en el ejemplo del juicio de OJ Simpson. La cadena de pruebas requiere que la recopilación de pruebas se registre sistemáticamente y que

ÿ El estándar Daubert (1993) requiere audiencias previas al juicio

se controle el acceso a las pruebas. La recolección de muestras en

especiales para evidencia científica. Según el estándar de

la escena del crimen presenta desafíos, pero incluso la recolección

Daubert, cualquier proceso científico utilizado para recopilar o

de muestras en un entorno controlado, como una morgue, también

analizar evidencia debe haberse descrito en una revista

es problemática. Los estudios de las tablas e instrumentos de la

revisada por pares.

morgue han encontrado que el ADN de al menos tres individuos suele estar presente. Ese ADN ciertamente podría confundir los

El objetivo es asegurarse de que los métodos científicos y la experiencia utilizados para proporcionar evidencia sean confiables.

resultados de cualquier análisis realizado en muestras recolectadas en ese entorno. La evidencia de ADN también es vulnerable a daños durante

Huellas dactilares de ADN y la Cadena de evidencia

el análisis (por ejemplo, el ADN del cuerpo del técnico o de otras fuentes puede agregarse inadvertidamente a la muestra). Sin embargo, los estándares definidos de prácticas y procedimientos

El análisis de ADN era una herramienta forense relativamente

de laboratorio pueden ayudar a protegerse contra estos errores.

nueva cuando el Departamento de Policía de Los Ángeles la utilizó

Cuando las pruebas de ADN eran una idea nueva, los laboratorios

en el infame juicio de OJ Simpson en 1994. La ex esposa de Simpson, Nicole Brown Simpson, y su amigo Ronald Goldman

no estaban regulados y se cometían errores graves. Considere el caso de David Butler, un taxista que fue acusado de asesinar a una

fueron asesinados, y Simpson era el principal sospechoso. . Se

mujer llamada Anne Marie Foy en 2005. Se encontró una

recolectaron cuarenta y cinco muestras para el análisis de ADN de

coincidencia parcial de su ADN en la ropa y debajo de las uñas de

la escena del crimen. Durante los procedimientos previos al juicio,

la víctima.

se anunció que el ADN recolectado en la escena del crimen coincidía con el de OJ Simpson. Los abogados defensores atacaron de inmediato los procedimientos utilizados para recolectar, etiquetar y probar la

El abogado de Butler, Michael Wolkind, argumentó que no se podía confiar en el procedimiento de análisis del ADN debajo de las uñas de Foy. Además, varios escenarios explicaron que se encontró el

evidencia. Durante el juicio, la defensa mostró una cinta de video

ADN de Butler en Foy sin que él fuera su asesino. Por ejemplo, la

de los métodos de recolección de muestras y se basó en el

noche del asesinato, Foy había recibido cambio de Butler, que

testimonio de expertos para establecer dudas sobre la confiabilidad

sufría de una condición de piel escamosa que le hacía depositar

de las pruebas presentadas. La defensa enfatizó que la contaminación podría haber ocurrido cuando un técnico tocó el

una cantidad anormal de células.

suelo, cuando se usaron bolsas de plástico para almacenar hisopos

Butler fue absuelto ocho meses después. Este caso también

húmedos y cuando las pinzas de recolección de muestras se enjuagaron con agua entre cada muestra. Mientras estaba en el

demuestra que la coincidencia de ADN por sí sola ya no puede

estrado, un testigo de cargo admitió haber etiquetado incorrectamente una muestra. La posibilidad de que la evidencia pudiera estar

considerarse prueba adecuada de un delito. Un paso para garantizar la confiabilidad del ADN es asegurarse de que los laboratorios que procesan muestras se adhieran a

viciada era obvia tanto para el tribunal como para el jurado. Como

estándares altos de manera constante. El Consejo de Acreditación

resultado, las pruebas de ADN, que se esperaba que sirvieran de

de Singapur (SAC), la Junta Asesora de Acreditación Europea

base para la acusación, no fueron eficaces. DO

(EAAB) y la Junta Nacional de Acreditación para Laboratorios de Prueba y Calibración (NABL) en India brindan acreditación a los

Simpson fue declarado no culpable. Cuando se rompe la cadena de evidencia, cuando no se siguen las reglas de evidencia, las

laboratorios forenses. Las pruebas de competencia de los técnicos

muestras de ADN pierden su valor en los tribunales.

examenes

se han convertido en un requisito básico para el empleo. estos

Machine Translated by Google 230

Capítulo 8 Huellas dactilares de ADN y análisis forense

incluyen pruebas "ciegas" en las que el técnico no sabe que la muestra

eso es mejor que el hisopado tradicional para detectar rastros de ADN.

que se está procesando es en realidad una muestra de prueba enviada

Mediante el uso de un sistema de recolección de vacío húmedo

por la organización certificadora. MI5, un servicio de seguridad en el

llamado M-Vac, los analistas forenses extrajeron suficientes rastros

Reino Unido, ha desarrollado un procedimiento operativo estándar

microscópicos de ADN para ejecutar un perfil de ADN completo que

para el manejo y tipificación de ADN de evidencia en casos criminales. Con directrices claras y una formación exhaustiva de los responsables

se ha utilizado en casos judiciales. La tecnología funciona como un "mini-huracán" de solución estéril combinada con presión de vacío.

de recopilar y conservar las pruebas, debería aumentar la fiabilidad de

Rocía la solución sobre la superficie del sujeto y luego succiona los

las pruebas de ADN presentadas en los procedimientos judiciales.

rastros húmedos de regreso a un recipiente. A continuación, la solución y el material de ADN se pasan por un filtro o una microcentrífuga y, posteriormente, se secuencian.

Análisis forense de ADN de "Touch DNA" Además de las características crestas y verticilos utilizados en el

8.5 Relaciones familiares y perfiles de ADN

análisis de huellas dactilares, las huellas dactilares a menudo contienen "ADN táctil" arrojado por la persona que las hizo. El ADN también puede ser útil en los casos en los que solo hay una marca dactilar parcial o difuminada. Desafortunadamente, la cantidad de ADN que se puede aislar de una huella dactilar suele ser muy

La resolución de crímenes no es la única aplicación forense de la toma de huellas dactilares de ADN. Dado que incluso los miembros lejanos de la familia tienen una pequeña cantidad de ADN en

pequeña, lo que da como resultado tasas de éxito bajas (5 a 6 por ciento). En California, en 2013, un hombre llamado Lukis Anderson fue arrestado, retenido durante 4 meses y acusado de asesinato después

común, las relaciones pueden determinarse de manera concluyente comparando muestras entre dos individuos. Un uso obvio de esto es en las pruebas de paternidad (Figura 8.9).

de que se encontrara su ADN debajo de las uñas de una víctima de homicidio. Anderson nunca había conocido a la víctima y estaba en el hospital cuando el hombre fue asesinado. Los mismos paramédicos

Cada año, se presentan aproximadamente 400.000 demandas de

que llevaron a Anderson al hospital respondieron al asesinato.

paternidad en los Estados Unidos, Canadá y el Reino Unido. Dadas

Lo más probable es que los paramédicos estuvieran cubiertos con el

fácil verificar la paternidad del niño y resolver disputas de manutención

ADN de Anderson, que luego transfirieron sin darse cuenta.

o custodia del niño. Sin embargo, las tecnologías reproductivas,

Los cargos fueron retirados. Los resultados destacan nuevamente que las muestras en las escenas del crimen deben recolectarse con mucho

incluida la fertilización in vitro, la inseminación artificial y la subrogación, han introducido algunas peculiaridades en la custodia y la paternidad.

cuidado. El ADN puede permanecer en los guantes de látex, por lo

Las pruebas de ADN han ayudado a desenredar los casos en los

que deben cambiarse, o blanquearse, antes y después de manipular

tribunales que involucraban mezclas de espermatozoides en la fertilidad.

las muestras del niño y de los adultos involucrados, es relativamente

las pruebas. La ciencia forense ahora tiene una nueva herramienta

0

120

un...

0 120 P1428 M·abi

140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 D8S1179 D21S11

D18S51

140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 11 Verde MADRE

6000 4000 2000 X

13

28

31.2

13

15

14 P1428 C·abi

12 verde NIÑO

6000 4000 2000 XY

13

28

15

29

dieciséis

P1428 AF•abi 13 Verde PRESUNTO PADRE

4000 3000 2000 1000 XY

10 13

12

29 31.2

dieciséis

FIGURA 8.9 Disputa de paternidad Un hombre ha afirmado no ser el padre de un niño, pero la comparación de alelos de ADN muestra que el niño recibió un alelo de cada padre. Siga las flechas de los padres al niño para ver cómo cada padre contribuyó con uno de los dos alelos (bandas) que se muestran en la huella digital del ADN del niño.

Machine Translated by Google 8.5 Relaciones familiares y perfiles de ADN

231

Amniótico

FIGURA 8.10 ADN para Pruebas de Paternidad Para demandas de paternidad disputadas, es posible extraer algunas células fetales del líquido que rodea al feto (líquido amniótico) sin dañar el feto en crecimiento.

cavidad

Cuando se cultivan, estas células pueden ser una fuente para la

Placenta

Centrífugo

Células

extracción de ADN y la toma de huellas dactilares. Amniótico

Cuando se compara con el ADN del padre sospechoso,

líquido

se puede determinar la exclusión o inclusión del individuo.

Cultura matraz

fibroblastos

clínicas, por ejemplo. Gracias a la amniocentesis, como se muestra en la Figura 8.10, es posible verificar la filiación de un niño incluso antes del nacimiento.

Análisis de ADN mitocondrial El análisis de ADN mitocondrial se puede utilizar para examinar el ADN de muestras que no se pueden analizar mediante RFLP o STR. El ADN nuclear debe extraerse de las muestras para su uso en RFLP, PCR y STR, pero el análisis de mtDNA utiliza ADN extraído de un órgano celular llamado mitocondria. La principal ventaja del mtDNA es que está presente en un alto número de copias dentro de las células y es numéricamente más probable que se recupere de muestras altamente degradadas. Una gran desventaja del análisis forense tradicional del mtDNA es que lleva mucho tiempo generar y revisar los 610 nucleótidos de la información de la secuencia comúnmente objetivo en las regiones hipervariables I y II (HVI y HVII) de la región de control del ADN (como se ve en Figura 8.11). Todas las hijas tienen el mismo ADN mitocondrial que sus madres porque las mitocondrias de los embriones provienen del óvulo de la madre. El esperma del padre contribuye solo con ADN nuclear y sin mitocondrias. La comparación del perfil de ADNmt de los restos no identificados con el perfil de un familiar materno potencial puede determinar si comparten el mismo perfil de ADNmt y están relacionados. El mtDNA permanece prácticamente igual de generación en generación, cambiando solo entre un 2 y un 4 por ciento cada millón de años debido a mutaciones aleatorias. En consecuencia, las relaciones se pueden rastrear a través de la línea materna ininterrumpida, como se muestra en la Figura 8.11.

La animación "ADN mitocondrial y enfermedades humanas" en el sitio web complementario puede ayudar a visualizar este proceso. La evidencia del ADNmt fue esencial para reunir a las familias separadas en Argentina durante la Guerra de las Malvinas a principios de la década de 1980. Durante este régimen represivo, la

El gobierno militar arrestaba e interrogaba rutinariamente a cualquier persona sospechosa de actividad subversiva. Entre los detenidos se encontraban varias mujeres jóvenes embarazadas. Aproximadamente 15.000 de los arrestados e interrogados simplemente desaparecieron. Después del colapso del gobierno en 1983, las madres y abuelas de estas mujeres “desaparecidas” se dieron cuenta de que el horrible crimen bien podría estar en curso: los bebés nacidos de sus hijas mientras estaban en prisión habían sido secuestrados y estaban siendo criados por otros, a menudo por las familias de los que habían asesinado a sus padres. Las madres buscaron ayuda de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS), preguntando si se podían usar pruebas genéticas para probar la identidad de los niños robados. Gracias a la perseverancia de estas mujeres y de los científicos que ofrecieron su ayuda, la AAAS pudo demostrar que al menos 51 niños habían sido adoptados ilegalmente. Las pruebas de ADN se utilizaron en los tribunales para devolver a los niños a sus parientes vivos.

Análisis del cromosoma Y El cromosoma Y se transmite directamente de padre a hijo, lo que hace que el análisis de marcadores genéticos en el cromosoma Y sea útil para rastrear relaciones entre hombres o para analizar evidencia biológica que involucre múltiples contribuyentes masculinos. El cromosoma Y se puede analizar con métodos de ADN nuclear (generalmente por PCR). Los perfiles derivados de los STR se utilizan en todo el mundo en pruebas de paternidad e identificación individual. En casos complejos de análisis de parentesco, el polimorfismo autosómico de un solo nucleótido (SNP), la repetición corta en tándem del cromosoma X (X-STR) y el ADN mitocondrial (mtDNA) podrían usarse para complementar la tipificación autosómica de STR. La probabilidad de parentesco se magnifica al usar todas estas pruebas combinadas, en lugar de depender de una sola.

Machine Translated by Google 232

Capítulo 8 Huellas dactilares de ADN y análisis forense

(a) ADN mitocondrial patrón para individuos indicado en azul

Fragmentos de ADN más grandes 8.6 kb

4.7 kb

ADN mitocondrial

FIGURA 8.11 Patrón de herencia

patrón para un individuo no relacionado

del ADN materno Los genes clave para la función mitocondrial (respiración celular) se encuentran en un pequeño anillo de ADN en las mitocondrias humanas.

4.5 kb 4.1 kb

(a) Debido a que las mitocondrias son

1.4 kb 1.3 kb

aportadas por el óvulo (solo) antes de la fertilización, Gel

el ADN se puede rastrear a través de la línea

0.4 kb

Fragmentos de

materna con la huella digital del ADN mitocondrial. Algunos genes en las mitocondrias muestran

ADN más pequeños

variaciones debidas a mutaciones (consulte la Femenino

Masculino

yo

parte superior del gel en 8,6, 4,7 frente a 4,5, 4,1

2

1

kilobases); Otros no lo hacen. (b) Debido a que el mtDNA muta más rápido en el tercer nucleótido, puede proporcionar evidencia de relaciones cercanas

II 2

1

5

4

3

7

6

8

9

10

y distantes.

tercero

123

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 1514

Toda la progenie de una hembra en particular tiene el mismo patrón de bandas de ADN mitocondrial que en la madre.

(b)

región de control o "bucle d" ARNr 12S

Citocromo b

NADH ARNr 16S

deshidrogenasa subunidades

NADH deshidrogenasa

22 genes que codifican ARNt 13 regiones codificantes de proteínas

subunidades

NADH deshidrogenasa subunidades

Citocromo oxidasa subunidades

Citocromo oxidasa subunidades

ATP sintasa subunidades

8.6 Análisis de ADN no humano No todos los casos legales son una cuestión de identidad humana. Muchas preguntas legales, así como dilemas científicos, han sido respondidas al examinar las huellas dactilares de ADN de plantas y animales. Las plantas y los animales caros y sus productos biológicos pueden protegerse utilizando sus perfiles de ADN.

Identificación de plantas a través del ADN El ginseng es un valioso producto a base de hierbas; el distribuidor más grande del mundo es Corea del Sur con una distribución estimada calculada en aproximadamente $649 millones. Actualmente, dos de los principales productos a base de hierbas se denominan ginseng. Uno es originario de América del Norte y el otro de Asia. Curiosamente, el ginseng asiático es el tipo que se vende con mayor frecuencia en las tiendas naturistas estadounidenses. La mayoría

Machine Translated by Google 8.6 Análisis de ADN no humano

233

HERRAMIENTAS DEL OFICIO La identidad verificada del rey Ricardo III Un buen ejemplo del uso de las nuevas herramientas en la ciencia forense del ADN es el confirmación reciente del esqueleto de 529 años del rey Ricardo III. Un equipo de investigación internacional dirigido por el Dr. Turi King, del Departamento de Genética de la Universidad de Leicester, proporciona pruebas abrumadoras de que el esqueleto descubierto en Leicester, Inglaterra, es el del rey Ricardo III. Los investigadores recolectaron ADN de liv ing parientes de Ricardo III y analizó varios marcadores genéticos, incluidos los genomas mitocondriales completos, heredados a través de la línea materna, y los marcadores cromosómicos Y, heredados a través de la línea paterna, tanto de los restos óseos como de los

El ginseng americano, el más raro y valioso de las dos variedades, se exporta a Asia. Los dos tipos de ginseng parecen casi idénticos, pero tienen reputaciones muy diferentes. El ginseng asiático supuestamente aumenta la energía, mientras que el ginseng americano es apreciado por su supuesta capacidad para calmar los nervios. Los fabricantes ahora están usando la secuenciación del ADN para ayudar a hacer la distinción entre las dos variedades. Confirmar el origen del producto ayuda a garantizar el control de calidad y protege el mercado de productos de ginseng americano. Este mismo tipo de análisis se realiza también para otras plantas. En la Figura 8.12 se muestra un perfil de ADN utilizado en el control de calidad de las semillas de calabaza . Este proceso de control de calidad permite al proveedor de semillas garantizar un grado específico de hibridez genética, aumentando así el valor de las semillas para los productores, que dependen de estas características para vender sus cosechas de alto valor.

parientes vivos. Aunque los marcadores cromosómicos Y difieren (no líneas parentales directas), el genoma mitocondrial muestra una coincidencia genética entre el esqueleto y los parientes de la línea materna. los Los investigadores también usaron marcadores genéticos para determinar el color del cabello y los ojos de Ricardo III y encontraron probablemente cabello rubio y casi con seguridad ojos azules. Agregar esta información a una gran cantidad de material existente sobre Richard III destaca las formas en que los métodos forenses de ADN de restos humanos pueden ampliar la comprensión de la historia humana.

El análisis de proteínas podría unirse al análisis forense de ADN El Centro de Ciencias Forenses del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ha utilizado proteómica de escopeta basada en espectrometría de masas para caracterizar las proteínas del tallo del cabello en 66 sujetos europeo-estadounidenses. Las personas no heredan proteínas, pero sí heredan el ADN que produce su proteína. La proteína no solo es químicamente más robusta que el ADN, sino que también contiene variación genética en forma de polimorfismos de un solo aminoácido (SAP). Se imputaron correctamente un total de 596 alelos SNP en 32 loci de 22 genes del ADN de los sujetos y se validaron directamente mediante la secuenciación de Sanger. Actualmente, la preparación de la muestra, el tiempo de ejecución del instrumento y el período de análisis para el método de identificación de proteínas requieren alrededor de 2 1/2 días, y el equipo espera que el costo sea competitivo con el de otros métodos similares.

+

–

+

FIGURA 8.12 Perfil de ADN de híbridos de calabaza utilizados como análisis de control de calidad El ánodo está en el centro de este gel con cátodos en la parte superior e inferior. Cuando el ADN de 96 semillas se carga en el centro del gel, migrará a los cátodos durante la electroforesis. La planta progenitora macho donó la banda superior de ADN y la hembra donó la banda inferior de las dos bandas de la planta descendiente híbrida que se estaba analizando. Todas las plantas híbridas tienen ambas bandas (una excepción da un 98,9 por ciento de garantía de calidad de pureza en 96 semillas probadas). Este nivel de hibridez (control de calidad) aumentará el valor de la semilla para un productor dependiendo de un alto nivel de hibridez para los requisitos de crecimiento.

Machine Translated by Google 234

Capítulo 8 Huellas dactilares de ADN y análisis forense

tecnologías Si la técnica se comercializa, podría usarse en ciertos casos difíciles.

los gerentes han mejorado su capacidad para probar que el juego se ha llevado más allá de los límites establecidos por las regulaciones. La animación "Combing Through 'Fur' ensic evidencia" en el sitio web complementario puede proporcionar una visualización interesante de

Análisis de ADN animal

este proceso.

La evidencia de ADN también se ha utilizado para generar perfiles genéticos de animales. Por ejemplo, en Pensilvania, se utilizaron huellas dactilares de ADN para probar que un cazador había matado un oso ilegalmente. La temporada de caza de osos en ese estado está diseñada

Fraude alimentario: una aplicación reciente de análisis forense de ADN

para proteger a las cerdas preñadas. Una ley que declara ilegal matar

El fraude alimentario obviamente puede dañar nuestras billeteras, pero

osos en sus madrigueras asegura que una gran parte de la población de

para algunos, puede causar lesiones físicas. Un informe emitido en

hembras reproductoras estará protegida de pérdidas durante la

febrero de 2013 por el grupo de conservación de los océanos Oceana

temporada. En este caso, un testigo informó haber visto a un cazador

encontró en un estudio que un tercio de las 1215 muestras de pescado analizadas de 21 estados diferentes estaban mal etiquetadas y que el 54

descargar su rifle en la guarida de un oso. El cazador había registrado su presa en la estación de control correspondiente (sin revelar las

por ciento de los establecimientos minoristas que el grupo analizó

circunstancias en las que se le disparó), donde se extrajo uno de los

vendían pescado mal etiquetado. El fraude tampoco se limita a los

premolares del oso cosechado, como especifican las normas estatales

mariscos. En 2017, se notificaron 597 casos de fraude alimentario en el

de caza, para verificar el sexo y la edad de la presa. . Como parte de su

Sistema de Cooperación y Asistencia Administrativa (AAC), gestionado

investigación de este informe de testigo presencial, las autoridades

por la Red de Fraude Alimentario de la Unión Europea. Muchos de estos

recolectaron muestras de sangre de la guarida y compararon el ADN de

casos involucraron aceites vegetales, leche, miel, especias y jugos de

la guarida con el de la estación de control. Las pruebas revelaron que las

frutas.

muestras de ADN eran del mismo animal, a pesar de que el cazador, en un esfuerzo por evadir el enjuiciamiento, afirmó haber matado al oso a 5

Los investigadores tienen una variedad de métodos para elegir cuando realizan investigaciones de fraude alimentario, pero generalmente

millas de la guarida. Debido a la evidencia de ADN, fue declarado culpable.

prefieren enfoques basados en PCR. La mayoría de las proteínas en las muestras de alimentos pueden degradarse con las altas temperaturas durante la cocción, el procesamiento y el envasado, lo que compromete la eficacia de los métodos típicos de análisis de proteínas, como la

En tales casos, las autoridades encargadas de la gestión de la vida

espectrometría de masas y la cromatografía. Pero la PCR analiza el ADN, que es una molécula más robusta capaz de soportar altas

silvestre realizan regularmente perfiles de ADN. La figura 8.13, por ejemplo, muestra los perfiles de ADN de cuatro ciervos que fueron

temperaturas y permanecer prácticamente intacta. Por esta razón, los

asesinados por un cazador con permiso para matar solo un ciervo.

investigadores a menudo secuencian el producto de PCR y alinean los

Armado con las herramientas de huellas dactilares de ADN, vida silvestre

datos de secuencia resultantes con

FIGURA 8.13 Validación de la evidencia de microsatélites

Sangre de venado ilegal 160

180

200

220

240

8100 7200 6300 5400 4500 3600 2700 1800 900 0

260

en un caso de caza furtiva de ciervos Se encontraron dos ciervos (a los que se les disparó ilegalmente) al costado de la carretera.

Un sospechoso tenía una mancha de sangre (venado) en la cajuela de su auto. El ADN coincidía con el del venado, y el sospechoso fue condenado, multado con $2,000 y pasó un año en la cárcel. Los microsatélites STR del ciervo bura de California tuvieron que ser descubiertos para realizar el análisis mostrado.

12B: CD: C2199-2/CD: C2199-2

12 años: CD C2199-2/CD: C2199-2

12R :CD C2199-2/05400HD

Sangre del tronco

8100 7200 6300 5400 4500 3600 2700 1800 900 0 12B: CD: C2199-2/CD: C2199-2

CD de 12 años C2199-2/CD: C2199-2

Machine Translated by Google Preguntas y actividades

secuencias de especies conocidas en bases de datos disponibles públicamente para confirmar inequívocamente la validez de una afirmación. Debido a que la PCR es un proceso exponencial que puede amplificar una secuencia hasta un millón de

235

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

veces, era ideal para trabajar con una muestra tan pequeña. Las alergias alimentarias son cada vez más frecuentes, con respuestas que van desde el asma hasta el shock anafiláctico y la muerte.

1. Suponga que decide hacerse una exploración genética para detectar una enfermedad genética que ha ocurrido en su familia en el pasado. ¿Se necesitará una secuencia de ADN completa? ¿Por qué?

2. ¿Cómo es posible que el contacto con el ADN provoque complicaciones en

Organismo Genéticamente Modificado (OGM) Pruebas Si un OGM está presente o no en una muestra, se puede probar mediante PCR

los estudios forenses de la escena del crimen?

3. ¿Cómo diseñaría un kit CDx PCR para pacientes que esperan someterse a un tratamiento para el mieloma múltiple?

cuantitativa (qPCR) y PCR multiplex. Multiplex PCR utiliza múltiples conjuntos de cebadores únicos dentro de una sola reacción de PCR para producir amplificaciones de diferentes tamaños específicas para diferentes secuencias de ADN. Actualmente,

4. ¿Por qué el hisopado tradicional para trazas de ADN no es tan sólido como el sistema de vacío húmedo?

es poco probable que se detecte la presencia de OGM inesperados o incluso desconocidos, ya que se debe conocer la secuencia de ADN del transgén o su producto, la proteína, para la detección. Además, incluso las pruebas de OGM conocidos requieren mucho tiempo y son costosas, ya que los métodos de

5. ¿Cómo mejora la puntuación de riesgo poligénico con respecto a la prueba de detección de HER2+ para el cáncer de mama? 6. Por qué hacer pruebas de fraude alimentario mediante métodos PCR

detección confiables actuales pueden detectar solo un OGM a la vez. Existe la

normalmente requieren cantidades muy pequeñas de ADN de la muestra

necesidad de desarrollar métodos de prueba alternativos y mejorados.

de alimentos?

7. ¿Cuántas bandas de STR que se encuentran en el ADN de un niño deben aparecer en la huella dactilar del ADN del padre? ¿La madre? 8. ¿Cuál es la única desventaja de usar pruebas basadas en PCR durante el perfilado de ADN? 9. ¿Cuántos errores puedes contar cuando miras un episodio de CSI: Investigación

HACER UNA DIFERENCIA La secuenciación de próxima generación (NGS) es una forma en expansión de análisis forense de ADN. La FDA ha reconocido la plataforma de instrumentos Illumina MiSeqDx y los reactivos Illumina Universal Kit, dos dispositivos que conforman el primer sistema de prueba regulado por la FDA que permite a los laboratorios y hospitales desarrollar y validar la secuenciación de cualquier parte del genoma de un paciente. Los reactivos del Universal Kit aíslan y crean copias de genes de interés obtenidos de muestras de sangre de pacientes, y la plataforma MiSeqDx analiza los genes. El software compara

de la escena del crimen?

10. Dé al menos un ejemplo de cómo la evidencia del mtDNA ha sido utilizado en medicina forense.

11. ¿Cómo pueden los gemelos idénticos tener una genética diferente, ya que derivan de la misma fuente embrionaria?

12. ¿Por qué cree que la Red Europea de Institutos de Ciencias Forenses (ENFSI) recomendaron aumentar el número de loci genéticos en la base de datos del Conjunto Estándar Europeo de ADN?

la secuencia genómica del paciente con una secuencia de referencia e informa sobre cualquier diferencia entre el paciente y la referencia. La plataforma de secuenciación difiere del antiguo método de secuenciación de Sanger al centrarse solo en genes específicos, en lugar de en todo el genoma, lo que reduce el tiempo y el costo de la secuenciación del ADN. La tecnología NGS no requiere sondas específicas de especies o transcripciones. Puede detectar nuevas transcripciones, fusiones de genes, variantes de un solo nucleótido, indeles (pequeñas inserciones y deleciones) y otros cambios previamente desconocidos. La capacidad de leer e interpretar grandes segmentos de ADN

13. ¿Cómo funciona una repetición corta en tándem para producir una huella dactilar de ADN? 14. ¿Cómo podrían beneficiarse las compañías de seguros pruebas genéticas de las mujeres para los marcadores de cáncer de mama?

15. ¿Por qué los científicos forenses usaron principalmente análisis STR, ADNmt y SNP de fragmentos de ADN para desarrollar perfiles después del desastre del World Trade Center, en lugar de huellas dactilares de ADN estándar de los loci CODIS?

muy rápidamente en una sola prueba se está utilizando para detectar mutaciones relacionadas con la fibrosis quística y los trastornos de la sangre. Representa una nueva forma de análisis forense de ADN.

16. ¿Cómo limitaría el potencial de contaminación la se beneficia de las pruebas rápidas de ADN en las comisarías en el futuro?

17. ¿Cómo funciona el sistema M-Vac para tocar el dedo? la impresión reduce el potencial de contaminación del muestreo de intercambio actual?

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Capítulo 8 Huellas dactilares de ADN y análisis forense

18. ¿Cómo ha funcionado la prueba de mtDNA para

¿Se han mejorado las relaciones añadiendo otras pruebas de ADN?

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas

19. ¿Por qué es poco probable que el espectro de masas de escopeta

¿Se agregará la proteómica al perfil de ADN actual utilizado para las pruebas de fraude alimentario? 20. ¿Cómo se ha extendido el perfil de ADN al hospital?

didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

pruebas para algunas enfermedades?

Este estudio de caso se ha incluido para brindarle la oportunidad de familiarizarse con un ejemplo de investigación aplicable a este campo de estudio. Una vez que haya analizado los datos y respondido las preguntas, puede compararlos con los que le proporcionó a su instructor con los materiales del texto.

CASO DE ESTUDIO

Identificación de contaminación de línea celular de ratón mediante análisis forense de ADN

la probabilidad de que una coincidencia aleatoria (contaminación) sea identificación errónea de líneas celulares humanas con vali La comunidad científica ha respondido a la estas células, pero hay métodos anticuados para autenticar pocos ensayos disponibles para la identificación de líneas celulares no humanas. Investigadores de la División de Ciencias de Biosistemas y

de 1 en 5,7 millones utilizando los nueve marcadores STR en el ensayo múltiple. Analice los siguientes perfiles STR de ratón para responder las preguntas que siguen.

Biomateriales del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología han desarrollado un ensayo de reacción en cadena de la polimerasa multiplex

Preguntas

que se dirige a nueve marcadores de repetición corta en tándem (STR) de tetranucleótidos en el genoma del ratón. Desarrollaron perfiles de ADN únicos a partir de 72 muestras de ratones que se utilizaron para determinar la distribución de alelos para cada marcador STR.

Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com 1. ¿Coinciden los STR del ratón NIH3T3 para el

¿Se muestran dos perfiles? ¿Cómo explica la diferencia de altura del marcador 12 en los dos perfiles?

Para detectar contaminantes de líneas celulares humanas, se incorporaron cebadores para dos marcadores STR humanos en el ensayo multiplex para facilitar la detección de ADN humano y de mono verde africano. Este ensayo multiplex fue el primero de su tipo (publicación de 2014) en proporcionar un perfil STR único para cada

2. ¿Se superpusieron los STR humanos D4, D8 ¿STR de ratón? ¿Cómo ayudó la elección a la detección? 3. ¿Cómo pudieron los investigadores decir que el probabilidad de una coincidencia aleatoria fue de 5,7 millones?

muestra de ratón individual y ahora se usa para autenticar líneas celulares de ratón (y se puede usar para identificar la contaminación en muestras humanas). El poder de discriminación se basa en la

Fuente: Almeida JL, Hill CR, Cole KD. Autenticación de línea celular de ratón. Citotecnología. 2014;66(1):133–147. Publicado en línea el 22 de febrero de 2013. doi:10.1007/s10616-013-9545-7.

Machine Translated by Google Estudio de caso Identificación de contaminación de línea celular de ratón mediante análisis forense de ADN

4-2

18-3

6-7

200

300

400

3000

2000

1000

0 17 19

12

19.3

Humano D8

9-2 200

300

400

3000

2000

1000

0 15 dieciséis

6-4 humano D4

15-3 200

300

400

3000

2000

1000

0 20.3

14.3

12-1

X-1

5-5

200

300

400

3000

2000

1000

0 20

14 15

25

Perfil genético de la línea celular NIH3T3 utilizando el ensayo multiplex de ratón (1 ng de ADN). Las ubicaciones humanas D8, D4 se muestran en el perfil del ratón para detectar la presencia de STR sospechosos si se produjera contaminación humana, como en el siguiente perfil.

237

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Capítulo 8 Huellas dactilares de ADN y análisis forense

4-2

18-3 100

6-7

200

300

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3000

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0 17 19

Humano D8 100

12

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9-2 200

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3000

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0 Humano

15 dieciséis

6-4 humano D4

15-3 100

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1000

0 20.3

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Humano Humano

12-1 100

200

X-1

5-5 300

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3000

2000

1000

0 20

14 15

25

Contaminante humano detectado en el perfil NIH3T3 STR (proporción 1:1 de ADN de las líneas celulares NIH3T3 y HeLa).

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CAPÍTULO NUEVE

Biorremediación Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿÿ Explique qué es la biorremediación y describa por qué es importante. ÿÿ Describir las ventajas de las estrategias de biorremediación sobre otros tipos de enfoques de limpieza. ÿÿ Nombre los contaminantes químicos comunes que deben limpiarse en diferentes zonas del medio ambiente. ÿÿ Distinga entre biodegradación aeróbica y anaeróbica y proporcione ejemplos de microbios que pueden contribuir a la biorremediación. ÿÿ Explicar por qué el estudio de los genomas de los organismos involucrados en la biorremediación es un área activa de investigación. ÿÿ Comprender cómo se pueden utilizar las aplicaciones de fitorremediación para limpiar el medio ambiente. ÿÿ Discutir cómo in situ y ex situ

Los vertederos de todo el mundo están repletos de toneladas de basura que se

Se pueden utilizar enfoques para

generan cada día. La biorremediación tiene un gran potencial para limpiar los

biorremediar el suelo y las aguas subterráneas.

productos químicos del medio ambiente, reducir los desechos en los vertederos e incluso producir energía a partir de la basura de la sociedad.

ÿÿ Proporcione ejemplos de cómo los organismos genéticamente modificados pueden usarse en la biorremediación. ÿÿ Comprender por qué los científicos están interesados en las aplicaciones de biorremediación para generar energía a partir de desechos. ÿÿ Describir oportunidades en curso para nuevas áreas de investigación y aplicaciones de biorremediación, incluida la comprensión de los desafíos que presentan los macro y microplásticos en el medio ambiente.

239

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Capítulo 9 Biorremediación

el medio ambiente está siendo amenazado con una frecuencia alarmante. El aire que respiramos, el agua que bebemos y el suelo del que dependemos para cultivar Nuestro plantas para la alimentación están contaminados como resultado

aprovechar las reacciones químicas naturales y los procesos a través de los cuales los organismos descomponen los compuestos para obtener nutrientes y obtener energía. Las bacterias, por ejemplo, metabolizan los azúcares para producir trifosfato de adenosina (ATP) como fuente de energía para las células. Pero además de degradar compuestos naturales para obtener energía, muchos microbios han desarrollado reacciones metabólicas únicas que pueden usarse para degradar productos químicos fabricados por el hombre.

directo de las actividades humanas. En promedio, se generan aproximadamente 0,74 kg de desechos sólidos municipales por persona por día en todo el mundo, lo que da como resultado más de 2 mil millones de toneladas de desechos producidos cada año. A nivel mundial, más de dos tercios de estos desechos se vierten La biorremediación limpia sitios ambientales contaminados actualmente (33 por ciento) o se eliminan en vertederos (37 por con contaminantes mediante el uso de organismos vivos ciento). Solo el 19 por ciento se recupera a través del reciclaje y para degradar materiales peligrosos en sustancias menos tóxicas. el compostaje, y el 11 por ciento restante se incinera para su eliminación final.La biorremediación no es una aplicación nueva. Los seres Sin embargo, por asombrosos que sean los números, los desechos humanos han confiado en los procesos biológicos para reducir sólidos municipales son una parte relativamente pequeña del problema. los materiales de desecho durante miles de años. En el sentido más simple, la letrina, que dependía de los microbios naturales A pesar de las regulaciones para minimizar la contaminación, la contaminación proveniente de desechos de fabricación industrial, del suelo para degradar los desechos humanos, era un ejemplo derrames químicos, productos domésticos, pesticidas y otras de biorremediación. Las plantas de tratamiento de aguas fuentes ha llevado a la contaminación del medio ambiente en la residuales han utilizado microbios para degradar los desechos mayor parte del mundo industrializado. Un número cada vez humanos durante décadas. Del mismo modo, si utiliza el mayor de productos químicos tóxicos presenta serias amenazas compostaje en casa o en la escuela para descomponer restos de para la salud del medio ambiente en todo el mundo y para los comida, hojas, recortes de césped y otros materiales en el suelo, organismos que viven allí. En los países en desarrollo, la también está aplicando la mediación biológica. Pero como prevalencia de contaminantes ambientales es un problema aún mayor. aprenderá en este capítulo, las aplicaciones modernas de Así como la biotecnología se considera clave para biorremediación implican una variedad de estrategias nuevas e identificar y resolver problemas de salud humana, también es innovadoras para limpiar una amplia gama de sustancias una poderosa herramienta para estudiar y corregir la mala salud químicas tóxicas en muchos entornos ambientales diferentes. de los ambientes contaminados. En este capítulo consideramos Aprovechar lo que ya hacen muchos microbios es cómo la biotecnología puede ayudar a resolver algunos de solo un aspecto de la biorremediación. Uno de sus nuestros problemas de contaminación y crear ambientes más propósitos clave es mejorar los mecanismos naturales y limpios para los humanos y la vida silvestre a través de la biorremediación. aumentar las tasas de biodegradación para acelerar los

PRONÓSTICO DEL FUTURO Hay muchas direcciones futuras potenciales emocionantes para la biorremediación. Entre las áreas más probables de progreso sustancial se encuentran los esfuerzos globales en bioprospección

procesos de limpieza. En este capítulo, exploramos algunas de las formas en que los científicos pueden estimular los microbios y otros organismos para degradar una variedad de desechos en muchas situaciones diferentes. Otro aspecto importante de la biorremediación es el desarrollo de nuevos enfoques para la biodegradación de materiales de desecho en el medio ambiente, lo que puede involucrar el uso de plantas y microorganismos modificados genéti

para encontrar microbios metabolizadores no descubiertos previamente y el estudio de la genómica de estos microbios para diseñar bacterias y plantas que degradan la contaminación. Por ejemplo, en este capítulo analizamos cómo los científicos están analizando los microbios que degradan el petróleo descubiertos en el Golfo de México en el sitio del derrame de petróleo de Deepwater Horizon. La creación de plantas y microbios modificados genéticamente para degradar contaminantes particularmente tóxicos y nocivos, como los metales pesados y los compuestos radiactivos, seguirá siendo un objetivo de la biorremediación, al igual que el uso de microbios de biorremediación como fuente de energía. Además, esté atento a las aplicaciones de la biología

¿Por qué es importante biorremediación? Nuestra calidad de vida está la directamente relacionada con la limpieza y salud del medio ambiente. La contaminación puede afectar la salud humana de muchas maneras. Sabemos que las sustancias químicas ambientales pueden influir en nuestra genética y que algunas sustancias químicas pueden actuar como mutágenos y provocar enfermedades humanas. Claramente, hay motivos para preocuparse por la exposición química a corto y largo plazo y los efectos de los productos químicos ambientales en los

seres humanos y otros organismos. Según algunas estimaciones, cada año se producen metabolizadores con genomas sintéticos que incluyen genes personalizados para degradar contaminantes específicos. alrededor de 600 millones de toneladas de materiales peligrosos en todo el mundo. Los derrames químicos 9.1 ¿Qué es la biorremediación? accidentales pueden ocurrir y ocurren, pero estos eventos La biorremediación es el uso de organismos vivos como generalmente se contienen y limpian rápidamente para bacterias, hongos y plantas para descomponer o degradar minimizar su impacto en el medio ambiente. Más compuestos químicos en el medio ambiente. Se necesita problemáticas, sin embargo, son las prácticas de vertido ilegal y los sitios co sintética para crear artificialmente nuevos tipos de microbios

Machine Translated by Google 9.2 Conceptos básicos de biorremediación

negligencia, como almacenes abandonados, donde los productos químicos almacenados pueden filtrarse al medio ambiente. En 1980, el Congreso de los EE. UU. estableció el Programa Superfund como una iniciativa de la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA) para contrarrestar las prácticas descuidadas e incluso negligentes de vertido y almacenamiento de productos químicos, así como para expresar su preocupación sobre cómo estos contaminantes podrían afectar la salud humana y el entorno. El propósito principal del Programa Superfund es ubicar y limpiar los sitios de desechos peligrosos para proteger a los ciudadanos estadounidenses de las áreas contaminadas. Para

241

Debido a que se utilizan organismos vivos para la limpieza, los procesos de biorremediación son generalmente más limpios que otros tipos de estrategias de limpieza. Otra ventaja de la biorremediación es que se pueden realizar muchos enfoques de limpieza en el sitio de la contaminación. Esto se llama biorremediación in situ. Debido a que no es necesario transportar los materiales contaminados a otro sitio, a menudo es posible una limpieza más completa sin perturbar el medio ambiente. En la siguiente sección, consideramos algunos de los principios

básicos de la biorremediación en términos de contaminantes obtener más información sobre el Programa Superfund, visite el químicos comunes y los ambientes que contaminan. También sitio web Superfund, que se encuentra en el sitio web complementario. discutimos algunos de los microbios y reacciones que son Una encuesta reciente realizada en China reveló que alrededor importantes para la biorremediación. del 16 por ciento de las muestras de suelo recolectadas en más de 1500 áreas encuestadas estaban contaminadas por una variedad 9.2 Conceptos básicos de biorremediación de sustancias orgánicas e inorgánicas. En 2016, el Consejo de Estado de China aprobó un Plan de Acción para el Control y la Prevención de la Contaminación del Suelo para abordar este Los pantanos y humedales naturales se han destacado en la problema. El plan está preparado para remediar el 95 por ciento biorremediación durante cientos de años. En estos entornos, la del suelo agrícola contaminado, haciéndolo seguro para el uso vida vegetal y los microbios pueden absorber y degradar una humano para 2030. Aunque el Plan se basa en el principio de amplia variedad de productos químicos y convertir los contaminantes quien contamina paga, que es el mecanismo subyacente del en productos inofensivos. Antes de discutir cómo los organismos programa Superfund, la implementación de cualquier Las vivos pueden degradar los contaminantes, primero consideraremos estrategias de remediación a largo plazo deben enfrentar desafíos las áreas del medio ambiente que requieren limpieza y echaremos económicos significativos. Las estimaciones de los costos de un vistazo a algunas de las sustancias químicas comunes que remediación de las tierras agrícolas contaminadas actualmente contaminan el medio ambiente. identificadas en China superan los $ 1.1 billones. La gestión de desechos y el control de la contaminación se han convertido en ¿Qué necesita ser limpiado? problemas apremiantes no solo en China sino en casi todos los países asiáticos. A través del Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental, una división de los Institutos Nacionales de Salud, Estados Unidos inició un programa llamado Proyecto Genoma Ambiental. Un objetivo principal de este proyecto es estudiar y comprender los impactos de los productos químicos ambientales en las enfermedades humanas. Esto incluye estudiar genes que son sensibles a los agentes ambientales, aprender más sobre los genes de desintoxicación e identificar polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) que pueden ser indicadores de exposiciones ambientales e impactos en la salud humana. Los datos del genoma de proyectos como este permiten a los científicos llevar a cabo estudios epidemiológicos que los ayudarán a comprender mejor no solo cómo el medio ambiente contribuye al riesgo de enfermedades, sino también cómo enfermedades específicas se ven influenciadas por la exposición ambiental a los productos químicos. Sin embargo, hay muchas formas de limpiar las hormigas contaminantes, entonces, ¿por qué usar la biorremediación? Podríamos eliminar físicamente el material contaminado, como el suelo, o tratar químicamente las áreas contaminadas, pero estos procesos pueden ser muy costosos y, en el caso de los tratamientos químicos, pueden crear más contaminantes que requieren limpieza. Una de las principales ventajas de la biorremediación es que la mayoría de los enfoques convierten los contaminantes nocivos en materiales relativamente inofensivos, como el dióxido de carbono, el cloruro, el agua y moléculas orgánicas simples.

Por desafortunado que sea, la respuesta a esta pregunta es que casi todo necesita ser limpiado. El suelo, el agua y los sedimentos (una combinación de suelo y vida vegetal y animal en descomposición ubicada en el fondo de un cuerpo de agua) son los entornos de tratamiento más comunes que requieren limpieza mediante biorremediación, aunque se están desarrollando nuevos enfoques de biorremediación para detectar y limpiar aumentar la contaminación del aire. Cada área presenta sus propias complejidades para la limpieza debido a que el tipo de enfoque de biorremediación utilizado generalmente depende de las condiciones del sitio. Por ejemplo, no debería sorprenderle que los enfoques para limpiar el suelo pueden ser muy diferentes de los que se usan para limpiar el agua. De manera similar, el agua superficial a menudo debe tratarse de manera diferente al agua subterránea (agua subterránea en el suelo o en espacios alrededor de la roca). Los contaminantes ingresan al medio ambiente de diferentes maneras y afectan diversos componentes del medio ambiente. En algunos casos, los contaminantes ingresan al medio ambiente a través del derrame de un camión cisterna, un accidente de camión o la ruptura de un tanque químico en un sitio industrial. Por supuesto, dependiendo de la ubicación del accidente, la cantidad de químicos liberados y la duración del derrame (horas versus semanas o años), diferentes partes o zonas del medio ambiente pueden verse afectadas. La figura 9.1 proporciona un ejemplo de un tanque de productos químicos con fugas en una planta industrial. Inicialmente puede contaminar sólo los suelos superficiales y subterráneos;

Machine Translated by Google 242

Capítulo 9 Biorremediación

Tanque químico con fugas Barrio residencial

Los derrames de productos químicos pueden crear una serie de entornos de tratamiento y zonas de contaminación

Superficie del agua (estanque, lago,

FIGURA 9.1 Ambientes de tratamiento y zonas de contaminación

que pueden ser objetivos para la biorremediación. Un

vapores

arroyo, río)

derrame de un tanque químico con fugas, que puede estar ubicado sobre el suelo o debajo de la superficie,

Sedimento suelo superficial

puede liberar materiales que contaminan el suelo superficial, el suelo subterráneo, el agua superficial y el agua subterránea. En este ejemplo, la contaminación del acuífero amenaza la salud de las personas que viven en casas adyacentes al derrame, quienes dependen del

Los pozos proporcionan

agua a los hogares

acuífero como fuente de agua potable.

Subsuperficie fuga química

Suelo cercano a la

agua.

superficie

agua subterránea (por ejemplo, acuífero)

Base

sin embargo, si se liberan grandes cantidades de productos químicos

aguas residuales. Cada vez más, los investigadores también están

y no se detecta el tanque con fugas durante mucho tiempo, los

descubriendo que las vías fluviales de los EE. UU. contienen

productos químicos pueden penetrar más profundamente en el suelo.

medicamentos recetados y de venta libre, incluidos anticonceptivos,

Después de fuertes lluvias, estos mismos productos químicos pueden

analgésicos, antibióticos, medicamentos para reducir el colesterol,

generar escorrentías que pueden contaminar los suministros de agua

antidepresivos, anticonvulsivos y medicamentos contra el cáncer.

superficial adyacentes, como estanques, lagos, arroyos y ríos. Los

Otros productos químicos que llegan al medio ambiente son los

productos químicos también pueden filtrarse a través del suelo,

productos de los procesos de fabricación industrial o, como se mencionó anteriormente, el resultado de accidentes.

creando lixiviados. Los lixiviados pueden causar la contaminación de las aguas subterráneas, incluidos los acuíferos, bolsas profundas de

Numerosos productos químicos de muchas fuentes diferentes son contaminantes comunes en el medio ambiente. La Tabla 9.1

agua subterránea que son una fuente común de agua potable. Por supuesto, los productos químicos también ingresan al medio

enumera algunas de las categorías más comunes de productos

ambiente a través de la liberación de contaminantes en el aire, que

químicos en nuestro medio ambiente que requieren limpieza. Se sabe

pueden quedar atrapados en las nubes y contaminar las aguas

que muchas de estas sustancias químicas son mutágenos y

superficiales y luego las aguas subterráneas cuando llueve. Esto es lo

cancerígenos potenciales, compuestos que causan cáncer.

que provoca la lluvia ácida, por ejemplo. Los contaminantes de la

Aunque no discutimos los efectos en la salud de los contaminantes

fabricación industrial, los vertederos, los basureros ilegales, los

químicos en detalle, se sabe que la mayoría de estos químicos causan

pesticidas utilizados para la agricultura y los procesos mineros también contribuyen a la contaminación ambiental. Como se mencionó

enfermedades, incluyendo, por ejemplo, asma, erupciones en la piel y otras formas de inflamación, defectos de nacimiento, debilitamiento

anteriormente, debido a que el enfoque de biorremediación utilizado

del sistema inmunológico, y diferentes tipos de cáncer, y pueden

para limpiar la contaminación depende del entorno de tratamiento,

envenenar la vida animal y vegetal.

limpiar el suelo es muy diferente a limpiar el agua. Pero la forma en que se usa la biorremediación también depende de los tipos de

Una categoría de contaminantes ambientales que está ganando

productos químicos que deben limpiarse.

más atención comprende los disruptores endocrinos:

Químicos en el Medio Ambiente

por el cuerpo. De la Tabla 9.1, el dicloro-difenil-tricloroetano (DDT), los

Las técnicas para usar la biorremediación para degradar los desechos

endocrinos. Se sabe que los disruptores endocrinos afectan la salud

compuestos que interfieren con las hormonas naturales producidas bifenilos policlorados (PCB) y los estrógenos sintéticos son disruptores

humanos en una planta de tratamiento de aguas residuales son

de los seres humanos y de las especies acuáticas en particular (ver

bastante diferentes (y algo más simples) que las que se usan para

Figura 9.2). Los defectos de nacimiento en reptiles y anfibios, como

degradar la variedad de productos químicos que existen en el medio ambiente. extremidades adicionales en ranas, como se muestra en la Figura 9.2, Los materiales cotidianos del hogar, como productos de limpieza,

así como la inversión sexual de los peces, se encuentran entre los

detergentes, perfumes, cafeína, repelentes de insectos, pesticidas,

ejemplos que, según la hipótesis de los científicos, se correlacionan

fertilizantes, perfumes y medicamentos, aparecen en nuestra

con la exposición a los disruptores endocrinos. Bastante

Machine Translated by Google 9.2 Conceptos básicos de biorremediación

243

CUADRO 9.1 Contaminantes químicos comunes en el medio ambiente

Contaminante químico

Fuente

Benceno

Productos derivados del petróleo utilizados para fabricar plásticos, nailon, resinas, caucho, detergentes y muchos otros materiales

Cromo

Galvanoplastia, curtido de cuero, protección contra la corrosión.

creosota

Conservante de madera para evitar que se pudra

Cianuro

Procesos de minería y fabricación de plásticos y metales

dioxina

Blanqueo de pulpa y papel, incineración de desechos y fabricación de productos químicos procesos

Metil t-butil éter (MTBE)

Aditivo de combustible, escape de automóviles, motores de barcos, tanques de gasolina con fugas

Naftalina

Producto del petróleo crudo y del petróleo.

Nitrilos

Compuestos de caucho, plásticos y aceites.

Percloroetileno/tetracloroetileno (PCE), tricloroetileno (TCE) y tricloroetano (TCA)

de los suministros de agua de EE. UU. y en el 60% de los sitios Superfund

Perfluoroquímicos (PFC)

Superficies de teflón, textiles resistentes al agua y al fuego, espumas contra incendios

Pesticidas (atrazina, carbamatos,

Productos químicos utilizados para matar insectos (pesticidas) y malas hierbas (herbicidas)

Productos químicos de limpieza en seco y agentes desengrasantes; TCE está presente en alrededor del 34%

clordano, dicloro-difenil-tricloroetano (DDT) y herbicidas Fenol y compuestos relacionados (clorofenoles)

Conservantes de madera, pinturas, pegamentos, textiles

Bifenilos policlorados (PCB)

Transistores eléctricos, sistemas de refrigeración y aislamiento.

Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) e hidrocarburos policlorados

Incineración de desechos, gases de escape de automóviles, refinerías de petróleo y fugas de aceite de automóviles

Cloruro de polivinilo

Fabricación de plástico

Compuestos radiactivos

Instituciones médicas y de investigación y centrales nucleares

Surfactantes (detergentes)

Fabricación de pinturas, textiles, hormigón, papel.

Estrógenos sintéticos (etinilestradiol)

Compuestos relacionados con hormonas femeninas (estrógenos) creados por una variedad de procesos de fabricación industrial

tolueno

Componente de petróleo presente en adhesivos, tintas, pinturas, limpiadores y pegamentos

Trazas de metales (arsénico, cadmio, cromo,

Baterías de coche y procesos de fabricación de metales.

cobre, plomo, mercurio, plata) Trinitrotolueno (TNT)

Explosivo utilizado en la industria de la edificación y la construcción.

simplemente, la presencia de contaminantes en un medio ambiente

se detiene, a menudo estos productos químicos persisten en el

conduce a una disminución general del medio ambiente junto con la

medio ambiente durante décadas. Además del tipo de derrame y el

salud de los organismos que viven en él. En la Sección 9.7

entorno de limpieza, el tipo de contaminante químico también afecta

analizamos los productos plásticos como disruptores endocrinos.

los tipos de organismos de limpieza y los enfoques que pueden usarse para la biorremediación. A lo largo de este capítulo

Para algunos de los productos químicos enumerados en la Tabla 9.1, se han establecido regulaciones para limitar o prohibir sus aplicaciones, pero incluso después de que su uso sea completamente

consideramos estrategias para limpiar muchos de los contaminantes enumerados en la Tabla 9.1.

Machine Translated by Google 244

Capítulo 9 Biorremediación

Reducción

Electrón

oxidado

donante

donante

e2

e2

Electrón

Reducido

aceptador

aceptador

Oxidación

FIGURA 9.2 Los disruptores endocrinos presentan un peligro significativo para los organismos acuáticos y los seres humanos

Fundamentos de las reacciones de limpieza Los microbios pueden convertir muchas sustancias químicas en compuestos inofensivos a través del metabolismo aeróbico (reacciones que requieren oxígeno [O2]) o metabolismo anaeróbico (reacciones en las que no se requiere oxígeno). Ambos tipos de

FIGURA 9.3 Oxidación y Reducción (Redox) Reacciones Las reacciones redox son importantes para la biorremediación de muchas sustancias químicas. En esta reacción de oxidación, se transfiere un electrón de la molécula A a la molécula B. La molécula B actúa como aceptor de electrones o agente oxidante. En las reacciones redox, la molécula A se oxida y la molécula B, que gana un electrón, se reduce.

En las reacciones de biodegradación aeróbica, el O2 puede oxidar una variedad de productos químicos, incluidas las moléculas orgánicas (aquellas que contienen átomos de carbono), como los productos derivados del petróleo (Figura 9.4). En el proceso, el O2 se reduce para producir agua. Los microbios pueden degradar aún más el compuesto orgánico oxidado para hacer moléculas más

procesos involucran oxidación. y reacciones de reducción. Debe tener una familiaridad básica con

simples y relativamente menos dañinas, como el dióxido de carbono

las reacciones de oxidación y reducción si quiere comprender la

(CO2) y el gas metano. Las bacterias obtienen energía de este proceso, que se utiliza para producir más células; los científicos se refieren a este aum

biodegradación.

Reacciones de oxidación y reducción. La oxidación involucra la remoción de uno o más electrones de un

Biodegradación aeróbica

átomo o molécula, mientras que durante la reducción, un átomo o

Electrones transferidos

molécula gana uno o más electrones. Ambas reacciones pueden alterar la estructura y las propiedades de una molécula. En el caso

al oxígeno como electrón aceptador

de un contaminante químico, la oxidación o la reducción pueden hacer que el químico sea inofensivo al cambiar sus propiedades.

1 O2

Debido a que las reacciones de oxidación y reducción frecuentemente ocurren juntas, estas reacciones de transferencia de electrones a menudo se denominan reacciones redox (vea la figura 9.3). Durante las reacciones redox, las moléculas llamadas agentes oxidantes (también conocidos como aceptores de electrones,

CO2 1 H2O 1

Biomasa (aumento número de

quimico organico (p. ej., benceno)

bacterias)

Biodegradación anaeróbica Electrones transferidos nitrato como electrón

CH3

aceptador

porque tienen una fuerte atracción por los electrones ) eliminar electrones durante el proceso de transferencia. Cuando los agentes oxidantes aceptan electrones, se reducen. El oxígeno (O2), el hierro (Fe3+), el sulfato (SO4 2–) y el nitrato (NO3 – ) suelen participar en las reacciones redox de la biorremediación. Las reacciones redox son importantes para muchas funciones celulares. Por ejemplo, las células humanas y muchos otros tipos de células usan reacciones de oxidación y reducción para degradar los azúcares y obtener energía.

Biodegradación aeróbica y anaeróbica

1

NO3 2 (nitrato)

CO2 1 N2 1 H2O 1 Biomasa

quimico organico (p. ej., tolueno)

FIGURA 9.4 Biodegradación aeróbica y anaeróbica Las bacterias aeróbicas (aerobios) utilizan oxígeno (O2) como molécula aceptora de electrones para oxidar contaminantes químicos orgánicos como el benceno. Durante este proceso, el oxígeno se reduce para producir agua (H2O), y el dióxido de carbono (CO2) se deriva de la oxidación del benceno. La energía procedente de la degradación del contaminante se utiliza para estimular el aumento de células bacterianas (biomasa). Reacciones similares ocurren

En algunos entornos, como las aguas superficiales y el suelo, donde

durante la biodegradación anaeróbica, excepto que las bacterias anaeróbicas (anaerobias) dependen del hierro (Fe3+), sulfato (SO4 2–), nitrato (NO3 – ) y

el oxígeno está fácilmente disponible, las bacterias aeróbicas

otras moléculas como aceptores de electrones para oxidar los contaminantes.

degradan los contaminantes al oxidar los compuestos químicos. En

Machine Translated by Google 9.2 Conceptos básicos de biorremediación

245

en muchas condiciones. El tipo de producto químico, la temperatura, la zona de contaminación (agua versus suelo, contaminación de aguas superficiales versus subterráneas, etc.), los nutrientes y muchos otros factores influyen en la eficacia y las tasas de biodegradación. En muchos sitios, la biorremediación involucra las acciones combinadas de bacterias aeróbicas y anaeróbicas para descontaminar completamente el sitio. Los anaerobios generalmente dominan las reacciones de biodegradación que están más cerca de la fuente de contaminación, donde el oxígeno tiende a ser muy escaso, pero los sulfatos, nitratos, hierro y metano están presentes para ser utilizados como aceptores de electrones por los anaerobios. Más lejos de la fuente de contaminación, donde el oxígeno tiende a ser más abundante, las bacterias aeróbicas suelen participar en la biodegradación (Figura 9.6).

La búsqueda de microorganismos útiles para la biorremediación a menudo se lleva a cabo mejor en los mismos sitios contaminados. A menudo, algunos organismos que viven en un sitio contaminado desarrollarán resistencia a los productos químicos contaminantes y FIGURA 9.5 Bacterias anaerobias que degradan el químico de limpieza en seco El químico de limpieza en seco llamado percloroetileno (PCE) es un contaminante común de las aguas subterráneas; sin embargo, las bacterias anaerobias pueden usar PCE como alimento. Al cultivar bacterias en pequeñas partículas de sulfuro de hierro, que sirven como aceptores de electrones y proporcionan el entorno químico adecuado para los anaerobios, las bacterias crecen rápidamente y prosperan en PCE.

pueden ser útiles para la biorremediación. microbios autóctonos— los que se encuentran naturalmente en un sitio contaminado, a menudo se aíslan, cultivan y estudian en un laboratorio y luego se devuelven a los entornos de tratamiento en grandes cantidades. Dichos microbios suelen ser los microbios "metabolizadores" más comunes y efectivos para la biorremediación. Por ejemplo, se sabe que las cepas de bacterias llamadas Pseudomonas, que son muy abundantes en la mayoría de los

en el número de células como un aumento en la biomasa. Algunos

suelos, degradan cientos de sustancias químicas diferentes. Ciertas cepas de Escherichia coli también son bastante efectivas para degradar muchos

aerobios también oxidan compuestos inorgánicos (moléculas que no

contaminantes.

contienen carbono), como metales y amoníaco. En sitios altamente contaminados y ambientes subterráneos profundos como los acuíferos, la concentración de oxígeno puede ser muy baja. En los

Se ha utilizado una gran cantidad de bacterias menos conocidas y actualmente se están estudiando sus posibles funciones en la biorremediación. Por ejemplo, en la Sección 9.7 analizamos las posibles

suelos subterráneos, el oxígeno puede difundirse pobremente en el suelo y

aplicaciones de Deinococcus radiodurans, un microbio que muestra una

cualquier oxígeno que esté allí puede ser consumido rápidamente por los

capacidad extraordinaria para tolerar los efectos peligrosos de la radiación.

aerobios. Aunque a veces es posible inyectar oxígeno en los sitios de

De manera similar, investigadores de la Universidad de Dublín descubrieron

tratamiento para estimular la biodegradación aeróbica en ambientes con poco

Pseudomonas putida, una cepa de bacteria que puede convertir el

oxígeno, la biodegradación puede ocurrir de forma natural a través del

estireno, un componente tóxico de muchos plásticos, en un plástico

metabolismo anaeróbico (Figura 9.5).

biodegradable.

El metabolismo anaeróbico también requiere oxidación y reducción; sin

efectivos en la biorremediación aún no han sido identificados. La búsqueda

embargo, las bacterias anaerobias (anaerobias) dependen de moléculas

de nuevos microbios metabolizadores es un área activa de investigación

distintas del oxígeno como aceptores de electrones.

en biorremediación. En 2015, científicos de la Universidad de Rutgers

Los científicos creen que muchos de los microbios que son más

El hierro (Fe3+), el sulfato (SO4 2–) y el nitrato (NO3 – ) son aceptores

informaron sobre el aislamiento de una cepa bacteriana de la clase

de electrones comunes para las reacciones redox en los anaerobios

Betaproteobacteria del suelo de un antiguo molino de mineral de uranio

(Figura 9.4). Algunos microbios pueden llevar a cabo un metabolismo

en Colorado. A través de procesos desconocidos, esta cepa reduce el

aeróbico y anaeróbico. Cuando la cantidad de oxígeno en el ambiente

uranio a una forma que ya no se disuelve en agua. Mantener el uranio

disminuye, pueden cambiar a un metabolismo anaeróbico para continuar

fuera de las aguas superficiales y subterráneas sería una gran ventaja

con la biodegradación. Como aprenderá en la siguiente sección, tanto los

frente a tratar de eliminar el uranio de los suministros de agua,

aerobios como los anaerobios son importantes para la biorremediación.

especialmente de las fuentes que se utilizan para el agua potable. Los científicos también están experimentando con cepas de algas y hongos que pueden ser capaces de biodegradarse.

Los jugadores: metabolizando microbios Los científicos pueden usar microbios, especialmente bacterias, como

Los hongos que degradan los desechos, como Phanerochaete chrysospo rium y Phanerochaete sordida , pueden metabolizar sustancias químicas

herramientas para limpiar el medio ambiente. La capacidad de las

tóxicas como la creosota, el pentaclorofenol y otros contaminantes que

bacterias para degradar diferentes productos químicos de manera efectiva depende las bacterias degradan poco o nada en

Machine Translated by Google 246

Capítulo 9 Biorremediación

FIGURA 9.6 Las bacterias anaeróbicas y aeróbicas contribuyen a la biodegradación del agua subterránea contaminada

Componentes del petróleo como el benceno CO2

O

SO4 22 S22

O NO3 2

O2

CO2

N2 Suelo

agua subterránea

SO4

22

NO3 2 contaminante fuente tal como un derrame de petroleo

metanogénico dióxido de carbono (CO2)–reductor anaerobios O

O2

Sulfato

Hierro

Nitrato

(SO4 22)– reduciendo anaerobios

Fe(III)–

(NO3 – )–reductor anaerobios

reduciendo anaerobios

CH4 CO2 O

Concentración de contaminantes

disminuye con la distancia

O

CO2

O2

H2O

CO2

Fe(III)

Fe(II)

Bacteria anaerobica

todos. Los hongos que transforman el asbesto y los metales pesados incluyen Fusarium oxysporum y Mortierella hyalina.

Aerobio bacterias

Sitio web, que puede utilizar para acceder a estudios genómicos de microbios de biorremediación.

Los hongos también son muy valiosos en el compostaje y la degradación de aguas residuales y lodos en plantas de tratamiento de aguas residuales

Estimular la biorremediación

y desechos sólidos, PCB y otros compuestos que anteriormente se

Como se discutió anteriormente, los científicos de biorremediación

consideraban altamente resistentes a la biodegradación.

generalmente aprovechan los microbios autóctonos para degradar los

Además, en el Capítulo 10, consideraremos brevemente cómo se pueden

contaminantes. Dependiendo del contaminante, muchas bacterias

usar los organismos acuáticos para la biorremediación.

autóctonas son muy eficaces en la biodegradación. Los científicos también

Programas de Biorremediación Genómica

más efectivos en la degradación de los contaminantes, según los

No debería sorprenderle saber que muchos científicos están estudiando

cantidades y tipos de contaminantes químicos que deben descontaminarse.

utilizan numerosas estrategias para hacer que los microorganismos sean microorganismos involucrados, el sitio ambiental que se limpia y las

los genomas de los organismos que se usan actualmente o se pueden usar en el futuro para la biorremediación. A través de la genómica, será posible identificar nuevos genes y vías metabólicas que los organismos

El enriquecimiento de nutrientes, también llamado fertilización,

de biorremediación utilizan para desintoxicar sustancias químicas.

es un enfoque de biorremediación en el que los fertilizantes, similares al

Los científicos están secuenciando genomas para comunidades enteras

fósforo y el nitrógeno que se aplican al césped, se agregan a un ambiente contaminado para estimular el crecimiento de microorganismos autóctonos

de microorganismos e identificando nuevos genes en cromosomas y

que pueden degradar los contaminantes (Figura 9.7) . Debido a que los

plásmidos que codifican enzimas involucradas en la biorremediación. Esta

organismos vivos necesitan una gran cantidad de elementos clave como

información ayudará a los científicos a desarrollar estrategias de limpieza

carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y fósforo para construir

más efectivas, incluidas cepas mejoradas de organismos de biorremediación

macromoléculas, agregar fertilizantes proporciona a los microbios de

a través de la ingeniería genética (consulte la Sección 9.5). También

biorremediación elementos esenciales para reproducirse y prosperar. En algunos casos, se puede agregar estiércol, astillas de madera y paja para

puede ser posible combinar genes desintoxicantes de diferentes microbios en diferentes bacterias recombinantes capaces de degradar múltiples contaminantes al mismo tiempo, por ejemplo, PCB y mercurio. Consulte

proporcionar a los microbios fuentes de carbono como fertilizante. Los

la Tabla 9.2 para ver algunos ejemplos de proyectos de genómica

al agua subterránea o mezclándolos en el suelo. El concepto detrás de la

fertilizantes generalmente se entregan al sitio contaminado bombeándolos

completados que involucran organismos de biorremediación. Asegúrese

fertilización es simple. Al agregar más nutrientes, los microorganismos se

de visitar el enlace Genomas a la vida en Companion

replican, aumentan en número

Machine Translated by Google 9.2 Conceptos básicos de biorremediación

247

TABLA 9.2 Ejemplos de proyectos de genoma completados para organismos de biorremediación

Número de las aplicaciones de biorremediación de genes

Microorganismo Accumulibacter phosphatis 4.790

Principal microbio utilizado en plantas de tratamiento de aguas residuales para eliminar altas cargas de fosfato de aguas residuales y lodos

Alcanivorax borkumensis 2.755

Bacteria marina degradadora de hidrocarburos muy eficaz para descomponer muchos componentes del petróleo crudo y refinado

Decloromonas aromáticas 4.250

Bacteria anaerobia facultativa aislada del lodo del río Potomac; degrada anaeróbicamente el benceno

Dehalobacter restrictus

2,826

Decloratos de percloroetileno (PCE) y tricloroeteno

Dehalococcoides

1,591

Se utiliza para degradar hidrógeno y cloro, el único organismo conocido que declora por completo el percloroetileno (PCE) y el tricloroeteno (TCE); PCE y limpieza de TCE en aguas residuales; degradación de dioxinas policloradas

ethenogenes

Deinococcus radiodurans 3.212

Bacteria que puede tolerar la exposición a la radiación; de gran interés para la biorremediación de desechos radiactivos (ver Sección 9.7)

Geobacter metallireducens 3.676

Se utiliza para la reducción de metales del subsuelo, el ciclo del carbono y para generar electricidad (consulte la Figura 9.16 en la página 255)

Paracoccus denitrificans

3,744

Identificado a partir de relaves de minas de carbón en la India; potencial para la biorremediación de varios contaminantes industriales a través de la desnitrificación

Populus trichocarpa (álamo)

45,555

Primer genoma de árbol secuenciado (2006); potencialmente útil para reducir el dióxido de carbono atmosférico

Fertilizantes

O2 (agua)

Nitrógeno Fósforo Carbón Hidrógeno

CO2

H2O rocas aceitadas

Limpiar rocas y residuos inertes

Las bacterias nativas crecen en número y actividad y consumen aceite FIGURA 9.7 Los fertilizantes pueden estimular la biodegradación por parte de las bacterias autóctonas La biorremediación de sustancias químicas como las presentes en el petróleo se puede acelerar mediante la adición de fertilizantes.

Los fertilizantes estimulan el crecimiento y la replicación de bacterias autóctonas, que degradan el petróleo en compuestos inertes (inofensivos) como el dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O).

(biomasa), y crecen rápidamente, aumentando así la tasa de biodegradación. La bioaumentación, o siembra, es otro enfoque que consiste en agregar bacterias a los alimentos contaminados .

medio ambiente para ayudar a los microbios autóctonos con procesos biodegradantes. A veces, la siembra implica la aplicación de microorganismos modificados genéticamente con propiedades únicas de biodegradación. La bioaumentación no siempre es una solución eficaz, en parte porque las cepas de microbios de laboratorio rara vez crecen y se biodegradan tan bien como las bacterias autóctonas, y los científicos deben asegurarse de que las bacterias sembradas no alterarán la ecología del medio ambiente si persisten después de que desaparezca la contaminación. .

fitorremediación Un número creciente de aplicaciones utilizan plantas para limpiar los productos químicos en el suelo, el agua y el aire, un enfoque llamado fitorremediación. Se estima que 350 especies de plantas absorben naturalmente materiales tóxicos. Los álamos y los enebros se han utilizado con éxito en la fitorremediación, al igual que ciertas gramíneas y la alfalfa. En la fitorremediación, los contaminantes químicos se absorben a través de las raíces de la planta a medida que absorben agua contaminada del suelo (Figura 9.8). Por ejemplo, las plantas de girasol eliminaron eficazmente el cesio y el estroncio radiactivos de los estanques de la planta de energía nuclear de Chernobyl en Ucrania. Los jacintos de agua se han utilizado para eliminar el arsénico de los suministros de agua en Bangladesh. Esta es una tecnología significativa, considerando que las concentraciones de arsénico exceden los estándares de salud en el 60 por ciento del agua subterránea en Bangladesh.

Machine Translated by Google 248

Capítulo 9 Biorremediación

Las células vegetales se degradan

contaminantes directamente

Debido a que las altas concentraciones de contaminantes a menudo matan a la mayoría de las plantas, la fitorremediación tiende a funcionar mejor donde la cantidad de contaminación es baja, en suelos poco profundos o en aguas subterráneas. Los científicos también están explorando formas en las que las plantas pueden usarse para limpiar los contaminantes del aire, algo que muchas plantas hacen de forma natural: por ejemplo, eliminan el exceso de dióxido de carbono (CO2), el principal gas de efecto invernadero liberado por la quema de combustibles fósiles, que contribuye a la contaminación global. calentamiento El primer genoma de un árbol, el álamo negro (un tipo de álamo), se secuenció en 2006. Los álamos se usan comúnmente para la fitorremediación, y los álamos genéticamente modificados se han mostrado prometedores para capturar altos niveles de CO2. Los científicos han recolectado bacterias que degradan TCE de

Las raíces absorben

los álamos negros y han transferido estos microbios a árboles jóvenes antes de

contaminantes

sembrarlos en sitios Superfund contaminados con TCE. Los árboles enriquecidos con microbios desarrollaron troncos casi un 30 por ciento más anchos que los árboles no tratados, lo que indica un crecimiento saludable de estos árboles en suelo contaminado. Tres años más tarde, el suelo alrededor de los árboles Contaminantes químicos

enriquecidos con microbios tenía un 50 por ciento más de iones de cloro (subproductos inofensivos de la degradación del TCE) que los árboles no tratados.

La planta se puede quitar y desechado

La fitorremediación puede ser un enfoque efectivo, de bajo costo y bajo mantenimiento para la biorremediación. Como beneficio adicional, la fitorremediación también puede ser una estrategia menos obvia y más atractiva. Por ejemplo, plantar árboles y arbustos puede mejorar visualmente la apariencia de un paisaje contaminado y limpiar el medio ambiente al mismo tiempo. Actualmente, sin embargo, la mayoría de los enfoques de fitorremediación aún involucran la remoción de suelo del sitio contaminado para su tratamiento en otro sitio.

Dos inconvenientes principales de la fitorremediación son que solo se pueden tratar las capas superficiales (hasta unos 50 cm de profundidad), y la limpieza suele llevar varios años. En la siguiente sección, examinamos entornos de limpieza específicos y diferentes estrategias utilizadas para la biorremediación.

FIGURA 9.8 Las plantas de fitorremediación pueden ser una valiosa adición a muchas estrategias de biorremediación. Algunas plantas degradan directamente los contaminantes ambientales; otros simplemente absorben contaminantes y luego deben ser eliminados y eliminados.

9.3 Sitios y estrategias de limpieza

Existe una variedad de estrategias de tratamiento de biorremediación. La estrategia que se utilice depende de muchos factores. Las consideraciones

Después de que los químicos tóxicos ingresan a la planta, las células de la

principales son los tipos de productos químicos involucrados, el entorno de

planta pueden usar enzimas para degradar los químicos. En otros casos, el

tratamiento y el tamaño del área que se limpiará. En consecuencia, algunas de

químico se concentra en las células de la planta de modo que toda la planta sirve

las siguientes preguntas deben ser consideradas antes de iniciar el proceso de

como una especie de “esponja vegetal” para absorber los contaminantes. Por

limpieza:

ejemplo, las aplicaciones de los helechos acuáticos para absorber rápidamente el petróleo en derrames accidentales han mostrado potencial. Las hojas de estas plantas son muy repelentes al agua, pero pueden absorber grandes volúmenes de aceite y también crecen rápidamente.

ÿÿ ¿Los productos químicos representan un riesgo de incendio o explosión? ÿÿ ¿Los productos químicos representan una amenaza para la salud humana, incluida la salud de los trabajadores de limpieza? ÿÿ ¿Se liberó la sustancia química al medio ambiente a través de un solo

A veces, las plantas contaminadas se tratan como desechos y pueden quemarse o desecharse de otras maneras.

incidente o hubo una fuga a largo plazo de un contenedor de almacenamiento?

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9.3 Sitios y estrategias de limpieza

ÿÿ ¿Dónde ocurrió la contaminación?

El peróxido de hidrógeno se usa con frecuencia porque se degrada fácilmente en agua y oxígeno para proporcionar a los microbios una fuente de oxígeno. También se pueden agregar fertilizantes al suelo a través de la bioventilación para estimular el crecimiento y las actividades de degradación de las bacterias autóctonas. La biorremediación in situ no siempre es la mejor solución. Este enfoque es más efectivo en suelos arenosos, que son menos compactos y permiten que los microorganismos y los materiales fertilizantes se propaguen rápidamente. La arcilla sólida y los suelos rocosos densos no suelen ser buenos sitios para la biorremediación in situ, y la contaminación con productos químicos que persisten durante largos períodos puede llevar años limpiar de esta manera. Para algunos sitios de limpieza del suelo, la biorremediación ex situ puede ser más rápida y efectiva que los enfoques in situ. Como se muestra en la Figura 9.9, la biorremediación ex situ del

ÿÿ ¿Está el área contaminada en la superficie del suelo?

¿Debajo del suelo? ¿Afecta al agua? ÿÿ ¿Qué tan grande es el área contaminada?

Responder a estas preguntas a menudo requiere los talentos combinados de biólogos moleculares, ingenieros ambientales, químicos y otros científicos que trabajan juntos para desarrollar e implementar planes de limpieza.

limpieza del suelo Las estrategias de tratamiento tanto para el suelo como para el agua por lo general involucran la remoción de materiales químicos del sitio contaminado a otro lugar para su tratamiento, un enfoque conocido como biorremediación ex situ, o la limpieza en el sitio contaminado sin excavación o remoción, llamada in situ (un término latino). término que significa “in situ”) biorremediación. La biorremediación in situ suele ser el método preferido de biorremediación, en parte porque suele ser menos costoso que los enfoques ex situ. Además, debido a que el suelo o el agua no tienen que ser excavados o bombeados fuera del sitio, se pueden tratar áreas más grandes de suelo contaminado al mismo tiempo.

suelo puede involucrar varias técnicas diferentes, según el tipo y la cantidad de suelo a tratar y los productos químicos a limpiar. Una técnica común ex situ se llama biorremediación en fase de suspensión. Este enfoque implica mover el suelo contaminado a otro sitio y luego mezclar el suelo con agua y fertilizantes (a menudo también se agrega oxígeno) en biorreactores grandes, donde las condiciones de biodegradación por microorganismos en el suelo pueden monitorearse y controlarse cuidadosamente. La biorremediación en fase de lodo es un proceso rápido que funciona bastante bien cuando es necesario limpiar pequeñas cantidades de suelo y se conoce bien la composición de los contaminantes

Los enfoques in situ se basan en la estimulación de microorganismos en el suelo o el agua contaminados. Los enfoques in situ que requieren métodos de degradación aeróbica a menudo implican la bioventilación o el bombeo de aire o peróxido de hidrógeno (H2O2) en el suelo contaminado.

químicos.

Biorremediación ex situ

Tambores con fugas

El suelo contaminado se excava y se trata

Suelo contaminado

de varias maneras.

Biorremediación en fase sólida

fase de suspensión

biorremediación Compostaje

biopila

El cultivo de la tierra

Químico Suelo

Filtrar

vapores

Mezcle tierra contaminada con H2O, O2 y fertilizantes en

Líquido

gran biorreactor para estimular

Recoger

degradación microbiana de contaminantes

Tierra y heno u otros agentes

lixiviado

de carga mezclados

FIGURA 9.9 Estrategias de biorremediación ex situ para la limpieza del suelo Muchos enfoques de limpieza del suelo implican la biorremediación ex situ, en la que se elimina el suelo contaminado y luego se somete a varios enfoques de limpieza diferentes.

pila de tierra

Machine Translated by Google 250

Capítulo 9 Biorremediación

Para muchas otras estrategias de limpieza del suelo, se

Cuando la pila se evapora, el flujo de aire del vacío extrae los

requieren técnicas de biorremediación en fase sólida . Los

vapores químicos de la pila y los libera a la atmósfera o los atrapa

procesos de fase sólida consumen más tiempo que los enfoques de

en filtros para su eliminación, según el tipo de sustancia química.

fase de suspensión y, por lo general, requieren grandes cantidades

Casi todas las estrategias ex situ para limpiar el suelo implican labrar

de espacio; sin embargo, a menudo son las mejores estrategias

y mezclar el suelo para dispersar los nutrientes, oxigenar la tierra y

para degradar ciertas sustancias químicas. Tres técnicas de fase

aumentar la interacción de los microbios con los materiales

sólida son ampliamente utilizadas: compostaje, cultivo en tierra y biopilas. contaminados para aumentar la biodegradación. El compostaje se puede utilizar para degradar desechos domésticos, como restos de comida y recortes de césped; Se utilizan enfoques similares para degradar los contaminantes químicos en el suelo contaminado. En una pila de compost, se agrega heno, paja u

Biorremediación del Agua

otros materiales al suelo para proporcionar a las bacterias los El agua contaminada presenta una serie de desafíos. nutrientes que ayudan a las bacterias a degradar los productos químicos. En la Sección 9.6, consideramos cómo se puede tratar el agua Las estrategias de cultivo de la tierra implican esparcir suelos

superficial después de grandes derrames, como un derrame de petróleo.

contaminados en una almohadilla para que el agua y los lixiviados

Las aguas residuales y las aguas subterráneas se pueden tratar de

puedan filtrarse fuera del suelo. Un objetivo principal de este enfoque

muchas maneras diferentes, según los contaminantes que se deban eliminar.

es recolectar los lixiviados para que el agua contaminada no pueda contaminar más el medio ambiente. Debido a que el suelo contaminado se extiende en una capa más delgada de lo que sería

Tratamiento de aguas residuales

si estuviera debajo de la tierra, la agricultura en la tierra también

Probablemente la aplicación más conocida de la biorremediación es

permite que los químicos se evaporen del suelo y airea el suelo para

el tratamiento de aguas residuales (o aguas residuales) para eliminar

que los microbios puedan degradar mejor los contaminantes.

las aguas residuales humanas (material fecal y desechos de papel),

Las biopilas de suelo se utilizan particularmente cuando se

jabones, detergentes y otros productos químicos domésticos. Tanto

sabe que las sustancias químicas del suelo se evaporan fácilmente

los sistemas sépticos como las plantas de tratamiento de aguas

y los microbios en la pila de suelo degradan rápidamente los

residuales municipales dependen de la biorremediación. En un

contaminantes (Figura 9.10). En este enfoque, el suelo contaminado

sistema séptico típico, las aguas negras y residuales de un solo

se amontona a varios metros de altura. Las biopilas se diferencian

hogar se mueven a través del sistema de plomería hacia un tanque

de las pilas de compost en que se agregan relativamente pocos

séptico enterrado junto a la casa. En el tanque, los materiales

agentes voluminosos al suelo y se utilizan ventiladores y sistemas

sólidos, como las heces y los desechos de papel, se depositan en el

fondo de tuberías para bombear aire dentro o sobre la pila. como productos químicos enpara el ser degradados por los microbios, mientras que los líquidos salen por la parte superior del tanque y se dispersan bajo tierra a través de un área de tierra y grava llamada lecho séptico. Dentro del lecho, los microbios autóctonos degradan los componentes de desecho en el agua. Una aplicación comercial de biorremediación recomendada para evitar que los tanques sépticos se obstruyan es agregar productos como Rid-X (Figura 9.11), que se descargan periódicamente en el sistema. Estos productos contienen bacterias liofilizadas ricas en enzimas como lipasas, proteasas, amilasas y celulasas, que a su vez degradan grasas, proteínas, azúcares y celulosa en papeles y materia vegetal, respectivamente. Agregar microbios de esta manera es un ejemplo del bioaumento que discutimos en la sección anterior, y este tratamiento ayuda al sistema séptico a degradar las grasas y aceites para cocinar, los desechos humanos, los productos de papel tisú y otros materiales que pueden obstruir el sistema. Las plantas de tratamiento de aguas residuales son operaciones bastante complejas y bien organizadas, y ahora se utilizan más de 400 000 plantas en todo el mundo (Figura 9.12). El agua de los hogares que ingresa a las líneas de alcantarillado se bombea a una instalación de tratamiento, donde las heces y los productos de papel FIGURA 9.10 Biopilas de suelo El suelo contaminado que ha sido removido del sitio de limpieza puede almacenarse en pilas y los procesos de biorremediación pueden monitorearse para asegurar la descontaminación del suelo antes de determinar si el suelo puede ser

devuelto al medio ambiente.

se muelen y se filtran en partículas más pequeñas, que se depositan en tanques para crear un material similar al lodo llamado lodo. El agua que sale de estos tanques se llama efluente. El efluente se envía a

Machine Translated by Google 9.3 Sitios y estrategias de limpieza

251

tanques de aireación, donde las bacterias aeróbicas y otros microbios oxidan los materiales orgánicos en el efluente. En estos tanques, el agua se rocía sobre rocas o plástico cubierto con biopelículas de microbios degradadores de desechos que degradan activamente los materiales orgánicos en el agua. Alternativamente, el efluente pasa a sistemas de lodos activados, tanques que contienen una gran cantidad de microbios que degradan los desechos y que crecen en ambientes cuidadosamente controlados. Por lo general, estos microbios flotan libremente en el agua, pero en algunos casos pueden crecer en filtros a través de los cuales fluye el agua contaminada. Eventualmente, el efluente se desinfecta con un tratamiento con cloro antes de que el agua se devuelva a los ríos u océanos para que pueda volver a formar parte del ciclo del agua. El lodo se bombea a tanques digestores anaeróbicos en los que las bacterias anaeróbicas lo degradan aún más. Las bacterias productoras de gas metano y dióxido de carbono son comunes en estos tanques. El gas metano a menudo se recolecta y se usa como combustible para hacer funcionar los equipos en la planta de tratamiento de aguas residuales. Diminutos gusanos, que suelen ser

FIGURA 9.11 Los aditivos para fosas sépticas estimulan la biorremediación de desechos domésticos

(a) Tratamiento primario

(c) Desinfección y liberación

(b) Tratamiento secundario (oxidación biológica)

3) El efluente primario sufre aireación; Los microorganismos oxidan la materia orgánica.

1) Las aguas residuales son

filtrado y

terrestre.

2) materia sólida se asienta

4) Debe ser desinfectado por cloración y lanzado al río, lago,

Tanque de aireación

Primario salen

Aguas residuales

salen

o océano.

Arena

cámara

clorador

Primario sedimentación tanque

Secundario salen Primario lodo

Lodo activado sistema Asentamiento

Lodo secundario

tanque

del tanque de sedimentación

6) Lodos se seca

(d) Digestión de lodos

5) El lodo restante se digerido anaeróbicamente, produciendo metano. Lodo anaeróbico digeridor

cama de secado

Lodo salen 7) Se eliminan los lodos y desechado en vertedero o agrícola tierra.

FIGURA 9.12 Tratamiento de aguas residuales Las instalaciones de tratamiento de aguas residuales o aguas residuales son operaciones bien planificadas que utilizan bacterias aerobias y anaerobias para degradar materiales orgánicos como heces humanas y detergentes domésticos tanto en el lodo como en el agua (efluente).

Machine Translated by Google 252

Capítulo 9 Biorremediación

anammox (abreviatura de oxidación anaeróbica de amoníaco). Las plantas de tratamiento de aguas residuales en muchos países han comenzado a utilizar Candidatus Brocadia anammoxidans para eliminar el amonio de las aguas residuales de manera más eficiente. Debido a los grandes volúmenes de agua que se procesan diariamente en todo el mundo a través de las plantas de tratamiento de aguas residuales, los científicos están interesados en tratar de recuperar sustancias químicas valiosas de las aguas residuales. Esto incluye formas de carbono, nitrógeno y fósforo, todos los cuales podrían reciclarse como fertilizantes, además de metales valiosos, como veremos en la Sección 9.7. limpieza de aguas subterráneas

Con la excepción de los accidentes cerca de las playas costeras, la mayoría de los derrames químicos de gran volumen, como los derrames de petróleo, ocurren en ambientes marinos, a menudo lejos de áreas densamente pobladas. Sin embargo, la contaminación del agua dulce generalmente ocurre más cerca de las áreas pobladas y representa una seria amenaza para la salud humana al contaminar las fuentes de agua potable, ya sea las aguas subterráneas o superficiales, como los embalses. La contaminación de las aguas subterráneas es un problema común en muchos países. En la India, casi el 80 por ciento del suministro de agua potable rural y el 50 por ciento del urbano dependen de fuentes de agua subterránea. Sin embargo, una gran parte de los suministros de agua subterránea de la India contiene concentraciones elevadas de contaminantes inorgánicos (como fluoruro y arsénico) y contaminantes orgánicos (como pesticidas). En China, el 70 por ciento del agua potable proviene de fuentes de agua subterránea y los estudios han indicado que más del 60 por ciento de los suministros de agua subterránea de China contienen contaminantes

FIGURA 9.13 Biorreactor que contiene Candidatus Bro cadia anammoxidans, bacteria anaeróbica que puede degradar amonio Las nuevas propiedades metabólicas permiten que estos anaerobios degraden el amonio de las aguas residuales en un solo paso.

presentes en el lodo, también ayudan a descomponer el lodo en pequeñas partículas. El lodo nunca se descompone por completo, pero una vez que se eliminan los materiales tóxicos, se seca y se puede usar como vertedero o fertilizante. Los científicos han descubierto una bacteria llamada Candidatus Brocadia anammoxidans que posee una capacidad

que pueden afectar la salud humana. El agua subterránea contaminada puede ser muy difícil de limpiar porque muchos

contaminantes se adsorben fuertemente en matrices de suelo de baja permeabilidad.

Los enfoques ex situ e in situ a menudo se usan en combinación. Por ejemplo, cuando las aguas subterráneas se contaminan con petróleo o gasolina, estos contaminantes ascienden a la superficie del acuífero. Parte de este petróleo o gas puede bombearse directamente, pero la porción mezclada con agua subterránea debe bombearse a la superficie y pasar a través de un biorreactor de gran volumen (Figura 9.14). Dentro del biorreactor, las bacterias en biopelículas que crecen sobre una pantalla o malla degradan los contaminantes. A menudo

única para degradar el amonio, un importante producto de desecho

se añaden al biorreactor fertilizantes como virutas de madera y

presente en la orina (Figura 9.13). Es importante eliminar el amonio de las aguas residuales antes de que el agua se libere de nuevo en

oxígeno. El agua limpia del biorreactor que contiene fertilizantes,

el medio ambiente porque las altas cantidades de amonio pueden

biorremediación in situ (Figura 9.14).

afectar el medio ambiente al provocar la proliferación de algas y la

bacterias y oxígeno se bombea de regreso al acuífero para la En algunos casos, los biorreactores de gran volumen se

disminución de las concentraciones de oxígeno en las vías fluviales.

pueden fabricar de forma bastante sencilla cavando trincheras o

Por lo general, las plantas de aguas residuales dependen de

pozos, que se colonizan con bacterias autóctonas del suelo. Este

bacterias aeróbicas como Nitrosomonas europaea para oxidar el

enfoque se puede utilizar en las granjas para reducir la contaminación

amonio en un conjunto de reacciones de varios pasos. Sin embargo,

por nitrógeno de los desechos de los animales de granja y la

Candidatus Brocadia anammoxidans es capaz de degradar el

fertilización excesiva y para prevenir la contaminación de los

amonio en gas nitrógeno en un solo paso bajo condiciones

estanques, arroyos y lagos locales, que pueden causar la

anaeróbicas, un proceso llamado

proliferación de algas y la muerte de peces. Las trincheras se rellenan con astillas de

Machine Translated by Google 9.3 Sitios y estrategias de limpieza

253

FIGURA 9.14 Biorremediación ex situ e in situ del agua subterránea La Agua limpia, 9

oxígeno, nutrientes, y

2.47 10 biorreactor

12.45

de la situación

biorremediación

aclimatado

bacterias

Recuperación

sistema

Acuífero

Fertilizantes

fuga de gasolina en un suministro de agua subterránea se puede limpiar utilizando un sistema de superficie (ex situ) en combinación con la biorremediación in situ.

Tanque

y O2 Fugas de gasolina

En el sitio

biorremediación

Agua subterránea contaminada

agua subterránea

HERRAMIENTAS DEL OFICIO Los microcosmos brindan importantes beneficios

Los científicos de biorremediación están

identificados, los estudios en biorreactores o en pequeñas áreas

trabajando en formas innovadoras de biodegradar

aisladas de tierra o agua pueden ser cruciales para determinar si

diferentes compuestos químicos en una miríada

estos organismos limpiarán efectivamente la contaminación en

de condiciones ambientales.

entornos más grandes. Mediante la manipulación cuidadosa de las

La industria crea continuamente nuevos tipos de productos

condiciones ambientales en los microcosmos, los científicos pueden

químicos, y muchos de ellos inevitablemente llegarán al medio

probar la capacidad de los organismos para degradar diferentes

ambiente. Para estar un paso por delante de los nuevos contaminantes

contaminantes en diversas condiciones, incluidos diferentes niveles

ambientales, los investigadores de biorremediación deben continuar

de humedad, temperatura, nutrientes, oxígeno y pH y en diferentes

desarrollando nuevas estrategias de limpieza.

tipos de suelo. A menudo, los consorcios microbianos, comunidades

¿Cómo pueden los científicos estudiar la biorremediación de una nueva sustancia química que nunca llegó al medio ambiente?

menudo no pueden cultivarse individualmente, pueden utilizarse

de dos o más microorganismos diferentes cultivados juntos y que a

Obviamente, no pueden contaminar grandes áreas o esperar un

para probar la degradación de compuestos orgánicos grandes como

desastre a gran escala como el derrame de petróleo de Deepwater

los PCB. Por lo tanto, los experimentos de microcosmos permiten a

Horizon (discutido en la Sección 9.6) antes de probar sus teorías

los científicos probar qué combinaciones de organismos simbióticos

sobre cómo limpiar este nuevo químico. Uno de los enfoques más

son las más adecuadas para degradar contaminantes particulares.

prácticos para aprender sobre las nuevas estrategias de mediación biológica es crear un microcosmos, un entorno de prueba construido

A veces, los microcosmos pueden implicar probar microbios experimentales en aguas subterráneas contaminadas

artificialmente y diseñado para imitar las circunstancias ambientales de la vida real. Algunos microcosmos consisten en pequeños

o suelo contaminado que se coloca en el microcosmos para que

biorreactores, aproximadamente del tamaño de un balde de 5

se puedan monitorear las tasas de degradación y evaluar el tiempo

galones, que contienen suelo, agua, contaminantes y microbios para probar sus capacidades de biorremediación.

de limpieza. Los científicos también pueden realizar experimentos

Un microcosmos puede ser tan pequeño como unos pocos gramos

mismo tiempo.

de suelo en un tubo de ensayo o vial, pero con mayor frecuencia se

para estudiar la biorremediación de mezclas de contaminantes al En un intento de producir los mejores resultados de limpieza,

amplían para parecerse a entornos más grandes. Por ejemplo, se

los científicos analizarán los datos que han recopilado y

pueden usar como microcosmos estanques grandes, que pueden

diseñarán nuevos experimentos. Un enfoque de limpieza que demuestra el éxito en un microcosmos no es

estar en el interior o al aire libre, o parcelas de suelo preparadas para evitar el escape de contaminantes fuera de las instalaciones de

garantizado para tener éxito en el campo. Sin embargo, al probar

prueba. Mediante el diseño cuidadoso de microcosmos, los

enfoques de biorremediación en microcosmos, se puede ahorrar

investigadores de biorremediación pueden intentar simular, a pequeña

mucho tiempo y dinero antes de decidir si un enfoque de limpieza

escala, un sitio que necesita ser limpiado.

tiene alguna posibilidad de éxito en la limpieza de un ambiente

Cuando se hayan encontrado organismos autóctonos o modificados genéticamente con potencial de biorremediación.

contaminado en el campo.

Machine Translated by Google 254

Capítulo 9 Biorremediación

el fertilizante y luego el agua superficial se enruta a través de estas

electrones de bacterias

zanjas. Las bacterias utilizan el carbono de las astillas para aumentar la

son capturados por electrodos y

biomasa y degradar los nitratos del agua, liberando gas nitrógeno.

utilizados para producir

Biobatería

Voltaje

electricidad.

Agua Las bacterias anaerobias

9.4 Convertir desechos en energía

forman una biopelícula en

e2

el electrodo

Los vertederos de todo el mundo están sobrecargados hasta el límite, literalmente rebosantes de basura procedente de hogares y empresas. La mayor parte de nuestra basura doméstica consiste en restos de

Sedimento (El fondo del lago)

comida, cajas, desechos de papel, envases de cartón de alimentos y artículos similares. Una variedad de desechos químicos, como detergentes, líquidos de limpieza, pinturas, esmaltes de uñas y barnices, también terminan en la basura, a pesar de que la mayoría de los estados están tratando de reducir la cantidad de desechos químicos que se pueden desechar de manera regular. basura.

Las bacterias anaerobias que oxidan moléculas orgánicas en sedimentos transfieren electrones a moléculas aceptoras de electrones como el hierro y el azufre.

FIGURA 9.15 Los sedimentos contaminados pueden ser una fuente de energía sin explotar Los científicos han descubierto que las bacterias anaeróbicas en los sedimentos pueden ser una fuente de energía. Debido a que estas bacterias usan reacciones redox para degradar moléculas en

Los científicos están trabajando en estrategias para reducir los desechos, incluidos los biorreactores que contienen bacterias anaeróbicas que pueden convertir los desechos de alimentos y otra basura en

el sedimento, los electrones pueden ser capturados por electrodos, que pueden transferir electrones a generadores para generar electricidad.

nutrientes para el suelo y gas metano. El gas metano se puede usar para producir electricidad, y los nutrientes del suelo se pueden vender

electrones! Estas cepas pueden incluso utilizarse para generar

comercialmente como fertilizante para uso en granjas, viveros y otras

electricidad a partir del estiércol y de los alimentos domésticos comunes. desechos

industrias agrícolas. Los científicos también están trabajando en estrategias de siembra para vertederos, como la adición de microbios de

Desulfuromonas acetoxidans es una bacteria marina anaerobia que

biorremediación, para degradar los productos químicos, que a menudo

utiliza el hierro como aceptor de electrones para oxidar moléculas

se filtran a través del suelo y contaminan las aguas subterráneas y

orgánicas en los sedimentos. Los investigadores están explorando

superficiales locales. Si tienen éxito, estas aplicaciones de la biotecnología

formas en las que se pueden recolectar electrones de D. acetoxidans y otras bacterias como Geobacter metallireducens y Rhodoferax

pueden ayudar a reducir la cantidad de desechos y aumentar considerablemente el espacio utilizable en muchos vertederos. En 2016, un equipo de bioquímicos de la Universidad Estatal de

ferrireducens como una técnica para capturar energía en celdas de combustible microbianas, también llamadas biobaterías bacterianas,

Utah informó resultados prometedores utilizando la bacteria

que pueden proporcionar una fuente de electricidad en el laboratorio .

Rhodopseudomonas palustris para convertir el dióxido de carbono en

ambientes (Figura 9.15). Los Estados Unidos

metano en un solo paso a través de una sola enzima. Debido a que el

La Marina continúa financiando investigaciones en curso sobre microbios

dióxido de carbono es una molécula muy estable, no es fácil de degradar.

electrogénicos. Una aplicación de interés es si los microbios electrogénicos

Convertir las emisiones dañinas de dióxido de carbono de la quema de combustibles fósiles en combustibles valiosos es un hallazgo emocionante

para la instrumentación submarina.

debido a su potencial para ayudar a reducir los gases de efecto

en los sedimentos marinos podrían aprovecharse para generar energía En la naturaleza y en entornos de laboratorio, se ha demostrado

invernadero. Será muy interesante ver si esta investigación avanza hacia

que los microbios electrogénicos se organizan en biocables, por lo que

aplicaciones comerciales.

largas cadenas de microbios en contacto entre sí pueden pasar electrones

estudiando los sedimentos contaminados en los lodos de depuradora y

entre sí. Algunas de estas cadenas pueden actuar como osciladores electrónicos: producen pulsos periódicos de corrientes eléctricas (algunas

en el fondo de los océanos y lagos como fuente de energía sin explotar.

especies bioluminiscen sincronizadas con cada pulso), que utilizan para

Los científicos dedicados a la biorremediación también están

Los sedimentos de los lagos y océanos son ricos en materia orgánica

comunicarse entre sí cuando detectan sustancias químicas como el

procedente de la descomposición de materiales en descomposición,

arsénico o las moléculas que contienen hierro.

como hojas y organismos muertos. Dentro de este “moho” hay anaerobios que usan moléculas orgánicas en el sedimento para generar energía. El término electrígenos o microbios electrogénicos describe microbios

Aunque la tecnología de las biobaterías está mejorando en el laboratorio y

generadores de electricidad que tienen la capacidad de oxidar compuestos

esta técnica es claramente prometedora, es necesario realizar mucha más

orgánicos a dióxido de carbono y transferir electrones a los electrodos.

investigación antes de poder producir fuentes de energía altamente eficientes a partir de la biorremediación de bacterias electrogénicas (Figura 9.16).

Bajo ciertas condiciones, los electrígenos pueden agruparse e interconectarse para formar nanocables que conducen

Machine Translated by Google 9.5 Aplicación de cepas modificadas genéticamente para limpiar el medio ambiente

255

La mayoría de estas cepas podrían crecer en presencia de estos compuestos porque contenían plásmidos que codificaban genes para descomponer cada componente. Chakrabarty cruzó estas diferentes cepas y finalmente produjo una cepa que contenía varios plásmidos diferentes. Juntas, las proteínas combinadas producidas por estos plásmidos podrían degradar efectivamente muchos de los componentes químicos del petróleo crudo. Por su trabajo, Chakrabarty recibió la primera patente estadounidense para un organismo vivo GM. Sin embargo, esta decisión sobre la patente fue muy controvertida y estuvo retenida en los tribunales durante unos 10 años. Los temas principales que se debatían eran si las formas de vida podían patentarse y si la bacteria recombinante de Chakrabarty debía considerarse un producto de la naturaleza o una invención. Finalmente, la Corte Suprema de los EE. UU. dictaminó que el desarrollo de Pseudomonas recombinantes era una invención que merecía una patente.

El enfoque de Chakrabarty no fue tan efectivo como parece. El FIGURA 9.16 Celdas de combustible impulsadas por microbios

petróleo crudo contiene miles de compuestos, y su bacteria GM

Investigadores de la Universidad de Massachusetts han demostrado que las podría degradar solo algunos de estos. celdas de combustible Geobacter pueden convertir eficazmente los azúcares en electricidad.

La mayoría de las sustancias químicas del petróleo crudo no se ven afectadas en gran medida por los organismos recombinantes. En consecuencia, el desarrollo de bacterias transgénicas con diferentes

9.5 Aplicación de cepas modificadas genéticamente para limpiar el medio ambiente

propiedades degradantes es un área intensa de investigación. En el futuro, un enfoque útil para limpiar el petróleo crudo puede ser liberar múltiples cepas bacterianas, cada una con la capacidad de degradar diferentes compuestos en el petróleo. Hasta la fecha, las aplicaciones de campo de los microbios GM para

La biorremediación se ha basado tradicionalmente en la estimulación de microorganismos naturales. Sin embargo, muchos microbios autóctonos no pueden degradar ciertos tipos de productos químicos, especialmente cuando el ambiente contaminado contiene altas concentraciones de sustancias muy tóxicas, como metales pesados, compuestos radiactivos y moléculas orgánicas ricas en cloro, porque estos compuestos generalmente matan a los microbios. Para limpiar contaminantes particularmente tóxicos, es posible que necesitemos usar bacterias y plantas que hayan sido alteradas genéticamente. El desarrollo de tecnologías de ADN recombinante ha permitido a los científicos crear organismos genéticamente modificados (OGM) con el potencial de mejorar los procesos de biorremediación.

la biorremediación han sido bastante limitadas, en parte debido a los obstáculos regulatorios y las preocupaciones del público sobre la liberación de bacterias GM. Pero los microorganismos GM también suelen ser ineficaces en el medio ambiente porque los microbios autóctonos suelen superarlos.

Ingeniería de microbios para limpiar metales pesados Los metales pesados, incluidos el cobre, el plomo, el cadmio, el cromo y el mercurio, pueden dañar gravemente a los seres humanos y la vida silvestre. El mercurio es un metal extremadamente tóxico. Se utiliza en plantas de fabricación, baterías, interruptores eléctricos, instrumentos médicos y muchos otros productos. El mercurio y un

Bacterias que comen petróleo

compuesto relacionado llamado metilmercurio (MeHg) pueden

Los primeros microbios transgénicos efectivos para uso en

acumularse en los organismos a través de un proceso llamado bioacumulación. En la bioacumulación, los organismos que se

biorremediación fueron creados en la década de 1970 por Ananda

encuentran más arriba en la cadena alimenticia contienen

Chakrabarty y sus colegas de General Electric. Este trabajo se llevó

concentraciones más altas de sustancias químicas que los

a cabo antes de que las tecnologías de clonación de ADN y ADN

organismos que se encuentran más abajo en la cadena alimenticia.

recombinante estuvieran ampliamente disponibles. Entonces, ¿cómo Chakrabarty hizo esto? Trabajó con cepas de Pseudomonas de

Por ejemplo, en un suministro de agua, el mercurio puede ser

suelos contaminados con diferentes tipos de productos químicos,

pájaros, peces más grandes, nutrias, mapaches y otros animales,

ingerido por peces pequeños, que luego pueden ser comidos por

incluidos pesticidas y petróleo crudo. Chakrabarty identificó y aisló

incluidos los humanos. Los peces grandes y las aves necesitan

cepas que mostraban la capacidad de degradar compuestos

comer muchos peces pequeños; por lo tanto, acumulan más mercurio en sus sistemas que los peces pequeños y las aves que comen menos.

orgánicos como naftaleno, octano y xileno.

Machine Translated by Google 256

Capítulo 9 Biorremediación

De manera similar, si una persona comiera pescado grande como fuente principal de alimento, esa persona acumularía grandes cantidades de mercurio con el tiempo. El consumo regular de pescado y mariscos contaminados con mercurio y MeHg plantea graves amenazas para la salud de los seres humanos, incluidos defectos de nacimiento y daño cerebral. Por estas razones, en muchas áreas de los Estados Unidos, los funcionarios de salud sugieren que las mujeres embarazadas y los niños pequeños coman solo pequeñas cantidades de ciertos tipos de pescado, como el pez espada y el atún fresco, y restrinjan estas comidas a no más de una porción por día. semana. Debido a que es tóxico en dosis muy bajas, la mayoría de las estrategias existentes para eliminar el mercurio de los suministros de agua contaminada no eliminan lo suficiente para cumplir con los estándares aceptables. Los científicos han desarrollado cepas modificadas genéticamente de E. coli que pueden ser útiles para limpiar el mercurio y otros metales pesados. También se han identificado proteínas que se unen a metales de forma natural en plantas y otros organismos y pueden desempeñar un papel en la biorremediación del mercurio y otros metales pesados. Dos de los tipos de proteínas mejor caracterizados, las metalotioneínas y las fitoquelatinas, tienen una alta capacidad para unirse a los metales. Sin embargo, para que estas proteínas funcionen, los metales deben ingresar a las células. Los científicos han diseñado E. coli para que exprese proteínas de transporte que permitan la rápida absorción de mercurio en el citoplasma de la célula bacteriana, donde el mercurio puede unirse a las proteínas de unión a metales. Algunas de estas bacterias modificadas genéticamente pueden absorber mercurio directamente; otros que se unen al mercurio se pueden cultivar en biopelículas para actuar como esponjas para absorber el mercurio de un suministro de agua. Las biopelículas deben cambiarse periódicamente para eliminar las bacterias que contienen mercurio. Del mismo modo, las algas unicelulares modificadas genéticamente que contienen genes de metalotioneína y bacterias llamadas cianobacterias se han mostrado prometedoras por su capacidad para absorber cadmio, otro metal pesado muy tóxico conocido por causar muchos problemas de salud graves en los seres humanos.

Plantas Genéticamente Modificadas y Fitorremediación En los últimos años, los científicos han estado trabajando en la modificación genética de plantas para mejorar sus capacidades de fitorremediación. Actualmente, el uso de fitorremediación para limpiar MeHg es un área de investigación muy activa. Las plantas diseñadas para contener genes de bacterias que desintoxican el mercurio han mostrado cierto potencial para acumular MeHg y, eventualmente, pueden usarse para la fitorremediación. Otra área prometedora de investigación ha sido el desarrollo de plantas transgénicas para eliminar químicos de explosivos militares y campos de tiro de armas que

han contaminado el suelo y las aguas subterráneas. Hexahidro-1,3,4-trinitro-1,3,5-triazina (comúnmente llamado explosivo de demolición real o RDX) y 2,4,6-trinitro tolueno (TNT) son dos de los contaminantes químicos más comunes que resultan de la producción, uso y eliminación de explosivos. Tanto el RDX como el TNT son altamente tóxicos para la mayoría de los organismos y representan amenazas importantes para la salud de la vida silvestre y los humanos. Tenga en cuenta que el TNT fue uno de los principales productos químicos enumerados en la Tabla 9.1 y que la EPA enumera tanto el TNT como el RDX como productos químicos prioritarios para ser eliminados del medio

ambiente. Estos contaminantes son un problema de contaminación importante en to Increíblemente, cientos de toneladas de estos compuestos se encuentran en sitios de todo el mundo, incluidos muchos millones de acres de bases militares estadounidenses con costos de limpieza estimados de hasta $165 mil millones. Se ha demostrado que algunas bacterias y plantas degradan débilmente el TNT con baja eficiencia; la degradación de RDX es aún menos efectiva debido a su estructura química. En los últimos años, sin embargo, los científicos han utilizado la ingeniería genética para crear plantas transgénicas que pueden resultar muy eficaces para la fitorremediación de TNT y RDX. Una cepa transgénica de tabaco que contiene un gen de nitroreductasa de Enterobacter cloacae convierte efectivamente el TNT en sustancias químicas menos tóxicas (Figura 9.17). Los científicos han incorporado un gen llamado xplA de la bacteria Rhodococcus rhodo chrous en Arabidopsis thaliana. El gen xplA produce una enzima que degrada RDX llamada citocromo P450, que puede degradar RDX una vez que se absorbe en la planta.

Recientemente, investigadores de la Universidad de Washington y la Universidad de York crearon dos especies de gramíneas perennes transgénicas, el pasto varilla (Pani cum virgatum) y el pasto rastrero (Agrostis stolon ifera), para contener dos genes de bacterias que degradan RDX. En los experimentos de prueba, estos pastos transgénicos eliminaron todo el RDX de los suelos contaminados en menos de 2 semanas y no quedaron restos de RDX en las hojas ni en los tallos de los pastos después de la fitorremediación. En el futuro, también será posible fabricar plantas que puedan degradar tanto el TNT como el RDX. Además, dado que se ha secuenciado el genoma del álamo, los científicos de biorremediación que trabajan en plantas genéticamente modificadas están muy entusiasmados con la posibilidad de hacer álamos transgénicos y otros árboles de raíces profundas y de crecimiento rápido que pueden remediar TNT y RDX muy por debajo de la superficie del suelo.

Biosensores Durante años, la bacteria marina bioluminiscente denominada Vibrio fischeri (discutida también en el Capítulo 5) se ha utilizado como biosensores para detectar la presencia de sustancias químicas tóxicas en muestras ambientales. Por ejemplo,

Machine Translated by Google 9.6 Desastres ambientales: estudios de caso en biorremediación

CH3

O2N

O2N norte

NO2

NO2

norte

TNT

RDX

257

FIGURA 9.17 Fitorremediación de explosivos tóxicos usando plantas transgénicas Las plantas transgénicas diseñadas con el gen XplA o NR para degradar RDX o TNT, respectivamente, absorben los químicos explosivos a través de sus raíces y luego los degradan en compuestos menos tóxicos (aminodinitrotoluenos [ADNT] o 4nitro-2,4-diazabutanal [NDAB]) o compuestos no tóxicos (NH3, CO2). Plantas diseñadas genes utilizan los productos de degradación de RDX para estimular su crecimiento.

No.

NO2

NO2 Nitrógeno CH3

XPIA

NH 2

O2N

XpIA y NR enzimas

RDX y TNT

ADNT NO2 PEQUEÑA

HCHO

+ NH2CHO

2 NO2– + O2N CH2

DAR

CO2

2H2O NH3

NDAB

cuando se mezcla con muestras de sedimentos, la luz liberada por las bacterias disminuirá a medida que los químicos del sedimento maten las células bacterianas. Así, los científicos pueden medir la caída de la bioluminiscencia y determinar la concentración de sustancias químicas tóxicas en el sedimento. Pero ahora se está poniendo más énfasis en el desarrollo de organismos GM como biosensores. Los investigadores han desarrollado cepas modificadas genéticamente de la bacteria Pseudomonas fluorescens, que pueden degradar eficazmente estructuras complejas de carbono e hidrógeno denominadas hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y otras sustancias químicas tóxicas. Usando tecnología de ADN recombinante, los científicos han empalmado genes bacterianos que codifican enzimas específicas (que pueden metabolizar estos contaminantes) en genes informadores como los genes lux de bacterias marinas bioluminiscentes. Recuerde que los genes lux se utilizan a menudo como genes informadores porque codifican la enzima liberadora de luz luciferasa (véase el Capítulo 5). A medida que se degradan los PAH, las bacterias liberan luz que se puede utilizar para controlar las tasas de biodegradación. Se están utilizando técnicas similares para desarrollar biosensores a partir de bacterias recombinantes que contienen genes lux . Los biosensores han demostrado ser valiosos en la evaluación de contaminantes ambientales como los metales pesados. En el futuro, se espera que los microbios modificados genéticamente desempeñen un papel más importante como biosensores. En la siguiente sección, consideramos dos de los ejemplos de biorremediación en acción mejor estudiados y más publicitados.

9.6 Desastres ambientales: estudios de caso en biorremediación La mayoría de los enfoques de biorremediación involucran la limpieza de áreas contaminadas que son relativamente pequeñas, tal vez de varios cientos de acres. Sin embargo, se ha aprendido mucho sobre la efectividad de diferentes estrategias de biorremediación mediante el estudio de desastres ambientales a gran escala que han sido tratados mediante biorremediación.

El derrame de petróleo de Exxon Valdez El mundo depende en gran medida de los productos derivados del petróleo. Estos incluyen petróleo crudo, gas natural, varios gases licuados de refinería y productos de petróleo refinado como gasolina y combustible diesel. Los productos derivados del petróleo se utilizan no solo como combustible de gasolina y diésel para impulsar automóviles, sino también como base para cientos de productos cotidianos, incluidos plásticos, pinturas, cosméticos y detergentes. Según la Administración de Información de Energía de EE. UU., a partir de 2016, solo Estados Unidos usa más de 7900 millones de barriles (1 barril = 42 galones estadounidenses o ~159 litros) de productos derivados del petróleo anualmente, aproximadamente 19,6 millones de barriles por día, de los cuales Se importan más de 10,1 millones de barriles por día de unos 70 países diferentes.

Machine Translated by Google 258

Capítulo 9 Biorremediación

(a)

(b)

FIGURA 9.18 Los derrames de petróleo representan serias amenazas para el medio ambiente (a) Los derrames de petróleo suelen tener el mayor impacto en la vida silvestre. (b) Las barreras de contención se utilizan inicialmente para controlar la propagación del petróleo y minimizar la contaminación del área circundante.

¡La Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. informa que

grandes volúmenes de aceite. Estas medidas incluyeron el uso de barreras

aproximadamente 1.300 millones de litros de petróleo se liberan en los

de contención o skimmers (redes de superficie, cercas o dispositivos

mares del mundo anualmente! Cuando se transporta petróleo crudo, casi

inflables como boyas que flotan en la superficie) que se fijan en el lugar o

siempre ocurre cierta cantidad de fugas y derrames accidentales, lo que

se remolcan detrás de un bote para recolectar y contener el petróleo (Figura

representa aproximadamente el 12 por ciento del total. El consumo de

9.18b). Luego se usaron aspiradores para bombear el aceite desde la

petróleo y la liberación por parte de los barcos y las descargas desde tierra

superficie hacia los tanques de eliminación. Pero estos esfuerzos solo

representan alrededor del 37 por ciento, pero los volúmenes más grandes

recuperaron aproximadamente el 14 por ciento del petróleo. Las playas y

(46 por ciento) de petróleo ingresan a nuestros mares a través de la filtración

las rocas se lavaron con agua dulce a alta presión para dispersar el petróleo.

natural del fondo del océano.

Al diluir y disolver el petróleo en el mar, el petróleo se dispersó gradualmente. En algunas áreas, las rocas se limpiaron con vapor con agua caliente a alta

Los derrames de petróleo tienen un tremendo impacto en el medio ambiente, específicamente en una gran cantidad de vida silvestre (Figura

presión, pero esto probablemente mató a las poblaciones microbianas autóctonas y limitó inicialmente la biorremediación. Otra aplicación de

9.18a). Por lo general, los grandes derrames no tienen un gran efecto

limpieza biotecnológica usó productos a base de cítricos para unir el petróleo

directo en la vida humana. Esto se debe a que la mayoría de los derrames

crudo y permitir que se recolecte en almohadillas absorbentes. Pero después

grandes ocurren en océanos abiertos o bahías alejadas de las playas para nadar y los suministros de agua.

de usar todos estos enfoques físicos para eliminar la mayor parte del petróleo, millones de galones de petróleo aún permanecían adheridos a la

Los seres humanos a menudo se ven más afectados por pequeños derrames

arena, las rocas y la grava, tanto en la superficie como debajo de la

locales, como la fuga del tanque subterráneo de una estación de servicio

superficie de las costas contaminadas. Fue entonces cuando la

que puede amenazar los suministros locales de agua potable.

biorremediación comenzó a funcionar.

En 1989, el petrolero Exxon Valdez encalló en un arrecife en Prince William Sound frente a la costa de Alaska, liberando aproximadamente 42 millones de litros (11 millones de galones, o alrededor de 260 000 barriles) de petróleo crudo y contaminando más de 1,000 millas de la costa de

Como primer paso en el proceso de biorremediación, se aplicaron fertilizantes de nitrógeno y fósforo en la costa para estimular las bacterias

Alaska. . Se implementaron muchos enfoques experimentales para la

que degradan el petróleo, en su mayoría cepas de Pseudomonas, que

mediación biore para limpiar este derrame.

vivían en la arena y las rocas (Figura 9.19). Estas bacterias autóctonas

Prince William Sound se convirtió en un laboratorio de campo para probar

Cuando los microbios degradan los productos derivados del petróleo, se

inmediatamente mostraron signos de que estaban degradando el aceite. estrategias de limpieza de biorremediación. Como se hace con la mayoría de los derrames de petróleo

forman HAP y finalmente se oxidan en cadenas de carbono que se pueden descomponer en dióxido de carbono.

importantes, primero se utilizaron medidas de limpieza física para contener y eliminar

Machine Translated by Google 9.6 Desastres ambientales: estudios de caso en biorremediación

259

problemas. No hay olas que ayuden a dispersar y disolver el petróleo. Las condiciones secas del suelo del desierto también tienden a albergar menos cepas de microbios que metabolizan el petróleo, y la adhesión del petróleo a la arena y las rocas retarda los procesos naturales de degradación. Los estudios preliminares sugieren que nuevas cepas de bacterias que degradan el petróleo están trabajando lentamente para descomponer el petróleo debajo de la superficie de la arena. El gobierno de Kuwait desarrolló un programa de mil millones de dólares para abordar uno de los proyectos de biorremediación más grandes del mundo. No hay sitios previamente estudiados de este tamaño para usar como modelo para limpiar ambientes desérticos áridos, por lo que los científicos de biorremediación de todo el mundo están estudiando los desiertos de Kuwait con la esperanza de desarrollar estrategias para limpiar estas arenas empapadas de petróleo. La información que los científicos obtengan del estudio de esta región sin duda será valiosa para el tratamiento de derrames de petróleo en otros ambientes arenosos. Por ejemplo, se ha demostrado que varias docenas de cepas de bacterias que degradan el petróleo crudo (la mayoría pertenecen a un grupo llamado Corynebacterium variabile) aisladas de arena contaminada aumentan la biomasa y degradan eficientemente la mayoría del petróleo crudo en 1 semana FIGURA 9.19 Aplicación de fertilizantes para estimular los microbios que degradan el petróleo Trabajadores de limpieza rocían fertilizantes ricos en nitrógeno en una playa empapada de petróleo en Alaska después del derrame de petróleo del Exxon Valdez. Los fertilizantes aceleran en gran medida el crecimiento de bacterias autóctonas que degradarán el aceite.

y agua. Con el tiempo, las pruebas químicas en el petróleo del suelo

en condiciones de laboratorio. Además de estimular a estos microbios para mejorar la biorremediación in situ, también pueden ser valiosos para la biorremediación en otros sitios de limpieza con condiciones ambientales similares.

El derrame de petróleo de Deepwater Horizon

de la costa mostraron cambios significativos en la composición

El 20 de abril de 2010, la plataforma de perforación petrolera

química, lo que indica que la degradación natural por parte de las

Deepwater Horizon de British Petroleum (BP) explotó, liberando un

bacterias autóctonas estaba funcionando. Sin embargo, el petróleo se

géiser submarino de petróleo que duró 87 días, vertiendo millones de

filtró en los sedimentos y otras capas bajas en oxígeno debajo de las

galones de petróleo crudo en el Golfo de México a unos 65 kilómetros

rocas de la costa, donde la biodegradación es relativamente lenta.

de la costa. Costa de Luisiana (Figura 9.20a).

Pueden pasar cientos de años hasta que el petróleo derramado por

Aunque las estimaciones del flujo de petróleo variaron ampliamente,

el Exxon Valdez se elimine por completo, y es posible que algunas

se vertieron más de 600 millones de litros (al menos 5 millones de barriles) en el Golfo antes de que se tapara el pozo roto a mediados

áreas del medio ambiente de Alaska nunca vuelvan al estado en el que se encontraban antes del derrame.

de julio, lo que resultó en el derrame de petróleo marino más grande de la historia. Sin embargo, dado el tamaño del derrame, llegó a la

Campos petroleros de Kuwait

costa mucho menos petróleo del que muchos predijeron. El petróleo que no fue removido por los equipos de limpieza fue dispersado por

Los desiertos de Kuwait han servido como laboratorio para estudiar la

la acción de las olas y mediante el uso de dispersantes químicos que

biorremediación. Durante la ocupación iraquí de Kuwait y la Guerra

rompieron la mancha. Las quemas controladas y la evaporación del

del Golfo (agosto de 1990 a febrero de 1991), grandes áreas del

petróleo en la superficie de materiales volátiles como los PAH también

desierto de Kuwait permanecieron empapadas de petróleo.

contribuyeron a la limpieza del petróleo, pero la biorremediación

Innumerables campos petroleros fueron destruidos y quemados,

desempeñó un papel importante en la degradación de aproximadamente

liberando aproximadamente 950 millones de litros de petróleo en los

el 50 por ciento del petróleo liberado.

desiertos, más de 20 veces la cantidad de petróleo derramada en el accidente de Exxon Valdez . Científicos kuwaitíes descubrieron que

Oceanográfico Woods Hole en Massachusetts informaron que durante

Los estudios realizados por oceanógrafos del Instituto

el petróleo derramado ha afectado gravemente la vida vegetal y

los primeros 5 días del derrame, los microbios no habían degradado

animal en muchas áreas contaminadas. Algunas especies de plantas

significativamente el petróleo. Con el tiempo, se desarrolló una

han sido completamente eliminadas y los impactos biológicos a largo

columna submarina de petróleo de al menos 22 millas de largo. En

plazo no se conocerán hasta dentro de muchos años. En contraste con el derrame del Exxon Valdez , la biorremediación de los suelos del desierto plantea una serie de diferentes

cuestión de semanas, los microbios parecían estar acudiendo en masa al penacho, replicándose rápidamente, de modo que las bacterias eran dos veces más densas dentro del penacho que fuera del penacho.

Machine Translated by Google 260

Capítulo 9 Biorremediación

(b)

20 Micrómetro

(a) FIGURA 9.20 Los microbios jugaron un papel importante en la biorremediación del petróleo del derrame de petróleo de Deepwater Horizon en el Golfo de México (a) Aquí se muestra una ballena nadando a través de una columna de petróleo superficial en el Golfo. Los microbios autóctonos que eran muy abundantes en las columnas de petróleo superficiales y subterráneas que emanaban del derrame de Deepwater Horizon eran esenciales para la biorremediación. (b) Una gota de aceite magnificada 100 veces y metabolizando microbios (encerrados en un círculo).

(Figura 9.20b). La investigación sobre estos microbios autóctonos en el

¿De dónde vienen? Las bacterias que degradan el petróleo

penacho reveló más de 1500 genes que codifican proteínas diseñadas para

han existido durante eones, prosperando en el petróleo que se filtra

degradar hidrocarburos. Claramente, los microbios degradadores de

naturalmente a través del fondo del mar. Cada año, alrededor de 79 millones de litros de petróleo se filtran al suelo del Golfo de México

hidrocarburos estaban altamente enriquecidos en la pluma, y estos microbios estaban descomponiendo activamente el petróleo. También se determinó

a través de filtraciones naturales. Dentro de la columna de Deepwater

que los microbios degradaron unas 200.000 toneladas de metano que se

Horizon , los investigadores han detectado más de 900 subfamilias

vertieron en el Golfo de México durante el derrame. El etano y el propano

de bacterias, incluidas especies recién descubiertas. También es

también fueron los principales hidrocarburos liberados y estos también

probable que los dispersantes químicos utilizados para romper la

fueron degradados por microbios.

corriente de petróleo que brota del pozo roto hayan creado partículas microscópicas que aumentaron el área de superficie entre las gotas

Las aguas cálidas del Golfo y los componentes de la columna, como el gas natural, que contiene propano y etano, ayudaron a

de petróleo y el agua, lo que permitió un mayor contacto con las bacterias que degradan el petróleo. Sin embargo, otros estudios

estimular la biodegradación por parte de los microbios autóctonos.

informaron que los dispersantes probablemente suprimieron las

Se aplicaron fertilizantes como hierro, nitrógeno y fósforo en el sitio

bacterias que degradan los hidrocarburos y favorecieron a las

para estimular las tasas de biodegradación. Los gradientes en los

bacterias que degradan los dispersantes, lo que probablemente

niveles de oxígeno disuelto en el penacho también contribuyeron a

explica por qué las tasas de biorremediación del petróleo fueron más

las diferencias en las tasas de biodegradación a lo largo ya lo largo

bajas de lo esperado dada la densidad de microbios en la pluma.

del penacho. Las estimaciones han sugerido que estos microbios estaban reduciendo la cantidad de petróleo en la columna a la mitad casi cada 3 días.

Apoyado como parte de un compromiso de $500 millones de BP para financiar la investigación en el Golfo, muchos proyectos de genómica ecológica están en marcha. Los científicos están utilizando la secuenciación del genoma completo, el análisis de micromatrices y

Machine Translated by Google 9.7 Desafíos para la biorremediación

261

9.7 Desafíos para la biorremediación

análisis transcriptómico para estudiar cómo los genomas de diferentes organismos se están adaptando al estrés del derrame de petróleo. Un hallazgo importante es que la Como ha aprendido, la biotecnología es una herramienta biorremediación requería comunidades complejas de diferentes importante en nuestra lucha por rehabilitar áreas del medio microbios con diferentes capacidades de degradación. Estas ambiente que han sido contaminadas por accidentes, categorías de microbios prosperaron con varios componentes fabricación industrial y mala gestión de los ecosistemas. La químicos en este buffet de aceite. Algunos microbios degradaron biorremediación es una ciencia en rápida expansión. Científicos alcanos y otros metabolizaron hidrocarburos aromáticos. El de todo el mundo están llevando a cabo investigaciones impacto del petróleo que se trasladó a los humedales de destinadas a desarrollar una mayor comprensión de los Luisiana y los impactos a largo plazo en los ecosistemas microorganismos implicados en los procesos de biodegradación, marinos de la región del Golfo se evaluarán de cerca durante décadas. incluida la identificación de nuevos genes y proteínas implicados La sección final ofrece una idea de cómo las aplicaciones en estos procesos de degradación. Los investigadores están potenciales de la biorremediación pueden resolver problemas estudiando la genética microbiana para crear microbios modificados genétic de limpieza que han sido difíciles de tratar.

TÚ DECIDES

El dilema de PCB del río Hudson

Serpenteando por el norte del estado de New

muy controvertido, y la oposición al proyecto retrasó su

York, el valle del río Hudson

implementación durante muchos años.

comprende algunos de los países más bellos del noreste. Pero

Los críticos del plan sugirieron que el dragado solo liberaría

serios problemas acechan bajo las brillantes superficies del agua

más PCB en el agua al remover el sedimento. En lugar de dragar,

azul del Hudson. De 1947 a 1977, General Electric Company

muchos creían que dejar el sedimento en su lugar y dejar que las

arrojó al río más de 1,2 millones de libras de productos químicos

corrientes naturales dispersaran los productos químicos, combinado

tóxicos llamados bifenilos policlorados (PCB) desde instalaciones

con la biorremediación a través de la degradación bacteriana de los

en Hudson Falls y Fort Edward, Nueva York. Los PCB se usaban comúnmente en cajas de transformadores, capacitores y fluidos de

PCB, era la mejor manera de reducir la carga de PCB a largo plazo.

enfriamiento y aislamiento de equipos eléctricos fabricados antes de 1977. Los PCB ya no se usan en la fabricación en los Estados

Los anaerobios que degradan los PCB están presentes en los sedimentos del río Hudson. Algunas bacterias anaerobias están

Unidos y han sido prohibidos en la mayor parte del mundo.

involucradas en el primer paso de descomponer los PCB al separar los grupos de cloro e hidrógeno. Las bacterias aeróbicas en el agua

Los PCB son altamente tóxicos para los seres humanos y la vida silvestre porque estos químicos solubles en grasa se

pueden modificar aún más los PCB y otras pueden convertirlos en agua, dióxido de carbono y cloruro. Finalmente, en 2009, el proyecto avanzó.

acumulan gradualmente en los tejidos grasos. Los peces del río Hudson están contaminados con PCB en concentraciones que

Después de 6 años de dragado, se eliminaron casi 2,8 millones de

superan los niveles seguros. El consumo de pescado de la mayoría

que el proyecto estaba terminado en 2015. Incluso si el dragado

de las áreas del Hudson está prohibido o restringido, pero algunas

fuera un buen plan, ¿adónde fueron a parar los sedimentos

yardas cúbicas de sedimentos contaminados, y la EPA consideró

personas ignoran estas restricciones publicitadas porque el agua

dragados? ¿Cómo se limpiarán estos químicos?

se ve muy clara y los peces no se ven contaminados. Se sabe que

Algunas personas creen que colocar sedimentos cargados de PCB

la exposición a los PCB causa cáncer, problemas reproductivos y

en un relleno sanitario sellado, un ambiente completamente

otras afecciones médicas que afectan el sistema inmunitario y la

anaeróbico, ralentizará los procesos de degradación. ¿Deberían haberse dejado estos químicos en el lodo para que

glándula tiroides. Los niños son particularmente susceptibles a los efectos de los PCB en la salud. Altas concentraciones de PCB todavía acechan en el Hud río son y otros ambientes. En el río Hudson, la mayoría de

se descompusieran lentamente con el tiempo a través de la biorremediación natural, o deberían haber intervenido los humanos en un esfuerzo por acelerar el esfuerzo de limpieza de

los PCB se encuentran en el sedimento del fondo del río. Para

la naturaleza? La EPA estima que pasarán 70 años antes de que

deshacerse de estas sustancias químicas persistentes, la EPA

los niveles de PCB en el pescado disminuyan hasta el punto de que las personas puedan comer pescado del río sin peligro una

propuso un proyecto para dragar una sección del lecho del río de 200 millas de largo para eliminar los sedimentos contaminados, que contendrían más de 100,000 libras de PCB. Este plan de

vez a la semana. ¿Qué evidencia le gustaría evaluar para

dragado fue

¿Cuáles son los pros y los contras de actuar o no hacer nada? Tú decides.

determinar si el pescado es seguro para el consumo humano?

Machine Translated by Google 262

Capítulo 9 Biorremediación

pueden ser capaces de degradar nuevos tipos de productos químicos, y están desarrollando nuevos biosensores para detectar y controlar la contaminación. Aquí destacamos brevemente algunos otros desafíos para los que los científicos de biorremediación están tratando de encontrar soluciones.

Recuperación de metales valiosos La recuperación de metales valiosos como el cobre, el níquel, el boro y el oro es otra área de la biorremediación que aún no ha alcanzado todo su potencial. A través de reacciones de oxidación, muchos microbios pueden convertir productos metálicos en sustancias insolubles, llamadas óxidos u minerales metálicos, que se acumularán en las células bacterianas o se unirán a la superficie celular bacteriana. Algunas bacterias marinas que viven en los respiraderos hidrotermales de aguas profundas también han mostrado potencial para precipitar metales preciosos. El uso de bacterias como una forma de recuperar metales peligrosos como parte de los procesos de fabricación industrial es una aplicación potencial, pero los científicos están interesados en encontrar formas en las que estas bacterias puedan usarse para recuperar metales preciosos valiosos. Por ejemplo, muchos procesos de fabricación utilizan técnicas de enchapado en oro y plata; estos procesos producen soluciones de desecho con partículas suspendidas

FIGURA 9.21 Las bacterias Deinococcus radiodurans son altamente resistentes al daño por radiación

de plata y oro. Se pueden usar microbios para recuperar algunos de estos metales de estas soluciones de desecho. De manera similar, los microbios también se pueden usar para recolectar partículas de oro

tiene el mandato de publicar un inventario geográfico de sitios

de los suministros de agua subterránea y el agua de las cuevas que

contaminados por sustancias radiactivas cada 3 años y el último

se encuentra en las minas de oro. Muchas cepas bacterianas que

informe enumera 70 sitios contaminados. Los sitios de desechos

viven en estos ambientes se están estudiando activamente para

radiactivos a menudo tienen una mezcla compleja de elementos

posibles aplicaciones de recuperación de metales. Las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales

radiactivos como plutonio, cesio y uranio junto con mezclas de metales pesados y contaminantes orgánicos como el tolueno.

también son de interés para los científicos que intentan recuperar oro, y elementos raros como el paladio y el vanadio que se utilizan en

Aunque la mayoría de los materiales radiactivos matan a la mayoría de los microbios, algunas cepas de bacterias han demostrado

la electrónica. ¡Las estimaciones sugieren que los desechos de aguas

un potencial para degradar los productos químicos radiactivos. Algunas

metales valiosos de las aguas residuales, en particular platino, plata y

residuales de 1 millón de estadounidenses pueden contener hasta $

especies de Geobacter pueden reducir el uranio soluble en aguas

13 millones en metales! Las plantas también pueden proporcionar una

subterráneas a uranio insoluble, inmovilizando efectivamente la

forma de recolectar metales del medio ambiente. Se sabe que la

radiactividad. Sin embargo, hasta la fecha no se ha descubierto

mostaza silvestre Thlaspi goingingense, originaria de los Alpes

ninguna bacteria que pueda metabolizar por completo los elementos

austriacos, acumula metales en las vacuolas de almacenamiento.

radiactivos en productos inofensivos. Una cepa bacteriana en particular, llamada Deino coccus radiodurans (Figura 9.21), es especialmente fascinante. Su nombre

Biorremediación de Residuos Radiactivos Otra área de investigación activa implica el desarrollo de enfoques

significa literalmente "baya extraña que resiste la radiación". Nombrada la bacteria más resistente del mundo por el Libro Guinness de los

de biorremediación para eliminar materiales radiactivos del medio

Récords, la D. radiodurans se identificó y aisló por primera vez hace unos 50 años de una lata de carne molida que se había echado a

ambiente. El uranio, el plutonio y otros compuestos radiactivos se

perder, a pesar de que había sido esterilizada con radiación.

encuentran en el agua de las minas donde se procesa el uranio natural. Los desechos radiactivos de las centrales nucleares también

Posteriormente, los científicos descubrieron que D. radiodurans

presentan un problema de eliminación en todo el mundo. En Francia,

puede soportar dosis de radiación más de 3.000 veces más altas que

la Agencia Nacional de Gestión de Residuos Radiactivos (ANDRA)

otros organismos, incluidos los humanos. Altas dosis de radiación crean rupturas de doble cadena en

Machine Translated by Google 9.7 Desafíos para la biorremediación

263

estructura del ADN y causa mutaciones, sin embargo, D. radiodurans muestra una increíble resistencia a los efectos de la radiación. Aunque sus mecanismos de resistencia no se conocen por completo, este microbio claramente posee sistemas elaborados para plegar su genoma para minimizar el daño de la radiación, y también utiliza nuevos mecanismos de reparación de ADN para reemplazar las copias dañadas de su genoma. El genoma de D. radiodurans se ha secuenciado por completo y se espera que los análisis en curso de las funciones de los genes proporcionen información valiosa sobre sus genes únicos de reparación del ADN. El DOE está muy interesado en utilizar D. radiodurans y otra bacteria, Desulfovibrio desulfuricans, para la biorremediación de sitios radiactivos. Investigadores del DOE y de la Universidad de Minnesota crearon una cepa recombinante de este microbio al unir una D. radiodurans secuencia promotora del gen del gen que codifica la enzima tolueno

FIGURA 9.22 La contaminación por macroplásticos y microplásticos de los ambientes marinos en todo el mundo es una preocupación emergente y una oportunidad para la investigación en biorrem

dioxigenasa, que está implicada en el metabolismo del tolueno. Esta cepa demostró la capacidad de degradar el tolueno en un entorno de alta radiación. En un esfuerzo por inmovilizar los elementos radiactivos, los científicos esperan utilizar esta misma estrategia para

su camino hacia los océanos del mundo. Si esta tendencia continúa,

equipar a D. radiodurans

peces en el océano, una perspectiva muy triste.

con genes de otros microbios que se sabe que codifican proteínas de unión a metales.

los científicos estiman que para 2050 los plásticos superarán a los El Gran parche de basura del Pacífico, también llamado vórtice de basura del Pacífico, es una balsa oceánica de desechos plásticos

Finalmente, es importante que los científicos de la

descubierta a fines de la década de 1980. Las estimaciones de su

biodegradación miren continuamente hacia el futuro para que

tamaño varían ampliamente, desde 700 000 kilómetros cuadrados

puedan estar preparados para predecir cómo los nuevos productos

(270 000 millas cuadradas, aproximadamente el tamaño de Texas)

químicos pueden afectar el medio ambiente y así poder desarrollar

hasta varias veces más grande según cómo se mida y las corrientes

tecnologías para limpiar nuevos contaminantes. La biorremediación

predominantes. Es una combinación de basura grande y microplásticos

no podrá eliminar todos los contaminantes del medio ambiente, pero

suspendidos debajo de la superficie del océano. Existe un parche

los enfoques de biorremediación bien planificados son un componente

similar en el Océano Atlántico.

importante de los esfuerzos de limpieza. Concluimos este capítulo

Estos parches se encuentran en áreas muy alejadas de los países

presentando un problema significativo de limpieza que ha llamado

industrializados, lo que enfatiza que la contaminación local crea

mucho más la atención en los Estados Unidos e internacionalmente

problemas globales. Además, toneladas de plástico están apareciendo

en los últimos años.

en islas deshabitadas como la isla Henderson, un lugar remoto en el Pacífico Sur a más de 5000 km de la ciudad importante más cercana.

Degradación de macro y microplásticos en el medio ambiente

Los problemas son enormes. ¡Las estimaciones sugieren que más de 8 billones de microesferas ingresan a las vías fluviales de los

¿Qué tienen en común la pasta de dientes, la ropa, los detergentes

EE. UU. cada día! Algunos pueden eliminarse mediante plantas de

para la ropa, los exfoliantes faciales, las bolsas de plástico, los

tratamiento de aguas residuales. Hay varios cientos de miles de

neumáticos y las botellas de plástico? Todos contribuyen a la

toneladas de microplásticos en la superficie del océano de la Tierra. Se sabe que los productos químicos como los PCB, el DDT y los

contaminación significativa de los ambientes acuáticos en todo el mundo como fuentes de macroplásticos (desechos plásticos de más

PAH se adhieren a los plásticos marinos, lo que aumenta su toxicidad.

de 5 cm) y microplásticos (pequeñas partículas de plástico de un tamaño de entre 100 nm y 5 mm; consulte la Figura 9.22).

Los macro y microplásticos causan estragos en la vida marina. Bien documentados están los estudios de animales marinos muertos

Anualmente, la persona promedio usa 100 kg de plástico en Europa

con estómagos llenos de desechos plásticos. Las aves y las tortugas

occidental, 60 kg en Nueva Zelanda y 20 kg en Asia. Actualmente se

marinas pueden confundir las bolsas de plástico con medusas. Los

producen anualmente aproximadamente 300 millones de toneladas

investigadores estiman que aproximadamente el 90 por ciento de las

de plástico nuevo, de los cuales China es el mayor productor. Solo el

aves marinas tienen plástico en sus sistemas digestivos. Los

20 por ciento de esto se recolecta para reciclar, lo que resulta en una

filtradores, como las almejas, los mejillones y las ostras, pueden

pérdida económica global de más de $ 100 mil millones anuales. Pero

ingerir cantidades significativas de microplásticos, que interfieren con

quizás la estadística más preocupante es que cada año se fabrican

la digestión y actúan como disruptores endocrinos, entre muchos

cerca de 9 millones de toneladas de plástico.

otros efectos sobre la salud. Del mismo modo, los productos químicos asociados co

Machine Translated by Google 264

Capítulo 9 Biorremediación

Los microplásticos pueden bioacumularse en la cadena alimentaria a medida que las especies depredadoras consumen grandes cantidades de organismos pequeños y contaminados. Incluso se ha estimado que los humanos que comen mariscos regularmente pueden consumir hasta 11,000 partículas microplásticas cada año. A diferencia de los contaminantes orgánicos como el petróleo crudo, que puede biodegradarse, los plásticos son muy resistentes a la biorremediación. La fotodegradación, la descomposición de los plásticos debido a la exposición a la luz solar (ha observado fotodegradación si ha visto partes de un automóvil, como los parachoques o las cubiertas de los faros, que se desvanecen a medida que el automóvil envejece), desintegra los plásticos en partículas aún más pequeñas; no elimina el medio ambiente de los plásticos. Un problema es que los materiales de polímeros plásticos son grandes y no entran fácilmente en las células bacterianas. Por supuesto, librar al medio ambiente de macro y microplásticos

a través del suelo arenoso y contaminando el nivel freático. Diez años después, la contaminación llegó a una zona residencial. La excavación del suelo contaminado no fue práctica debido a la gran área involucrada, y la remoción del agua subterránea contaminada no eliminaría el problema. Los científicos del Servicio Geológico de EE. UU. (USGS) determinaron que los microbios autóctonos del suelo degradaban los compuestos tóxicos del combustible para aviones; también encontraron que agregar fertilizantes a estos microbios estimuló dramáticamente las tasas de biodegradación. Este sitio fue una de las primeras aplicaciones de campo de la biorremediación. Los científicos del USGS agregaron nutrientes al agua subterránea y, al mismo tiempo, eliminaron parte del agua subterránea contaminada. A principios de la década de 1990, la contaminación en el suministro de agua subterránea se redujo en un 75 por ciento y la biorremediación demostró su valor potencial como estrategia de limpieza eficaz.

mediante la reducción de su producción y el desarrollo de materiales biodegradables para reemplazar los plásticos tradicionales es una necesidad a largo plazo. Algunos fabricantes ya están tomando medidas para eliminar los microplásticos de los productos para el cuidado de la piel, como los exfoliantes, reemplazándolos con arena y partículas de

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES

concha. A partir del 1 de enero de 2020, California prohibirá la venta de productos de cuidado personal que contengan microplásticos. Tales medidas tardarán en tener un impacto en las nuevas fuentes de contaminación. Pero, ¿puede la biorremediación ayudar a abordar el problema de contaminación por macro y microplásticos que existe actualmente? El tereftalato de polietileno (PET) es un polímero presente en el plástico. Hasta 2016, no se conocía ningún organismo que degradara el PET. Luego, Shosuke Yoshida y sus colegas en Japón informaron sobre el aislamiento de una nueva bacteria, Ideonella sakaiensis, que degrada completamente el PET y lo usa como fuente de carbono. I. sakaiensis es una bacteria aeróbica Gram-negativa identificada mediante el análisis de varios cientos de muestras microbianas de un sitio de reciclaje de botellas de PET. I. sakaiensis sintetiza dos enzimas clave involucradas en el metabolismo de PET. La biorremediación de PET es un proceso lento.

Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

1. Describa tres ejemplos específicos de una aplicación de biorremediación. Incluya en su descripción los organismos que probablemente estén involucrados en el proceso y analice las posibles ventajas y desventajas de cada aplicación. 2. ¿Qué son los microbios autóctonos y por qué son importantes para la biorremediación? 3. Compare y contraste las reacciones de oxidación y reducción (reacciones redox), y explique por qué las reacciones redox son importantes para la biorremediación. 4. ¿Cuál es el propósito de agregar fertilizantes y oxígeno a un sitio contaminado que se está sometiendo a biorremediación?

En el laboratorio, pequeñas cantidades de PET tardan unas 6 semanas en biodegradarse. En España e Inglaterra, los investigadores están trabajando con larvas de la gran polilla de la cera (Galleria mellonella) que han mostrado

5. Demuestre que comprende el concepto de fitorremediación describiendo tres ventajas y tres desventajas de este enfoque de biorremediación.

potencial para consumir y degradar las compras que contienen PET. Investigaciones como los ejemplos mencionados aquí brindan optimismo de que futuras aplicaciones potenciales de la biotecnología abordarán la biorremediación de plásticos ambientales.

6. En este capítulo, aprendió acerca de los enfoques in situ y ex situ para la biorremediación. ¿Qué factores son importantes para determinar qué estrategia de limpieza podría ser más eficaz? 7. ¿Qué son los disruptores endocrinos, cuáles son sus fuentes, dónde están en el medio ambiente, cómo ingresan al medio

HACER UNA DIFERENCIA En Hanahan, Carolina del Sur, un suburbio de Charleston, se

ambiente y por qué los científicos están preocupados por los impactos en la salud de los disruptores endocrinos?

produjo una fuga de aproximadamente 80 000 galones de combustible para aviones a base de queroseno en 1975. A pesar 8. Supón que te enteras de que una gasolinera tiene una fuga tanques subterráneos de almacenamiento de gasolina. Una vez el de una serie de medidas de limpieza, no se pudo evitar que el derrame empapara

Machine Translated by Google Preguntas y actividades

Se cerró la gasolinera, se limpió el sitio mediante biorremediación. Como planificador de la ciudad, ¿recomendaría convertir este

265

15. A los científicos que monitoreaban la biorremediación en el derrame de petróleo de Deep Water Horizon en el Golfo de

sitio en un área de viviendas residenciales? Considere los

México les preocupaba que la degradación microbiana del

problemas potenciales asociados con este escenario.

petróleo pudiera conducir a zonas de hipoxia, lo que podría

resultar en muertes masivas de peces. ¿Por qué podría ser esto una preocupació 9. El plomo es muy tóxico y no se degrada fácilmente en el medio ambiente. Las tuberías de plomo, la pintura que contiene plomo, las baterías de automóviles e incluso las plomadas de pesca de plomo son fuentes potenciales de liberación de plomo al medio ambiente. Proponer una estrategia para identificar las bacterias que pueden desempeñar un papel en la degradación del plomo.

Como resultado, esto no parecía ser un problema importante. Proponga razones por las que estas predicciones pueden haber sido incorrectas. 16. El proceso Anammox ha sido un área muy activa en el campo del tratamiento de aguas residuales. Visite Google Académico (http:// scholar.google.com/) y realice una búsqueda utilizando la palabra clave anammox para encontrar publicaciones recientes en esta

10. Suponga que su ciudad estuviera interesada en construir una instalación de almacenamiento de desechos químicos en su

área. 17. A fines de 2010, se publicó un artículo muy publicitado

vecindario. Considere las “lecciones aprendidas” de fallas

publicado en línea en Science que describe un microbio

pasadas en el almacenamiento de desechos, el vertido, la

potencialmente sin precedentes que, según se informa, metaboliza

contaminación ambiental y las aplicaciones exitosas de

el arsénico e incorpora arsénico en su ADN. Muchos científicos

biorremediación, y luego desarrolle una lista de prioridades que

se han mostrado escépticos y muy críticos con este trabajo.

los funcionarios de la ciudad deben considerar antes de construir

Realice una búsqueda en Internet de artículos sobre los últimos

el sitio y las preguntas que deben abordarse si el sitio fuera para ser utilizado.

puntos de vista de este trabajo.

11. Acceda a algunos de los sitios web enumerados en el sitio web

18. En la Sección 9.7 presentamos el concepto de contaminación

complementario. Utilice estos sitios para buscar información

por macroplásticos y microplásticos de los ambientes

sobre los contaminantes más frecuentes que se encuentran en el

marinos y los problemas que presentan. Realice una búsqueda en Internet sobre la mancha de basura del Gran Pacífico y la

medio ambiente. Haga una lista de cinco contaminantes y describa dónde se encuentran, cómo ingresan al medio ambiente, sus

mancha de basura del Atlántico Norte para obtener más

efectos en la salud a corto y largo plazo (en humanos u otros

información sobre estas acumulaciones de desechos marinos y la última información científica disponible.

organismos), sus efectos ambientales y qué tipos de microbios pueden degradar estos contaminantes. .

19. ¿Cree que la biorremediación eventualmente será de valor para 12. Visite la División de Estadística de las Naciones Unidas

degradar los microplásticos ambientales? ¿Por qué o por qué

Página web de estadísticas ambientales (http://unstats.

no? Explique sus respuestas.

un.org/unsd/environment/interlinks.htm) y explore sus

Proponga una estrategia que usaría para tratar de

fuentes de datos internacionales y regionales relacionadas con la

desarrollar un enfoque de biorremediación para degradar

contaminación del aire, los gases de efecto invernadero (GEI) y los

microplásticos.

desechos para ver si puede encontrar información relevante sobre su país. 13. Visite el sitio Superfund de la EPA y busque

20. Para más información sobre la novela PET

microbio degradante I. sakaiensis, lea el artículo de Yoshida et al. enumerados en el sitio web complementario.

violaciones de limpieza ambiental reportadas en ciertos países en los Estados Unidos. ¿Quién fue responsable de estas violaciones? ¿Qué multas (si las hubo) se impusieron? ¿Qué esfuerzos se planean para remediar el sitio o los sitios?

14. En octubre de 2011, el buque portacontenedores Rena encalló en el arrecife Astrolabe en la costa de Tauranga, Nueva Zelanda. Se derramaron aproximadamente 1.700 toneladas de combustible búnker y 200 toneladas de combustible diesel marino. Realice una búsqueda en Internet para ver si puede encontrar información sobre la mediación biore en este sitio.

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

Machine Translated by Google 266

Capítulo 9 Biorremediación

Este estudio de caso se ha incluido para brindarle la oportunidad de familiarizarse con un ejemplo de investigación aplicable a este campo de estudio. Una vez que haya analizado los datos y respondido las preguntas, puede compararlas con las proporcionadas a su instructor con los materiales de texto.

CASO DE ESTUDIO

¿Convertir letrinas en faros? Preguntas Aplicaciones básicas de la biorremediación. Científicos de Entodo este el capítulo una muchos mundoproporcionamos siguen trabajando enintroducción aplicacionesa novedosas ciones no sólo para degradar los desechos, sino también para

Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com 1. ¿Cuál es la aplicación útil que describe este trabajo?

convertirlos en productos útiles. En 2016, un equipo de científicos españoles financiado por la Fundación Bill y Melinda Gates informó sobre un sistema de urinario prototipo que incorpora muchos elementos de los temas que discutimos en este capítulo. ¿Curioso? Para obtener más información, revise el enlace del informe de noticias

de Science Daily (https://www.sciencedaily.com/ releases/2016/07/160706092216.htm), que proporciona acceso gratuito al resumen de una publicación de Leropou los et al. (Environmental Science Water Research and Technology. 2016;2(2):336. doi:10.1039/C5EW00270B). También se puede acceder a la publicación completa de forma gratuita. A partir de este informe de noticias y del documento de Investigación y tecnología del agua de Ciencias ambientales, responda las siguientes preguntas.

2. ¿Cuál es el papel de los microbios en esta tecnología y por qué son importantes? 3. ¿Por qué se diseñaron los prototipos para estas pruebas de campo iniciales para uso exclusivo de hombres? 4. ¿Qué áreas del mundo serían ubicaciones probables para la implementación temprana de esta tecnología? Explique sus respuestas.

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CAPÍTULO DIEZ

Biotecnología Acuática Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿÿ Discutir objetivos, beneficios y prácticas importantes de la acuicultura y apreciar su impacto global. ÿÿ Discutir las controversias en torno a la acuicultura y describir sus limitaciones.

ÿÿ Comprender cómo los genes novedosos de especies acuáticas pueden ser beneficiosos para la industria biotecnológica. ÿÿ Proporcione ejemplos de especies acuáticas transgénicas y poliploides y sus usos, y

El salmón transgénico AquAdvantage® , el primer animal GM aprobado por la FDA para el consumo humano, sobreexpresa los genes de la hormona del crecimiento y pesa casi 10 veces más que el salmón no transgénico de edad similar. Aquí se muestra un salmón del Atlántico no transgénico frente a un salmón AquAdvantage de la misma edad.

comprenda cómo se crean estos organismos GM. ÿÿ Explicar por qué los científicos realizan activamente bioprospección de organismos acuáticos en todo el mundo. ÿÿ Proporcionar ejemplos de productos y aplicaciones médicas y no médicas de la biotecnología acuática.

ÿÿ Describa la biopelícula y explique

cómo los científicos buscan en los organismos marinos una forma natural de minimizar la biopelícula. ÿÿ Comprender cómo se pueden usar los organismos marinos para la biodetección y biorremediación de contaminantes ambientales.

267

Machine Translated by Google 268

Capítulo 10 Biotecnología acuática

que el agua cubre casi el 75 por ciento de la superficie terrestre, no debería sorprenderle que los ambientes acuáticos Dado

ser identificado. Se ha estimado que más del 80 por ciento de los organismos de la tierra viven en ecosistemas acuáticos.

son una rica fuente de bio

aplicaciones tecnológicas y posibles soluciones a una serie de problemas. Los organismos acuáticos existen en una variedad de condiciones extremas, como mares polares helados, presiones extraordinariamente altas a grandes profundidades, alta salinidad, temperaturas extremadamente altas y condiciones de poca luz. Como resultado, los organismos acuáticos han desarrollado un número fascinante de vías metabólicas, mecanismos reproductivos y adaptaciones sensoriales. Albergan una gran cantidad de información genética única y aplicaciones potenciales. En este capítulo, consideramos muchos aspectos fascinantes de la biotecnología acuática . mediante la exploración de cómo los organismos marinos y de agua dulce pueden utilizarse para aplicaciones biotecnológicas.

La necesidad obvia de utilizar la riqueza potencial de la mayor parte de la superficie terrestre combinada con el aumento de la población, las necesidades médicas humanas y las preocupaciones ambientales sobre nuestro planeta hacen de la ciencia acuática una frontera emergente para la investigación biotecnológica. En los Estados Unidos, menos de $50 millones se gastan anualmente en investigación y desarrollo en biotecnología acuática. En contraste, Japón gasta entre $ 900 millones y $ 1 mil millones al año. El éxito de los países asiáticos que han invertido en investigación científica básica sobre biotecnología acuática y el valor financiero de los productos resultantes han alentado a otros países a invertir cantidades significativas de tiempo y recursos en la acuicultura. En países como los Estados Unidos, se han identificado varias

PRONÓSTICO DEL FUTURO

prioridades de investigación para explorar las aparentemente infinitas posibilidades de utilizar organismos acuáticos. Estos incluyen lo

Hay muchas direcciones futuras potenciales emocionantes para la

siguiente:

biotecnología acuática. Entre las áreas más probables de progreso sustancial se encuentran los esfuerzos globales en bioprospección para

ÿÿ Aumentar el suministro mundial de alimentos

encontrar especies acuáticas no descubiertas previamente que puedan

ÿÿ Restaurar y proteger los ecosistemas marinos

tener valor comercial. Los ambientes acuáticos, como los océanos del

ÿÿ Identificar nuevos compuestos para el beneficio de la salud humana y los tratamientos médicos

mundo, son fuentes increíblemente ricas de diversidad biológica; para sobrevivir, muchos organismos marinos tienen que hacer frente a condiciones extremas de presión, temperatura, salinidad y otras condiciones ambientales. Por lo tanto, el potencial para encontrar nuevas proteínas y otros compuestos bioactivos de valor comercial es muy alto. Por ejemplo, más de 40 empresas están realizando bioprospecciones solo en el Ártico, con la esperanza de explotar nuevas propiedades de los organismos del Ártico en el hielo y en las aguas y suelos debajo del hielo.

ÿÿ Mejorar la seguridad y la calidad de los productos del mar

ÿÿ Descubrir y desarrollar nuevos productos con aplicaciones en la industria química ÿÿ Buscar nuevos enfoques para monitorear y tratar enfermedad

ÿÿ Aumentar el conocimiento de biología y geoquímica procesos cal en los océanos del mundo

La acuicultura, en particular las prácticas que involucran especies genéticamente modificadas (GM), continuarán siendo un área de rápido

Desde la piscicultura hasta el aislamiento de nuevos productos

desarrollo de la biotecnología acuática a medida que los países se

médicos de organismos marinos, estos aspectos de la biotecnología

esfuerzan por proporcionar fuentes de alimentos ricas en proteínas para

acuática se encuentran entre la gama de temas que consideramos en

sus poblaciones, incluidas las áreas del mundo donde las especies de

este capítulo. La siguiente sección trata sobre la acuicultura, una gran

peces y mariscos son inexistentes o sobreexplotado

aplicación de la biotecnología acuática que se está expandiendo rápidamente.

10.1 Introducción a los Acuáticos

Biotecnología Los océanos han sido una fuente de alimentos y recursos naturales

10.2 Acuicultura: aumento del suministro mundial de alimentos a través de la biotecnología

durante milenios. Sin embargo, el crecimiento de la población humana, la sobreexplotación de peces y otras especies marinas y el deterioro de las condiciones ambientales han provocado el colapso de varias

Dos pescadores se esfuerzan por izar una red rebosante de bagres que tienen el tamaño y la salud ideales para el consumo humano. Cada

pesquerías en todo el mundo, lo que ejerce presión sobre muchas

pez en la red es un guardián. Cuando se preparan para el mercado,

especies y agota los recursos oceánicos. Aunque los científicos han

estos bagres tendrán una consistencia, olor, color y sabor muy

aprendido mucho sobre la biología de los océanos, la gran mayoría de

deseados. Este escenario no tiene lugar en un muelle de pesca ni en

los organismos marinos, en particular los microorganismos, aún tienen

un barco de pesca comercial, sino que describe a los piscicultores

que

Machine Translated by Google 10.2 Acuicultura: aumento del suministro mundial de alimentos a través de la biotecnología

269

continúa aumentando y las capturas silvestres continúan disminuyendo, veremos un déficit de pescado y mariscos consumibles. Por lo tanto, se espera que la demanda mundial de productos acuícolas crezca al menos un 70 por ciento durante los próximos 30 años. La acuicultura, junto con mejores prácticas de manejo de recursos, puede, en parte, ayudar a superar este problema. La producción acuícola mundial en el año 2000 fue de aproximadamente 33 millones de toneladas métricas, habiéndose más que duplicado desde 1984. En 2016, la pesca mundial total produjo más de 171 millones de toneladas métricas al año, que incluye 80,03 millones de toneladas de la acuicultura y 90,91 millones de toneladas de fuentes naturales. . De esto, el 88 por FIGURA 10.1 Una red llena de bagre criado en piscifactoría listo para el mercado La acuicultura es una forma eficaz de criar grandes cantidades de pescado o mariscos que están listos para el consumo en el mercado en un tiempo relativamente corto. Aquí se muestran bagres de tamaño comercial, denominados 103 por el Departamento de Agricultura de EE. UU., que crecen significativamente más rápido que otros bagres.

limpieza de redes de un tanque de cría de peces (Figura 10.1). El cultivo de animales acuáticos, como peces y mariscos, y plantas acuáticas con fines recreativos o comerciales se conoce como acuicultura. Específicamente, la acuicultura marina se denomina maricultura. Aunque la acuicultura puede considerarse una forma de biotecnología agrícola, generalmente se considera una forma de biotecnología acuática. En esta sección, discutimos principalmente el cultivo de especies marinas y de agua dulce de peces y mariscos.

La economía de la acuicultura Se prevé que la población mundial de 7500 millones de personas en 2017 aumente a 9700 millones en 2050. Además, las personas con niveles de vida más altos tienden a comer más carne y mariscos. El pescado es una fuente crítica de proteínas y micronutrientes como vitaminas, hierro, zinc y ácidos grasos omega-3. En muchos países en desarrollo, poblaciones enteras dependen en gran medida del pescado y son extremadamente vulnerables a la desnutrición si no se puede satisfacer la demanda de alimentos. Se ha estimado que, en un futuro próximo, la demanda mundial de pescados y mariscos de todo tipo superará lo que las poblaciones silvestres pueden proporcionar en aproximadamente 50 a 80 millones de toneladas. El calentamiento global, la sobreexplotación, la pérdida de hábitat y la depresión de las industrias pesqueras comerciales están contribuyendo a la disminución de la producción de pescados y mariscos silvestres. Según el Informe sobre el estado mundial de la pesca y la acuicultura de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) de 2016, más de la mitad de

ciento se utilizó directamente para el consumo humano, lo que resultó en un consumo per cápita de 20,3 kg. Para todas las especies, peces y mariscos, la producción a partir de métodos de pesca comerciales convencionales fue de alrededor de 93 millones de toneladas métricas por año, su nivel máximo desde mediados de la década de 1990, y para la acuicultura de aproximadamente 74 millones de toneladas métricas por año. La producción acuícola (en millones de toneladas métricas) consistió en peces (54,1), moluscos (17,1), crustáceos (7,9) y otros animales acuáticos, incluidas las ranas (9,3). Algunas fuentes estiman que la acuicultura ha superado a la ganadería en cuanto al volumen de alimentos producidos. Muchos países participan activamente en la acuicultura. En 2014, el pescado de piscifactoría para consumo humano superó al pescado capturado en la naturaleza en al menos 35 países. China, donde la acuicultura se ha practicado durante miles de años, es el mayor productor individual y representa más del 60 por ciento de la producción acuícola mundial. Los chinos comen un 50 por ciento más de pescado que los estadounidenses, y el consumo total es mayor que el de los siguientes 10 países más grandes combinados. Como consecuencia de esta demanda, China genera anualmente más de 60 millones de toneladas métricas de piscifactorías silvestres. Entre los 15 principales productores, China es seguida por Indonesia, India, Vietnam, Filipinas, Bangladesh, República de Corea, Noruega, Chile, Egipto, Japón, Myanmar, Tailandia, Brasil y Malasia. Debido a la ubicación, el clima y otros factores, los diferentes países a menudo lideran áreas particulares de la acuicultura. Por ejemplo, Grecia es uno de los principales productores de lubina de cultivo en el mundo, con una producción superior a las 100 000 toneladas anuales, lo que representa más del 90 % de la producción acuícola en Europa. Noruega es un productor líder de salmón, al igual que Canadá. El rápido crecimiento y el éxito de los ingresos de la industria de la acuicultura en países pequeños como Chile hace que muchos países se pregunten: "Si Chile puede hacerlo, ¿por qué nosotros no?" Como resultado, los mercados en expansión están en marcha en Argelia, Ecuador, Argentina, Escocia, Islandia, las Islas Feroe, Irlanda, Nueva Zelanda, Colombia, Perú y muchas otras naciones.

La acuicultura en los Estados Unidos es una industria que todas las poblaciones de peces se han considerado plenamente produce más de 600 millonesSide de alimentos explotadas y aproximadamente otro 30 % se considera sobreexplotadas, agotadas, o recuperándose. la libras demanda

Machine Translated by Google 270

Capítulo 10 Biotecnología acuática

valorado en más de 1.200 millones de dólares anuales. Sin embargo,

Muchos de los países que participan más activamente en el

Estados Unidos proporciona solo alrededor del 5 por ciento del

desarrollo de industrias acuícolas lo están haciendo porque las

suministro mundial de productos del mar. La producción acuícola de

aguas locales han sido sobreexplotadas hasta el punto de que las poblaciones naturales de peces y mariscos se han reducido

EE. UU. se ha más que duplicado en los últimos 10 años y produce espera que este aumento continúe, y se están produciendo aumentos

gravemente. A través de la acuicultura, se pueden crear mercados en áreas donde se han perdido los recursos naturales. La acuicultura

similares en la acuicultura a nivel mundial.

también brinda el beneficio de crear industrias pesqueras en áreas

más de 100 especies diferentes de plantas y animales acuáticos. Se

Por ejemplo, más de la mitad del salmón que se vende en todo el

del mundo que, debido a su ubicación geográfica, normalmente no

mundo es producido por la acuicultura, con un aumento de casi 50 veces en la producción de salmón de piscifactoría en las últimas dos

son conocidas por sus pesquerías. Por ejemplo, se ha desarrollado una exitosa industria piscícola en los desiertos de Arizona, donde el

décadas.

agua reciclada de la acuicultura también se utiliza para regar los

La acuicultura en los Estados Unidos se convirtió en una

campos de cultivo. Incluso se crían peces en acequias. Esfuerzos

industria importante en la década de 1950, cuando se estableció la

similares tienen éxito en áreas de Australia y muchos otros lugares

cría de bagre en el sureste; hoy en día, las instalaciones de

del mundo.

acuicultura se encuentran en todos los estados. Algunos de los ejemplos más exitosos del potencial comercial de la acuicultura de EE. UU. incluyen la industria del bagre en Alabama y el delta del Mississippi, el cultivo de salmón en Maine y Washington (~75 por

En teoría, el aumento de la productividad en la cría de peces debería dar lugar a una disminución de los precios de venta al

ciento del salmón que comen los estadounidenses es de piscifactoría),

público para los consumidores. En cierto modo, la piscicultura es

el cultivo de trucha en Idaho y Virginia Occidental, y cultivo de

más económica que la cría de animales o la pesca comercial. Por

cangrejos en Luisiana. De manera similar, Florida, Massachu setts y otros estados han establecido exitosas granjas de mariscos que han

ejemplo, se necesitan aproximadamente 7 libras de grano para criar 1 libra de carne de res, pero se necesitan menos de 2 libras de

brindado beneficios a los pescadores comerciales en apuros. Cape

harina de pescado para criar aproximadamente 1 libra de la mayoría de los pescados.

Cod, que alberga aproximadamente el 75 por ciento de la industria

Como otro ejemplo, el bagre de criadero crece casi un 20 % más

acuícola de Massachusetts, ha criado con éxito una serie de

rápido en las piscifactorías que el bagre en la naturaleza, y está listo

diferentes especies de mariscos, incluidos los quahogs, las almejas

para la venta en el mercado en aproximadamente 2 años. Para las

de caparazón blando, los mejillones azules y las ostras.

especies de peces que se alimentan con piensos modificados genéticamente a alrededor de 10 centavos la libra, el rendimiento es

HERRAMIENTAS DEL OFICIO Muestreo de ADN ambiental (eDNA)

En otras "Herramientas del oficio" destacamos

prácticas de gestión ambiental. Por ejemplo, si el eDNA indica

técnicas bien establecidas que han sido

cambios en la biodiversidad (por ejemplo, la ausencia de poblaciones

importantes en biotecnología.

previamente abundantes para una especie de pez en particular según

Pero en este ejemplo, presentamos el muestreo de eDNA como un enfoque emergente pero en gran medida

los datos de ADN), especialmente cuando estos cambios se confirman con estudios de población, puede ayudar a los legisladores a implementar

no probado. El muestreo de eDNA es un enfoque de monitoreo

las leyes ambientales en consecuencia. . La detección de especies

ambiental para secuenciar y analizar el ADN de especies acuáticas que

invasoras (no autóctonas) es otra aplicación potencial.

están presentes en el agua. A medida que los organismos acuáticos arrojan células, estas células contienen ADN que se puede secuenciar. Del mismo modo, las fuentes

Se deben responder muchas preguntas si se quiere que eDNA sea aceptado como una herramienta confiable y bien validada. Por

de eDNA también incluyen heces, tejidos dañados y organismos

ejemplo, ¿cómo se relaciona la presencia de eDNA en una muestra

moribundos.

de agua con el número de organismos (población) de cualquier especie

A partir de una muestra de agua, los científicos pueden aprovechar la tecnología moderna de secuenciación de ADN para secuenciar todo

en la naturaleza? ¿Qué tan lejos puede viajar el eDNA desde su fuente y qué desafíos presenta esto para comprender la biodiversidad de las

el ADN de la muestra y luego usar la bioinformática para crear una

especies residentes frente a las transitorias? ¿Qué tan sensible y

encuesta de comunidades biológicas basada en la presencia o ausencia

confiable es el eDNA para determinar con precisión las especies

de ADN de diferentes organismos en el agua. Por lo tanto, eDNA tiene

presentes en un cuerpo de agua? ¿Cuánto tiempo persiste el eDNA en

el potencial de ser una herramienta valiosa para comprender y monitorear

diferentes entornos? El pensamiento actual es que el eDNA con calidad

la biodiversidad en ambientes acuáticos. Esto eventualmente puede

de secuencia solo dura unos pocos días.

ayudar a mejorar

Machine Translated by Google 10.2 Acuicultura: aumento del suministro mundial de alimentos a través de la biotecnología

271

a menudo de 70 a 80 centavos la libra de pescado criado, un buen retorno de la inversión. Pero como aprenderá en este capítulo, la economía de la

TABLA 10.1 Organismos Acuícolas Importantes

acuicultura no siempre es tan favorable. Organismos de agua dulce* Organismos marinos*

Aunque continuará el aumento mundial de la acuicultura, es poco probable que la piscicultura pueda reemplazar por completo las capturas

Bagre Cangrejo de río

silvestres en un futuro cercano. Una de las razones es que muchas

ostras Almejas (de cáscara dura y blanda)

especies no son aptas para la piscicultura. Debido a que las especies de aguas abiertas, como el atún y el pez espada, deambulan por grandes extensiones de agua y requieren mucha

Trucha salmón atlántico

comida, no se pueden criar en piscifactorías. Discutimos otras barreras para la acuicultura más adelante en este capítulo. El propósito de presentar

camarones marinos Peces planos (rodaballo, platija)

Salmón del Pacífico

Lubina

insomnio, sino ayudarlo a desarrollar una perspectiva sobre el valor actual

Pescado de carnada

Mejillones

y la importancia de la acuicultura y su potencial futuro.

(pececillos de cabeza

las estadísticas en esta sección no es brindarle un remedio para el

Abulón

gorda, carpitas doradas, salmonetes, sardinas)

tilapia

Quahogs

Lobina rayada híbrida

Prácticas de piscicultura En muchos sentidos, la acuicultura es una extensión de las técnicas

Esturión Carpa (plata, hierba)

agrícolas convencionales en tierra que se han practicado durante décadas. Pero cultivar organismos para el consumo humano es solo uno de los propósitos de la acuicultura. Los organismos se crían por muchas otras

cola amarilla Brema

razones, como proporcionar peces de cebo para la pesca comercial y Pez de colores

recreativa. Los peces pequeños, como las anchoas, los arenques y las sardinas, se recolectan para hacer harina y aceites de pescado que se utilizan en la alimentación animal para aves, ganado, cerdos y otros peces. Entre las muchas aplicaciones de la acuicultura se encuentran el cultivo de perlas, el cultivo de especies para aislar agentes farmacéuticos, la cría de peces ornamentales, incluidos peces dorados y peces tropicales raros, y la

*Las especies se clasifican aproximadamente según la producción total en toneladas métricas de mayor a menor cantidad. La producción de organismos de agua dulce excede la de los organismos de agua salada; por lo tanto, el listado de especies en la misma fila no indica igual producción.

reproducción de peces para almacenar áreas recreativas.

se han cultivado de forma limitada, pero aún no están ampliamente Por ejemplo, en Nueva Jersey, los biólogos pesqueros crían truchas criadas en criaderos para crear una pesquería de truchas de "poner y

disponibles comercialmente. Las prácticas de acuicultura varían ampliamente, dependiendo de

tomar". Cada primavera, el estado almacena más de 600 000 truchas

factores tales como las especies que se cultivan, los ciclos de vida de las

arcoíris en arroyos, ríos, estanques y lagos en todo el estado. Muchos

especies, los requisitos ambientales para el crecimiento y el tiempo

arroyos y ríos no sustentan a las truchas durante todo el año porque se

necesario para alcanzar la madurez para la venta en el mercado. La figura

calientan demasiado en el verano o porque la calidad del agua es mala

10.2 proporciona una descripción general de la piscicultura. Para peces

para las truchas. Pero a través del almacenamiento (“poner”), se alienta a

como el salmón y la trucha, los huevos (huevas) y la esperma (esperma)

los pescadores a quedarse con lo que capturan (“tomar”) para el precio de

se recolectan manualmente de las poblaciones reproductoras de peces

la mesa. Muchos otros estados tienen programas de almacenamiento

adultos. En un intento por controlar la calidad y la salud de los peces

similares para una serie de especies de aguas cálidas y frías, incluidos

producidos, los progenitores utilizados para las poblaciones de reproductores

panfish, bass, bagre, muskellunge y bass rayado híbrido, el último de los

suelen ser peces que muestran las características de crecimiento y la

cuales se creó mediante la cría de bass blanco de agua dulce y bass

apariencia física deseadas. La tasa de crecimiento de los peces, la salud,

rayado de agua salada. Dichos programas también brindan oportunidades

la calidad y el color de la carne se encuentran entre las muchas

de pesca con caña a las personas que viven en áreas urbanas con

características consideradas en la selección de peces reproductores.

relativamente poco acceso a la pesca rural. Los huevos se fertilizan en pequeños tanques o recipientes y los embriones eclosionados, llamados alevines, finalmente se transfieren a Como se muestra en la Tabla 10.1, se han cultivado con éxito una

tanques de acuario más grandes con agua corriente. La mayor parte de

variedad de peces y organismos marinos. En muchos países, esta lista se

este cultivo ocurre inicialmente en interiores en un "vivero".

ampliará pronto. Por ejemplo, especies marinas como langostas y cangrejos

Los peces generalmente abandonan la guardería cuando alcanzan el tamaño de un alevín (varias pulgadas de largo, aproximadamente el largo de un

Machine Translated by Google 272

Capítulo 10 Biotecnología acuática

pez reproductor Masculino

Femenino

1) Los óvulos y los espermatozoides se recolectan de adultos.

2) Los huevos fertilizados se desarrollan para formar embriones (alevines), que son criados en interiores en tanques hasta que alcancen tamaño de alevines (3"–6"). 4) Los peces criados crecen hasta el tamaño 3) Los alevines generalmente se

deseado para el mercado, lo que puede

transfieren al aire libre a canales y

incluir el suministro de una fuente de alimento,

estanques.

repoblación para reponer las poblaciones nativas y

Algunas especies, como el bagre, se

repoblación para el disfrute recreativo.

cultivan hasta la madurez en estanques. Las especies como el salmón

alcantarillas

generalmente se transfieren a corrales o jaulas de red para alcanzar el tamaño final para la venta en el mercado. estanques

FIGURA 10.2 Descripción general de la piscicultura

dedo humano). Los alevines, a veces llamados smolts, generalmente

a menudo utilizan sistemas de estantes o jaulas que están

se trasladan a tanques de concreto llamados raceways,

"sembrados" con una gran cantidad de pequeños mariscos inmaduros

que pueden ser interiores o exteriores (Figura 10.3). Los caminos

criados en viveros, como ostras o almejas, que se adhieren a los estantes.

de carrera a menudo se diseñan como una serie de tanques interconectados que permiten el flujo continuo de agua a través de

Luego se colocan rejillas en ambientes estuarinos para permitir que

los tanques. Esto es particularmente importante para especies como

natural. Por lo general, estos estantes permiten una producción

los mariscos crezcan hasta la madurez en un ambiente marino

el salmón y la trucha, que están acostumbrados a luchar contra la

mucho mayor de mariscos que los hábitats naturales. Los acuicultores

corriente para sobrevivir en arroyos y ríos. Al imitar las condiciones

modifican constantemente las técnicas de cultivo en un esfuerzo por

ambientales, los acuicultores intentan permitir que estas especies

aumentar el rendimiento de una especie en un área determinada y

desarrollen características físicas similares a las de los peces silvestres, como el desarrollo de la musculatura y los instintos de

minimizar la relación entre gastos y ganancias.

supervivencia. Algunas especies de peces se crían en raceways hasta que alcanzan el tamaño de mercado, o se pueden transferir a pequeños

El cultivo de salmón es un excelente ejemplo del proceso de crianza de peces. Los óvulos y el esperma ordeñados de adultos criados para crecer rápidamente se usan para la fertilización, y los

estanques poco profundos para que sigan creciendo antes de ser

embriones resultantes se crían durante 12 a 18 meses en tanques

cosechados. Para ciertas especies, incluido el salmón, después de

hasta que alcanzan la etapa de alevines.

que alcanzan un tamaño modesto, pueden criarse hasta la madurez

Los alevines generalmente se transfieren a corrales cerrados con

en rediles, jaulas y otros recintos que se colocan en lagos, estanques

malla ubicados en océanos o bahías cerca de la costa.

o estuarios. Criadores de mariscos

A lo largo de este proceso, la dieta del salmón a menudo consiste

Machine Translated by Google 10.2 Acuicultura: aumento del suministro mundial de alimentos a través de la biotecnología

(a)

(C)

(b)

(d)

273

FIGURA 10.3 Canales, estanques, corrales de red y rejillas para ostras Se utiliza una amplia variedad de enfoques para el cultivo de peces y mariscos, incluidos (a) canales, (b) estanques, (c) corrales de red para criar salmón y (d) bastidores sistemas para ostras y otros mariscos. Muchos de estos enfoques a menudo se usan en secuencia a medida que los peces crecen desde pequeños alevines hasta el tamaño del mercado.

de pellets elaborados con arenques triturados, anchoas, aceite de proporciona un uso importante de las minas abandonadas que, de pescado y subproductos animales y avícolas (hueso, exceso de lo contrario, normalmente no servirían para nada. carne). La comida también puede contener antibióticos, así como Algunas empresas han experimentado con el policultivo, colorantes aditivos para hacer que la carne del salmón sea rosada, también llamado acuicultura integrada , es decir, criar más de una y los peces pueden colocarse en baños de pesticidas para eliminar especie en el mismo ambiente controlado. La crianza de especies que tienen diferentes requerimientos de nutrientes y hábitos de los piojos de mar y otros parásitos. A lo largo del proceso de alimentación es una forma de optimizar los recursos hídricos. El cultivo, los acuicultores pueden cambiar el sabor de las especies criadas en granja al experimentar con fuentes de alimentos como policultivo puede implicar el cocultivo de diferentes especies de alimentos a base de vegetales versus alimentos derivados de peces, es decir, peces y mariscos criados juntos, así como el policultivo de animales y plantas. Por ejemplo, criar carpas en productos pesqueros. En última instancia, el pescado sin presencia de plantas como la lechuga es un enfoque eficaz. imperfecciones del tamaño adecuado se envasa para la venta en el mercado.

Innovaciones en piscicultura

Las raíces de la lechuga absorben los nutrientes y los productos

Se están desarrollando muchos enfoques innovadores para criar peces. Por ejemplo, en West Virginia, los biólogos pesqueros están aprovechando la abundancia de minas de carbón abandonadas. El agua subterránea fresca de la montaña y el agua

de desecho de los peces (como el nitrógeno) del agua y los utilizan como fertilizante para apoyar el crecimiento de la lechuga. Al minimizar el costo de la filtración artificial y la eliminación de desechos, el policultivo limita la cantidad de efluentes de aguas residuales que se descargan en el entorno circundante. Otro enfoque de la acuicultura implica el uso de sistemas hidropónicos. Estos sistemas son sistemas de flujo de agua de pequeño volumen en los que

de los manantiales de agua dulce se filtran y llenan muchas minas, proporcionando entornos de alta calidad para la cría de especies de aguas frías como la trucha arcoíris y la trucha alpina. Este enfoque también

Machine Translated by Google 274

Capítulo 10 Biotecnología acuática

(consulte la Figura 10.1). Algunos bagres USDA 103 pueden alcanzar la madurez sexual un año completo más rápido, a los 2 años de edad. que otras especies. En el lado negativo, el bagre USDA 103 consume más alimento que otras variedades de bagre. En Arizona, los investigadores han utilizado la cría selectiva para identificar los camarones que están aclimatados a crecer en aguas de baja salinidad. Comenzando con larvas de camarón cultivadas en agua dulce con sal añadida, los científicos cultivan estos camarones en tanques de agua con concentraciones de sal progresivamente más bajas. Esto permite la cría de camarones de alta calidad sin necesidad de agua salada, y el agua con bajo contenido de sal se puede reciclar para regar campos de frutas y verduras. Por lo tanto, los camarones se pueden criar en el desierto de Arizona a cientos de millas de fuentes naturales de agua salada.

Mejorar la calidad y la seguridad de Mariscos FIGURA 10.4 Policultivo de lechuga y tilapia en un sistema hidropónico El sistema hidropónico de lechuga crece en estantes sobre un tanque que contiene tilapia (recuadro). El agua del tanque de tilapia, que contiene desechos nitrogenados de la tilapia, pasa por los estantes de lechuga. La lechuga utilizará los desechos del agua como fertilizante, haciendo así un uso eficiente del recurso hídrico.

Muchos esfuerzos de piscicultura involucran actividades diseñadas para mejorar ciertas cualidades, como la tasa de crecimiento, el contenido de grasa, el sabor, la textura y el color de los peces o mariscos que se crían. La acuicultura se puede combinar con técnicas de vanguardia en biología molecular para crear especies de peces y mariscos que tengan las características que desean los consumidores. Además, los científicos están trabajando para que los productos del

las verduras (como los tomates y el brócoli) o las hierbas (como la albahaca y el cebollino) se cultivan en estantes a través de los cuales pueden fluir las aguas residuales de las peceras. Los sistemas hidropónicos y de policultivo se utilizan con frecuencia juntos cuando se crían peces como el bagre, la carpa y la tilapia (Figura 10.4).

mar sean seguros, de modo que estén libres de patógenos y contaminantes químicos. Igene Biotech de Columbia, Maryland, ha utilizado tecnología de ADN recombinante para producir en masa astax antina, el pigmento que le da a los camarones su color rosado. Al incluir astaxantina recombinante en los alimentos para peces, los científicos pueden crear salmón y trucha con un arcoíris de matices en el color de la carne. También se cree que la astaxantina tiene un valor potencial

Mejora de las cepas para la acuicultura

como antioxidante para usarse en suplementos nutricionales para

En la Sección 10.3, analizamos algunas de las estrategias utilizadas

rosado. Las encuestas de consumidores sugieren que muchas

para mejorar las cepas para la acuicultura a través de la ingeniería

personas creen que cuanto más rojo es el salmón, mayor es su

humanos. A la mayoría de la gente le gusta el salmón con un color

genética. Aquí consideramos cómo se pueden mejorar los peces o

calidad. El salmón rojo oscuro es muy apreciado en los mejores bares

mariscos para la acuicultura a través de la cría selectiva para criar especies con características deseables.

de sushi de Japón. Astaxan thin no tiene ningún efecto sobre el sabor del salmón, pero los productores quieren cultivar lo que prefieren los

Por ejemplo, en una población de bagres, no todos los peces crecen

consumidores. La compañía farmacéutica suiza Roche Holding AG,

al mismo ritmo ni tienen las mismas características corporales, como

uno de los principales productores de astaxantina, distribuye un “salmofan”, que se parece a una tabla de colores de pintura. Los

la masa muscular en comparación con el porcentaje de grasa corporal. Los científicos pueden utilizar una serie de técnicas para identificar

acuicultores pueden elegir tonos que van desde el rosa claro hasta el

peces que muestren tasas de crecimiento rápido y gran masa

carmesí oscuro y luego comprar alimentos con la concentración de astaxantina que producirá peces con el color de carne que deseen.

muscular. Pueden usar máquinas de ultrasonido para medir la masa muscular como un medio para estimar el rendimiento del filete. Los peces que muestran el mayor rendimiento se crían para producir nuevas generaciones con mayor masa muscular. Los científicos de la Unidad de Investigación de Genética del

Actualmente se utilizan una variedad de enfoques para mejorar la calidad y la seguridad de los productos del mar, y se están desarrollando muchos más. Desde la detección de pescados y

Bagre del Departamento de Agricultura de EE. UU. (USDA) en

mariscos contaminados hasta la mejora del sabor y la vida útil de los

Mississippi han criado selectivamente una variedad de bagre llamada

pescados y mariscos, los biotecnólogos acuáticos están trabajando

USDA 103 (¡un nombre digno de un bagre emitido por el gobierno!)

para aplicar tecnologías innovadoras. Agilent Technologies Inc., una

que crece de 10 a 20 por ciento más rápido en estanques, recortando el tiempo desde el nacimiento hasta el mercado entre 18 y 24 meses

empresa pública estadounidense de investigación, desarrollo y fabricación,

Machine Translated by Google 10.2 Acuicultura: aumento del suministro mundial de alimentos a través de la biotecnología

produce una micromatriz de ADN (chip) que se puede utilizar para identificar

275

por la pérdida de grandes cantidades de truchas y salmones comerciales cada

especies de peces en productos alimenticios. Los inspectores portuarios,

año. La vacuna se desarrolló a partir de una proteína IHN expresada en

agencias gubernamentales, procesadores de mariscos, distribuidores y otros

bacterias. Esta vacuna, que protege a los peces contra la NHI, se inyecta en

pueden usar esta tecnología para determinar las especies de pescado presentes

peces juveniles para estimular la producción de anticuerpos contra el virus de la

en muestras de pescado fresco y congelado. Se utilizan técnicas similares para

NHI.

luchar contra los cazadores furtivos ilegales mediante la identificación de especies que fueron capturadas ilegalmente o mal etiquetadas intencionalmente (consulte el Capítulo 8 para la identificación forense de especies de peces).

Barreras y Limitaciones a la Acuicultura Aunque la acuicultura está firmemente establecida como una aplicación global

Los científicos marinos están utilizando técnicas de biología molecular para identificar y aprender más sobre genes que codifican toxinas producidas

de la biotecnología acuática que está teniendo un impacto en miles de millones de personas, existen preocupaciones y obstáculos. No todas las especies son

por organismos marinos; esto puede ayudarlos a comprender cómo estas

ideales para la acuicultura. Para algunas especies, es difícil mantener el caudal

toxinas causan enfermedades y minimizar los impactos negativos para la salud

de agua adecuado para proporcionar concentraciones adecuadas de nutrientes

de la exposición a las toxinas. Se están desarrollando muchas sondas

y eliminar los productos de desecho que se acumulan rápidamente. Esto es

moleculares y ensayos basados en la reacción en cadena de la polimerasa

especialmente cierto para muchas especies marinas muy apreciadas, como el

(PCR) para la detección de bacterias, virus y una gran cantidad de parásitos que

atún, que requieren grandes áreas del océano para deambular y no sobreviven

infectan peces y mariscos. Se han desarrollado sondas genéticas para detectar

cuando están confinadas en espacios reducidos. Además, los organismos

enfermedades virales en camarones, y las empresas están desarrollando sondas

marinos a menudo tienen ciclos de vida largos y complicados que involucran

genéticas para detectar y evaluar los efectos del estrés ambiental en peces y

una serie de etapas larvarias, cada una de las cuales puede tener diferentes

mariscos.

requisitos de alimentos antes de que pueda alcanzar un tamaño comercial. Para criar adultos de estas especies, la pérdida de alevines jóvenes puede ser muy alta y, por lo tanto, prohibitivamente costosa. La acuicultura es más fácil con

Se ha desarrollado un kit de prueba de anticuerpos portátil para detectar

especies que tienen pocas etapas larvales.

Vibrio cholerae en ostras. Utiliza anticuerpos para detectar proteínas de V. cholerae, la bacteria que causa el cólera, una enfermedad muy grave caracterizada por diarrea intensa; en casos severos, esto puede conducir a la deshidratación y la muerte. El cólera es un problema particular en los países en

Los acuicultores se enfrentan constantemente al problema de minimizar

desarrollo con suministros de agua que están contaminados debido a

los efectos de las enfermedades en sus poblaciones de peces. Dadas las

instalaciones de tratamiento de aguas residuales inadecuadas. Este kit se ha

condiciones de densidad y hacinamiento en las que se crían muchos peces, los

utilizado ampliamente y con éxito en América del Sur para detectar pescados y

peces de piscifactoría suelen ser más susceptibles que las poblaciones nativas

mariscos contaminados y minimizar las infecciones por cólera. Se han utilizado enfoques similares en Hawái para desarrollar una prueba de anticuerpos

como por piojos. Debido a que los peces de cultivo tienen menos diversidad

al estrés y las enfermedades causadas por patógenos bacterianos y virales, así

monoclonales con tira reactiva para la ciguatoxina, que afecta a los peces de

genética y resistencia a las enfermedades, las infecciones pueden propagarse

aleta de áreas tropicales que se venden en la industria de los acuarios.

rápidamente. La mayoría de los peces de una población de piscifactoría tendrán la misma resistencia y susceptibilidad a las enfermedades; por lo tanto, una gran cantidad de peces puede desaparecer rápidamente si no se controla la enfermedad (consulte la Pregunta 7 al final de este capítulo para ver un ejemplo).

Los biotecnólogos acuáticos también están interesados en desarrollar kits de detección o vacunas para una serie de patógenos que representan una grave amenaza para los peces criados en la acuicultura. Varias compañías están

Existe la preocupación de que la industria de la acuicultura esté consumiendo cantidades excesivas de peces silvestres para carnada, como

probando vacunas para la anemia infecciosa del salmón, una enfermedad viral

anchoas y arenques. Aunque algunos peces para cebo se crían en la acuicultura,

mortal que provoca hemorragias internas y destruye los órganos internos del

en muchas áreas del mundo, los peces para cebo que se utilizan para hacer

salmón y provoca la muerte de cientos de miles de salmones en todo el mundo

harina de pescado todavía se capturan de poblaciones silvestres. Por cada libra

cada año. Se dispone de una prueba basada en PCR para detectar el virus de

de salmón, se utilizan varias libras de otros pescados típicamente capturados en

la anemia, pero aún no existe una vacuna ampliamente disponible.

la naturaleza, como las anchoas, el arenque y la caballa, para criar el salmón.

El cultivo de 1 libra de salmón puede requerir de 3 a 5 libras de pescado Se está realizando un trabajo similar para combatir los piojos de mar,

capturado en la naturaleza. Los científicos están buscando formas de cambiar

como Caligus elongatus. Este diminuto parásito se adhiere al salmón, se

los hábitos de alimentación carnívoros de algunas especies cultivadas (¡incluidos

alimenta de la sangre del salmón y crea lesiones expuestas que lo vuelven

los caimanes!) cambiándolos a dietas basadas en vegetales, pero los acuicultores

susceptible a infecciones mortales. Científicos de los Estados Unidos han

están preocupados por las tasas de crecimiento y la calidad de los alimentos de

desarrollado una vacuna de subunidades contra el virus que causa la necrosis

estos peces.

hematopoyética infecciosa (IHN), que es responsable

Los partidarios de las dietas veganas para peces de piscifactoría afirman que a algunas personas les puede gustar el salmón que sabe menos a pescado.

Machine Translated by Google 276

Capítulo 10 Biotecnología acuática

Los Riesgos de la Contaminación Pesquera y la Contaminación Genética:

TÚ DECIDES

Controversias de la Acuicultura y las Especies Modificadas Genéticamente

El término contaminación por peces describe el escape de especies acuícolas

desventaja en la naturaleza. Un estudio publicado en 2017 informó que el salmón de crecimiento rápido cultivado en Noruega, Chile,

que pueden dañar los ecosistemas naturales al alterar o reducir la

Escocia, Canadá y Australia tenía tres veces más probabilidades que

biodiversidad; introducir nuevos parásitos; competir con especies

los peces nativos de crecimiento más lento de tener una deformidad

nativas por alimento, hábitat y lugares de desove; cría con peces

en el oído interno que puede causar que los peces pierdan hasta 50

salvajes; y destruyendo hábitos. Los peces criados en granjas se

por ciento de su audiencia. No está claro qué efecto puede tener un

escapan. Se han documentado muchos ejemplos de contaminación de

déficit auditivo en la supervivencia de los peces, pero existe la

peces y sus efectos.

preocupación de que esta deficiencia pueda transmitirse a las

Por ejemplo, en algunas vías fluviales de Florida, la tilapia, un panfish

poblaciones silvestres por los peces de cultivo que escapan a la naturaleza.

de acuicultura de rápido crecimiento y con un apetito voraz, ha

Se han planteado preocupaciones aún más fuertes acerca de

superado a las especies nativas como el besugo en áreas de desove

el escape de especies genéticamente modificadas como

y alimento. Como resultado, algunos peces nativos en áreas

transgénicos y triploides. Aunque la mayoría de estas especies no

contaminadas con tilapia prácticamente han desaparecido. De manera

pueden reproducirse, ninguna técnica garantiza que todos los peces

similar, las especies no nativas de camarón blanco del Pacífico

modificados sean estériles. Una vez en estado salvaje, los océanos no

cultivadas a lo largo de la costa del Golfo de Texas y la costa atlántica

se pueden drenar para recuperarlos. Las poblaciones transgénicas que

de Carolina del Sur se han escapado y nadan libremente en estas

escapan y crecen en áreas fuera de su rango de crecimiento previsto a

áreas. Sabemos que el salmón del Atlántico criado en granjas se

Como resultado, si se reproducen con especies nativas, las poblaciones

menudo no crecen tan bien como lo hacen en su entorno previsto.

está reproduciendo en aguas del noroeste del Pacífico. Veintiséis

mixtas a menudo pierden aptitud biológica (la capacidad de reproducirse)

poblaciones de salmón del Pacífico y trucha arcoíris están catalogadas

y crecen más lentamente. Mediante la introducción de especies

actualmente como en peligro o amenazadas. Muchos científicos creen

transgénicas, es posible erosionar las adaptaciones que se han

que la pérdida de estas especies nativas se debe a la propagación de

producido durante miles de años y reducir la aptitud de las poblaciones

piojos y otros parásitos de los peces de cultivo.

nativas. Alternativamente, los peces con capacidades de crecimiento

En Noruega, un análisis de marcadores genéticos en más de 21ÿ000

mejoradas pueden ser capaces de superar a los peces nativos en

salmones salvajes del Atlántico de casi 150 lugares demostró que los peces salvajes en aproximadamente la mitad de estos lugares contienen

el primer estado en prohibir la cría de peces genéticamente modificados

material genético (en algunos casos, más del 42 por ciento) de salmón

en estanques y lagos conectados a otras vías fluviales.

de piscifactoría. Una tormenta del noreste de diciembre de 2000 en Maine,

cuanto a alimento y sitios de desove. En 2001, Maryland se convirtió en

Los críticos también citan ejemplos históricos de la propagación

donde el cultivo de salmón es la segunda pesquería más grande

de especies no nativas como motivo de preocupación. Por ejemplo,

después de la langosta, provocó el desarraigo de las jaulas de

los mejillones cebra europeos, que se cree que ingresaron a los

acero que contenían salmón criado en granjas y liberó más de 100

Estados Unidos en el agua de lastre de los barcos transoceánicos que

000 peces en Machias Bay. Se cree que este accidente ha sido el

ingresaron a los Grandes Lagos durante la década de 1980, han

mayor escape conocido de peces de acuicultura en el este de los

creado problemas importantes. Las colonias de estos prolíficos

Estados Unidos. A muchos les preocupa que este derrame debilite el

mariscos han sofocado el hábitat de otras especies; a través de la

potencial genético de las futuras generaciones de salmón salvaje en

alimentación por filtración, han provocado la disminución del plancton

los ríos de Maine. El gobierno de EE. UU. ya ha incluido el salmón

nativo en los Grandes Lagos, han bloqueado tuberías y han cubierto

salvaje en ocho ríos de Maine como en peligro de extinción como

los cascos de los barcos. Se estima que los costos asociados con el

resultado de las preocupaciones sobre el impacto de la acuicultura en

control de los mejillones cebra maruca en la región de los Grandes

la zona. En algunos ríos de desove en New Brunswick y Maine, el

Lagos superan los 400 millones de dólares anuales.

salmón fugitivo de cultivo supera en gran medida al salmón salvaje.

Aunque la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) participa en la regulación de la seguridad de los peces

El escape de peces de piscifactoría ha provocado que los

transgénicos como fuente de alimento, no existen políticas claras para

ecologistas y otros grupos se unan a favor de una moratoria sobre las

regular la liberación de especies acuícolas (incluidas las transgénicas)

nuevas piscifactorías en muchas partes del mundo y por la regulación

en los Estados Unidos. El USDA está analizando de cerca las formas

de la industria de la acuicultura. Muchas especies acuícolas son

de evaluar el riesgo de las especies creadas mediante bioingeniería y

similares a los animales de granja domésticos en el sentido de que se

la seguridad de introducir organismos modificados genéticamente en

han vuelto dependientes de los humanos y están poco adaptados a la

el medio ambiente, tanto en entornos marinos como no marinos.

vida en la naturaleza. La evidencia indica que el salmón de piscifactoría

Muchos creen que la acuicultura y la ingeniería genética son necesarias

produce huevos más pequeños y quizás menos fértiles que las

para producir suficientes alimentos para una población humana en

poblaciones silvestres. La investigación sugiere que la acuicultura

aumento, pero ¿son los riesgos de estas tecnologías mayores que los

selecciona genes y rasgos que permiten que los peces crezcan en

riesgos de no hacer nada? Tú decides.

confinamiento y esto pone a los animales en una situación de riesgo.

Machine Translated by Google 10.3 Tecnologías genéticas y organismos acuáticos

La escorrentía de heces de animales y desechos de la agricultura tradicional en tierra es un problema que tiene impactos significativos en el medio ambiente. Del mismo modo, existe preocupación por la contaminación de las industrias piscícolas. El agua efluente cargada de desechos de las operaciones de acuicultura, que contiene heces, orina y alimentos no consumidos, generalmente se descarga en cursos de agua naturales. Estos desechos son ricos en nitrógeno y fósforo y pueden provocar la proliferación de algas y otros problemas. Las algas moribundas roban el oxígeno del agua, lo que puede provocar la muerte de peces. Los desechos de pescado también albergan cepas de patógenos bacterianos como Salmonella y Pseudomonas, que pueden afectar la salud humana; sin embargo, la probabilidad de transmisión de enfermedades de los desechos de pescado a los humanos no ha sido bien establecida. En la actualidad, generalmente se piensa que la producción de desechos de la acuicultura tiene un pequeño efecto general sobre la calidad del agua, pero esto puede cambiar a medida que aumenten los esfuerzos de la acuicultura en todo el mundo. El exterminio de especies “plagas” en las instalaciones acuícolas es otra preocupación. Varias aves que se alimentan de peces (como cormoranes, pelícanos, garzas, garcetas y gaviotas), así como mamíferos (como focas y leones marinos), pueden ser objeto de captura y exterminio autorizados y no autorizados. Sin embargo, muchas instalaciones emplean métodos no letales (incluido el acoso visual con el uso de luces, reflectores, espantapájaros, presencia humana y dispositivos auditivos como llamadas de socorro de depredadores, sirenas y matracas electrónicas) para lidiar con estas especies de "plagas". También se pueden usar dispositivos acústicos y explosivos submarinos, junto con cercas perimetrales y redes protectoras para disuadir a los depredadores de alimentarse en las piscifactorías. También se ha expresado preocupación por la descarga de productos químicos comúnmente utilizados en muchas operaciones de acuicultura. Estos incluyen antibióticos, pesticidas, herbicidas (eliminadores de plantas), algicidas (eliminadores de algas) y productos químicos utilizados para controlar parásitos. Además, los productos químicos residuales de otros compuestos antiincrustantes (como los que se usan para reducir el crecimiento de percebes, algas y otros organismos) y los anticorrosivos pueden ser absorbidos por peces y mariscos y pasar a otros organismos marinos y humanos. Una encuesta exhaustiva del salmón de piscifactoría ha encontrado que contienen niveles significativamente más altos de bifenilos policlorados (PCB) y otros compuestos similares correlacionados con un mayor riesgo de cáncer que sus parientes silvestres. Esta es una gran preocupación para la industria, y los piscicultores están trabajando en formas de reducir los contaminantes en el salmón de cultivo. Varias leyes regulan la acuicultura y su efecto potencial sobre el medio ambiente. El Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente continúa abordando la gestión de los recursos naturales marinos a través de

277

el tratado de Derecho del Mar. Pocos países como EE. UU., Canadá, Nueva Zelanda, Noruega, Francia e Irlanda han desarrollado una variedad de legislaciones que tratan directamente con la acuicultura y la pesca. Varios otros países, como Portugal, tienen disposiciones sobre acuicultura en forma de una sección en la Ley de Pesca básica. Los efectos visuales de la acuicultura en el paisaje también son problemáticos. Por ejemplo, en algunas áreas de Escocia, existe la preocupación de que la abundancia de jaulas de mariscos a lo largo de la costa escocesa reste valor al atractivo natural y estético de los paisajes costeros. Finalmente, un problema muy serio que plantean tanto los acuicultores como los naturalistas es la amenaza potencial para las especies nativas de los peces criados en granjas que accidentalmente escapan a la naturaleza (consulte el cuadro "Usted decide", en la página anterior). Hasta ahora, hemos analizado de manera integral la industria de la acuicultura, una de las aplicaciones más antiguas de la biotecnología acuática. Como ha aprendido, la cultura acuática no está exenta de controversias. En la siguiente sección, exploramos un área en sus inicios: la genética molecular de los organismos acuáticos.

10.3 Tecnologías genéticas y organismos acuáticos Uno de los propósitos de mejorar nuestra comprensión de los genomas de los organismos acuáticos consiste en manipular la genética de estas especies para aplicaciones biotecnológicas. Los científicos están trabajando para mejorar la supervivencia y el crecimiento de las especies acuícolas, y la biología molecular se está utilizando para aprender más sobre los sistemas inmunológicos de las especies acuáticas y su susceptibilidad y resistencia a los organismos causantes de enfermedades, incluida la transmisión de enfermedades y los ciclos de vida de las especies acuáticas. los propios patógenos.

Análisis de nuevos genes de especies acuáticas El análisis genómico de organismos acuáticos cubre muchas áreas interesantes. El conocimiento básico de la expresión y regulación génica en organismos acuáticos y la comprensión de los genes implicados en procesos como la reproducción, el crecimiento, el desarrollo y la supervivencia en condiciones ambientales extremas serán fundamentales para aplicaciones como el mantenimiento de poblaciones de especies marinas en peligro, la limitación de poblaciones de especies dañinas, y avanzar en la manipulación genética de organismos acuáticos para la acuicultura. Además, como se menciona en la Sección 3.2, los patógenos que afectan a los peces y mariscos provocan grandes pérdidas financieras cada año.

Machine Translated by Google 278

Capítulo 10 Biotecnología acuática

identificación de mutaciones asociadas con enfermedades en los

disminución de MIH, lo que conduce a la producción de cangrejos de caparazón blando que se pueden comer enteros. Se están realizando

peces. Eventualmente, dicha información se utilizará en el desarrollo de reproductores de peces libres de enfermedades con características

una forma de producir cangrejos blandos a pedido de la industria pesquera.

Muchos grupos de investigación están involucrados en la

investigaciones actuales para bloquear el lanzamiento de MIH como

seleccionadas. Al identificar genes nocivos que pueden tener influencias negativas en el crecimiento, la salud y la longevidad de los peces, los

Proteínas anticongelantes

científicos anticipan que muchos de estos genes pueden modificarse o

Uno de los ejemplos más exitosos de la identificación de nuevos

eliminarse para producir especies mejoradas para la acuicultura. El

genes con aplicaciones prometedoras involucra genes para proteínas

descubrimiento de genes que puedan usarse como sondas para la

anticongelantes (AFP). A/F Protein, Inc. de Massachusetts es líder en

identificación de organismos marinos microscópicos como el fitoplancton

la producción de proteínas anticongelantes. Muchas de las primeras

y el zooplancton, importantes fuentes de alimento para muchas

AFP se aislaron de especies de peces que viven en el fondo, como el

especies marinas, ayudará a los científicos a observar los efectos ambientales en la genética de estos microorganismos. Este es un tema

bacalao del norte, que vive frente a la costa del este de Canadá, y los peces antárticos llamados teleósteos, que viven en aguas

de importancia crítica para comprender cómo estos organismos

extremadamente frías cargadas de hielo, algunos de los ambientes

microscópicos afectan a los organismos que se encuentran más arriba

más severos del mundo. tierra. Posteriormente, las AFP se han aislado

en la cadena alimentaria.

de varias otras especies de agua fría, incluida la platija de invierno (Pleu ronectes americanus), la escultura ( Myoxocephalus scorpius), la

Los genes se están identificando como marcadores de ADN que

faneca oceánica (Macrozoarces americanus), el eperlano (Osmerus

se pueden usar para distinguir poblaciones de peces silvestres de

mordax) y el arenque (Clupea harengus) . Curiosamente, se han

poblaciones de peces criados en criaderos y marcadores para identificar

descubierto proteínas similares en insectos, bacterias y otros

cepas resistentes a enfermedades que son más receptivas a la

organismos que pueden sobrevivir a las bajas temperaturas.

piscicultura. Dichos marcadores también desempeñarán un papel importante cuando los científicos intenten determinar los efectos de los fugitivos criados en granjas en las poblaciones nativas. Muchos de estos genes marcadores son específicos de la especie y han permitido a los funcionarios encargados de la pesca y la vida silvestre aplicar

Se han descubierto varios tipos de AFP. Estructuralmente, la mayoría de las AFP tienen hélices alfa extensas y se mantienen unidas

PCR y técnicas de secuenciación en la investigación de casos de pesca

por un gran número de puentes disulfuro.

ilegal y venta al por menor de pescado sujeto a cuotas.

Las AFP funcionan para reducir la temperatura de congelación de la

Por ejemplo, en el noreste de los Estados Unidos, el pescado negro es

sangre de los peces y los fluidos extracelulares, protegiendo así a los

un plato de mesa preciado. Pero la sobreexplotación de blackfish ha resultado en límites de tamaño estrictos y fechas estacionales

peces de la congelación en aguas marinas gélidas. El agua de mar se

restringidas para la captura legal de blackfish. Si los funcionarios de

de congelación de los fluidos corporales de los peces en

congela a aproximadamente –1,8 °C. Las AFP suelen reducir el punto

vida silvestre se encuentran con alguien que sospechan que es un

aproximadamente 2 °C a 3 °C. Actualmente, la mayoría de las AFP se

cazador furtivo que captura blackfish durante la temporada de veda,

aíslan de la sangre de los peces. Para satisfacer la gran demanda que

pero el cazador furtivo solo tiene filetes en el bote y no cadáveres intactos, ¿cómo pueden determinar los funcionarios de qué especie

clonado y expresado con éxito AFP recombinantes de diferentes

provienen los filetes? Usando cebadores específicos de blackfish, los

especies en células bacterianas y de mamíferos.

ensayos de PCR se pueden ejecutar en ADN aislado de filetes para determinar si los filetes son de blackfish o no.

se espera para las aplicaciones de AFP en el futuro, los científicos han

Las AFP protegen a los organismos vivos de la congelación de varias maneras. Pueden unirse a las superficies de los cristales de

La clonación del gen de la hormona del crecimiento (GH) es un excelente ejemplo de cómo el proceso de descubrimiento de genes

hielo para modificar o bloquear la formación de cristales de hielo, reducir la temperatura de congelación de los fluidos biológicos y

puede conducir a avances en la biotecnología marina. Hemos discutido

proteger las membranas celulares del daño por frío. Debido a estas

cómo la clonación de GH humana condujo a tratamientos para el

capacidades únicas, se están desarrollando varias aplicaciones

enanismo (Capítulo 3). Recuerde que la GH es una hormona producida

innovadoras para estas proteínas crioprotectoras. Las AFP se están

por la glándula pituitaria que estimula el crecimiento de las células

utilizando para crear peces y plantas transgénicos con mayor resistencia

óseas y musculares durante la adolescencia. La clonación del gen GH

a las bajas temperaturas y la congelación.

del salmón ha llevado al desarrollo de especies transgénicas de

Por ejemplo, el salmón no puede producir moléculas anticongelantes;

salmón que muestran tasas de crecimiento muy aceleradas en

por lo tanto, mueren cuando se exponen al agua casi congelada. Las aguas frente a la costa del este de Canadá, demasiado frías para las

comparación con las cepas nativas. Consideramos el ejemplo de GH con más detalle en la siguiente sección. Como otro ejemplo, los

especies silvestres de salmón, se están considerando como un hábitat

investigadores de la Universidad de Alabama-Birmingham han clonado

potencial para la acuicultura de especies de salmón transgénico

el gen de la hormona inhibidora de la muda (MIH) de los cangrejos

resistentes a la congelación que contienen genes AFP.

azules. La muda (vertimiento) es provocada por una

Las secuencias del promotor del gen AFP también se están utilizando en experimentos de ADN recombinante para estimular el

Machine Translated by Google 279

10.3 Tecnologías genéticas y organismos acuáticos

ADNc de GH de salmón

70

región de codificación

60 52

faneca del océano

faneca del océano

promotor de AFP

39 región

ADNc de GH de salmón 59 sin traducir

48

50 44

ADNc de GH de salmón 39 región sin traducir

50

38

40

región

FIGURA 10.5 Los promotores de AFP estimulan la expresión génica en peces transgénicos Una construcción de plásmido de ADN recombinante que contiene un promotor génico de proteína anticongelante de faneca oceánica unido al ADN complementario (ADNc) para la hormona del crecimiento del salmón se puede utilizar para producir peces de rápido crecimiento para la acuicultura. La transcripción del promotor AFP es estimulada por condiciones de frío; por lo tanto, los peces transgénicos que contienen esta construcción sintetizan grandes cantidades de hormona del crecimiento cuando se crían en agua fría. El aumento de la producción de hormonas de crecimiento hace que los peces transgénicos crezcan más rápido que las cepas nativas no transgénicas.

expresión de transgenes, incluyendo GH en salmón. La transcripción de las secuencias del promotor de AFP es estimulada por las bajas temperaturas. Al ligar los genes de interés al extremo 39 de las secuencias del promotor de AFP, los promotores de AFP se pueden usar para estimular la transcripción de estos genes "aguas abajo" en condiciones de agua fría (Figura 10.5). Por lo tanto, las

30

20

10 0 0 Control AFP I AFP II AFP III AFGP Fresco ovocitos grupo de ovocitos

FIGURA 10.6 AFP como crioprotectores de tejidos humanos Se incubaron ovocitos bovinos durante 24 horas a 4 °C en ausencia (control) o presencia de diferentes tipos de AFP o glicoproteína anticongelante (AFGP), un tipo de AFP rico en carbohidratos, y luego se fertilizaron con esperma bovino. Observe cómo los ovocitos tratados con AFP y AFGP muestran tasas de fertilización similares a las de los ovocitos frescos, lo que indica que las AFP pueden brindar protección contra el frío a los ovocitos que mantendrán su capacidad para ser fertilizados.

construcciones de genes promotores de AFP pueden servir como vectores de transcripción muy efectivos para transcribir genes extraños, lo que conduce a una mayor producción de proteína. Tales

Las AFP se pueden usar para alterar las propiedades de cristalización

construcciones pueden ser muy efectivas para la ingeniería genética

del hielo de los alimentos congelados para mejorar su calidad general.

de peces, como veremos en la siguiente sección.

Los científicos incluso han propuesto usar AFP para controlar la formación de hielo en aviones y carreteras. Como puede ver, las AFP

Para muchos cultivos populares como trigo, café, frutas (p. ej.,

pueden ser útiles para una serie de aplicaciones interesantes. Sin

cítricos, manzanas, peras, cerezas y melocotones), soya, maíz y

duda, el océano alberga especies que contienen muchos otros genes

papas, el daño a los cultivos como resultado de las bajas temperaturas

novedosos que pueden explotarse en beneficio de la biotecnología en

es un problema en todo el mundo. Las AFP se han introducido en

el futuro.

plantas como los tomates para producir cepas transgénicas resistentes al frío, pero aún no están ampliamente disponibles porque las plantas

“Genes verdes”

comerciales no producen proteínas crioprotectoras tan efectivas como

Un ejemplo sobresaliente de una aplicación de investigación de

las AFP del pescado. La crioprotección de células, tejidos y órganos humanos es una

biotecnología acuática, y quizás la aplicación moderna más conocida de biotecnología acuática, involucra un nuevo gen de la medusa

aplicación médica prometedora de las AFP. Como se muestra en la

bioluminiscente Aequorea victoria. A. victoria puede emitir fluorescencia

Figura 10.6, el almacenamiento en frío de ovocitos utilizados para in vitro

y brillar en la oscuridad debido a un gen que codifica una proteína

la fertilización es una aplicación actual. Los estudios han demostrado

llamada proteína fluorescente verde (GFP).

que las AFP pueden resultar útiles para el almacenamiento de varios tejidos humanos, incluida la sangre, y para el desarrollo de nuevos

GFP produce un brillo verde brillante cuando se expone a la luz

protocolos para el almacenamiento criogénico de órganos humanos

ultravioleta. Se ha estimado que casi las tres cuartas partes de todos

como el corazón y el hígado antes de su uso en cirugía de trasplante.

los organismos marinos tienen capacidades bioluminiscentes. La bioluminiscencia se usa a menudo como una forma para que los peces

Finalmente, los científicos están investigando formas en que las

y otros organismos se encuentren en los ambientes oscuros del océano

AFP pueden usarse para mejorar la vida útil y la calidad de los

durante las actividades de apareamiento. Los genes de las proteínas

alimentos congelados, incluido el helado. Los cambios en la calidad de

fluorescentes rojas, naranjas y amarillas se han clonado a partir de

los alimentos congelados a menudo ocurren durante la descongelación

anémonas de mar, lo que amplía la paleta de colores de las proteínas

y la recongelación, como cuando trae alimentos de la tienda a casa y

disponibles para los investigadores. Anteriormente, mencionamos

los pone en el congelador de su casa. Es posible que

Machine Translated by Google 280

Capítulo 10 Biotecnología acuática

que la fluorescencia de algunas especies marinas es creada por bacterias bioluminiscentes como Vibrio harveyi y Vibrio fischeri (Capítulo 5). Osamu Shimomura, Martin Chalfie y Roger Tsien compartieron el Premio Nobel de Química 2008 por el descubrimiento y desarrollo de GFP.

de elección. Una vez dentro de las células, estos plásmidos se transcriben y traducen para producir una proteína de fusión que emite fluorescencia cuando se expone a la luz ultravioleta. Sólo las células que producen la proteína de fusión GFP emiten fluorescencia. De esta forma, estos plásmidos sirven para detectar o “informar” dónde se está expresando el gen de interés. Este enfoque ha sido ampliamente utilizado para estudiar procesos básicos de expresión y regulación génica. Los biólogos del desarrollo han utilizado células madre embrionarias que expresan GFP para rastrear su diferenciación en diferentes tipos

Los científicos han aprovechado las propiedades fluorescentes de GFP y otras proteínas similares para crear construcciones de genes indicadores únicos . Los genes informadores permiten a los investigadores detectar la expresión de genes de interés en un tubo de ensayo, una célula o incluso de células durante el desarrollo de los embriones. Los científicos un órgano completo. Como se muestra en la figura 10.7a, los también han utilizado construcciones de genes informadores plásmidos del gen informador se crean ligando el gen GFP a un GFP de muchas formas innovadoras para avanzar en el gen de interés y luego introduciendo el plásmido informador en un tipo de célula. médico y el tratamiento de enfermedades (Figura 10.7b). diagnóstico

(a) Insertar gen de interés (es decir, gen humano para un proteína producida por neuronas) adyacentes a gen GFP Insertar gen GFP de medusas a plásmido

GFP

FIGURA 10.7 El gen GFP es un gen informador valioso (a) Las construcciones del gen informador GFP se pueden crear en plásmidos ligando el gen GFP a un gen de interés. En este ejemplo, un gen humano que codifica una proteína producida por neuronas se une al gen GFP y el plásmido se introduce en células en cultivo. Estas células luego expresarán moléculas de ARNm,

Reportero

gen humano

que se traducirán para producir una proteína de fusión en la que la GFP se une a la proteína humana clonada.

plásmido

Las células que producen esta proteína de fusión emitirán fluorescencia cuando se expongan a la luz Insertar en las células de estudio

ultravioleta, "informando" la ubicación de la proteína

para determinar la expresión del

expresada. (b) Un gen informador GFP utilizado para

gen humano

detectar una proteína en las neuronas humanas involucradas en la condición neurodegenerativa de la enfermedad de Huntington. (c) Plásmidos indicadores de GFP utilizados para detectar bacterias causantes de enfermedades en el tracto digestivo humano, como la especie Campylobacter jejuni que se muestra aquí infectando células intestinales humanas. C. jejuni es un contaminante común del pollo, que causa

Los plásmidos reporteros producen

GFP/proteína humana

proteína de fusión que emitirá

(proteína de fusión)

fluorescencia cuando se exponga a la luz ultravioleta

(b)

(C)

aproximadamente 2,4 millones de casos de intoxicación alimentaria en los Estados Unidos cada año.

Machine Translated by Google 281

10.3 Tecnologías genéticas y organismos acuáticos

Por ejemplo, los genes GFP se han utilizado para identificar la formación de

imprimación simple

tumores en ratones, para seguir el progreso de las infecciones bacterianas en

pares de controles

los intestinos, para controlar la muerte de las bacterias después del tratamiento con antibióticos y para estudiar la presencia de microorganismos que contaminan ostra Branquia

Excavar. Tracto

los alimentos en el ser humano. tracto digestivo (Figura 10.7c). H. nelsoni (MSX)

H. costal (SSO)

P. marinus (Dermo)

Secuenciación de genomas de patógenos marinos METRO

Los biólogos marinos están interesados en secuenciar los genomas de una variedad de patógenos marinos que afectan a las especies silvestres y cultivadas como una forma de aprender sobre los genes que estos organismos usan para reproducirse y causar enfermedades. Científicos chilenos han secuenciado el genoma de la bacteria Piscirickettsia salmonis.

METRO

1000 pb 750 pb 500 pb

P. salmonis infecta a los salmones y causa una enfermedad 300 pb llamada síndrome de rickettsiosis, que afecta el hígado de los 150 pb salmones infectados y les provoca la muerte. Combatir este síndrome es un problema mundial para los salmonicultores. Actualmente, no existe un tratamiento efectivo. Solo en la 50 pb industria salmonera de Chile, este síndrome genera pérdidas financieras de más de $100 millones por año. Armados con información genómica sobre patógenos, los científicos están tratando de reforzar los sistemas inmunológicos de las especies cultivadas para mejorar su resistencia a los FIGURA 10.8 La PCR puede usarse para detectar el ADN de los patógenos. Por ejemplo, puede ser posible inyectar genes o patógenos de las ostras Dermo, SSO y MSX son causas significativas de mortalidad en las ostras. La PCR se puede usar para detectar el ADN de proteínas de P. salmonis en salmones como vacunas para estos en los tejidos de las ostras, lo que ayuda a los científicos a estimular su sistema inmunológico para defenderse contra la infección porpatógenos estas bacterias. determinar cuándo están presentes estos parásitos, en un esfuerzo por controlar Los científicos están trabajando en formas de utilizar la infección que puede diezmar grandes poblaciones de estos mariscos. En esta enfoques moleculares en la batalla contra enfermedades y fotografía de un gel de agarosa, observe que las muestras de ADN del tracto parásitos que esencialmente han eliminado la pesca comercial digestivo y las branquias de una ostra muestran la presencia de ADN para Dermo (indicado por la flecha). M, marcadores de tamaño de ADN. de ostras en varias áreas de los Estados Unidos. En todo el país, las ostras han estado bajo asedio. Como resultado de la examinar e identificar las ostras enfermas antes de que se produzcan infecciones sobreexplotación, la contaminación, la destrucción del hábitat generalizadas (Figura 10.8). y las enfermedades virales y parasitarias, las poblaciones de ostras son inexistentes en muchas áreas anteriormente Una mayor comprensión de los genes implicados en el conocidas como ricas fuentes de ostras para el consumo sistema inmunitario de la ostra también ha dado lugar a humano. Los protozoos han causado daños sustanciales a las nuevas estrategias para transferir genes de resistencia a poblaciones de ostras en el este de los Estados Unidos. Los enfermedades de especies como la ostra del Pacífico parásitos Dermo (Perkinsus marinus), SSO (Haplosporidium (Crassostrea gigas) a especies más susceptibles de ostras costale) y MSX (Hap losporidium nelsoni) han devastado las orientales, como C. virginica. En el futuro, puede ser posible poblaciones de ostras orientales (Crassostrea virginica) en crear especies transgénicas de ostras con genes que muchas áreas del país, como la Bahía de Chesapeake en proporcionen resistencia al daño causado por estos y otros parásitos. Maryland y la Bahía de Delaware en Nueva Jersey. Problemas similares han ocurrido a lo largo de la Costa del Golfo y California. Genómica y organismos acuáticos Hasta hace poco tiempo, parte de la dificultad para No es sorprendente que la genómica se esté utilizando para combatir estas enfermedades era la falta de un número secuenciar y estudiar los genomas de una serie de especies suficiente de parásitos para estudiar. Se han utilizado técnicas acuáticas, desde proyectos de metagenómica para de cultivo celular para superar este problema, y ahora los comunidades grandes y diversas de microbiomas marinos investigadores saben mucho sobre la genética de Dermo, SSO y MSX. hasta el análisis del genoma del pulpo. Un equipo internacional Se han utilizado técnicas moleculares para conocer el ciclo de de científicos completó la secuenciación del genoma del erizo vida de estos parásitos, y se dispone de sondas moleculares de mar. Los erizos de mar son equinodermos, un grupo de animales marinos que incluyen estrellas de mar y pepinos de para su detección en campo y en instalaciones acuícolas. Por ejemplo, los enfoques basados en PCR han demostrado ser mar. Se cree que los erizos se originaron hace más de 540 muy efectivos para la detección rápida y sensible de Dermo, millones de años. Su genoma ha sido de gran interés para los SSO y MSX, lo que permite a los acuicultores biólogos moleculares porque los erizos comparten un

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Capítulo 10 Biotecnología acuática

ancestro común con los humanos. De este antepasado surgió un superphylum de animales llamados deuterostomes; incluidos en este filo están los equinodermos, los humanos y otros vertebrados. Debido a que los deuteróstomos están más estrechamente relacionados entre sí que con los animales que no pertenecen a este superfilo, los científicos del genoma esperaban que los erizos de mar fueran genéticamente similares a los humanos. Los estudios genómicos comparativos han demostrado que compartimos aproximadamente 7000 genes con los erizos, incluidos genes relacionados con la audición, el equilibrio, la inmunidad y el desarrollo. Por lo tanto, esperamos que los erizos sigan siendo organismos modelo experimentales muy valiosos para los biólogos moleculares que estudian tanto los genomas acuáticos como el genoma humano.

TABLA 10.2

Pescados y mariscos modificados genéticamente

Especies de peces

Mariscos

salmón atlántico

Abulón

besugo

Almejas

Canal de bagres

ostras

salmón chinook salmón coho Carpa común Dorada Pez de colores

Manipulaciones genéticas de peces y mariscos Los biólogos de todo el mundo están utilizando técnicas genéticas para crear razas de peces y mariscos con características tan deseadas como tasas de crecimiento mejoradas y resistencia a enfermedades. La Tabla 10.2 muestra ejemplos de diferentes especies que han sido manipuladas genéticamente para una variedad de propósitos.

Especies modificadas genéticamente: transgénicas y poliploides En los Capítulos 6 y 7, hemos discutido cómo se pueden crear organismos transgénicos (transgénicos) . Los peces transgénicos contienen ADN de otras especies, y el interés por los peces transgénicos ha aumentado junto con la industria de la acuicultura. Los acuicultores están interesados en la ingeniería genética de peces diseñados para crecer más rápido y de manera más saludable. Como se muestra en la Tabla 10.3, muchas especies han sido modificadas genéticamente para aplicaciones potenciales en la industria de la acuicultura. Se han insertado genes extraños en peces y mariscos para acelerar el

Killis lubina Locha Medaka carpa de barro

Mummichog lucio del norte camarones peneidos

trucha arcoiris Besugo lubina rayada tilapia

lucioperca pez cebra

Fuente: Adaptado de Goldberg R, Triplett T. Something Fishy. Defensa Ambiental, 2000; www.environmentaldefense.org.

crecimiento, aumentar la tolerancia al frío y la resistencia a las enfermedades, y alterar las cualidades de la carne para mejorar la calidad de la mesa. capacidades de tamaño adulto que la mayoría de los salmones del Cuba es quizás el país más progresista del mundo en lo que Atlántico, así como una secuencia reguladora de un organismo respecta al uso de alimentos genéticamente modificados, en parecido a la anguila llamado faneca oceánica (Zoarces particular los mariscos. Tilapia genéticamente modificada se vende americanus). El salmón del Atlántico normalmente deja de crecer para consumo humano en Cuba. De manera similar, las empresas en invierno; no así con estos transgénicos, llamados AquAdvantage® noruegas han desarrollado tilapia criada en granjas genéticamente el salmón, que produce GH durante todo el año y crece el doble modificada que crece casi el doble de rápido que la tilapia silvestre. de rápido que el salmón de cultivo no transgénico, a pesar de que Aunque las cepas genéticamente modificadas de maíz, soja, consume aproximadamente un 10 % menos de alimento (consulte tomates y otros cultivos se han vendido en los Estados Unidos la figura inicial del capítulo). El salmón AquAdvantage alcanza el durante más de 20 años, hasta 2013 la FDA no había aprobado tamaño de mercado en 18 meses en lugar de los 36 meses ningún animal transgénico para el consumo humano. AquaBounty Technologies en Massachusetts ha producido salmón del Atlántico transgénico que contiene un gen GH y una secuencia reguladora de genes del salmón Chinook del Pacífico (Oncorhynchus tshawytscha), una especie que demuestra un crecimiento más rápido y un tamaño más grande .

tradicionales. Fundada en 1991, AquaBounty ha gastado más de $67 millones para desarrollar estos peces. La compañía inició conversaciones con la FDA en 1993, pero en ese momento la agencia no tenía un proceso para revisar los animales GM destinados a la alimentación. En 1995, la empresa solicitó la aprobación de la FDA. En 2013, AquaBounty fue

Machine Translated by Google 10.3 Tecnologías genéticas y organismos acuáticos

TABLA 10.3

Ejemplos de organismos modificados genéticamente que se están probando para su uso en la acuicultura

Organismos

Gen extranjero

Efecto deseado y comentarios

País

Abulón

Salmón coho GH + varios

Mayor crecimiento

Estados Unidos

Tolerancia al frío

Estados Unidos, Canadá

Mayor crecimiento y eficiencia

Estados Unidos, Canadá

promotores salmón atlántico

AFP AFP + Salmón Chinook GH

alimenticia Canal de bagres

GH

salmón chinook

AFP + Salmón Chinook GH

33% de mejora del crecimiento en condiciones de cultivo

Estados Unidos

Mayor crecimiento y eficiencia

Nueva Zelanda

alimenticia salmón coho

AFP + Salmón Chinook GH

Carpa común

Salmón y GH humana

Después de 1 año, aumento del crecimiento de 10 a 30 veces

Canada

150% de mejora del crecimiento en

China, Estados Unidos

condiciones de cultivo; resistencia mejorada a enfermedades; tolerancia a niveles bajos de oxígeno Trucha degollada

Salmón Chinook GH+ AFP

Mayor crecimiento

Canada

Pez de colores

GH AFP

Mayor crecimiento

Porcelana

ostras

Salmón coho GH + varios promotores

Mayor crecimiento

Estados Unidos

Productor de calcitonina de salmón

Producción de calcitonina para controlar la pérdida de calcio de los huesos

Reino Unido

Mayor crecimiento y eficiencia

Estados Unidos, Canadá

Conejo

gene trucha arcoiris

AFP + Salmón Chinook GH

alimenticia Salmón

Gen del lisosoma de la trucha

Resistencia a enfermedades;

arcoíris y pleurocidina de la platija

todavía en desarrollo

Estados Unidos, Canadá

gene *Fresas y

AFP

Mayor tolerancia al frío

Reino Unido, Canadá

Resistencia a enfermedades; todavía en las

Estados Unidos

patatas lubina rayada

genes de insectos

primeras etapas de la investigación

tilapia

AFP + Salmón Chinook GH

Mayor crecimiento y eficiencia

Canadá, Reino Unido

alimenticia; herencia estable tilapia

Mayor crecimiento y herencia estable.

Cuba

Gen productor de insulina de

Producción de insulina humana para

Canada

tilapia modificado

personas con diabetes.

*Especies no acuícolas pero involucran el uso del gen AFP. Notas: El desarrollo de organismos transgénicos requiere la inserción del gen de interés y un promotor, que es el interruptor que controla la expresión del gen. AFP, gen de la proteína anticongelante (platija del Ártico); GH, gen de la hormona del crecimiento.

283

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Capítulo 10 Biotecnología acuática

todavía esperando la aprobación de la FDA, y sin recaudar dinero adicional, a la compañía le quedaban relativamente pocos fondos operativos para continuar con su trabajo. Tomó más de 20 años recibir la aprobación de la FDA para el salmón AquAdvantage a pesar de que los datos indican que no hay diferencia en el valor nutricional, la apariencia o el sabor de estos pescados en comparación con el salmón salvaje. En 2010, la FDA concluyó que el salmón AquAdvantage era seguro para comer, pero la FDA finalmente no otorgó la aprobación hasta 2015. Una de las principales razones de la demora en tomar una decisión de aprobación fue una evaluación de riesgos sobre los posibles impactos ambientales de estos salmones si escapaban. y criados con peces salvajes. Aqua Bounty dice que todos estos salmones transgénicos son hembras y aproximadamente el 99,8 por ciento de ellos son triploides estériles (consulte la discusión sobre triploides que comienza en la página siguiente). Estos peces también se crían en corrales interiores aislados de cuerpos de agua naturales. En 2016, el salmón AquAdvantage fue aprobado como el primer animal GM para la venta en Canadá. En 2004, Yorktown Technologies de Austin, Texas, llegó a los titulares de noticias populares cuando anunciaron que habían creado GloFish®, una cepa transgénica de

TÚ DECIDES

pez cebra que contiene el gen de la proteína fluorescente roja de las anémonas de mar. Cuando la luz ultravioleta ilumina GloFish, emiten una fluorescencia de color rosa brillante; se anunciaron como la primera mascota genéticamente modificada vendida en los Estados Unidos. Yorktown ha ampliado su línea de productos para incluir versiones modificadas genéticamente de otros peces de acuario populares, como tetras y barbos, y el uso de otros transgenes para producir peces con fluorescencia amarilla, verde, roja, azul o púrpura. Aunque este pez se desarrolló originalmente para detectar contaminantes ambientales, un tema que presentamos en el Capítulo 9, varios grupos antibiotecnológicos continúan expresando sus protestas sobre este novedoso uso de la ingeniería genética. Se han creado varias especies acuáticas poliploides . Los poliploides son organismos con un mayor número de conjuntos completos de cromosomas. La mayoría de los animales y las plantas son diploides (abreviado 2n, donde n = número de cromosomas), lo que significa que tienen dos juegos de cromosomas en sus células somáticas y un número único o haploide (n) de cromosomas en sus gametos. En humanos, el número haploide de cromosomas es 23; por lo tanto, el número diploide de cromosomas en células somáticas humanas es 46 (2n = 46).

Salmón transgénico para consumo humano: ¿seguro o no?

En 2013, la FDA aprobó el salmón Aqu

Canadá y una instalación de acuicultura en Panamá. Si

Advantage® como el primer animal GM para

AquaBounty necesita ampliar las instalaciones o desarrollar nuevas

consumo humano. Dado que AquaBounty Technologies gastó más de

instalaciones para aumentar la producción y cumplir con las

$67 millones para desarrollar estos salmones, necesitará generar

expectativas de ventas, debe obtener el permiso de la FDA. Cuando

ventas significativas para finalmente convertirse en una empresa

Introducción a la biotecnología estaba a punto de imprimirse, la FDA

rentable. Visite el sitio web de Aqua Bounty Technologies (http://

otorgó permiso para criar salmón AquAdvantage en una instalación en

aquabounty.com/) para revisar las descripciones de la compañía de la

tierra cerca de Albany, Indiana. ¿Esta expansión aumentará el riesgo

ciencia detrás de estos pescados y su seguridad como fuente de

de que el salmón AquAdvantage pueda escapar a la naturaleza? ¿Qué

alimento.

factores cree que la FDA debería considerar para determinar si la

Estados como Alaska y Oregón, que exportan salmón

empresa puede o no expandir sus instalaciones de producción?

silvestre, intentaron bloquear la aprobación de estos peces transgénicos. La cadena internacional de supermercados Whole Foods no venderá salmón AquAdvantage. Las madres en los Estados Unidos

A/F Protein, Inc. ha solicitado la aprobación de la FDA para comercializar pescado transgénico que contenga genes AFP, pero

compran alrededor del 85 por ciento de los alimentos que consumen

ninguna otra empresa está buscando la aprobación de la FDA para la

las familias estadounidenses. ¿AquaBounty necesita comercializar su

venta de pescado transgénico para consumo humano.

salmón de manera efectiva a las madres en los Estados Unidos para

¿La aprobación del salmón AquAdvantage por parte de la FDA

que este pescado se convierta en un producto alimenticio exitoso? La

animará a otras empresas a buscar la aprobación o el largo proceso

FDA determinó que el salmón AquAdvantage es tan seguro y nutritivo como el salmón del Atlántico no transgénico. Debido a que los datos

de aprobación desanimará a otras empresas a seguir adelante?

del análisis de estos salmones determinaron que no son diferentes del

producción de pescado transgénico para consumo humano. ¿Podrían

salmón del Atlántico no modificado genéticamente, la FDA determinó

estos países convertirse en líderes de los que Estados Unidos

que no se requiere un etiquetado adicional de alimentos de salmón

eventualmente dependa para importar especies GM?

Países como India y China están invirtiendo fuertemente en la

AquAdvantage. ¿Deberían etiquetarse como transgénicos los alimentos derivados de estos salmones? ¿Por qué o por qué no? Como condición para la aprobación de la FDA, AquaBounty se limitó inicialmente a fabricar su salmón en dos lugares: un sitio de producción de huevos en la Isla del Príncipe Eduardo,

Aquí planteamos muchas preguntas a considerar sobre Salmón AquAdvantage, una aplicación histórica de la biotecnología. ¿Comerías salmón AquAdvantage? Tú decides.

Machine Translated by Google 10.3 Tecnologías genéticas y organismos acuáticos

Número diploide normal (2n) de cromosomas en una célula somática 1

2

3

4

Número haploide (n) de cromosomas en un gameto (óvulo o espermatozoide)

Las células poliploides contienen tres o más conjuntos de cromosomas. triploide (3n)

285

triploides implica fertilizar un óvulo haploide normal con dos espermatozoides (Figura 10.10b). El embrión resultante es un triploide que contiene un conjunto de cromosomas del óvulo y un conjunto de cada uno de los dos espermatozoides diferentes. La poliploidía generalmente influye en los rasgos de crecimiento de un organismo. Como aprendiste en el Capítulo 6, muchas frutas que consumimos, como los plátanos y las fresas, son poliploides. Los triploides suelen crecer más rápidamente, en la mayoría de las especies entre un 30 y un 50 por ciento más rápido y son más grandes que sus contrapartes diploides normales. Pero la mayoría de los triploides son estériles porque producen gametos con un número anormal de cromosomas. En algunos casos, los triploides pueden no producir gametos. Una de las primeras cepas de peces triploides ampliamente utilizadas fue la carpa herbívora triploide (Ctenopharyngodon idella; Figura 10.11a). La carpa herbívora tiene un apetito voraz por muchos tipos de vegetación acuática. A principios de la década de 1960, el

tetraploide (4n)

Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU. importó carpas herbívoras diploides, que son nativas de Malasia. A principios de la década de 1980, la carpa herbívora triploide se desarrolló sometiendo a huevos a cambios de temperatura para crear huevos diploides y

FIGURA 10.9 Las especies poliploides tienen variaciones en juegos completos de cromosomas Las células somáticas de muchas células animales y vegetales tienen un número diploide (2n) de cromosomas, mientras que los gametos tienen un solo juego o número haploide (n) de cromosomas. Se muestran los cromosomas de un organismo con un 2n de ocho cromosomas. Los poliploides contienen tres o más conjuntos de cromosomas. Aunque se pueden crear organismos tetraploides (4n) y pentaploides (5n), la gran mayoría de las especies poliploides marinas son triploides (3n).

fertilizando estos huevos con esperma haploide normal. Los triploides crecen rápidamente y pueden exceder las 25 libras. Debido a su capacidad para consumir grandes cantidades de vegetación, la carpa herbívora se volvió muy popular para controlar el crecimiento de malezas acuáticas en estanques y lagos de agua dulce en todo Estados Unidos. La carpa herbívora Trip loid se convirtió instantáneamente en un favorito entre los administradores de estanques y lagos, quienes podían sembrar estos peces en los lagos como una forma “natural” de controlar el crecimiento de malezas, minimizando la necesidad de usar grandes dosis de herbicidas químicos (Figura 10.11b).

La figura 10.9 es una representación simple de las diferencias entre especies haploides, diploides y poliploides.

La mayoría de las especies acuáticas poliploides creadas hasta la fecha son triploides. Los organismos triploides contienen tres juegos de cromosomas (3n). Se pueden usar varias técnicas diferentes para crear triploides. Los triploides generalmente se obtienen al someter los huevos de peces a un cambio de temperatura o tratamiento químico para interferir con la división de las células del huevo. Los óvulos tratados de esta manera maduran con un conjunto extra de cromosomas. Por ejemplo, el tratamiento de los huevos con colchicina, una sustancia química derivada de la flor del azafrán (Colchicum autum nale), es un método común para crear poliploides (figura 10.10a). La colchicina bloquea la división celular al interferir con la formación de microtúbulos necesarios para la división celular. Como resultado, los cromosomas se replican en los óvulos tratados, pero estas células son incapaces de dividirse. Por lo tanto, estos óvulos tienen un número diploide de cromosomas, el doble de los cromosomas que se encuentran normalmente en los gametos. La fertilización de tal óvulo por un espermatozoide haploide normal da como resultado un organismo triploide. Otro enfoque para producir

Sin embargo, no todo el mundo ha estado encantado con la carpa herbívora triploide. En algunas vías fluviales, debido a la superpoblación de carpas herbívoras (las carpas herbívoras tienen pocos depredadores naturales), han sido tan efectivas para abrirse camino a través de la vegetación acuática que la calidad del agua ha cambiado sustancialmente. La drástica disminución de las malezas utilizadas como hábitat por muchos peces deportivos, como la trucha y la lubina, ha llevado a una disminución de la pesca en aguas que antes eran productivas. Además, muchos triploides se han escapado a las aguas adyacentes a su cuerpo de almacenamiento original, lo que ha provocado la pérdida de vegetación en áreas como pantanos y lagos naturales que originalmente no estaban destinados al control de malezas. Finalmente, también se ha documentado la reproducción de estos peces presum Otra historia exitosa de poliploidía involucra a la ostra trip loid, a la que se atribuye la reactivación de una industria decreciente de ostras en la costa oeste. La producción de ostras es estacional porque está fuertemente influenciada por el clima, los patrones de reproducción y el hábitat. El desarrollo de una cepa triploide de la ostra del Pacífico no solo ha proporcionado la recolección durante todo el año, sino que las ostras triploides crecen considerablemente más que sus diploides.

Machine Translated by Google 286

Capítulo 10 Biotecnología acuática

(a) Tratamiento químico para interrumpir el movimiento cromosómico diploide 2n 5 4

(b) Fertilización múltiple n huevo

n esperma 1) Durante la meiosis I, los cromosomas fallan para segregar apropiadamente, produciendo un

Meiosis I

1) Un óvulo haploide normal es

gameto sin cromosomas y uno con 2n cromosomas.

fecundado por dos espermatozoides normales.

haploide

Meiosis II

2) El individuo triploide resultante tiene dos cromosomas del óvulo más 2) Después de su segunda división meiótica, el gameto 2n se fusiona con un

cuatro cromosomas más donados por 3n triploide

los dos espermatozoides.

gameto normal, produciendo un individuo triploide.

+ 2n huevo n esperma

3n triploide

FIGURA 10.10 Producción de un triploide (a) Los óvulos pueden tratarse químicamente para bloquear el movimiento cromosómico durante la división celular para producir óvulos diploides. (b) Cuando estos óvulos son fertilizados por un espermatozoide haploide normal, se produce descendencia triploide. También se puede crear un triploide mediante la fertilización de un óvulo haploide normal por dos espermatozoides haploides normales. (a)

(b)

primos (Figura 10.12). Los diploides normalmente almacenan azúcares en sus tejidos y luego se adelgazan en el verano mientras gastan energía para desovar. Las ostras magras no son deseables para la venta en el mercado. Debido a que los triploides no se reproducen, engordan durante todo el verano, lo que los prepara para el mercado. Recientemente, los científicos han desarrollado nuevos enfoques para producir moluscos tetraploides, incluidos los abulones, las almejas, las ostras, las vieiras y los mejillones. En el futuro, estos poliploides pueden estar ampliamente disponibles para el consumo humano. En la siguiente sección, le presentamos algunas de las formas valiosas en que los organismos acuáticos se utilizan para importantes aplicaciones médicas.

10.4 Aplicaciones médicas de la biotecnología acuática

FIGURA 10.11 Carpa herbívora triploide (a) La carpa herbívora triploide crece rápidamente y puede consumir grandes cantidades de vegetación acuática, de ahí su uso para el control de malezas en lagos de agua dulce. (b) Observe que el signo aquí indica que estos triploides se presumen estériles.

Se han derivado relativamente pocos productos médicos de organismos acuáticos, pero esto está cambiando rápidamente. Los científicos acuáticos creen que los océanos y los hábitats de agua dulce poseen oportunidades casi ilimitadas para la identificación de nuevos medicamentos. Nuevo y efectivo

Machine Translated by Google 10.4 Aplicaciones médicas de la biotecnología acuática

287

FIGURA 10.12 Las ostras triploides han revivido las pesquerías de ostras del Pacífico Una ostra triploide (derecha) crece más que su contraparte diploide (izquierda) y muestra mayor resistencia a las enferm

ya se han derivado medicamentos de organismos acuáticos y se han utilizado para beneficio humano, y las especies marinas también se están

los efectos a largo plazo en la salud del estrógeno son una preocupación. Otros individuos son tratados con calcitonina recombinante humana ,

utilizando como organismos modelo biomédicos para comprender,

una hormona tiroidea que estimula la absorción de calcio y la calcificación

diagnosticar y tratar enfermedades humanas.

ósea e inhibe las células que digieren los huesos llamadas osteoclastos. Los investigadores han descubierto que algunas especies de salmón

Bioprospección para aislar medicamentos del mar

producen una forma de calcitonina con una bioactividad 20 veces mayor que la de la calcitonina humana. Las formas clonadas de calcitonina de salmón ahora están disponibles para su administración en forma de

Un gran número de especies marinas contienen o se sospecha que

inyección y aerosol nasal.

contienen compuestos de interés biomédico, incluidos antibióticos, moléculas antivirales, compuestos anticancerígenos e insecticidas. Estas especies incluyen esponjas de mar, miembros del filo Cnidaria (hidras,

Los exquisitos patrones de los arrecifes de coral de todo el mundo son creados por los esqueletos de los corales. Estas estructuras consisten

medusas, anémonas de mar y una variedad de corales), miembros del filo

parcialmente en hidroxiapatita (HA),

Mollusca (caracoles, ostras, almejas, pulpos y calamares) y tiburones,

un componente importante de la matriz que constituye el hueso y el

entre muchos otros. otros. La riqueza de organismos bajo estudio es

cartílago en los animales, incluidos los humanos. Las empresas de

amplia e impresionante. La bioprospección, la búsqueda de productos

biotecnología han desarrollado una tecnología que permite que los

potencialmente valiosos (como medicamentos) de especies vegetales y

implantes de HA se corten en pequeños cubos y se utilicen para rellenar

animales, en especies acuáticas está en curso en todo el mundo. Ha

huecos en huesos fracturados. Los cubos finalmente son invadidos por

habido varias aplicaciones exitosas hasta la fecha, particularmente de

células de tejido conectivo local que aceleran la reparación. Como

organismos marinos, y tenemos muchas razones para ser optimistas de

resultado, los pacientes evitan la necesidad de injertos óseos derivados

que las aguas del mundo continuarán brindando tratamientos médicos

de otras partes de sus cuerpos.

novedosos en el futuro. Consideremos algunas aplicaciones médicas

Estos implantes también pueden servir para rellenar el material óseo perdido alrededor de la raíz de un diente.

actuales y potenciales de productos acuáticos.

Se han identificado varios adhesivos en resinas pegajosas producidas por mejillones y otros mariscos. Los mejillones (Mytilus edulis) son un plato favorito en muchos restaurantes La osteoporosis, una afección caracterizada por una pérdida

de mariscos. Estos moluscos de caparazón articulado viven en entornos

progresiva de masa ósea, crea huesos porosos y quebradizos que pueden

físicamente exigentes. Por lo general, se adhieren a rocas o pilotes en los

provocar fracturas de caderas, piernas y articulaciones, lo que dificulta

bordes de océanos y bahías. Día tras día, los mejillones son golpeados

gravemente el estilo de vida de una persona. Más del 90 por ciento de los

por las olas.

aproximadamente 25 millones de estadounidenses afectados por la

Se secan durante las mareas bajas y luego, cuando la marea sube, se

osteoporosis son mujeres. Un tratamiento común para la osteoporosis es

sumergen nuevamente y son golpeados por las olas.

la terapia con estrógenos. Este medicamento es ineficaz para muchas

¿Cómo mantienen su contacto con las rocas y otras estructuras sin ser

mujeres, y el

aplastados o arrancados de la

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Capítulo 10 Biotecnología acuática

Fibras bisales

fuente potencial de bioadhesivos. De manera similar, en 2017, investigadores de Harvard anunciaron el desarrollo de bioadhesivos súper fuertes que se unen a los tejidos derivados de Dusky Arion (Arion fuscus), una babosa que se encuentra en Europa y los Estados Unidos. Esta babosa libera una mucosidad adhesiva que le permite adherirse a las superficies. Los ensayos con tejidos de cerdos y ratas han demostrado que los adhesivos contra babosas mantienen su fuerza tanto en aplicaciones húmedas como secas para unir la piel, el cartílago, el corazón y otros tejidos durante varias semanas.

FIGURA 10.13 Los mejillones producen adhesivos únicos Los mejillones y otros mariscos se adhieren firmemente a las rocas y otras superficies al producir un tipo único de adhesivo llamado fibra bisal. Las fibras bisales son notablemente fuertes. Pueden soportar tremendas fuerzas físicas como las creadas por las olas en el agua donde viven los mejillones.

rocas? La respuesta se encuentra en una forma única de superadhesivo rico en proteínas llamado fibra bisal (Figura 10.13). Las fibras bisales son varias veces más duras y más extensibles que los tendones humanos, que a su vez son más

Una amplia categoría de medicamentos del mar incluye varios medicamentos exitosos y abarca compuestos antiinflamatorios, analgésicos (analgésicos) y anticancerígenos, así como tratamientos para el asma y la artritis. La tabla 10.4 enumera ejemplos recientes de compuestos médicos aislados de organismos acuáticos. Desde 1969, la FDA ha aprobado seis medicamentos basados en organismos marinos. El primer producto, la citarabina (Cytosar-U), derivado de una esponja marina que vive cerca del Caribe, ha sido ampliamente utilizado para el tratamiento de ciertas formas de leucemia y linfoma. Se han aislado más de una docena de compuestos anticancerígenos diferentes de invertebrados marinos, en particular esponjas marinas, tunicados y moluscos. Muchos de estos compuestos se encuentran en varias etapas de ensayos clínicos que idealmente conducirán a medicamentos nuevos y efectivos en el mercado. Varios grupos de investigadores están estudiando criaturas marinas venenosas con la esperanza de identificar sustancias que puedan usarse para tratar trastornos del sistema nervioso.

Por ejemplo, los caracoles cónicos marinos, una especie potencialmente letal, producen conotoxinas, moléculas duros que el acero. Las propiedades elásticas adhesivas y venenosas que pueden atacar receptores de neurotransmisores amortiguadoras de las fibras bisales absorben energía y se específicos en el sistema nervioso. En 2004, la FDA aprobó el estiran cuando las olas arrastran los mejillones. Aunque sería fármaco Prialt, una conotoxina peptídica purificada del caracol prohibitivo aislar las fibras bisales de los mejillones directamente cono marino Conus magus por la Corporación Elan de Irlanda. (se necesitarían casi 10 000 mejillones para 1 gramo de Mil veces más potentes que la morfina, las conotoxinas como adhesivo), los científicos están utilizando técnicas de ADN Prialt representan una nueva y prometedora fuente de recombinante para expresar genes de fibras bisales en bacterias neurotoxinas con la capacidad de actuar como fuertes y levaduras para fabricar bioadhesivos a partir de fibras bisales. analgésicos al bloquear las vías neuronales que transmiten proteínas a gran escala. Además, debido a que la composición mensajes de dolor al cerebro. Aún siendo el único fármaco de aminoácidos y la organización estructural de las fibras derivado del veneno aprobado, Prialt se ha utilizado con éxito bisales ahora se conocen bastante bien (aunque la forma en para tratar formas crónicas y graves de dolor, como el dolor de que las fibras se ensamblan con los mejillones sigue siendo un espalda. Otras toxinas producidas por caracoles cono que son misterio), se han producido pegamentos adhesivos a partir de parientes cercanos de C. magus se encuentran actualmente la síntesis química de los componentes de la proteína de la en ensayos clínicos. Solo en los caracoles de cono, puede fibra bissal. Se están considerando e implementando adhesivos haber miles de medicamentos potenciales para explorar. ¡Se basados en proteínas de fibra bisal para una variedad de ha estimado que se ha estudiado menos del 0,1 por ciento del aplicaciones diversas, desde llantas de automóviles hasta proteoma del veneno de los caracoles cónicos (estimado en ~100.000 péptidos zapatos, pegamento para madera contrachapada, estrategias En 2010, Halaven, derivado de una esponja marina, de reparación de huesos y dientes, armaduras corporales fue aprobado por la FDA para el tratamiento del cáncer de blandas para soldados, suturas quirúrgicas y sellado de metastásico. Halaven funciona como una incisiones, y tendones y ligamentos artificiales para ser utilizados comomama injertos.

También se está estudiando como

quimioterapia al interrumpir el alargamiento y acortamiento de los microtúbulos, lo que interfiere con la división celular. En 2015, Yon delis, un fármaco antitumoral aislado de la ascidia

Machine Translated by Google 10.4 Aplicaciones médicas de la biotecnología acuática

TABLA 10.4

289

Ejemplos de compuestos médicos de organismos acuáticos

Organismo

Producto medico

Solicitud

Rana de garras africana (Xenopus laevis)

Se paciente

Péptidos antimicrobianos descubiertos por primera vez en la piel de rana. Se utiliza para tratar infecciones bacterianas.

Salmón coho (Oncorhynchus kisutch)

calcitonina

Hormona que estimula la captación de calcio por las células óseas. Se utiliza para tratar la osteoporosis.

Tiburón martillo (Sphyrna lewini)

Neovastato (AE-941)

Sanguijuela (Leech medicinalis)

Hirudin

Compuesto antiangiogénico (bloquea la formación de vasos sanguíneos). Se utiliza para tratar el cáncer. Péptido de saliva de sanguijuelas utilizado como anticoagulante para diluir la sangre.

Caracol cono marino (Conus magus)

Prialt (ziconotida)

Toxina peptídica sintética utilizada como analgésico para tratar el dolor crónico intenso y la artritis.

Anémona de mar (Stichodactyla helianthus)

Toxina de Stichodactyla

Péptido que bloquea los canales de potasio; aplicaciones potenciales para el tratamiento de enfermedades autoinmunes, incluida la esclerosis múltiple.

Esponja de mar (Halichondria okadai)

Halaven (mesilato de eribulina)

Chorro de mar (Ecteinascidia turbinata)

Yondelis (trabectedina)

Compuesto de quimioterapia para el tratamiento del cáncer de mama metastásico. Agente antitumoral desarrollado para el tratamiento del sarcoma de tejidos blandos avanzado.

Nota: Las marcas (comerciales) de los medicamentos se muestran en la tabla con los nombres químicos entre paréntesis, según corresponda.

Ecteinascidia turbinata, fue aprobado por la FDA para el tratamiento de sarcomas de tejidos blandos (en tejido adiposo y músculo liso) que son metastásicos o que no se pueden extirpar mediante cirugía. Yondelis también está en ensayos clínicos para el tratamiento del cáncer de próstata, mama y ovario. Este fármaco se une al surco menor del ADN e inhibe la división celular al bloquear la transcripción y las proteínas de reparación del ADN. Otros investigadores están desarrollando sistemas de cultivo para proporcionar suministros adecuados de organismos marinos como el plancton unicelular llamado dinoflagelados, que contienen componentes útiles en el tratamiento de tumores y cánceres. Se ha demostrado que un invertebrado marino llamado Bugula neritina contiene cantidades diminutas de un compuesto que es activo contra ciertos tipos de leucemia. Debido a que se necesitarán grandes cantidades de este compuesto para estudios en humanos, las técnicas de clonación molecular serán importantes si este compuesto se va a producir en cantidades masivas. De manera similar, el pez globo japonés, o pez globo (Fugu rubripes), ha recibido mucha atención durante varias décadas (Figura 10.14). Fugu es famoso por su capacidad para tragar agua y “hincharse” cuando se siente amenazado y para producir una potente toxina de las células nerviosas llamada tetrodotoxina (TTX). El TTX es uno de los venenos más tóxicos jamás descubiertos (casi 10 000 veces más letal que el cianuro). Hollywood ha representado a menudo

Fugu en las películas, mostrando su capacidad para producir su toxina mortal. En Japón, el fugu es un manjar preciado y muy caro para muchos amantes del sushi que disfrutan de la calidad de este sabroso pescado a pesar del riesgo (comer fugu mata a casi 100 personas, la mayoría en Japón, cada año).

FIGURA 10.14 Organismos marinos como el pez globo están ayudando a los científicos a descubrir nuevas formas de tratar el cáncer y el dolor crónico en humanos

Machine Translated by Google 290

Capítulo 10 Biotecnología acuática

Los científicos han utilizado TTX para desarrollar una mayor

fibra dietética. Del mismo modo, la quitina y el quitosano también

comprensión de cómo las proteínas llamadas canales de sodio

son fuentes de fibra. Comer verduras y frutas para obtener fibra es

ayudan a las neuronas a producir impulsos eléctricos. TTX es un

mucho más fácil para el tracto digestivo que comer caparazones de

veneno mortal porque bloquea los canales de sodio e impide la

cangrejo. No obstante, los extractos molidos de caparazón de

transmisión de impulsos nerviosos. La comprensión de cómo afecta

cangrejo se pueden comprar en forma de polvo en muchas tiendas

la TTX a los canales de sodio ha llevado al desarrollo de nuevos fármacos que se están probando no solo como anestésicos para

de nutrición. Muchas cremas para la piel y lentes de contacto también contienen quitina, y la quitina se ha utilizado para crear

tratar a pacientes con diferentes tipos de dolor crónico, sino también

puntos solubles no alergénicos que parecen estimular la cicatrización

como agentes anticancerígenos en humanos. El genoma de Fugu

cuando los cirujanos los colocan en humanos.

contiene casi la misma cantidad de genes que el de los humanos, pero es mucho más pequeño (390 Mb). Debido a que tiene mucho

esperamos que ahora comprenda mejor las aplicaciones médicas

A partir de los ejemplos que presentamos en esta sección,

menos ADN no codificante (intrones) que el genoma humano,

de los organismos acuáticos que se lograron o se lograrán a través

algunos científicos lo consideran un organismo modelo ideal para

de la biotecnología.

estudiar la importancia de los intrones. Un esteroide llamado escualamina, que se identificó por

10.5 Productos no médicos

primera vez en los tiburones pez perro (Squalus acanthias), parece ser un potente agente antifúngico que puede usarse para tratar infecciones fúngicas potencialmente mortales que pueden matar a

Para apreciar aún más el potencial biotecnológico de las aguas de nuestro mundo, ahora consideramos una serie de productos no

pacientes con enfermedades como el SIDA y el cáncer. Los

médicos derivados de organismos acuáticos, desde reactivos de

tiburones rara vez desarrollan cáncer (aunque es un mito que los

investigación hasta complementos alimenticios, que han tenido un

tiburones no desarrollan cáncer), y el cartílago de tiburón se ha

impacto en la industria biotecnológica. Concluimos esta sección

propuesto como una rica fuente de agentes anticancerígenos.

analizando la biomasa y el bioprocesamiento como nuevas

Aunque ningún compuesto del cartílago de tiburón ha demostrado

aplicaciones potenciales en el futuro.

eficacia en ensayos clínicos controlados, los extractos de cartílago de tiburón poseen compuestos antiangiogénicos y los extractos de cartílago se encuentran en varias etapas de ensayos clínicos. La

Un popurrí de productos

angiogénesis, o la formación de vasos sanguíneos, es un proceso

Hemos discutido la importancia de la polimerasa Taq , aislada de

que a menudo se requiere para el crecimiento y desarrollo de

la archaebacterium Thermus aquaticus, encontrada en aguas

muchos tipos de tumores. Al bloquear la formación de vasos

termales, que permitió el desarrollo de la PCR como una poderosa

sanguíneos, los compuestos antiangiogénicos derivados de

herramienta en biología molecular (Capítulo 3). El océano también

ha demostrado ser una excelente fuente de enzimas y otros especies marinas son prometedores para inhibir el crecimiento de ciertos tumores. Además, debido a que muchos organismos acuáticos viven en ambientes hostiles, los científicos son optimistas de que podemos

productos que han jugado un papel importante en la investigación básica y aplicada. Por ejemplo, las bacterias que viven cerca de los

aprender de las adaptaciones que estos organismos han

respiraderos hidrotermales (géiseres de agua caliente en el fondo

desarrollado. Por ejemplo, actualmente los investigadores están

del océano) han producido una segunda generación de enzimas

estudiando organismos marinos que muestran tolerancia a la luz

termoestables para su uso en PCR y enzimas modificadoras de

ultravioleta; estos pueden llegar a ser una fuente de protectores

ADN, incluidas ligasas y enzimas de restricción.

solares naturales. Como otro ejemplo, las heridas de los caimanes son notablemente resistentes a las infecciones, a pesar de que los

Otras enzimas producidas por bacterias marinas poseen una

caimanes nadan en aguas infestadas de microbios. Los científicos

variedad de propiedades interesantes que pueden resultar en

han descubierto que los caimanes producen péptidos antimicrobianos

importantes aplicaciones en el futuro. Algunas enzimas son resistentes a la sal, lo que las hace ideales para los procedimientos

capaces de matar microbios como el MRSA (Staphylococcus aureus resistente a la meticilina, responsable de alrededor del 70 por ciento de las infecciones letales en los hospitales), que se han vuelto inmunes a los antibióticos modernos. Incluso los caparazones de cangrejo desechados de la

de escalamiento industrial que involucran soluciones con alto contenido de sal. Hemos discutido el papel de la bacteria bioluminiscente Vibrio harveyi en la detección de la contaminación ambiental (Capítulo 5). Las especies marinas de Vibrio producen una serie de proteasas,

industria comercial de cangrejos desempeñan un papel en las

incluidas varias únicas que son resistentes a los detergentes

aplicaciones médicas de la biotecnología acuática. El esqueleto

utilizados en muchos procesos de fabricación. Como resultado,

externo, o exoesqueleto, de los miembros del phylum Arthropoda—

estas proteasas resistentes a los detergentes pueden tener

que incluye cangrejos, langostas, camarones, insectos y arañas—

aplicaciones potenciales para degradar proteínas en procesos de

es una rica fuente de quitina y quitosano. Estos carbohidratos

limpieza, incluido su uso en detergentes para ropa para eliminar

complejos son estructuralmente similares a la celulosa, que forma

manchas de proteínas en la ropa. Vibrio también es una buena

la capa exterior resistente de la pared celular de las plantas. La

fuente de colagenasa, una proteasa utilizada en el cultivo de

celulosa es ampliamente conocida como una fuente de

tejidos. Cuando

Machine Translated by Google 10.6 Aplicaciones ambientales de la biotecnología acuática

Los científicos están buscando cultivar células en cultivo, como células hepáticas, pueden usar colagenasa para digerir los tejidos conectivos

291

Los científicos también están investigando posibles formas de utilizar el plancton como "células de combustible" submarinas. El plancton

que mantienen unidas a las células para que las células individuales

en la superficie del agua libera energía a medida que realiza la

puedan dispersarse en placas de cultivo celular.

fotosíntesis, mientras que el plancton que se encuentra más cerca del

Otro producto es la carragenina, un ingrediente común en alimentos

sedimento en el fondo del océano (donde hay menos oxígeno) usa otras

en conserva, pasta de dientes y cosméticos. Este polisacárido rico en

reacciones para generar energía. Como resultado, este plancton crea un

sulfato, extraído de algas rojas, se ha utilizado durante más de 60 años. Existe una gran familia de polisacáridos de carragenina. Tienen la

gradiente de voltaje natural desde la superficie hasta el fondo del océano que se puede aprovechar para producir una fuente indefinida de

capacidad de formar geles de diferentes densidades a diferentes

electricidad. En el futuro, el océano puede convertirse en un recurso

temperaturas. Como resultado, las carrageninas se han utilizado como

valioso para el suministro de energía. Por último, los científicos están

agentes espesantes y para mejorar la forma en que los alimentos se

explorando formas en las que la biomasa de algas marinas puede usarse

“sienten” en la boca cuando los comemos. Algunas de las aplicaciones más comunes de las carrageninas incluyen su uso como agentes

de invernadero en la tierra.

para aumentar la absorción de dióxido de carbono y disminuir los efectos

estabilizadores y de volumen en goma de mascar, leche con chocolate, cervezas y vino, helados, aderezos para ensaladas, jarabes, salsas, fiambres procesados, adhesivos, textiles, abrillantadores y cientos de otros productos.

Una bacteria llamada Prochlorococcus es la célula fotosintéticamente activa más pequeña pero más abundante en el océano que se ha descubierto hasta la fecha. ¡Algunos estiman que este diminuto microbio representa aproximadamente el 5 por ciento de la fotosíntesis global! Diferentes cepas de Prochloroccocus tienen un estimado de 80.000

Filipinas es el mayor productor mundial de algas rojas (Rhodophyta),

genes. ¿Qué podemos aprender de Prochlorococcus que podría ser

de las que se derivan muchas carra geenans. Las algas rojas también

importante para reducir la contaminación de carbono en el medio

son apreciadas por su uso en nori, un producto de algas marinas finas

ambiente y aumentar la producción de oxígeno? Manténganse al tanto.

como el papel que se usa para envolver sushi. Las mejoras en el cultivo de algas marinas han permitido aumentar la producción de otros

Los científicos marinos están explorando formas en las que el

polímeros de algas, incluidos el agar y la agarosa, que se utilizan,

procesamiento biológico puede involucrar productos marinos para

respectivamente, para fabricar geles de agar para sembrar bacterias y

producir un producto biológico como una proteína recombinante.

crear geles de agarosa para electroforesis (Capítulo 3).

Las algas pueden ser potencialmente muy valiosas para expresar proteínas recombinantes. Los investigadores han descubierto que pueden producir una gran cantidad de proteínas, como anticuerpos, en las algas

Aplicaciones de biomasa acuática y bioprocesamiento

marinas porque se pueden cultivar a gran escala. Los biólogos marinos están explorando cómo se pueden usar los organismos marinos para sintetizar una variedad de polímeros y otros biomateriales, que pueden

Un área emergente de la biotecnología acuática implica la exploración

encontrar un lugar en los procesos de fabricación industrial. Por ejemplo,

de la biomasa marina. Una estera de hierbas acuáticas de algas

como alternativas no tóxicas y biodegradables a los materiales utilizados

representa biomasa, al igual que un banco de peces. Como sabes, las

actualmente, las proteínas de la concha de ostra se están considerando

plantas son responsables de la producción de oxígeno a través del

como aditivos en detergentes y otros disolventes.

proceso de fotosíntesis, en el que el dióxido de carbono y el agua se convierten en carbohidratos y oxígeno. Las plantas marinas (incluidas las algas, los pastos y el plancton) usan la fotosíntesis para capturar y

Concluimos este capítulo discutiendo cómo se está considerando

convertir una enorme cantidad de energía (casi el 30 por ciento de toda

el uso de organismos acuáticos en aplicaciones para limpiar el medio

la energía producida en el mundo) del sol en energía química. ¿Se puede

ambiente.

aprovechar la energía química de dicha biomasa?

Los científicos están examinando formas en las que las algas y las

10.6 Aplicaciones ambientales de la biotecnología acuática

plantas acuáticas pueden usarse para producir combustibles alternativos. Puede ser posible aprovechar las capacidades biosintéticas rápidas de

Desafortunadamente, los océanos del mundo han servido durante mucho

las algas marinas, con su capacidad para producir en masa hidrocarburos

tiempo como vertederos de los desechos de la humanidad y la

y lípidos en cantidades extraordinarias, para proporcionar fuentes

industrialización, y se ha prestado muy poca atención al efecto de la

alternativas de materiales que normalmente tienen un costo prohibitivo

contaminación en las poblaciones de peces, los organismos marinos y el

para producir o aislar de ellos. materiales naturales. De manera similar,

medio ambiente. Claramente, los océanos no tienen una capacidad

puede ser posible convertir biomasa marina como algas marinas en combustibles como etanol.

infinita para aceptar productos de desecho sin consecuencias, y estamos viendo los resultados de esto como humedales y otros ambientes estuarinos, que son

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Capítulo 10 Biotecnología acuática

hábitats críticos para el desove de muchas especies marinas y el crecimiento de organismos marinos jóvenes—muestran signos de deterioro severo debido a la contaminación y el impacto humano. En esta sección, consideramos cómo se pueden usar los organismos acuáticos para controlar, detectar y ayudar a limpiar la contaminación en los entornos en los que viven.

Sin embargo, la biopelícula no es un problema exclusivamente marino. La biopelícula se produce en las tuberías de su hogar, en los lentes de contacto y en la boca. Las bacterias que recubren los dientes y se adhieren a las prótesis y los dispositivos quirúrgicos implantados son ejemplos de biopelícula. Aunque cepillarse los dientes con regularidad minimiza la formación de biopelículas en la boca, estos remedios simples no están disponibles para los ambientes marinos.

La biopelícula puede crear problemas significativos. La unión de organismos marinos al casco de un barco puede aumentar en La biopelícula, también llamada bioincrustación, se refiere a la gran medida la resistencia del barco a medida que se desplaza por unión de organismos a las superficies. Estas superficies incluyen el agua, lo que ralentiza el tiempo de viaje y reduce la eficiencia cascos de barcos, revestimientos interiores de tuberías, paredes del combustible. Una acumulación progresiva de biopelículas de cemento y pilotes utilizados alrededor de muelles, puentes y edificios. puede obstruir las tuberías, bloquear los sistemas de filtración y La biopelícula también ocurre en las superficies de los organismos toma de agua de los barcos y corroer las superficies metálicas. Además, la colonización de superficies con invertebrados y marinos, especialmente en los mariscos. Si ha pasado algún

Agentes antiincrustantes

tiempo en muelles y embarcaderos ubicados en ambientes marinos, sin duda habrá visto los efectos de la biopelícula en las estructuras que están en el agua. En ambientes marinos, los percebes, las algas, los mejillones, las almejas y las bacterias se encuentran entre los organismos más comunes responsables de la biopelícula (Figura 10.15). Como sugiere el término biofilmación , estos organismos literalmente crecen para crear una capa, o por lo general múltiples capas, que crean una "película" sobre las superficies a las que se adhieren.

moluscos crea una bioincrustación “dura” que es difícil y costosa de eliminar (Figura 10.15). Tradicionalmente, la mayoría de los agentes antiincrustantes han empleado productos químicos tóxicos como pinturas ricas en cobre y mercurio para minimizar el crecimiento de organismos incrustantes. Sin embargo, los metales que se filtran de estas pinturas pueden contribuir a la contaminación ambiental. Como resultado, los investigadores están investigando los mecanismos naturales que utilizan muchos organismos para evitar la bioincrustación en sus propias superficies. Si la biopelícula es un problema tanto para las superficies fabricadas como para las superficies de los organismos marinos, ¿cómo minimizan las almejas, los mejillones e incluso las tortugas la biopelícula y, por lo tanto, evitan que sus caparazones queden completamente cerrados por los organismos de biopelícula? Los científicos están utilizando técnicas moleculares para encontrar la respuesta. Algunos organismos producen sustancias repelentes, mientras que otros parecen producir moléculas que bloquean la adhesión de los organismos que forman biopelículas (Figura 10.16).

Los pastos marinos marinos, como la hierba marina Zostera marina, y las algas producen compuestos que evitan que las bacterias, los hongos y las algas se adhieran o los neutralizan. La identificación y producción de compuestos antiincrustantes es un área de investigación activa. En el futuro, estos compuestos pueden usarse para producir recubrimientos protectores para cubrir cascos de barcos, equipos de acuicultura y otras superficies susceptibles a la formación de biopelículas.

Biosensores Los científicos están trabajando para explorar el uso de organismos acuáticos como biosensores para detectar bajas concentraciones de contaminantes y toxinas en las vías fluviales. Como aprendió en el Capítulo 5, las cepas bioluminiscentes de bacterias se pueden usar como biosensores. Algunas especies utilizan la bioluminiscencia para iluminar su entorno; otros lo usan para encontrar pareja en FIGURA 10.15 Los invasores no deseados crean biopelículas que tienen graves impactos económicos Los mejillones, los percebes y otros organismos pueden crear biopelículas duras, que se muestran aquí cubriendo una tubería.

las oscuras profundidades del océano. La mayoría de los peces bioluminiscentes de aguas profundas están involucrados en relaciones simbióticas con bacterias bioluminiscentes como Vibrio fischeri.

Machine Translated by Google 10.6 Aplicaciones ambientales de la biotecnología acuática

293

como fenoles y tolueno, productos derivados del petróleo que se encuentran en puertos y junto a plataformas petrolíferas, y metales tóxicos. Una de las primeras técnicas utilizadas en la remediación marina implicó aumentar la cantidad de mariscos en áreas contaminadas. Los científicos introdujeron estantes de mariscos en aguas contaminadas para aprovechar el método de alimentación natural de bivalvos como almejas, ostras y mejillones. Debido a que estos organismos filtran el agua, actúan como una forma de filtros estuarinos para eliminar desechos como compuestos de nitrógeno y sustancias químicas orgánicas. Estos químicos, a su vez, son absorbidos por los tejidos de los mariscos. Después de períodos de tiempo, estos mariscos se pueden recolectar, eliminando así los desechos del agua. Como ejemplo, una prueba reciente con balsas flotantes de mejillones unidas a plataformas ancladas en el

Protector zona

estuario del río Bronx en la ciudad de Nueva York reveló que los animales habían extraído alrededor de 6 kg de nitrógeno del río en un año. Esta es solo una pequeña fracción de la cantidad de contaminación por nitrógeno en el río y los científicos reconocieron que se necesitarían cientos o miles de balsas para tener un impacto significativo en la mejora de la calidad del agua.

FIGURA 10.16 Muchos organismos marinos tienen mecanismos antiincrustantes naturales Muchos organismos marinos estacionarios liberan sustancias químicas defensivas para crear una zona protectora (indicada por la banda de color oscuro alrededor de este coral marino) a su alrededor. Estos productos químicos pueden disuadir a los microorganismos incrustantes y proteger al organismo de los depredadores.

La contaminación por metales pesados de las aguas marinas es el resultado de muchos procesos de fabricación industrial. Como solución a este problema, los científicos han aislado bacterias marinas que oxidan metales como el hierro, el manganeso, el níquel y el cobalto. Algunas de estas bacterias también se pueden utilizar para extraer metales importantes de minerales de baja ley. Además, algunas bacterias marinas y algas unicelulares expresan metalotioneínas, una

V. fischeri y otras cepas bioluminiscentes (como V. harveyi) expresan

familia de proteínas de unión a metales. Estas especies prosperan en

genes lux , que codifican la enzima emisora de luz luciferasa. En respuesta

agua contaminada con cadmio y otros metales pesados, donde literalmente

a las condiciones ambientales cambiantes, la intensidad de la luz emitida

absorben el cadmio del ambiente circundante y luego degradan los

por los organismos Vibrio puede cambiar. Debido a esta capacidad, las

metales tóxicos en subproductos inofensivos. Los científicos están

bacterias Vibrio se han utilizado como biosensores para detectar

buscando formas de utilizar estos organismos para extraer, recuperar y

contaminantes tales como productos químicos orgánicos y compuestos

reciclar metales importantes y costosos como el oro y la plata de los

que contienen nitrógeno en ambientes marinos.

procesos de fabricación.

Algunos organismos marinos no solo son útiles para detectar contaminantes ambientales, sino que también se cree que muchas especies marinas poseen vías metabólicas para degradar una variedad de sustancias tanto naturales como fabricadas. Gran parte de la investigación se dedica a caracterizar las vías bioquímicas involucradas en los procesos degradativos para determinar cómo se pueden usar los

Mediante el uso de organismos acuáticos o sus productos, es posible estimular la degradación de desechos en ambientes naturales o en biorreactores sembrados con estos organismos de la misma manera que las plantas de tratamiento de aguas residuales dependen de bacterias para degradar los desechos fecales.

organismos marinos para remediar o limpiar el medio ambiente de una

Por ejemplo, los microbiólogos del USDA han experimentado con el

variedad de sustancias peligrosas que ingresan a los ambientes marinos.

cultivo de algas metabolizadoras de nitrógeno en grandes esteras, llamadas depuradores, para que puedan usarse como filtros naturales. Estos depuradores funcionan como filtros de carbón en un acuario, ya

Remediación Ambiental

que unen los desechos nitrogenados. El agua contaminada con desechos de animales de granja pasa por los depuradores y las algas absorben y metabolizan los desechos. Estos desechos proporcionan nutrientes para

En el Capítulo 9, discutimos cómo los microorganismos nativos o las

las algas, que se convierten en gruesas esteras. Las algas se cosechan

cepas modificadas genéticamente pueden usarse para degradar

periódicamente cortándolas, pero se les permite volver a crecer como la

sustancias químicas a través de la biorremediación. Los organismos

hierba. El agua limpiada de esta manera se ha utilizado para riego, y

marinos también poseen mecanismos únicos para descomponer

algunos de los

sustancias, incluidas las sustancias químicas orgánicas tóxicas.

Machine Translated by Google 294

Capítulo 10 Biotecnología acuática

las algas recolectadas incluso se han utilizado como alimento para el ganado. Se han realizado experimentos similares en Florida usando jacintos de agua para limpiar agua rica en fósforo, nitrógeno y otros nutrientes.

HACER UNA DIFERENCIA Durante el comienzo de la primavera y el verano a lo largo de muchas playas de la costa este de los Estados Unidos, una escena común se ha repetido durante siglos. Un gran número de cangrejos herradura (Limulus polyphemus) invaden las bahías poco profundas para aparearse. Los cangrejos herradura precedieron a los dinosaurios en la tierra. En cierto modo, estos "fósiles vivientes" han cambiado muy poco desde su aparición inicial hace más de 300 millones de años. L. polyphemus fue uno de los primeros organismos marinos que se utilizó con éxito para aplicaciones médicas. A principios de la década de 1950, se descubrió que la sangre de Limulus contiene células que matan bacterias. A partir de esta simple observación, se desarrolló una aplicación médica muy poderosa de la biotecnología marina. La prueba de lisado de amebocitos de limulus (LAL) es un extracto de células sanguíneas (amebocitos) del cangrejo que se utiliza para detectar endotoxinas bacterianas. Las endotoxinas, también llamadas lipopolisacáridos, forman parte de la pared celular externa de muchas bacterias, como Escherichia coli y Salmo nella. Las endotoxinas pueden causar la muerte instantánea de muchas células. En los seres humanos, la exposición a las endotoxinas de ciertas bacterias puede provocar síntomas leves que van desde dolor en las articulaciones, inflamación y fiebre hasta afecciones más graves, como un derrame cerebral. Ciertas endotoxinas pueden ser letales. Los investigadores descubrieron que la sangre de cangrejo herradura

coagularía cuando se expusiera a E. coli entera oa endotoxinas purificadas. Más tarde determinaron que los amebocitos, que son similares a los glóbulos blancos humanos, en la sangre del cangrejo herradura

Los cangrejos herradura (Limulus polyphemus) son una fuente de glóbulos para una prueba importante que se usa para garantizar que los alimentos y los productos médicos estén libres de contaminantes dañinos.

podrían lisarse, centrifugarse y liofilizarse para crear un lisado que pueda usarse en una prueba LAL. La prueba LAL, un ensayo rápido y muy

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES

efectivo para endotoxinas en muestras de sangre y fluidos humanos, también se usa para garantizar que las endotoxinas no estén presentes en medicamentos biotecnológicos como las proteínas terapéuticas recombinantes. También se utiliza para detectar bacterias en la leche cruda y la carne de res. Además, muchas empresas médicas y hospitales utilizan la prueba LAL para asegurarse de que los instrumentos quirúrgicos, las agujas que se utilizan para extraer sangre y líquido cefalorraquídeo y los dispositivos implantados, como los marcapasos, estén libres de endotoxinas. Los amebocitos se recolectan de los cangrejos, que luego se liberan. La destrucción del hábitat de anidación de los cangrejos, la depredación y la recolección están reduciendo la población de Limulus, lo que genera preocupación sobre la sostenibilidad a largo plazo de esta especie. Pero sin duda, la prueba LAL es un ejemplo destacado del poder de la biotecnología acuática para beneficiar a la humanidad, y ha "marcado la

Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

1. Proporcione ejemplos de especies de peces y mariscos que son importantes para la acuicultura. 2. Crear una lista de beneficios y problemas asociados con la acuicultura. 3. En este capítulo, nos enfocamos principalmente en las aplicaciones de la biotecnología acuática que benefician a los humanos. Pero muchos biotecnólogos acuáticos también están interesados en usar la biotecnología para mejorar las poblaciones nativas de organismos acuáticos (peces o mariscos) en todo el mundo. Sugiera al menos tres formas en que se puede utilizar la biotecnología para restaurar las poblaciones de peces.

diferencia" al garantizar la seguridad de los productos médicos que se administran a millones de humanos, mascotas, animales de granja y otros.

4. Existe la preocupación de que la acuicultura consume cantidades excesivas de peces de cebo silvestre. Describir las ventajas y desventajas potenciales de cambiar los peces de piscifactoría

Machine Translated by Google Preguntas y actividades

desde pescado de cebo hasta dietas basadas en vegetales.

295

decidió que no era necesario regular el GloFish? Describa las

Realice una búsqueda en Internet para descubrir ejemplos

posibles razones por las que Glo Fish es tan controvertido.

recientes de debates y discusiones sobre este tema.

¿Cuáles podrían ser algunas de las principales preocupaciones

5. ¿Qué es la "contaminación de los peces" y por qué es una preocupación para la industria de la acuicultura?

6. La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) produce un informe anual llamado El estado mundial de la pesca y la acuicultura, que es el recurso clave para datos, estadísticas y tendencias

sobre este pez? 12. Visite el sitio web de Yorktown Technologies (www .glofish.com) para obtener más información sobre GloFish y los diferentes productos que ha creado la empresa. ¿Revisar el sitio web cambió su forma de pensar sobre si apoya o no este uso de la biotecnología? Explica tu respuesta.

sobre la pesca y la acuicultura nativas. Vaya a la página de inicio de la FAO (http://www.fao.org/about/en/) y utilice la herramienta de búsqueda para buscar la versión más actual del informe, que estará disponible en formato pdf. Revise el informe

13. ¿Qué propiedades de un organismo acuático podrían resultar atractivas para los biotecnólogos acuáticos interesados en la bioprospección de nuevos compuestos para aplicaciones médicas?

para examinar las tendencias en la producción de pescado, examine las tablas de producción de productos del mar que muestran peces capturados en la naturaleza (agua salada y agua dulce) y criados en granjas, y las tendencias de producción acuícola por países a nivel mundial, junto con cualquier otro tema

14. Describe un ejemplo de un medicamento derivado de un organismo acuático. En su respuesta, asegúrese de mencionar el organismo de origen y la aplicación médica de la droga.

de interés para tú. 7. Hace unos años, una enfermedad diezmó un gran número de truchas que se criaban en acuicultura en un criadero de Nueva Jersey. Para obtener más información sobre esto, visite http:// www.njfishandwildlife.com/fishhealth_ hatcheries.htm, luego responda las siguientes preguntas: ¿Para qué se criaron estas truchas? ¿Qué enfermedad y organismo

15. Acceda al sitio web Marinebiotech.org desde el sitio web complementario. Use la pestaña Recursos para obtener más información sobre docenas de compuestos derivados de organismos marinos. Este sitio también es un buen recurso para muchos temas de biotecnología marina. 16. Realice una búsqueda en Internet para obtener más información sobre

estaba involucrado y de dónde se originó? ¿Qué impacto tuvo

las fibras bisales producidas por los mejillones. A partir de su

esta enfermedad en la población de truchas en el criadero? ¿Cómo

búsqueda, vea si puede identificar el aminoácido raro presente en

afectó este incidente a las aplicaciones relacionadas con estas

las proteínas de fibra bisal y explique cómo las propiedades químicas

truchas?

de este aminoácido ayudan a los mejillones a unirse a las superficies, aunque los cationes (cargas positivas) en el agua salada interfieren

8. Describa las diferencias entre los peces transgénicos y los triploides y discuta cómo se puede crear cada tipo de pez GM.

con la adhesión. 17. ¿Qué son las biopelículas? Dé ejemplos de biopelículas en ambientes acuáticos así como en humanos. ¿Cómo se pueden usar los

9. El salmón AquAdvantage® es un pionero en biotecnología. ¿Por qué? ¿Qué es este salmón y qué lo hace único y controvertido?

organismos acuáticos para ayudar a los científicos a combatir la biopelícula? 18. ¿Cómo podrían usarse los organismos acuáticos para la mediación biológica?

10. Sugerir formas de evaluar el riesgo de las especies marinas modificadas genéticamente. Considere esto desde el punto de vista de los riesgos asociados con el consumo de especies GM, así como los riesgos asociados con la introducción de estas especies en ambientes naturales.

11. El GloFish® ha sido comercializado como la primera mascota

19. ¿Qué es el lisado de amebocitos de limulus (LAL)?

¿prueba? Describa brevemente cómo funciona y sus usos. 20. Describa el aspecto más interesante de los acuáticos .

biotecnología que aprendiste en este capítulo. ¿Qué tema elegiste? ¿Por qué te pareció interesante?

genéticamente modificada del mundo. Aunque el GloFish no fue diseñado para el consumo humano, muchos grupos diferentes (incluidos los científicos) han expresado su gran preocupación en contra de este uso de animales transgénicos. Según Yorktown Tech nologies, la empresa que produjo el GloFish, la Agencia de Protección Ambiental (EPA), el USDA, el Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU. y la FDA afirmaron que no había necesidad de que ninguna de estas agencias regulara o aprobara la venta del GloFish. ¿Por qué cree que las agencias federales

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

Machine Translated by Google 296

Capítulo 10 Biotecnología acuática

Este estudio de caso se ha incluido para brindarle la oportunidad de familiarizarse con un ejemplo de investigación aplicable a este campo de estudio. Una vez que haya analizado los datos y respondido las preguntas, puede compararlas con las proporcionadas a su instructor con los materiales de texto.

CASO DE ESTUDIO Huida masiva de peces pone en peligro nueva granja de salmón Preguntas salmón escapó de un redil cerca de Cypress Island en el estado de E nWashington agosto de 2017, 300ÿ000 atlánticos haciamás ríos de y vías fluviales locales.criados en granjas Este escape generó preocupaciones significativas sobre el impacto

Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com 1. ¿A qué evento relacionado con el clima se le atribuyó la

de los peces de cultivo en las poblaciones de salmón nativo. Los

¿Escapar? ¿Crees que hay alguna manera de prevenir por

funcionarios estatales alentaron a los lugareños a capturar la mayor

completo este tipo de problema nuevamente en el futuro?

cantidad posible de estos peces. Los funcionarios tribales de la Nación Lummi de nativos americanos declararon el estado de emergencia. Visite https://www.npr.org/sections/thesalt/2017/

2. Se alentó a los lugareños a cosechar la mayor cantidad cultivada salmón posible, pero ¿cómo distinguiría la gente el salmón del Atlántico cultivado del salmón nativo del Pacífico?

24/08/545619525/environmental-nightmare-after miles-ofatlantic-salmon-escape-fish-farm para obtener más información sobre este escape y responder las siguientes preguntas.

3. Basado en lo que has aprendido sobre estos salmón de piscifactoría, ¿existe alguna forma clara de distinguirlo genéticamente del salmón salvaje? 4. La empresa con sede en Canadá Cooke Aquaculture proponía construir 14 nuevos corrales de red flotante en la zona cercana al Estrecho de Juan de Fuca. ¿Cómo ha afectado este escape a los planes de Cooke?

Machine Translated by Google

CAPÍTULO ONCE

Biotecnología Médica Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿ Apreciar y explicar por qué los organismos modelo son importantes para la biotecnología médica. ÿ Describir diferentes técnicas para

detectar anomalías cromosómicas y pruebas genéticas, y comprender cómo estos enfoques ayudan a los científicos y médicos a diagnosticar enfermedades. ÿ Explicar los impactos potenciales de la genómica personal en las pruebas genéticas. ÿ Comprender qué es la medicina de precisión y describir ejemplos específicos que incluyen farmacogenómica, nanotecnología y otros. ÿ Discutir cómo se pueden usar los anticuerpos monoclonales y la inmunoterapia para tratar enfermedades. ÿ Comprender el propósito de los genes

terapia, diferentes estrategias de terapia y La medicina personalizada es uno de los objetivos de la biotecnología médica.

reconocer las limitaciones de la terapia génica.

ÿ Describir cómo la edición del genoma proporciona estrategias nuevas y prometedoras para la terapia génica. ÿ Definir la medicina regenerativa y proporcionar ejemplos de cómo se pueden utilizar el trasplante de células y tejidos y la ingeniería de tejidos con fines terapéuticos.

ÿ Comprender qué son las células madre,

sus fuentes, y proporcionar ejemplos de posibles terapias con células madre. ÿ Comparar y contrastar la clonación terapéutica y reproductiva, y considerar las cuestiones éticas asociadas con las aplicaciones y la clonación de células madre.

297

Machine Translated by Google 298

Capítulo 11 Biotecnología médica

mayor optimismo y debate que la biotecnología

ÿ La inmunoterapia ha producido algunos resultados notables en el

No hay temaAplicaciones en biotecnología que provoque médica. de la bio médica

tratamiento de ciertos tipos de cáncer. ¿Estarán estos enfoques a la

La tecnología ha existido durante décadas. Por ejemplo, hace 100 años, las sanguijuelas se usaban comúnmente para tratar enfermedades mediante la llamada sangría. Algunos médicos creían que al usar sanguijuelas para chupar la sangre de un paciente, se eliminaban las enfermedades del cuerpo. Desde entonces, por supuesto, se han desarrollado formas mucho mejores de tratar enfermedades gracias a la biotecnología. Es un momento emocionante para aprender sobre biotecnología médica porque los avances en este campo se están produciendo a un ritmo alucinante. Sin embargo, incluso la sanguijuela está recibiendo atención nuevamente, no por la sangría sino por las enzimas que se encuentran en su saliva que pueden disolver los

altura de las expectativas? ÿ ¿Qué nuevos tratamientos surgirán de la medicina regenerativa y la capacidad de modificar células, tejidos y órganos?

ÿ ¿Avanzarán las técnicas de terapia génica para convertirse más opciones de rutina para el tratamiento de enfermedades genéticas? ¿Tendrá la edición del genoma el impacto que se prevé que tendrá en el avance significativo de los enfoques exitosos de la terapia génica?

ÿ ¿Serán las células madre confiables, seguras y asequibles? opciones para el tratamiento de la enfermedad?

coágulos de sangre y posiblemente usarse para tratar derrames cerebrales y ataques cardíacos.

La biotecnología médica incorpora muchos temas que ya hemos comentado. Desde el diagnóstico de trastornos genéticos hasta el desarrollo de nuevos medicamentos, la terapia génica, incluida la edición del genoma, las células madre y la clonación, las posibilidades de la biotecnología médica son extraordinarias pero también éticamente desafiantes para muchas personas, incluidos los científicos. En este capítulo, consideramos una amplia gama de diferentes aplicaciones de la biotecnología médica y discutimos muchos impactos potenciales de esta área tan emocionante. Comenzamos brindando una descripción general de cómo se pueden usar las técnicas de biología molecular para detectar y diagnosticar enfermedades, y consideramos diferentes aplicaciones innovadoras de la medicina de precisión. Luego presentamos una introducción a la terapia génica antes de discutir la medicina regenerativa. El capítulo concluye examinando las células madre y sus posibles aplicaciones.

PRONÓSTICO DEL FUTURO Sin duda, la biotecnología médica es una de las disciplinas de la biotecnología que más rápidamente cambia, y las posibilidades de afectar positivamente la vida humana son asombrosas. Debido a la gama de diferentes tecnologías que se están desarrollando y las nuevas aplicaciones en biotecnología médica, es un desafío predecir cuáles serán los próximos descubrimientos importantes en el futuro. En este “pronóstico”, planteamos varias preguntas que se encuentran entre los principales desafíos que enfrentan los biotecnólogos médicos.

ÿ ¿En qué medida la genómica personalizada y la secuenciación de genomas individuales afectará el diagnóstico y tratamiento de enfermedades en el futuro? ÿ Qué nuevos medicamentos y tratamientos resultarán de nuestra comprensión del genoma y el epigenoma?

ÿ ¿Qué funciones desempeñarán las nanotecnologías para detectar y tratar enfermedades?

11.1 Modelos animales de enfermedades humanas

Muchas de las aplicaciones que aprenderá en este capítulo son posibles gracias a los organismos modelo. Como aprendió en el Capítulo 7, en particular, los ratones, las ratas, los pollos, las levaduras, los gusanos, las moscas e incluso el pez cebra, un pez común en los acuarios domésticos, han desempeñado un papel esencial para ayudar a los científicos a estudiar la genética humana. Los organismos modelo son de vital importancia para los científicos, en parte, porque no podemos manipular la genética humana con fines experimentales. Por supuesto, es poco ético e ilegal obligar a los humanos a reproducirse oa eliminar sus genes para aprender cómo funcionan. Sin embargo, estos enfoques se utilizan ampliamente para estudiar genes en organismos mode Nos consideramos incomparables con otras especies, no solo por nuestra capacidad de comunicarnos a través del habla y la escritura, sino también por caminar erguidos, crear música, hacer una buena pizza y explorar planetas distantes. Pero no somos realmente únicos a nivel genético. Desde levaduras y gusanos hasta ratones, compartimos una gran cantidad de genes con otros organismos, y también se producen varias enfermedades genéticas humanas en organismos modelo. Muchos genes importantes están altamente conservados de una especie a otra. Si identificamos genes clave en organismos modelo, podemos formular hipótesis y hacer predicciones sobre cómo estos genes pueden funcionar en humanos. Por lo tanto, los científicos pueden usar organismos modelo para identificar genes de enfermedades y probar la terapia génica y los enfoques terapéuticos basados en fármacos para evaluar su eficacia y seguridad en estudios preclínicos antes de usarlos para ensayos clínicos en hum Se ha demostrado que muchos genes identificados en diferentes organismos modelo están relacionados con genes humanos basándose en la similitud de la secuencia de ADN. Estos genes relacionados se denominan homólogos. Un gen que se cree que desempeña un papel en la enfermedad humana puede eliminarse en organismos modelo mediante la inactivación del gen o la edición del genoma. Los efectos sobre el organismo se pueden estudiar para apr

Machine Translated by Google 11.2 Detección y diagnóstico de enfermedades humanas

299

condiciones se encuentran en la mosca de la fruta. Este grupo incluye los genes implicados en el cáncer de próstata, el cáncer de páncreas, la fibrosis quística, la leucemia y muchos otros trastornos genéticos humanos. La enfermedad cardíaca es otro ejemplo de una condición que los científicos están estudiando en organismos modelo. Casi 1 millón de personas mueren cada año en los Estados Unidos a causa de enfermedades del corazón. Y, como hemos discutido a lo largo de este libro, el uso de aplicaciones de edición del genoma tales como Repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas/proteínas asociadas a CRISPR (CRISPR-Cas) es una herramienta importante para editar genes en organismos modelo para estudiar diferentes enfermedades. Esta área de investigación está progresando muy rápidamente. A modo de ejemplo, los investigadores han utilizado la inactivación de genes para desarrollar FIGURA 11.1 Ratones obesos Los organismos modelo son valiosos para aprender sobre los genes de enfermedades humanas. El ratón de la izquierda ha sido modificado genéticamente mediante la inactivación del gen para que carezca del gen de la leptina (Lep), que produce una hormona proteica llamada leptina, de la palabra griega leptos, que significa "delgado". El ratón knockout Lep pesa casi cinco veces más que su hermano normal (derecha).

"ratones con ataque al corazón" deficientes en ciertos genes necesarios para el metabolismo del colesterol. Estos ratones tienen niveles elevados de colesterol en la sangre similares a los que ocurren en la ateroesclerosis (endurecimiento de las arterias) para que puedan usarse para probar terapias para combatir enfermedades del corazón.

sobre las funciones del gen. Por ejemplo, los científicos descubrieron que los ratones pueden volverse obesos si carecen de un solo gen llamado Lep (Figura 11.1). Lep codifica una hormona proteínica llamada leptina, que es producida por las células grasas (adipocitos) y viaja a través del

11.2 Detección y diagnóstico de enfermedades humanas

torrente sanguíneo hasta el cerebro para regular el hambre, esencialmente diciéndole al cerebro cuando el cuerpo está lleno. El posterior

Gracias al Proyecto del Genoma Humano y los avances relacionados con

descubrimiento de un homólogo humano para la leptina ha dado lugar a

la genómica, los investigadores han progresado rápidamente en la

nuevas áreas de investigación que proporcionan información sobre el

identificación de genes implicados en enfermedades genéticas y en el

metabolismo de las grasas en los seres humanos y la genética que influye

desarrollo de técnicas poderosas para detectar enfermedades genéticas

en los trastornos del peso. Algunas enfermedades infantiles de la obesidad

humanas. Esta es una de las áreas de la biotecnología médica que

se ven afectadas por la mutación del gen LEP humano. Niños

cambia más rápidamente. Estas tecnologías han tenido un gran impacto

extremadamente obesos en Inglaterra han sido tratados con leptina y han

en el diagnóstico de enfermedades y están revolucionando los tratamientos

respondido muy bien en estudios preliminares.

médicos. Aquí proporcionamos una descripción general de los diferentes enfoques

El Proyecto Genoma Humano y los estudios de genómica

para detectar y diagnosticar enfermedades humanas.

comparativa han demostrado claramente que compartimos una gran cantidad de genes con otros organismos. ¿Puedes creer que compartes

Biomarcadores para la detección de enfermedades

aproximadamente el 50 por ciento de tus genes con las molestas moscas de la fruta que traes a casa con la fruta del supermercado? Puede parecer

En teoría, con las herramientas de diagnóstico adecuadas, es posible

difícil de creer que solo se necesita el doble de genes para hacer un ser

detectar casi todas las enfermedades en una etapa temprana.

humano que una mosca de la fruta. Y las plantas, como el arroz, tienen

Para muchas enfermedades, como el cáncer, la detección temprana es

incluso más genes que nosotros. Compartimos casi el 40 por ciento de

fundamental para proporcionar el mejor tratamiento y mejorar las

nuestros genes con los gusanos redondos y el 31 por ciento de nuestros

probabilidades de supervivencia. Un enfoque de detección es buscar biomarcadores como indicadores de enfermedad. Los biomarcadores

genes con la levadura, la misma levadura que usamos para ayudar a que el pan crezca y fermente las bebidas alcohólicas. Compartimos aún más

suelen ser proteínas producidas por tejido enfermo o proteínas cuya

genes con ratones; aproximadamente el 90 por ciento de nuestros genes

producción aumenta cuando un tejido funciona de manera anormal.

son similares en estructura y función.

Muchos biomarcadores se liberan en los fluidos corporales, como la sangre y la orina, como producto del daño celular, liberados por células

Muchos genes que determinan nuestro plan corporal, el desarrollo

muertas y moribundas, como las células que experimentan apoptosis. Por

de órganos y, finalmente, nuestro envejecimiento y muerte son

ejemplo, una proteína llamada antígeno prostático específico (PSA,

prácticamente idénticos a los genes de las moscas de la fruta. Además,

por sus siglas en inglés) se libera en el torrente sanguíneo cuando la

los genes mutados que se sabe que provocan enfermedades en los seres

próstata está inflamada, y los niveles elevados pueden ser un marcador

humanos también provocan enfermedades en las moscas de la fruta.

de inflamación de la próstata e incluso de cáncer de próstata.

Aproximadamente el 61 por ciento de los genes mutaron en 289 enfermedades humanas

Machine Translated by Google 300

Capítulo 11 Biotecnología médica

Un área de gran interés para el desarrollo de biomarcadores es

todos los cromosomas humanos. La figura 11.2 muestra mapas de

identificar indicadores de lesiones cerebrales traumáticas como las

cromosomas simplificados, destacando uno o dos genes prominentes en

conmociones cerebrales. Como sabrá, ha surgido preocupación acerca de

cada cromosoma que se sabe que están involucrados en enfermedades

los efectos a largo plazo de las conmociones cerebrales en atletas como

genéticas humanas.

los jugadores de fútbol, lo que ha revelado una afección cerebral degenerativa llamada encefalopatía traumática crónica (ETC). Actualmente,

El Proyecto Genoma Humano también condujo al desarrollo de varios proyectos de seguimiento, como el Proyecto Atlas del Genoma

la CTE solo se puede detectar mediante el análisis del cerebro después

del Cáncer (TCGA), un esfuerzo integral para identificar los cambios

de que una persona haya muerto, por lo que un biomarcador de CTE sería

genómicos involucrados en una variedad de tipos de cáncer diferentes.

valioso para diagnosticar esta enfermedad y para tratar potencialmente a

Los científicos están particularmente interesados en los cambios genéticos

las personas que muestran los efectos de la CTE.

que hacen que las células normales se conviertan en células cancerosas en el cerebro, las glándulas mamarias, los ovarios, el páncreas, el hígado

La detección de genes individuales o patrones de expresión génica

y los pulmones porque los cánceres de estos órganos afectan a un gran

también proporciona a los científicos biomarcadores para enfermedades,

número de estadounidenses.

y muchas empresas de biotecnología participan activamente en la

Como pronto aprenderá, la información de TCGA y otros proyectos de

búsqueda de mejores biomarcadores que puedan usarse para la detección

genómica está teniendo un gran impacto en el diagnóstico y tratamiento

temprana y el diagnóstico de enfermedades. Ahora también se sabe que

del cáncer.

para algunos tipos de cáncer, cuando las células tumorales mueren, liberan ADN (llamado ADN tumoral circulante o ctDNA) en el torrente sanguíneo y, a veces, se pueden detectar fragmentos del genoma de la célula cancerosa mediante la secuenciación del ADN. La investigación aquí es demasiado preliminar para saber si el análisis de

Pruebas genéticas: detección de cromosomas Anomalías y genes defectuosos Las técnicas de biología molecular han demostrado ser extremadamente

ctDNA puede ser una forma precisa y confiable de diagnosticar el cáncer

valiosas para detectar muchas enfermedades genéticas diferentes. Las

lo suficientemente temprano como para ayudar a los pacientes.

pruebas genéticas fueron una de las primeras aplicaciones exitosas de la

Los microarrays de proteínas son otra opción para el diagnóstico

tecnología del ADN recombinante, y actualmente se utilizan cerca de 1000

de enfermedades. Se utilizan de la misma manera que los microarrays de

pruebas genéticas.

ADN. Estos microarrays pueden contener cientos o miles de anticuerpos colocados en un chip.

Cada vez más, los científicos y los médicos pueden examinar directamente el ADN de un individuo en busca de mutaciones asociadas con

De manera similar, los científicos han desarrollado recientemente una

enfermedades. Estas pruebas generalmente detectan alteraciones

forma de detectar autoanticuerpos (anticuerpos producidos contra las

genéticas asociadas con trastornos de un solo gen, como la anemia de

propias células enfermas) en una sola gota de sangre como una forma

células falciformes, la fibrosis quística, la enfermedad de Huntington, la

precisa de predecir la aparición de la enfermedad de Alzheimer y otras

hemofilia y la distrofia muscular. Pero solo alrededor de 3900 genes que

afecciones. Se espera que la detección temprana pueda conducir a nuevos

codifican proteínas (~0.3% del genoma humano) están involucrados en

medicamentos que puedan retrasar o incluso eliminar la progresión de la

trastornos creados por un solo gen. Como aprenderá más adelante en

enfermedad.

esta sección, la secuenciación del ADN se usa cada vez más para

Ya existen dispositivos como Fitbits para monitorear signos vitales como la presión arterial y la frecuencia cardíaca. La investigación avanza rápidamente con teléfonos inteligentes y

proporcionar un análisis integral del genoma para aplicaciones de pruebas genéticas. Las pruebas genéticas se utilizan para el pronóstico y diagnóstico

dispositivos portátiles que pueden usarse para detectar biomarcadores en

prenatal, infantil y adulto de enfermedades genéticas y para identificar

el futuro. Finalmente, investigadores de la Universidad de Harvard y el

enfermedades genéticas en embriones creados por in vitro.

Instituto Tecnológico de Massachusetts han desarrollado tinta para los

fertilización, entre otras aplicaciones. Para las pruebas genéticas de

llamados tatuajes inteligentes que pueden detectar niveles cambiantes de

adultos, se suele utilizar el ADN de los glóbulos blancos. Alternativamente,

biomarcadores como la glucosa. Eventualmente, una tecnología como esta

se pueden realizar muchas pruebas genéticas en el ADN de las células de

puede permitir una forma de monitoreo continuo de las condiciones de la

la mejilla, recolectadas mediante un hisopo dentro de la boca, o en las

enfermedad.

células ciliadas. Algunas pruebas genéticas se pueden llevar a cabo en los gametos.

El Proyecto Genoma Humano Revelado Genes de enfermedades en todos los cromosomas humanos Antes de la finalización del Proyecto Genoma Humano, solo se podían

¿Qué significa que una prueba genética se realice con fines pronósticos y en qué se diferencia de una prueba diagnóstica ? Una prueba de pronóstico predice la probabilidad de que una persona desarrolle un trastorno genético particular.

analizar unas 100 enfermedades genéticas.

Una prueba de diagnóstico para una condición genética identifica una

Ahora hay más de 2.500 enfermedades para las que se dispone de

mutación o cambio genético particular que causa la enfermedad o

pruebas genéticas y se conoce la base molecular de más de 5.500

condición. A veces, una prueba de diagnóstico identifica un gen o una

enfermedades, pero solo existen terapias para alrededor de 500 de estas enfermedades. A través del Proyecto del Genoma Humano, los científicos

mutación asociada con una afección, pero la prueba no podrá determinar si el gen o la mutación es la causa del trastorno o si es una variación

desarrollaron "mapas" complejos que muestran las ubicaciones de los

genética que resulta de la afección.

genes normales y enfermos en

Machine Translated by Google 301

11.2 Detección y diagnóstico de enfermedades humanas

cáncer Una de cada 200 personas

tener este gen; de esos, el 65% es probable desarrollar la enfermedad

1

2

Ataxia espinocerebelosa Destruye los nervios en el cerebro y la médula espinal, resultando en la pérdida del control muscular.

4

3

Fibrosis quística La mucosidad llena los pulmones, interfiriendo con respiración Una de las enfermedades genéticas más prevalentes en los Estados Unidos.

enfermedad de Huntington neurodegenerativo trastorno que tiende a golpear a la gente en su 40 y 50

colon familiar

5

afecta principalmente a las personas de ascendencia africana, en la que los glóbulos rojos se vuelven falciformes las arteriolas y los capilares.

Melanoma maligno Tumores que se originan en la piel.

7

6

retinitis

hemocromatosis

de Gaucher

pigmentosa Progresivo degeneración de la retina

Anormalmente alto absorción de hierro de la dieta

crónica deficiencia

Anemia hereditaria crónica, que

o forman medias lunas, obstruyendo

enfermedad

Una enzima

Anemia drepanocítica

8

9

11

10

exostosis múltiples un trastorno de

endocrino múltiple neoplasia, tipo 2 Tumores en endocrino

cartílago y hueso

glándulas y otros tejidos

12

PKU

Poliposis familiar del colon

(fenilcetonuria) Un error innato de metabolismo que

Crecimientos anormales de tejido

Glaucoma Aumento de la

frecuentemente conduce al cáncer

resultados frecuentes en retraso mental

enfermedad de Parkinson

presión del líquido en el globo ocular, progresiva pérdida de visión

neurodegenerativo trastorno

Distrofia muscular (Duchenne y Becker) tipos) Deterioro progresivo de los músculos

Hipercolesterolemia familiar Extremadamente alto

enfermedad de Tay-Sachs

Amilosis Acumulación en el tejido de un insoluble

Trastorno hereditario fatal que involucra el metabolismo de los lípidos

colesterol Síndrome de Down mental congénito deficiencia marcada por tres copias de cromosoma 21

proteína fibrilar

azoospérmico factor Disminución de espermatozoides

producción o falta de espermatozoides

13

14

15

dieciséis

17

retinoblastoma

Seno

relativamente común tumor del ojo representa el 2% de los tumores malignos

cáncer

infantiles

18

5% a 10% de los casos enfermedad de alzheimer Enfermedad nerviosa

20

Riñón poliquístico

22

XY ALD (adrenoleucodistrofia) Enfermedad nerviosa retratada

Susceptibilidad severa a las infecciones.

en la película El aceite de Lorenzo

amiotrófico

Hemofilia

esclerosis lateral

es difícil controlar la

(Lou Gehrig's

hemorragia

Fabricación de defectos de sangre

con terapia génica

enfermedad

riñones agrandados e insuficiencia renal

21

deficiencia de ADA

Primera condición hereditaria tratada

Quistes que resultan en degenerativa caracterizada por

senilidad prematura

19

Distrofia miotónica forma frecuente de distrofia muscular del adulto

enfermedad) Mortal

neurofibromatosis, enfermedad tipo 2 nerviosa degenerativa Tumores del auditivo nervios y tejidos rodeando el cerebro

FIGURA 11.2 Mapas de genes de enfermedades de cromosomas humanos Los mapas muestran uno o dos genes representativos en cada cromosoma humano que están involucrados en una condición genética. En cada cromosoma hay muchos más genes que los que se muestran en esta figura. Nota: Los cromosomas cromáticos no están dibujados a escala.

Machine Translated by Google 302

Capítulo 11 Biotecnología médica

HERRAMIENTAS DEL OFICIO

Uso de Internet para aprender sobre humanos cromosomas y genes

Hemos discutido la importancia de la bioinformática para analizar información genética y crear bases de datos como herramientas que los científicos de todo el mundo puede usar para compilar, compartir y comparar información de secuencias de ADN. La gran cantidad de bases de datos disponibles gratuitamente que catalogan información sobre los cromosomas y genes humanos resultantes en parte del Proyecto Genoma Humano es un gran ejemplo. Una excelente forma de conocer lo que ha revelado el Proyecto Genoma Humano es revisar algunos de los mapas cromosómicos disponibles en Internet. Por ejemplo, si está interesado en el cromosoma Y, puede revisar los mapas y las descripciones de los genes que se encuentran en él para descubrir por qué este cromosoma es parcialmente responsable de formar humanos masculinos. Le animamos a utilizar los sitios web mencionados aquí y disponibles a través del sitio web complementario para seguir un cromosoma o gen de interés durante unos meses para ver qué tipo de información puede descubrir. Estos sitios son excelentes recursos y se encuentran entre los mejores sitios para aprender sobre genes de enfermedades humanas y mapas cromosómicos. Puede, por ejemplo, usarlos para obtener más información sobre un gen de una enfermedad rara relacionado con una enfermedad que afecta a alguien cercano a usted. Estos sitios presentan información actualizada que no se puede encontrar ni siquiera en los libros más recientes. Si

Hasta hace relativamente poco tiempo, la mayoría de las pruebas

no puede encontrar un gen de interés en estos sitios, ¡probablemente aún no se haya identificado! El sitio de información del Programa del Genoma Humano del Departamento de Energía proporciona excelentes mapas cromáticos de los genes identificados y buena información histórica sobre el Proyecto del Genoma Humano. El sitio Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) es una gran base de datos de genes humanos y trastornos genéticos. En el cuadro de palabras clave, escriba el nombre de un gen o enfermedad que le interese. Por ejemplo, escriba "cáncer de mama" y luego haga clic en el botón de búsqueda. Cuando aparezca la página siguiente, verá una lista de genes implicados en el cáncer de mama, junto con los números de acceso correspondientes resaltados en azul como enlaces. Al hacer clic en uno de los enlaces, accederá a una gran cantidad de información sobre ese gen, incluidos antecedentes, enlaces a artículos científicos sobre el gen, mapas de genes e incluso datos de secuencias de nucleótidos y proteínas (cuando estén disponibles). También puede buscar en este sitio para ver si se ha encontrado un gen para una condición de comportamiento en particular (por ejemplo, alcoholismo o depresión). El Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI, por sus siglas en inglés) patrocina el sitio web de Genomas y Mapas, que le permite acceder a mapas detallados de cromosomas y genes de enfermedades mediante una función llamada Map Viewer.

ser probado en un feto para proporcionar a los padres información

genéticas se realizaban en fetos con el propósito de identificar el sexo

que puede usarse para determinar si desean que el embarazo

de un niño o para detectar una pequeña cantidad de enfermedades

continúe. Si se detecta un defecto, las pruebas genéticas también

genéticas. La mayoría de estos procedimientos involucraron pruebas

brindan información que puede usarse para tratar fetos durante el

de condiciones genéticas que ocurren como resultado de alteraciones

embarazo y después del nacimiento del niño.

en el número de cromosomas o grandes anomalías estructurales de

Entonces, ¿cómo se examina a un feto en desarrollo para

los cromosomas. Si hay problemas con la separación cromosómica

detectar el síndrome de Down? Comúnmente se utilizan dos técnicas

durante la formación de los espermatozoides o los óvulos, es posible

diferentes, la amniocentesis y la muestra de vellosidades coriónicas (CVS).

que el feto contenga cantidades anormales de cromosomas. Uno de

La amniocentesis se realiza cuando el feto en desarrollo tiene

los ejemplos mejor entendidos de un trastorno creado por una

alrededor de 16 semanas de edad. Se inserta una aguja a través del

alteración en el número de cromosomas es el síndrome de Down.

abdomen de la madre en la bolsa de líquido amniótico que rodea y

La mayoría de las personas con esta afección tienen tres copias del

protege al feto (Figura 11.3). Este líquido contiene células que se

cromosoma 21 (trisomía 21). Las personas afectadas muestran una

desprenden del feto, como las células de la piel. Luego, las células aisladas se cultivan durante unos días para aumentar el número de

serie de síntomas, que incluyen deterioro cognitivo, baja estatura y rasgos faciales ensanchados. Las pruebas fetales para el síndrome de Down son bastante

células, después de lo cual las células se tratan para detenerlas en la mitosis y facilitar la visualización de los cromosomas mitóticos, que se extienden sobre un portaobjetos de vidrio. Los cromosomas se tiñen

comunes, particularmente en mujeres embarazadas mayores de 40

con diferentes tintes que se unen a proteínas adheridas al ADN,

años, porque la incidencia del síndrome de Down está relacionada

creando patrones de bandas alternas claras y oscuras en cada

con la edad de los óvulos producidos por la mujer. La trisomía 21 y otras anomalías en el número de cromosomas pueden

cromosoma. Basado en el tamaño de

Machine Translated by Google 11.2 Detección y diagnóstico de enfermedades humanas

Feto coriónico

303

Líquido amniótico retirado

(8–10 semanas)

vellosidades

pared uterina

corion Catéter

Líquido amniótico

Feto (14–16 semanas)

Muestreo de vellosidades coriónicas

Amniocentesis

Flotante

Bioquímico células fetales

pruebas

Varias semanas

Cultivo de células

después Trisomía 21

FIGURA 11.3 Amniocentesis y muestreo de vellosidades coriónicas Las pruebas fetales para anomalías cromosómicas se logran más comúnmente mediante amniocentesis o muestreo de vellosidades coriónicas. Este cariotipo de una persona con síndrome de Down muestra tres copias del cromosoma 21 (trisomía 21).

cada cromosoma y su patrón de bandas, los cromosomas se también contiene fragmentos de ADN del feto en desarrollo. Se pueden alinear en pares. Este procedimiento se llama cariotipo; estima que aproximadamente del 3 al 6 por ciento del ADN en la sangre de una madre embarazada pertenece a su bebé. también se puede utilizar para determinar el sexo de un niño en función de la presencia de los cromosomas sexuales (X e Y) Ahora es posible analizar estos rastros de ADN fetal para (consulte el Capítulo 2). determinar si el bebé tiene ciertos tipos de condiciones genéticas Durante la CVS, se usa un tubo de succión para extraer como el síndrome de Down. Tales pruebas requieren alrededor una pequeña porción de una capa de células llamada vellosidad de una cucharada de sangre. coriónica, tejido fetal que ayuda a formar la placenta (Figura Las pruebas para el análisis genético fetal basadas en 11.3). Una ventaja de CVS sobre la amniocentesis es que se muestras de sangre materna comenzaron a llegar al mercado obtienen suficientes células para que la muestra pueda usarse en 2011. Sequenom de San Diego, California, fue una de las inmediatamente para el cariotipo. Otra ventaja de CVS es que primeras empresas en lanzar una prueba de este tipo: MaterniT® el procedimiento se puede realizar más temprano en el 21 PLUS, una prueba de síndrome de Down que también se embarazo, alrededor de las 8 a 10 semanas. puede usar para detectar trisomía 13 (síndrome de Patau) y Debido a que el feto es tan pequeño en esa etapa, CVS trisomía 18 (síndrome de Edwards). Para el síndrome de Down, MaterniT® 21 PLUS analiza fragmentos de ADN de 36 pares de conlleva un mayor riesgo que la amniocentesis de perturbarlo y bases (bp) para identificar el cromosoma 21 del feto. Sequenom causar un aborto espontáneo (en general, alrededor del 1 por afirma que esta prueba es muy precisa, con una tasa de falsos ciento de los procedimientos de amniocentesis y CVS causan positivos de solo el 0,2 por ciento. La prueba se puede realizar abortos espontáneos). Más adelante discutiremos la a partir de la semana 10 (casi al mismo tiempo que se puede secuenciación de genomas individuales, pero los genomas de varios niños en el útero han sido secuenciados a partir de realizar la muestra de CVS, que es de 4 a 6 semanas antes de muestras de CVS y esto puede convertirse en una técnica de rutina en que el futuro. se pueda realizar la amniocentesis). Otras empresas han seguido el enfoque de Seque nom y se ha estimado que el También se están desarrollando procedimientos de mercado futuro para estas pruebas podría superar los 1.000 diagnóstico genético prenatal no invasivos (NIPD, por sus millones de dólares. Como se analiza más adelante en Usted siglas en inglés) para pruebas prenatales de ADN fetal. Estos decide en la página 307, muchas cuestiones éticas están procedimientos reducen el riesgo para el feto. En el torrente asociadas con las pruebas genéticas. sanguíneo de cada persona circula el ADN que se libera de las células muertas y moribundas de la persona. La sangre de una mujer embarazada.

Machine Translated by Google 304

Capítulo 11 Biotecnología médica

FIGURA 11.4 La FISH se puede usar para detectar defectos cromosómicos (a) La FISH puede detectar la leucemia mielógena crónica, un cáncer de los glóbulos blancos que se crea cuando se intercambian los genes en los cromosomas 9 y 22. (b) Análisis FISH que muestra la sonda del gen BCR que se une al cromosoma 22 (flechas pequeñas), pero también al cromosoma 9 (flechas grandes), lo que sugiere la presencia de una región de homología entre los dos cromos

(a)

Glóbulos blancos de persona con crónico mielógeno leucemia

glóbulos blancos normales

9

22

ABL1

22

9

BCR ABL1

BCR intercambiado

ADN (b)

El cariotipo se realiza fácilmente en adultos para detectar anomalías cromosómicas. Por lo general, se extrae sangre de un adulto y se usan los glóbulos blancos. Una técnica moderna para el cariotipo tanto en fetos como en adultos es la hibridación fluorescente in situ (FISH). En FISH, se prepara una extensión cromosómica en un portaobjetos y luego se hibridan sondas fluorescentes con cada cromosoma. Cada sonda es específica para ciertas secuencias "marcadoras" en cada cromosoma. En algunos casos, FISH se puede realizar con sondas que emiten fluorescencia de diferentes colores, un procedimiento llamado tipificación espectral de cario. FISH es muy útil para identificar cromosomas faltantes y cromosomas extra, pero en particular FISH hace que sea mucho más fácil que el cariotipo convencional para detectar cromosomas defectuosos. Varias enfermedades genéticas humanas debidas a anomalías cromosómicas se producen cuando se elimina una parte de un cromosoma o se cambia una parte del cromosoma de un cromosoma a otro debido a problemas en la replicación cromosómica. Por ejemplo, en un tipo de leucemia (un cáncer de los glóbulos blancos) llamada leucemia mielógena crónica, el ADN se intercambia entre los cromosomas 9 y 22, de modo que los genes del 9

se intercambian en 22 y viceversa (Figura 11.4). Este intercambio, llamado translocación, puede ser detectado por FISH utilizando sondas fluorescentes de diferentes colores para cada cromosoma. Más enfermedades genéticas resultan de mutaciones en genes específicos que de anomalías en el número o la estructura de los cromosomas. Como resultado del Proyecto

Genoma Humano, se han desarrollado técnicas más sofisticadas para detectar genes enfermos individuales tanto en fetos como en adultos. Por ejemplo, el análisis de oligonucleótidos específicos de alelo (ASO) permite la detección de un cambio de un solo nucleótido en un gen. En esta técnica, el ADN se aísla de células humanas, por lo general glóbulos blancos, y luego se amplifica mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) utilizando cebadores que flanquean un gen de la enfermedad de interés. Luego, el ADN amplificado se transfiere a filtros de nylon y se hibrida por separado con dos ASO diferentes como sondas. Los ASO son pequeñas secuencias de oligonucleótidos monocatenarios, generalmente de alrededor de 20 nucleótidos de longitud. Se utiliza un ASO que hibridará con un gen normal y otro para el gen mutante. La figura 11.5 muestra un ejemplo de cómo se puede usar el análisis ASO para detect

Machine Translated by Google 11.2 Detección y diagnóstico de enfermedades humanas

ADN extraído de glóbulos blancos y amplificado por PCR

305

El PGD se utiliza en aproximadamente el 25 % de los casos de FIV. Además, como aprenderá en la siguiente sección, ahora es posible

Codón 6

llevar a cabo la secuenciación del genoma completo (WGS) en células

cebador de PCR

59

39

individuales, y este método se está aplicando para PGD de células individuales de embriones creados por FIV. Con mucho, PGD tiene la

cebador de PCR

Región cubierta por sondas ASO

El ADN se coloca en filtros y se hibridiza. con sonda ASO Genotipos

AA como SS

mayor parte del mercado de pruebas genéticas, y se estima que solo el mercado de PGD tendrá un valor de $ 542 millones para 2022.

En la actualidad, varios cientos de genes defectuosos, incluida la mayoría de los genes implicados en las enfermedades que se indican en la figura 11.2, pueden analizarse en adultos o fetos utilizando muchas de las técnicas que hemos descrito.

Normal (bA) ASO: 59 – CCTCCTGAGGAGAAGTCTGC – 39

Polimorfismos de un sólo nucleótido Genotipos

AA como SS

Mutante (bS) ASO: 59 – CTCCTGTGGAGAAGTCTGC – 39 FIGURA 11.5 Uso de PCR y ASO para detectar el gen de células falciformes Las pruebas ASO son valiosas para detectar mutaciones de un solo nucleótido, como la que causa la anemia de células falciformes (consulte también la Figura 2.18). En este ejemplo, el ADN de los glóbulos blancos se amplifica mediante PCR, se transfiere a una membrana de nailon y se hibrida con sondas ASO marcadas con fluorescencia (la unión de la sonda se muestra como puntos azules). El ASO para el gen de la hemoglobina normal (ßA) se unirá al ADN en el nailon solo si el gen normal está presente; el ASO para el gen de la hemoglobina mutante (ßS) se unirá al gen defectuoso solo si está presente en el nailon. En esta figura, la unión de la sonda está representada por ADN azul de individuos que son homocigóticos para el gen normal (AA) y tienen dos copias del alelo ßA ; su ADN se unirá únicamente al ßA ASO normal. Los individuos que son homocigotos para el gen de la hemoglobina de células falciformes (SS) tienen dos copias del alelo ßS , y su ADN se unirá solo al ßS ASO y no al ßA ASO normal. Los individuos heterocigotos (AS) tienen una copia normal del gen y una copia mutante; como resultado, su ADN se unirá a ambas sondas pero producirá una señal de hibridación más ligera que la de los individuos homocigotos.

Si se compara un segmento de ADN cromosómico de dos personas diferentes mediante secuenciación de ADN, aproximadamente el 99,9 por ciento de la secuencia de ADN será exactamente igual. Uno de los muchos hallazgos intrigantes del Proyecto del Genoma Humano fue el descubrimiento de que los polimorfismos de un solo nucleótido (SNP, pronunciado "snips") representan una de las formas más comunes de variación genética entre los humanos. Los SNP son cambios de un solo nucleótido en las secuencias de ADN que varían de un individuo a otro (consulte la figura 1.15). Se han encontrado SNP en todos los cromosomas humanos. Se ha estimado que los SNP constituyen alrededor del 90 por ciento de la variación genética humana y ocurren aproximadamente cada 100 a 300 pb en el genoma humano. Es menos probable que la mayoría de los SNP tengan un efecto en una célula porque ocurren en regiones no codificantes (intrones) del genoma. Pero cuando un SNP ocurre en una secuencia de genes, puede causar un cambio en la estructura de la proteína que produce una enfermedad o influye en los rasgos de varias maneras, incluida la susceptibilidad a algunos tipos de enfermedades.

Los SNP representan variaciones en las secuencias de ADN que, ocurre cuando una persona tiene dos versiones mutantes del gen de la

en última instancia, pueden influir en la forma en que respondemos al estrés y la enfermedad. El primer SNP que se descubrió que estaba

globina ß. Las copias mutantes de la proteína ß-globina producen una

asociado con una enfermedad fue el de la enfermedad de células

forma anormal de hemoglobina que afecta el tamaño y la forma de los

falciformes. Debido a que los SNP ocurren con frecuencia en todo el

glóbulos rojos, dándoles una apariencia característica de “falz”.

genoma, sirven como valiosos marcadores genéticos para identificar genes relacionados con enfermedades. Los SNP se están utilizando

Una de las principales ventajas de la PCR es su alta sensibilidad para detectar defectos en pequeñas cantidades de ADN. En

para predecir la susceptibilidad a enfermedades como derrames cerebrales, diabetes, cáncer, enfermedades cardíacas, enfermedades

consecuencia, los análisis PCR y ASO, así como FISH, también se

emocionales y del comportamiento, y una serie de otros trastornos con una base genét

utilizan para detectar defectos genéticos en células individuales de

Las empresas farmacéuticas han invertido millones de dólares en

embriones de 8 a 32 células creados mediante fertilización in vitro (FIV)

asociaciones de colaboración entre empresas, instituciones académicas

a través de un enfoque denominado diagnóstico genético

y fundaciones privadas para identificar y catalogar las ubicaciones

preimplantacional (DGP) o diagnóstico genético preimplantacional.

cromosómicas (loci) de los más de 1,4 millones de SNP que están

pruebas genéticas (PGT). A veces se hace referencia al PGD como

presentes en los 3.000 millones de pb del genoma humano y para

selección o evaluación de embriones, porque permite a los padres

comprender las funciones de los SNP en el diagnóstico y tratamiento

detectar ciertas enfermedades genéticas antes de seleccionar un

de enfermedades.

embrión para la implantación. El PGD se ha utilizado durante más de

Como acaba de aprender, el análisis ASO es una forma de detectar

25 años, por lo general cuando existe la preocupación sobre la herencia

SNP, al igual que la secuenciación de ADN, que discutiremos en la Sección 11.3.

de un defecto genético en particular. En los Estados Unidos

Machine Translated by Google 306

Capítulo 11 Biotecnología médica

revelado por fluorescencia (consulte la Figura 3.17). La unión del ADN

Identificación de conjuntos de genes de

de un paciente a una sonda genética en el chip indica que su ADN

enfermedades mediante análisis de micromatrices

Durante más de 20 años, otra técnica clave para las pruebas genéticas han sido los microarreglos de ADN, también llamados chips genéticos (Capítulo 3). Un solo microarreglo puede contener sondas para miles de genes. Los investigadores pueden usar micromatrices para detectar en un paciente un patrón de genes que podrían expresarse en una enfermedad en particular. Como se muestra en la figura 11.6, los datos de micromatrices se pueden usar para predecir el riesgo del paciente de desarrollar una enfermedad en función de los genes expresados por el paciente para la enfermedad. Por ejemplo, se han utilizado micromatrices para identificar diferencias genéticas en pacientes con varios tipos de cáncer, y luego se diseñan estrategias de tratamiento basadas en diferencias sutiles en la expresión de genes

tiene una mutación o SNP particular. Las empresas incluso han desarrollado dispositivos portátiles con chips para obtener información casi instantánea sobre la genética de un paciente. Desde el comienzo de la tecnología de micromatrices, se han planteado preguntas significativas sobre la importancia del control de calidad y las medidas de consistencia en el uso de micromatrices para pruebas genéticas. En respuesta a tales preocupaciones, la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. (FDA, por sus siglas en inglés) inició pautas para micromatrices (y secuenciación de ADN) conocidas como control de calidad de micromatrices (MAQC, por sus siglas en inglés) diseñadas para proporcionar medidas para que la comunidad investigadora evite problemas experimentales que puedan proporcionar resultados inexactos. y para ayudar al público a

causantes de cáncer.

comprender las limitaciones de los datos de microarrays. Para hacer esto, se aísla el ADN o el ARN de una muestra de tejido del paciente: una muestra de sangre o incluso un raspado de las células que recubren las mejillas. El ADN del paciente se marca con tintes fluorescentes y luego se hibrida con el chip. Puntos en el

Aunque los microarreglos han sido valiosos para examinar números de genes o SNP involucrados en enfermedades, cada vez más la secuenciación de ADN (e incluso la secuenciación de ARN) está reemplazando rápidamente el análisis de microarreglos, que en un futuro cercano puede volverse obsoleto para propósitos de pruebas

microarreglo donde se une el ADN del paciente

genéticas.

11.3 Análisis de secuencia de genomas individuales

Investigación y familia de registros

historia

Debido al costo relativamente bajo de la secuenciación rápida y precisa de genomas individuales (lo que llamamos genómica personal), la forma en que los científicos y los médicos evalúan la Proporcionar celular

información genética de una persona está cambiando rápidamente.

muestra

Secuenciación del genoma completo (WGS) se está utilizando en clínicas médicas a un ritmo acelerado. En el futuro, WGS puede convertirse en el método de rutina para casi todas las formas de pruebas genéticas.

Muestra de ADN aislada y aplicada a micromatrices de ADN personalizadas

Recientemente, WGS ha proporcionado nuevos conocimientos sobre la genética de la anorexia, la enfermedad de Alzheimer y el autismo, entre otros trastornos. Ya ha habido algunas historias de éxito muy emocionantes en las que WGS de genomas individuales ha llevado a mejorar el tratamiento de enfermedades en niños y adultos. Aunque la genómica personal se está implementando cada vez más,

Resultados calculados, comunicado

todavía no es una práctica rutinaria, pero puede que lo sea en el futuro.

al paciente

Sin embargo, se deben abordar cuestiones importantes sobre los Perfil genético de Susan Rasgo

Riesgo

: Mayor que la comportamiento adictivo población general Cáncer de pulmón

Mas grande que : población general

Cáncer de colon

: Menos que la población general

enfermedad de alzheimer

Perfil genético de Lisa Rasgo

Fibrosis quística

Riesgo

: 100% diagnóstico

diabetes tipo II diabetes Cardiovascular enfermedad

Menos que : población general : Mas grande que población general

estándares de control de calidad de los datos de secuenciación clínicamente relevantes para su uso en el diagnóstico de enfermedades para garantizar la precisión de los datos de secuencia y sus interpretaciones. Del mismo modo, los problemas de privacidad de datos muy importantes están asociados con la genómica personal. Ha habido varios ejemplos muy publicitados en los que se han revelado nombres

Menos que :

y direcciones de personas que participan en proyectos de genoma

población general

personal a partir de datos demográficos divulgados en bases de datos en línea. Esto demuestra que el anonimato a menudo se rompe

FIGURA 11.6 Uso de micromatrices de genes para crear un perfil genético

fácilmente, lo que revela

Machine Translated by Google 11.3 Análisis de secuencia de genomas individuales

TÚ DECIDES

307

Pruebas genéticas: cuestiones a tener en cuenta

Desde que las pruebas genéticas estuvieron disponibles por primera vez, han surgido muchas preocupaciones

Cooperación y Desarrollo (OCDE), la Comisión Europea (CE) y Salud Mundial

se ha planteado cómo se podría utilizar la información genética y para qué

Organización Mundial de la Salud (OMS) están trabajando

se puede utilizar más allá de las decisiones personales y privadas.

para desarrollar un consenso en torno a estándares internacionales y

Considere algunos de estos problemas: ÿ ¿Cuáles son los efectos psicológicos de un resultado falso, que puede indicar erróneamente que una persona sana tiene un

mejores prácticas para asegurar la calidad de los servicios genéticos en sus países miembros. ¿Qué requisitos de control de calidad deben implementarse para minimizar los errores?

gen de enfermedad o un defecto genético que no se detecta en una persona con un trastorno genético?

Además de las preguntas anteriores, las pruebas prenatales y fetales plantean otras cuestiones éticamente desafiantes, como:

ÿ ¿Cómo aseguramos la privacidad y confidencialidad de la información genética y evitamos la discriminación genética?

ÿ ¿Deberíamos hacer pruebas a niños no nacidos o adultos para condiciones genéticas para las cuales actualmente no hay

ÿ Quién debe tener acceso a su información genética mación? ¿Cómo podrían usarse sus antecedentes genéticos para discriminarlo? ¿Cómo podría el acceso de su compañía de seguros de salud o de vida a su información genética afectar sus primas? ¿Podrían aumentar sus primas en función del riesgo “genético” de

tratamiento o cura? ÿ ¿Cuáles son las consecuencias aceptables si los padres se enteran de que su hijo por nacer tiene un defecto genético? ÿ ¿La sociedad implementaría mecanismos para

la misma manera que se aumentan las primas en función de otros

prevenir o disuadir a las personas con defectos genéticos de

riesgos, como la edad que tiene y el automóvil que conduce?

tener hijos? ÿ La mayoría de las compañías de seguros aún no pagan por WGS de sangre materna, que puede costar hasta $1,000 por una sola prueba.

ÿ ¿Cuáles son sus obligaciones de informar a los demás, como un posible cónyuge o empleador, de su conocimiento sobre un posible trastorno genético? ÿ Si se descubren genes para comportamientos humanos indeseables, ¿cómo se percibirían estos genes en los tribunales de justicia si los delincuentes acusados utilizan la genética como base para una declaración de inocencia por motivos genéticos?

ÿ Los errores en las pruebas genéticas pueden tener efectos trágicos

consecuencias. La Organización para la Economía

información sensible, incluyendo predisposiciones a condiciones genéticas.

¿Deberían estar cubiertas dichas pruebas por los planes de seguro de salud de rutina? Como puede ver, las pruebas genéticas ciertamente no son sin sus controversias y hay pocas respuestas fáciles a estas cuestiones. Visite el sitio web “Your Genes, Your Choices” que figura en el sitio web complementario para ver una serie de dilemas éticos que invitan a la reflexión creados por las pruebas genéticas y las tecnologías genéticas.

¿Qué harías si tuvieras que enfrentar los escenarios presentados en este sitio? Tú decides.

secuenciado. Aplicando la bioinformática para comparar su secuencia con la de la población general, identificaron una mutación en un gen en el cromosoma X llamado inhibidor de la apoptosis ligado al

Secuenciación del exoma completo

cromosoma X (XIAP). Se sabe que XIAP está relacionado con otra afección que a menudo se puede corregir con un trasplante de

En el Capítulo 3, recuerde que introdujimos el concepto de

médula ósea. En 2010, un trasplante de médula ósea salvó la vida

secuenciación del exoma completo (WES). Esta alternativa a

de Nicholas y restauró en gran medida su salud. Poco después, la

WGS también ha producido resultados prometedores en entornos

prensa popular describió a Nicholas como el primer niño salvado por

clínicos. Por ejemplo, desde el momento en que nació, Nicholas

secuenciación de ADN.

Volmer tuvo que vivir con una incomodidad inimaginable debido a

En el futuro, seguirá escuchando acerca del progreso con

una afección no diagnosticada que causaba fístulas intestinales

WES para el diagnóstico de enfermedades. A fines de 2017, la FDA

(agujeros desde el intestino hacia el exterior del cuerpo) que filtraban

aprobó un ensayo WES de Foundation Medicine de Cambridge,

fluidos corporales y heces y requerían cirugía constante. . A los 3

Massachusetts; este examina las secuencias de codificación de 354

años de edad, Nicholas había estado en el quirófano más de 100

genes y se puede utilizar para identificar cualquiera de los cinco tipos

veces. Un equipo del Medical College of Wisconsin decidió tener el

de tumores cancerosos (cáncer de pulmón de células no pequeñas,

exoma de Nicholas

melanoma, cáncer de mama, colorrectal y de ovario) en pacientes.

Machine Translated by Google 308

Capítulo 11 Biotecnología médica

Los Institutos Nacionales de Salud (NIH) tienen una iniciativa

(scRNA-seq), secuencia de ARN de estas mismas células.

llamada Red de Enfermedades No Diagnosticadas. Su objetivo es

Esto permite una comparación de los genes presentes en una célula y

utilizar WES y WGS para ayudar a diagnosticar enfermedades raras (a

los niveles relativos de expresión de cada transcrito codificado por el

menudo llamadas enfermedades huérfanas) de base genética

genoma.

desconocida, que pueden incluir más de 7000 condiciones. Estas enfermedades a menudo no atraen la atención de las grandes

Muchos tratamientos de enfermedades están diseñados para atacar células, como las de un tumor, como si todas las células fueran

empresas porque relativamente pocas personas tienen cada enfermedad

homogéneas en genotipo y fenotipo. De hecho, a menudo tales células

(definida en los Estados Unidos como que afecta a menos de 200 000

son bastante heterogéneas genéticamente. scRNA-seq ahora se está

personas por condición de enfermedad) en comparación con enfermedades como la enfermedad cardíaca, pero se estima que más

aplicando para revelar la heterogeneidad de los tipos de células en

de 300 millones de personas en todo el mundo tienen enfermedades

enfoques de tratamiento basados en la genética de los tipos de células

tumores y otras afecciones, para luego ayudar a planificar mejores

raras. En este programa, las secuencias del exoma de una persona con

y su abundancia relativa. scRNA-seq proporciona datos cuantitativos

un trastorno se pueden comparar con las secuencias del exoma de

sobre la expresión de ARN, similar al análisis de micromatrices de

familiares sanos y las secuencias de referencia para identificar las

expresión génica. Pero scRNA-seq revela todas las transcripciones

mutaciones que pueden estar involucradas en la enfermedad. Hasta la

expresadas en una célula, mientras que las transcripciones analizadas

fecha, el programa ha diagnosticado más de 300 casos.

por micromatrices están limitadas por las sondas presentes en la matriz.

Desafortunadamente, para muchas de estas raras condiciones, a

Esta es una de las razones por las que es probable que scRNA-seq

menudo no se ha desarrollado una cura o tratamiento.

eventualmente reemplace los microarrays para el análisis de transcriptomas.

Análisis genómico de células individuales por secuenciación de ADN y ARN

Los estudios de asociación del genoma

¡Ahora tenemos la capacidad de secuenciar el genoma de una sola

completo identifican las variaciones del

célula! La secuenciación de una sola célula (SCS) generalmente implica aislar el ADN genómico de una sola célula que luego se somete a PCR para producir suficiente ADN para ser secuenciado. La

genoma en las poblaciones Muchos de los enfoques de pruebas genéticas que hemos discutido

amplificación del genoma sin introducir errores sigue siendo un desafío

hasta ahora se han centrado en analizar genes en individuos o en

importante en el que están trabajando los investigadores para que SCS

cantidades relativamente pequeñas de personas.

pueda convertirse en una técnica más confiable y precisa para las

El análisis genómico basado en micromatrices y WGS han llevado a los

pruebas genéticas. La secuenciación genómica de células individuales es valiosa para

genetistas a emplear una poderosa estrategia llamada estudios de asociación de genoma completo (GWAS) en su búsqueda para

analizar tanto mutaciones de células somáticas (por ejemplo, mutaciones que surgen en células somáticas, como en un cáncer de piel, que no

analizar poblaciones de personas en busca de genes de enfermedades.

son hereditarias) como mutaciones de la línea germinal (mutaciones

con fines de diagnóstico o pronóstico a menudo permiten a los científicos

hereditarias que se transmiten a descendencia a través de gametos).

identificar múltiples genes que pueden influir en el riesgo de

SCS permite a los científicos explorar las variaciones genéticas de una

enfermedades. Durante la última década, la cantidad de GWAS

célula a otra. Estos estudios están revelando que diferentes genes

informados se ha expandido dramáticamente. Por ejemplo, GWAS para

Los GWAS de poblaciones relativamente grandes de personas

mutantes pueden variar mucho entre células individuales. En particular,

autismo, obesidad, diabetes, degeneración macular, infarto de miocardio,

las células cancerosas de un tumor a menudo muestran diversidad

artritis, hipertensión, varios tipos de cáncer, enfermedad bipolar,

genética, un hecho que los investigadores y médicos aprecian cada vez

enfermedades autoinmunes, enfermedad de Crohn, esquizofrenia,

más. Comprender las variaciones en la diversidad genética y la

esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y esclerosis múltiple (EM). ) se

expresión génica de las células individuales dentro de un tumor

encuentran entre los muchos GWAS que han sido ampliamente

conducirá a opciones de tratamiento mejores y más específicas.

publicitados en la literatura científica y la prensa popular. Los rasgos de comportamiento como la inteligencia también han sido analizados por

La contribución de las células individuales al fenotipo de un tejido u órgano afectado por un trastorno genético es cada vez más interesante.

GWAS. En un GWAS, se analizan los genomas de varios cientos, o varios

Por lo tanto, la secuenciación de ARN (RNA seq) se está convirtiendo

miles (si están disponibles), a menudo individuos no relacionados con

en una poderosa herramienta para el análisis de genes expresados por

una enfermedad particular, y los resultados se comparan con genomas

células dentro de una población en todo el transcriptoma, lo que permite

de individuos sin la enfermedad. En algunos casos, las personas relacionadas son el foco de GWAS. Por ejemplo, los GWAS de gemelas

a los investigadores diferenciar variaciones genéticas entre células. analizar el genoma y la transcripción de las células de forma

idénticas, pero una con EM y otra sin EM, han ayudado a los investigadores a identificar variantes genéticas relacionadas con un

independiente. Pero ahora, es posible aislar el ADN y el ARN de las

mayor riesgo de desarrollar EM. El objetivo es identificar genes,

mismas células, secuenciar el ADN y, gracias a la secuenciación del

variaciones genéticas (incluidos SNP y

Hasta hace poco tiempo, los investigadores o los médicos tenían que

ARN unicelular.

Machine Translated by Google 309

11.3 Análisis de secuencia de genomas individuales

TÚ DECIDES

Pruebas genéticas: ¿Pruebas de destino?

Algunas empresas ahora están

donantes que podrían resultar en un bebé o descendencia hipotética

promoviendo la capacidad de realizar

con fenotipos particulares de interés para un padre potencial.

pruebas previas a la concepción y, por lo tanto, hacer "predicciones de destino" sobre fenotipos potenciales de descendencia hipotética en función de métodos computacionales para analizar datos de secuencia

Una empresa llamada GenePeeks afirma tener una tecnología pendiente de patente para reducir el riesgo de trastornos hereditarios

de muestras de ADN parental. La empresa 23andMe obtuvo una patente

al "tejer digitalmente" el ADN de los futuros padres. GenePeeks

estadounidense para un método computacional llamado Family Traits

planea secuenciar el ADN de los donantes de esperma y de las

Inheritance Calculator (Calculadora de herencia de rasgos familiares)

mujeres que desean quedar embarazadas para informarles sobre los

que usa muestras de ADN de los padres para predecir los rasgos de un

donantes que son genéticamente más compatibles con los rasgos que

bebé, incluido el color de los ojos y el riesgo de ciertas enfermedades.

buscan en la descendencia. La tecnología informática patentada de la

Esta patente incluye aplicaciones de tecnologías para examinar

empresa pretende utilizar datos de secuencia para examinar óvulos y

espermatozoides y óvulos para FIV.

espermatozoides "virtuales" de parejas de donante-cliente para estimar la probabilidad de unas 10.000 enfermedades específicas en la

Actualmente, la selección de género de los embriones

descendencia hipotética de los futuros padres.

generados por FIV es muy común. Pero, ¿podrían las pruebas previas a la concepción conducir a la selección de "bebés de diseño"? El miedo a la eugenesia rodea estas conversaciones, en particular a

¿Se extenderán ampliamente tecnologías como esta y atraerán la demanda de los consumidores en el futuro?

medida que el análisis genético comienza a alejarse de las condiciones de enfermedad hacia rasgos no médicos como el color del cabello, el

¿Qué piensas? ¿Te gustaría que se hiciera este análisis antes de

color de los ojos, otros rasgos físicos y potencialmente rasgos de

decidir si tener un hijo con una persona en particular? ¿Qué garantías

comportamiento. Se otorgó la patente para un proceso que comparará

o medidas de control de calidad deben implementarse para validar la

los datos genotípicos de un proveedor de óvulos y un proveedor de

precisión de dichas pruebas de destino? Tú decides.

esperma para sugerir gametos

otras variaciones) que pueden conferir riesgo de desarrollar una enfermedad. Los cambios en el epigenoma, como los patrones de metilación, también pueden usarse en GWAS. Al determinar qué genes, SNP, epigenoma u otros cambios están presentes en las personas con la enfermedad, los científicos pueden calcular el riesgo de enfermedad asociado con cada variación. El análisis de los resultados de GWAS requiere un análisis estadístico para predecir el impacto potencial relativo (asociación o riesgo) de una variación genética particular en el desarrollo de un fenotipo de enfermedad.

APO (19) TOMM40 (19) 20

15

10

La figura 11.7 muestra una representación, denominada gráfica de Man hattan, de cómo se informan comúnmente los resultados de GWAS cuando hay una gran cantidad de puntos de datos.

Estos datos son de un estudio diseñado para identificar genes implicados en la longevidad extrema (>90 años de edad). Diferentes loci en el genoma se trazan en el eje x; en este caso, se trazan los loci en cada cromosoma. Los resultados de una prueba de asociación genotípica se representan en el eje y. Hay varias formas de calcular las asociaciones. Aquí se muestra un logaritmo negativo de los valores de p para los genes que se determinó que están significativamente asociados con la longevidad de una población de más de 7000 personas de 90 años o más. El grupo de control fue de más de 16,000 personas de 65 años o menos. La línea punteada en este gráfico establece un valor umbral para

(6) (9) ABO HLA ALP (6)

KCNT2 (1)

FADS1 (11)

5

0 1

3

5

7 129 16

21

Cromosoma FIGURA 11.7 Estudio de asociación de todo el genoma (GWAS) para resultados de longevidad humana de un GWAS de poblaciones de individuos que envejecen. La línea azul punteada indica correlaciones estadísticamente significativas (p < 0,05), lo que significa que existe un 95 por ciento o más de posibilidades de que un gen en particular esté relacionado con el envejecimiento. Note aquí que siete genes se encontraron significativamente asociados con el envejecimiento en este estudio, como lo indica el símbolo del gen con el número de cromosoma entre paréntesis.

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Capítulo 11 Biotecnología médica

significado. Los genes con niveles de significación que superan el valor umbral p de 10–5, correspondiente a 5,0 en el eje y, son probablemente secuencias relacionadas con enfermedades. Con base en el análisis estadístico de estos datos, ocho genes asociados con la longevidad extrema incluyen el gen APOE y un gen estrechamente relacionado TOMM40. Las variantes de estos genes están asociadas con un mayor riesgo de enfermedad de Alzheimer y enfermedad de las arterias coronarias. Los GWAS nos muestran que, a diferencia de los trastornos de un solo gen, como la anemia de células falciformes, muchas enfermedades genéticas humanas involucran una multitud de factores genéticos que contribuyen al riesgo total de desarrollar una afección. Necesitamos dicha información para lograr un progreso significativo en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, que es, en última instancia, un propósito importante de lo que son los GWAS. En algunos casos, los datos de riesgo revelados por GWAS pueden ayudar a los pacientes y médicos a desarrollar planes de dieta y ejercicio diseñados para minimizar el potencial de desarrollar una enfermedad en particular. Pero, a menudo, los GWAS pueden revelar docenas de variaciones de ADN, y aún queda mucho por entender acerca de los efectos que

del PMI es “permitir una nueva era de la medicina a través de la investigación, la tecnología y las políticas que empoderan a los pacientes, investigadores y proveedores para trabajar juntos hacia el desarrollo de tratamientos individualizados”. La biotecnología tiene funciones importantes en el PMI, desde la identificación de las influencias biológicas, conductuales y ambientales sobre las enfermedades hasta la investigación, el desarrollo y las aplicaciones de nuevos tratamientos. La medicina de precisión se enfoca en tratamientos individualizados altamente personalizados basados en diferencias individuales en genética, estilo de vida, medio ambiente y otros factores. Esto se opone a muchas estrategias de tratamiento actuales que son de talla única, en las que la mayoría de las personas con la misma enfermedad son tratadas de la misma manera. Una iniciativa, a través de una asociación con los NIH, es reclutar al menos 1 millón de voluntarios estadounidenses de

quienes se recolectará y analizará una variedad de datos de muestras biológicas, incluida la secuenciación de ADN, el microbioma, los datos del epigenoma y otros datos, para proporcionar nuevos datos. conocimientos sobre la salud y la estas variaciones tienen de forma individual o colectiva sobre el enfermedad a nivel individual, comunitario y poblacional. Será riesgo de una enfermedad en particular durante la vida de un individuo. esencial comprender los datos biológicos en el contexto de los En la siguiente sección, consideramos cómo la biotecnología problemas de comportamiento, como la dieta y los patrones de ejercicio (capturados a través de dispositivos portátiles como está cambiando la medicina a través de enfoques de tratamiento altamente personalizados. Fitbit), así como los factores sociales y ambientales. Cada persona en el PMI generará miles de millones de puntos de datos, por lo que manejar, analizar, almacenar y proteger la privacidad de estos datos son desafíos de "grandes datos" para los científicos. 11.4 Medicina de Precisión y

Biotecnología En la sección anterior discutimos cómo las pruebas genéticas, la secuenciación y otros enfoques están ayudando a los científicos a detectar las diferencias genéticas que contribuyen a la enfermedad, con la esperanza de que esto conduzca a nuevas opciones de tratamiento y curas que mejoren la calidad de vida de los pacientes. Todos los enfoques que discutimos en la Sección 11.3 son importantes para comprender la medicina de precisión. Aquí brindamos una descripción general de la medicina de precisión y consideramos algunos ejemplos representativos, concluyendo con la inmunoterapia, una de las áreas más progresistas y prometedoras de la biotecnología médica que ha surgido en los últimos años. Reconozca que muchos otros temas son parte de la discusión sobre medicina de precisión, incluida la terapia génica, que trataremos por separado en la Sección 11.5 debido a la cantidad de información que se discutirá.

¿Qué es la Iniciativa de Medicina de Precisión? Durante un discurso sobre el Estado de la Unión en enero de 2015, el presidente Barack Obama anunció la Iniciativa de Medicina de Precisión (PMI). La declaración de la misión

No todos están de acuerdo en que el PMI es un uso efectivo de los recursos, y abundan las preguntas sobre los costos del PMI (se planea una inversión de más de $215 millones), así como sobre temas como la privacidad y seguridad de los datos, entre otros. Consulte el sitio web complementario para obtener el enlace al sitio web de PMI.

Farmacogenómica para la medicina de precisión A lo largo del libro proporcionamos ejemplos de cómo la industria biotecnológica está identificando fármacos novedosos y desarrollando nuevas formas de tratar enfermedades, desde proteínas terapéuticas producidas por tecnología de ADN recombinante hasta inhibidores de moléculas pequeñas, fármacos que pueden unirse a proteínas y bloquear su función. De manera similar, los investigadores están trabajando en medicamentos que pueden servir como "activadores", uniéndose y estimulando proteínas importantes que pueden usarse para combatir enfermedades. El Proyecto del Genoma Humano y el descubrimiento de los SNP es parcialmente responsable del campo emergente llamado farmacogenómica: la personalización de la medicina mediante el diseño de estrategias de tratamiento basadas en el perfil genético específico de un paciente en particular. La farmacogenómica se basa en la idea de que las personas pueden reaccionar de manera diferente a los mismos medicamentos, que pueden tener diversos grados de eficacia y efectos secundarios en parte

Machine Translated by Google 11.4 Medicina de Precisión y Biotecnología

Los individuos responden de manera diferente

La diversidad de respuestas se debe a variaciones

al medicamento contra la leucemia

(mutaciones o ) en el gen de una enzima llamada

6-mercaptopurina (6-MP).

TPMT, o tiopurina metiltransferasa.

311

Después de un simple análisis de sangre, las personas pueden recibir dosis de medicamentos que se adaptan a su perfil genético.

La mayoría de las personas metabolizan

6 MP rápidamente. Las dosis deben ser lo suficientemente altas para tratar la leucemia y prevenir las recaídas.

Otros metabolizan 6-MP lentamente y necesitan dosis más bajas para

Dosis normal

evitar los efectos secundarios tóxicos del 6-MP.

una pequeña porción de las personas metabolizan

Dosis por un extra

6-MP tan mal que sus efectos pueden

metabolizador lento (TPMT-deficiente)

ser fatal

FIGURA 11.8 Farmacogenómica Diferentes individuos con la misma enfermedad a menudo responden de manera diferente a un tratamiento farmacológico debido a diferencias sutiles en la expresión génica. La dosis que funciona para una persona puede ser tóxica para otra, un problema básico de la medicina convencional. Este ejemplo muestra las respuestas de los pacientes a un compuesto de quimioterapia llamado 6-mercaptopurina (6-MP), que se ha utilizado durante mucho tiempo para tratar a niños con anemia linfocítica aguda (LLA), una forma de cáncer de la sangre. Dado que se descubrió que las variaciones genéticas del gen de la enzima tiopurina metiltransferasa (TPMT) que degrada la 6-MP son importantes para determinar cómo responden los pacientes a la 6-MP, los médicos ahora realizan rutinariamente pruebas genéticas (o análisis de sangre para medir la enzima). niveles) en TODOS los pacientes antes de determinar la dosis adecuada de 6-MP.

debido a variaciones genéticas (Figura 11.8). Cada año, solo en los Estados Unidos, se producen más de 100 000 muertes a causa de los efectos adversos de los medicamentos prescritos correctamente. No está claro si

Considere el siguiente ejemplo. El cáncer de mama es una enfermedad que muestra herencia familiar para algunas mujeres. Las mujeres con

la farmacogenómica será un enfoque amplio y rentable de la medicina o si

copias defectuosas de los genes llamados BRCA1 o BRCA2 tienen un mayor riesgo de desarrollar cáncer de mama, pero otras formas de cáncer

se utilizará principalmente para tratamientos muy específicos; sin embargo,

de mama no muestran un modo claro de herencia. En el pasado, todas

esta área de la biotecnología médica tiene un gran potencial y ya ha

estas mujeres serían tratadas con la misma forma de quimioterapia, con resultados muy variados. Desde el desarrollo de la farmacogenómica, si

demostrado éxito en el tratamiento de algunas afecciones.

una mujer tiene un tumor de mama que se piensa que es canceroso, se usa una pequeña porción del tejido para aislar el ARN o el ADN para Muchos medicamentos que se usan actualmente en la quimioterapia pueden ser efectivos contra las células cancerosas porque estos

pruebas genéticas, análisis de micromatrices o secuenciación, que luego podría servir para determinar qué genes son involucrados en la forma de

medicamentos se dirigen a las células que se dividen rápidamente; sin

cáncer de mama de una mujer en particular. Armado con esta información

embargo, estos medicamentos también afectan las células normales del

genética, un médico puede diseñar una estrategia de tratamiento

cuerpo que se reproducen con regularidad, como las células del cabello y

farmacológico, basada en los genes involucrados, que sería específica y

de la piel y las células de la médula ósea, las últimas de las cuales son

más efectiva contra el cáncer de esta mujer. Una segunda mujer con un

responsables de producir células sanguíneas. Como resultado, la pérdida

perfil genético diferente para su cáncer de mama podría someterse a un

de cabello, la piel seca, los cambios en los recuentos de células sanguíneas

tratamiento diferente.

y las náuseas están todos relacionados con las formas en que la quimioterapia afecta las células normales. Los investigadores han estado buscando medicamentos de "bala mágica" que destruyan solo las células cancerosas sin dañar las células normales. Si se diseñaran tales

Los científicos de Genentech utilizaron esta estrategia para desarrollar

medicamentos, los pacientes podrían recuperarse más rápido porque los Herceptin, un tipo de anticuerpo monoclonal medicamentos tendrían poco o ningún efecto sobre las células normales en los tejidos no cancerosos. (discutido en la siguiente sección) aprobado por la FDA en

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Capítulo 11 Biotecnología médica

1998. Herceptin se une e inhibe HER-2, una proteína Figura 11.4. Glivec se dirige a la proteína de fusión BCRproducida por el gen del receptor 2 del factor de crecimiento ABL, que se crea mediante un intercambio de ADN entre los epidérmico humano, que se sobreexpresa en alrededor del 25 cromosomas 9 y 22 que se produce en la LMC; al hacerlo, al 30 por ciento de los casos de cáncer de mama. Mujeres con HER-2– Gleevec ha demostrado ser una forma relativamente eficaz los tumores positivos (sobreexpresión de HER-2) típicamente de tratar la enfermedad. Antes de Gleevec y otros tratamientos desarrollan cáncer de mama agresivo con una mayor relacionados, la mediana de supervivencia de un paciente con probabilidad de metástasis (diseminación) y peor pronóstico LMC era de 4 a 6 años. Ahora los pacientes tienen una de supervivencia. Herceptin ha demostrado ser eficaz en esperanza de vida casi normal y la tasa de supervivencia algunas mujeres, pero en otras, los tumores se vuelven después de 10 años es de aproximadamente el 90 por ciento de las personas. resistentes al anticuerpo. Un problema similar ha ocurrido con otros fármacos farmacogenómicos desarrollados para tratar Los datos de expresión génica de las micromatrices de otros tipos de cáncer. Aproximadamente del 15 al 20 por ADN se utilizan para diagnosticar enfermedades en función ciento de los cánceres de mama se clasifican como “triple de los genes que expresan los pacientes; entonces los negativo” porque los tumores no expresan tres proteínas pacientes pueden ser elegibles para el tratamiento clave: HER2, receptor de estrógeno y receptor de progesterona. farmacogenómico (si está disponible) en función de esos Estos tumores hacen metástasis agresivamente y no existen genes. La figura 11.9 muestra un ejemplo de datos de tratamientos actuales; por lo tanto, se está realizando una micromatriz para personas diagnosticadas con diferentes importante investigación para identificar genes o proteínas formas de leucemia. Observe cómo los pacientes se pueden específicos que puedan ser objeto de tratamiento en estas mujeres. agrupar en diferentes categorías genéticas de leucemias Uno de los primeros ejemplos exitosos de farmaconomía según los grupos de genes que se expresan de forma más involucró un fármaco llamado Gleevec, introducido por activa. Debido a que cada grupo de pacientes expresó una gran cantidad de genes y proteínas diferentes, no hay razón Novartis en 2001 y se usó para tratar la leucemia mielógena crónica (LMC), la afección que se analiza en para pensar que todos responderían bien a la misma quimioterapia. Con este

Grupos de pacientes

A

B

C

FIGURA 11.9 Micromatrices para análisis de expresión génica y farmacogenómica Aquí se muestran resultados de micromatrices que indican perfiles de expresión génica en pacientes con leucemia. Cada columna representa los datos de un paciente, y cada fila es un gen diferente (los símbolos y nombres de los genes se encuentran en el extremo derecho de la figura). Debido a que esta imagen en blanco y negro se reprodujo a partir de una imagen en color, las manchas grises que se muestran aquí representan genes activos altamente expresados. Los óvalos azules resaltan grupos de genes expresados activamente (puntos grises y blancos) que se pueden usar para categorizar a los pacientes en diferentes grupos según los genes expresados y relativamente inactivos (puntos oscuros).

Machine Translated by Google 11.4 Medicina de Precisión y Biotecnología

313

se pueden personalizar diferentes enfoques de quimioterapia para

Debido a su potencial para dirigirse mejor a células específicas del

cada categoría de pacientes. Como resultado, las tasas de

cuerpo, a diferencia de los medicamentos convencionales (como la

supervivencia de los pacientes han aumentado considerablemente.

quimioterapia, por ejemplo), consideramos las nanopartículas como

Se están realizando varios ensayos clínicos prometedores para

parte de nuestra discusión sobre la medicina de precisión.

tratamientos farmacogenómicos del melanoma y muchos otros tipos de cáncer. Ahora hay aproximadamente 1200 medicamentos farmacogenómicos aprobados por la FDA para una variedad de enfermedades diferentes.

Los científicos imaginan pequeños dispositivos en el cuerpo que llevan a cabo una miríada de funciones médicas, incluidos sensores de nanodispositivos para controlar la presión arterial, los

Recuerde de nuestras discusiones en la Sección 11.3 que,

niveles de oxígeno en la sangre y las concentraciones de hormonas,

cada vez más, la secuenciación del genoma completo y la genómica

y nanopartículas que pueden destapar las arterias bloqueadas y

personal probablemente se convertirán en una rutina, o al menos se

detectar y eliminar las células cancerosas. Se están desarrollando

usarán más comúnmente que el análisis de micromatrices, por lo

prototipos de estos ejemplos y muchos otros.

que será interesante seguir lo que sucede con la genómica

A veces, incluso un fármaco bien diseñado no es tan eficaz como

personalizada y el impacto que esto tiene. tendrá sobre

se desea debido a los problemas de administración: llevar el fármaco

farmacogenómica. Del mismo modo, el epigenoma está siendo

al lugar donde debe funcionar. Por ejemplo, si un fármaco para

analizado por su papel en las enfermedades y como objetivo de

tratar la artritis de la rodilla se toma en forma de píldora oral, el

nuevos enfoques de tratamiento personalizado.

cuerpo absorberá solo una pequeña cantidad del fármaco y la transportará a través de la sangre a los tejidos de la articulación de

Nanotecnología y nanomedicina: Biotecnología a nanoescala

la rodilla. Otros factores que influyen en la eficacia del fármaco son

La nanotecnología es un área de la ciencia involucrada en el

fluidos corporales), la degradación del fármaco por los órganos del

la solubilidad del fármaco (su capacidad para disolverse en los

diseño, construcción y manipulación de estructuras a escala

cuerpo y la eliminación del fármaco por el hígado y los riñones.

nanométrica. Un nanómetro (nm) es la mil millonésima parte de un metro. Como referencia, un cabello humano tiene aproximadamente

Muchas empresas están trabajando en nanotecnologías para

200 000 nm de diámetro (¡y por lo tanto puede albergar alrededor

administración de fármacos, la eficacia de los fármacos y formas de

de 3000 nanopartículas a lo ancho!), y el ADN tiene aproximadamente

medir con precisión cuánto fármaco se ha liberado de una

2 nm de diámetro. La nanotecnología es un gran negocio, con

nanopartícula a una célula en un momento determinado.

aplicaciones en la fabricación de materiales, energía, electrónica e ingeniería, pero la nanomedicina (aplicaciones de la nanotecnología

desarrollar formas innovadoras de mejorar los enfoques de

Las microesferas, nanopartículas de entre 1 y 100 nm que pueden llenarse o recubrirse con medicamentos, pueden ser una

para mejorar la salud humana) es de especial interés para la

forma de mejorar la administración y la eficacia de los medicamentos.

biotecnología médica.

Estas partículas a menudo están hechas de materiales lipídicos que se asemejan mucho a los fosfolípidos de las membranas celulares.

Las nanopartículas se pueden fabricar a partir de lípidos, sílice, oro, grafito, nanocristales de materiales semiconductores (llamados

La administración de microesferas en forma de neblina rociada en las vías respiratorias a través de la nariz y la boca se ha utilizado

puntos cuánticos) e incluso ADN. Las nanopartículas se pueden

con éxito para tratar el cáncer de pulmón y otras enfermedades

recubrir con una variedad de moléculas para ayudarlas a unirse a

respiratorias como el asma, el enfisema, la tuberculosis y la gripe

proteínas y carbohidratos en la superficie de las células objetivo. A

(Figura 11.10). Consulte la Sección 11.5 para una discusión sobre

veces, el revestimiento de péptidos u oligonucleótidos de

cómo se usan las microesferas llamadas liposomas en la terapia

nanopartículas que se unen a moléculas diana específicas se

génica. Los investigadores también están investigando formas de

denomina aptámeros.

empaquetar medicamentos contra el cáncer en microesferas.

FIGURA 11.10 Microesferas para drogas

Sangre buque

molécula de droga Mucoso membrana

Las microesferas de entrega pueden entregar medicamentos a

ubicaciones específicas en el cuerpo o distribuirse en todo el cuerpo, dependiendo de cómo se son usados. En este ejemplo, las drogas que contienen se rocían microesferas en la nariz, donde entrarán en los vasos sanguíneos y entrarán rápidamente en el torrente sanguíneo para viajar por todo el cuerpo.

Botella de spray inhalador con microesferas

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Capítulo 11 Biotecnología médica

Muchos son optimistas acerca de los poderes de la nanotecnología

para implantación en el cuerpo adyacente a tumores en crecimiento; también están trabajando en anestésicos para el control del dolor y agregando microesferas a obleas y parches que pueden usarse para la

para la administración de fármacos y la terapéutica, ¡así que permanezcan atentos!

administración de medicamentos. En 2006, la FDA aprobó Exubera, una versión inhalable de insulina producida por Nektar Therapeutics de San Francisco y vendida por el

Aprovechamiento del sistema

gigante farmacéutico Pfizer. Exubera es una forma recombinante de insulina que se administra como un polvo inhalable; ofreció a los pacientes

inmunitario para el tratamiento de

diabéticos la primera alternativa a la administración de insulina con aguja.

enfermedades: anticuerpos e inmunoterapia Como aprendió en el Capítulo 5, las vacunas se pueden usar para

Pero después de apenas un año, Pfizer dejó de vender Exubera debido a

estimular el sistema inmunitario del cuerpo para que produzca anticuerpos

las bajas ventas. Entre las razones dadas por el fracaso de Exubera

y proporcione a la persona protección contra los microbios infecciosos.

estaban la falta de voluntad de los médicos y los pacientes para probar

Ciertamente, la vacunación ha sido muy eficaz para protegernos de los

algo nuevo, un inhalador voluminoso utilizado para administrar las

patógenos que causan la poliomielitis, el tétanos, la fiebre tifoidea y

partículas y una estrategia de marketing deficiente.

decenas de otras enfermedades.

Los científicos han desarrollado "medicamentos inteligentes" utilizando nanopartículas de oro que se introducen en el cuerpo para

El desarrollo de vacunas contra algunos de los patógenos más mortales es un área muy activa e importante de investigación en curso. Muchos

buscar y atacar virus o células específicas, como las células cancerosas;

científicos esperan que la vacunación también pueda ser útil contra

luego entregan un cargamento destinado a tratar o destruir esas células

afecciones como la enfermedad de Alzheimer y muchos tipos diferentes

de manera rápida, efectiva y silenciosa, con pocos efectos secundarios

de cáncer, pero la vacunación para estos fines aún no se ha probado en

(Figura 11.11). Actualmente, varias docenas de medicamentos basados

humanos.

en nanopartículas se encuentran en ensayos clínicos en los Estados Las vacunas contra el cáncer se están experimentando como

Unidos, y la mayoría de estos se dirigen al cáncer. BIND Biosciences de Cambridge, Massachusetts, es una de varias

tratamientos terapéuticos que no son preventivos (como en el caso de

empresas involucradas en diversas etapas de ensayos clínicos con

Gardasil) sino diseñados para tratar a una persona que ya tiene cáncer.

nanopartículas que contienen fármacos recubiertas con ligandos para

En este enfoque, a una persona se le inyectan antígenos de células

unirse a proteínas de la superficie celular o receptores asociados con

cancerosas en un esfuerzo por estimular el sistema inmunitario del

células enfermas. La mayoría de estas partículas están diseñadas para

paciente para que ataque las células cancerosas existentes.

atacar tumores de pulmón, próstata y otros tipos de cáncer.

En 2010, la FDA aprobó la primera vacuna en los Estados Unidos para tratar el cáncer. Sipuleucel-T (Provenge) es

(a)

Matriz plástica

(b)

contraste de resonancia magnética

agente anticuerpos unirse a la célula cancerosa

proteinas

Quimioterapia drogas Célula cancerosa

Membrana celular

FIGURA 11.11 Nanopartículas que buscan y matan tumores (a) Se muestra que las nanopartículas de plata recubiertas con fármacos antimicóticos se unen a Candida albicans, una levadura que vive naturalmente dentro y sobre el cuerpo humano. El crecimiento excesivo de Candida puede causar infecciones. (b) Se han desarrollado nanopartículas multifuncionales que se han mostrado prometedoras para buscar y destruir células tumorales. Este ejemplo muestra una nanopartícula de plástico cubierta con anticuerpos contra las proteínas de las células cancerosas, lo que permite que la partícula se una a las células cancerosas. Dentro de la partícula hay agentes de contraste, que pueden usarse para imágenes de resonancia magnética o enfoques de rayos X para detectar el tumor. La nanopartícula también puede contener medicamentos de quimioterapia que pueden difundirse para matar las células tumorales.

Machine Translated by Google 11.4 Medicina de Precisión y Biotecnología

TÚ DECIDES

315

Pruebas genéticas directas al consumidor

La última década ha visto desarrollos

empresas, como 23andMe, ofrecen análisis relacionados con la

dramáticos en las pruebas genéticas

salud o informes de salud, están sujetos a las regulaciones de la FDA.

directas al consumidor (DTC), una industria que se espera

La FDA continúa emitiendo advertencias a las empresas de

crezca a más de $ 340 millones para 2022 solo en los Estados

pruebas DTC para que proporcionen lo que la FDA considera

Unidos. Una simple búsqueda en la web revelará muchas empresas

interpretaciones apropiadas de las pruebas genéticas relacionadas

que ofrecen este tipo de pruebas. 23andme se encuentra entre las

con la salud. Hay opiniones diversas sobre el tema regulatorio. Algunos creen que la FDA no tiene por qué regular las pruebas

empresas más conocidas y utilizadas con más de 2 millones de clientes. Hay aproximadamente 2.000 enfermedades para las que ahora se dispone de dichas pruebas (en 1993 había unas 100

DTC y que los consumidores deben tener la libertad de comprar

pruebas de este tipo). La mayoría de las pruebas de DTC requieren

productos según sus necesidades o intereses personales. Otros insisten en que la FDA debe regular los DTC con el fin de proteger

que una persona envíe por correo una muestra de saliva, una

a los consumidores.

muestra de cabello o un frotis de células de la mejilla a la empresa.

Actualmente no existe una forma integral para que los

Para una variedad de opciones de precios, las empresas de DTC

pacientes hagan comparaciones y evaluaciones sobre la gama de

utilizan en gran medida pruebas basadas en SNP, como las pruebas

pruebas disponibles y su calidad relativa.

ASO, para detectar diferentes mutaciones. Por ejemplo, en 2007,

La mayoría de las empresas dejan en claro que no están tratando

Myriad Genetics, Inc., inició una importante campaña de marketing

de diagnosticar o prevenir enfermedades, ni ofrecen consejos de

de DTC de sus pruebas para BRCA1 y BRCA2. Las mutaciones en

salud. Entonces, ¿cuál es el propósito de la información que

estos genes aumentan el riesgo de desarrollar cáncer de mama y de

proporcionan estas pruebas? Los sitios web y los programas en

ovario. Las empresas de pruebas de DTC informan el riesgo absoluto,

línea de las compañías de DTC brindan información sobre qué

la probabilidad de que un individuo desarrolle una enfermedad; pero

consejos debe seguir una persona si se obtienen resultados

la forma en que se calculan dichos resultados de riesgo es muy

positivos. ¿Pero es esto suficiente? Si no se entienden los

variable y está sujeta a ciertas suposiciones.

resultados, ¿podrían las pruebas negativas proporcionar una falsa

Estas pruebas son controvertidas por muchas razones. Por ejemplo, los consumidores individuales compran la prueba en línea y no requiere la participación de un médico u otros

sensación de seguridad? El hecho de que una mujer sea negativa para las mutaciones BRCA1 y BRCA2 no significa que no pueda desarrollar cáncer de mama o de ovario. Los Institutos Nacionales de Salud han creado un Registro

profesionales de la salud, como una enfermera o un asesor

de Pruebas Genéticas (GTR) diseñado para aumentar la

genético, para administrar la prueba o interpretar los resultados.

transparencia al compartir públicamente información sobre la

Hay preguntas importantes sobre la calidad, la eficacia y la precisión

utilidad de sus pruebas e investigaciones con el público en general,

de dichos productos porque la industria de DTC actualmente está

pacientes, trabajadores de la salud, asesores genéticos, compañías

autorregulada en gran medida. La Administración de Drogas y

de seguros y otros. . El GTR está destinado a permitir que las personas y las familias accedan a recursos clave para permitirles

Alimentos de los Estados Unidos (FDA) no regula las pruebas genéticas DTC. No está claro si la FDA supervisará las pruebas genéticas DTC en el futuro. Sin embargo, en el momento de la publicación

tomar decisiones mejor informadas sobre su salud y pruebas genéticas. Pero la participación en el GTR por parte de las empresas de DTC aún no es obligatoria. Por lo tanto, ¿participarán empresas

de esta edición, la FDA no ha revelado ningún plan definitivo para

involucradas en pruebas genéticas? ¿Deberían regularse más

regular o supervisar las pruebas genéticas DTC. Pero debido a que

cuidadosamente las pruebas genéticas DTC? Tú decides.

algunas pruebas genéticas DTC compa

se utiliza para tratar el cáncer de próstata avanzado en pacientes

se devuelven al torrente sanguíneo del paciente mediante inyección

que no responden a la terapia hormonal. Esta vacuna no es una

intravenosa y son necesarios varios tratamientos. En el paciente, las

cura para el cáncer de próstata, pero puede ayudar a prolongar la

células dendríticas también estimulan otras células inmunitarias para

vida útil de los pacientes. Para hacer esta vacuna, las células

atacar el cáncer de próstata.

inmunitarias se recolectan de la sangre de un paciente, luego se tratan para inducirlas en células inmunitarias llamadas células

el sistema inmunitario para tratar enfermedades. Pero en los últimos

Mencionamos las vacunas aquí porque son una forma de usar

dendríticas. Las células dendríticas también están expuestas a una

años, el uso de anticuerpos para una variedad de inmunoterapias

proteína llamada fosfatasa de ácido prostático (PAP), que hace que

ha suscitado un gran entusiasmo y una promesa para el tratamiento

las células estimulen una respuesta inmunitaria contra las células

de enfermedades humanas, como comentamos.

cancerosas de la próstata cuando se vuelven a introducir en el cuerpo. Las Siguiente. células dendríticas

Machine Translated by Google 316

Capítulo 11 Biotecnología médica

Anticuerpos monoclonicos

Las células de hibridoma crecen rápidamente en cultivo líquido

El propósito principal de la vacunación es estimular la producción

porque contienen genes productores de anticuerpos de las células

de anticuerpos por parte del sistema inmunitario y, por lo tanto,

B. Estas células son literalmente fábricas para producir anticuerpos.

ayudar a protegerse de materiales extraños, pero los anticuerpos

Las células de hibridoma secretan anticuerpos en el medio de cultivo

en sí pueden usarse como tratamientos. El uso de anticuerpos en

líquido que rodea las células. El tratamiento químico se usa para

algunos tipos de terapia tiene sentido porque los anticuerpos son

seleccionar hibridomas y descartar células de mieloma y de ratón

muy específicos para las moléculas o patógenos para los que se

no fusionadas, de modo que los investigadores tengan poblaciones

producen y pueden encontrar y unirse a su objetivo con gran

puras de células productoras de anticuerpos fusionadas. Los

afinidad. Desde su desarrollo en 1975, los anticuerpos

hibridomas se pueden transferir a otras placas de cultivo y congelar

monoclonales (mAb), anticuerpos purificados que son muy

a temperaturas ultrabajas para que siempre haya disponible un

específicos para ciertas moléculas, se han considerado “balas

stock permanente de células. Los anticuerpos se pueden aislar de

mágicas” para el tratamiento de enfermedades. Para hacer un mAb, se inyecta a un ratón o una rata el antígeno purificado contra el cual

hibridomas en cultivos por lotes utilizando biorreactores.

cultivos de hibridomas en lotes grandes cultivando células de

los investigadores están tratando de crear anticuerpos. Hay muchas variaciones sobre cómo se pueden producir

La figura 11.12 muestra la producción de mAbs específicos para proteínas de células de cáncer de hígado humano. Después de que el ratón produce anticuerpos contra el antígeno, un proceso que suele durar varias semanas, se extrae el bazo del animal. El bazo es una rica fuente de linfocitos B productores de anticuerpos, comúnmente llamados células B. En una placa de cultivo, las células B se mezclan con células

mAbs. Por ejemplo, los ratones transgénicos diseñados con diferentes genes se pueden usar para producir mAbs que incluyen anticuerpos humanizados, que han sido modificados genéticamente para aumentar su similitud con los anticuerpos humanos (como discutimos en el Capítulo 4). Alrededor de la mitad de los mAbs comercialmente disponibles y aprobados por la FDA son anticuerpos humanizados. Los fagos también se pueden usar para expresar

cancerosas, llamadas células de mieloma, que pueden crecer y

antígenos para producir mAbs, y cada vez más empresas están

dividirse indefinidamente. Bajo las condiciones adecuadas, un cierto

adoptando este enfoque.

número de células B y células de mieloma se fusionarán para crear

Los anticuerpos monoclonales se pueden inyectar en pacientes para buscar y apuntar a los antígenos a los que se dirigen los mAb.

células híbridas llamadas hibridomas.

Células hepáticas cancerosas

anticuerpos Formador de anticuerpos células

Células tumorales

(mieloma)

Cultivo de tejidos

persona con cáncer de hígado

Fusión celular a

mAb inyectado en paciente a

crear hibridomas

destruir las células tumorales

Anticuerpos monoclonales (mAb) aislado

Cribado de hibridomas para la producción de anticuerpos productor de anticuerpos hibridomas clonados

FIGURA 11.12 Producción de anticuerpos monoclonales

Machine Translated by Google 11.4 Medicina de Precisión y Biotecnología

PDGF AAAB CC BB

Bloques Lartruvo unión de PDGF a los receptores

PAGS

PAGS Automóvil club británico

PAGS

PAGS

b un

Automóvil club británico

b un

PDGFRA

317

Los kits usan mAbs para detectar hormonas producidas durante el embarazo. Los monoclonales para el tratamiento de enfermedades aún no han estado a la altura de su entusiasmo inicial y ha habido algunos contratiempos en el campo. Por ejemplo, el tratamiento con mAb de pacientes con la enfermedad de Alzheimer produjo una inflamación severa en varias personas debido a una respuesta de anticuerpos humanos anti-ratón. Cada vez más, parece que los mAbs seguirán siendo herramientas valiosas para la medicina en el siglo XXI.

La inmunoterapia se muestra muy prometedora como tratamiento contra el cáncer Crecimiento de células tumorales

angiogénesis

FIGURA 11.13 Lartruvo es un anticuerpo monoclonal que se usa para tratar el sarcoma de tejido blando Lartruvo se une al dominio extracelular de la proteína llamada receptor alfa del factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGFRA), que es importante para la señalización de proteínas en las células. PDGFRA se une a las diferentes formas del factor de crecimiento PDGF, lo que estimula su crecimiento. Lartruvo bloquea el receptor impidiendo la unión al PDGF y por lo tanto bloquea el crecimiento del tumor.

fueron producidos. Los mAb de la figura 11.12 se unirían a las células cancerosas del hígado y actuarían para destruir el tumor.

Aunque ha estado en desarrollo durante varias décadas (solo el gobierno de EE. UU. ha proporcionado más de $200 millones en apoyo a la investigación y el desarrollo), en los últimos años, la inmunoterapia, el uso del sistema inmunitario de un paciente para atacar y destruir las células enfermas, ha surgido como una de las maneras más prometedoras de tratar el cáncer. Como ejemplo de esto, en 2016, la FDA aprobó muchos ensayos clínicos nuevos que involucran inmunoterapias para tratar formas avanzadas de linfoma, cáncer de pulmón, riñón, vejiga y otras enfermedades. La inmunoterapia aprovecha el sistema inmunitario del propio paciente para eliminar los tumores, y algunos enfoques han producido efectos terapéuticos notables en ensayos clínicos en los que los pacientes han entrado en remisión durante años y los tumores aparentemente han desaparecido.

La figura 11.13 muestra un ejemplo de cómo olaratumab (observe que

Las dos estrategias principales para la inmunoterapia son crear células T con receptor de antígeno quimérico (CAR) diseñado para expresar receptores que pueden reconocer sarcoma de tejido blando. directamente antígenos en la superficie de la célula tumoral sin En 1992, la FDA aprobó el primer anticuerpo monoclonal, requerir activación de células T por parte de células presentadoras OKT3, que se utilizó para tratar el rechazo de trasplantes de de antígenos (Figura 11.14a) o receptores de células T órganos. Posteriormente, se desarrollaron mAbs para tratar el recombinantes (TCR) que reconocen específicamente antígenos cáncer de mama (Herceptin), el linfoma (Rituxan) y otras en o dentro células cancerosas (Figura 11.14b). La figura 11.14b enfermedades. Hasta enero de 2017, la FDA había aprobado 68 demuestra cómo se pueden identificar y explotar los neoantígenos mAb. Por varias razones, los últimos años han visto un resurgimiento (antígenos nuevos específicos del cáncer de un paciente en la investigación de mAb y nuevos productos. Por ejemplo, la individual) para que el sistema inmunitario reconozca estos FDA aprobó 10 mAb nuevos en 2015, un máximo desde 1992, y antígenos y ataque las células cancerosas. La figura 11.15 luego otros 10 mAb en 2016. muestra un método para aislar las células inmunitarias de un paciente de la sangre, diseñar células para crear células CAR-T Los científicos incluso prevén unir sustancias químicas o (como se muestra en la figura 11.14a) o células TCR, cultivar moléculas radiactivas a los mAbs con la esperanza de que estos células T alteradas en el laboratorio y luego devolver CAR-T o puedan apuntar a las células dañadas o cancerosas y usar sus TCR al paciente, donde buscan y destruyen las células cancerosas. cargas útiles para matar estas células. Las estrategias de La edición de genes por CRISPR-Cas también está mejorando el anticuerpos terapéuticos también pueden ser valiosas para el uso de células T diseñadas para el tratamiento de muchas tratamiento de personas adictas a drogas nocivas, como la cocaína enfermedades. Volveremos a este concepto en la Sección 11.5, y la nicotina. En 2016, 275 millones de personas en todo el mundo Terapia génica. consumieron drogas al menos una vez al año. Los científicos creen A la mayoría de los primeros pacientes tratados con que puede ser posible estimular la producción de anticuerpos inmunoterapia se les ofreció este enfoque como última opción contra drogas como la cocaína. Estos anticuerpos luego se unirían porque tenían una enfermedad potencialmente mortal y otros al fármaco como antígeno, atrapando y evitando que el fármaco tratamientos convencionales no tuvieron éxito. En agosto de 2017, afecte a las células cerebrales. Los anticuerpos monoclonales después de que un panel de médicos e investigadores que también se han utilizado durante varios años en pruebas comunes asesoran FDA recomendaran por unanimidad la aprobación de Novartis para afecciones como la faringitis estreptocócica y la mayoría de los embarazos en aellahogar. el sufijo del nombre de este fármaco termina en “mab”; esto indica que

el fármaco es un anticuerpo monoclonal) o Lartruvo, actúa contra el

Machine Translated by Google 318

Capítulo 11 Biotecnología médica

(a)

(b)

Célula tumoral

Estimular antitumoral

vector viral transfecta

actividad de las células T

Antígeno

ADN del COCHE

Melanoma

Tumor

paciente

secuenciación (ADN/ARN)

Antígeno quimérico receptor (CAR)

Adoptivo terapia de células T

Identificación de mutaciones

Sangre periférica mononuclear células de

neoantígeno tumoral candidatos

Diseñar células T con específico de neoantígeno

donantes sanos

Receptores de células T

Adicional diseñado receptor Examinar las células T del donante para

reactividad al neoantígeno

Identificar inmunogénico neoantígeno y reactivo receptores de células T

FIGURA 11.14 Modificación de células T para inmunoterapia (a) Las proteínas del receptor de antígeno quimérico (CAR) reconocen antígenos específicos del cáncer. Al introducir genes que codifican proteínas CAR en células T aisladas de un paciente para crear células CAR-T, las células se programan para reconocer y destruir con precisión células tumorales que normalmente no serían reconocidas por el sistema inmunitario. Al mismo tiempo, las células CAR-T no se dirigirán a las células normales. Se pueden diseñar receptores adicionales en las células CAR-T para ayudarlas a unirse a las células tumorales. (b) Se extraen células T circulantes de un paciente con melanoma y se manipulan con genes para neoantígenos para crear células T adoptivas. Las células se cultivan para aumentar su número (expansión) antes de volver a infundirlas al paciente.

Generación de células CAR-T ex vivo

Quimioterapia Cosecha Administrar CAR-T o

células T

Células TCR al paciente

Activación inmune de ingeniería células T

Inserción viral o no viral (p. ej., CRISPR-Cas) de genes CAR o genes del receptor de células T (TCR) en células T

Expansión de células T para aumentar el número de ingeniería células T

FIGURA 11.15 Proceso para preparar células CAR-T de un paciente Las células T circulantes se extraen de un paciente, se transfectan con un gen para una CAR administrada a través de un vector viral (o por CRISPR-Cas), se activan para reconocer células tumorales y se cultivan en cultivo para aumentar el número de células antes de ser infundido de nuevo en el paciente. A menudo, antes de la infusión de células CAR-T, el paciente recibe quimioterapia para reducir las células T endógenas.

medicamento de marca Kymriah (CTL019) tratamiento CAR-T para niños y adultos jóvenes con leucemia linfoblástica aguda (LLA) de células B, la FDA aprobó Kymriah como la primera terapia CAR-T. La ALL es el cáncer infantil más común en los Estados Unidos y los pacientes que recaen o no responden a la quimioterapia tienen una baja tasa de supervivencia. Pero más del 80 por ciento de los 68 pacientes pediátricos o adultos entraron en remisión casi inmediatamente después de que comenzó el tratamiento, y la mayoría permaneció libre de cáncer 6 meses después del tratamiento. Kymriah está aprobado para TODOS los pacientes hasta los 25 años de edad. Esta primera aprobación fue un hito. Siete semanas después se aprobó una segunda terapia CAR-T, llamada Yescarta, creada por Gilead Sciences para tratar el linfoma no Hodgkin en adultos. A fines de 2017, había más de 240 ensayos clínicos CAR-T registrados enclinicaltrials.gov y se esperaba que varias inmunoterapias nuevas en trámite fueran aprobadas en 2018. Kymriah también apareció en los titulares por su precio de etiqueta de aproximadamente $ 475,000 por un solo tratamiento y estima que el costo total de la atención con este fármaco podría superar los $1,5 millones. Varias empresas están utilizando virus modificados para la inmunoterapia. Por ejemplo, los virus oncolíticos están diseñados para unirse selectivamente a las células cancerosas e infectarlas. Por lo general, estos virus han sido despojados de genes que el virus normalmente usa para enfermar a las personas. Los virus están diseñados genéticamente para contener proteínas de superficie que se unen a los receptores y los reconocen.

Machine Translated by Google 11.5 Terapia génica

319

11.5 Terapia génica

en las células cancerosas y no en las células no cancerosas sanas, lo que estimula el sistema inmunitario para atacar las células cancerosas. Esta forma de inmunoterapia es un desafío por muchas razones, pero varios virus oncolíticos continúan progresando a través de ensayos clínicos. Es necesario abordar muchas preguntas y desafíos antes de que la inmunoterapia sea una opción de tratamiento confiable y de rutina. Por ejemplo, ¿por qué algunos pacientes responden bien a la inmunoterapia y otros no? De los seleccionados para inmunoterapia, menos de la mitad de los pacientes responden bien o responden solo por un corto tiempo. Hasta ahora, la inmunoterapia es más efectiva para los cánceres de la sangre y menos efectiva para los tumores sólidos,

La terapia génica implica la introducción de genes terapéuticos en el cuerpo humano para corregir enfermedades creadas por un gen o genes defectuosos. Piense en el asombroso poder y potencial de la terapia génica: proporcionar a una persona genes normales para complementar los genes defectuosos y curar la enfermedad, usar la edición del genoma para eliminar un gen de la enfermedad o incluso reemplazar un gen defectuoso con un gen normal. En realidad, la terapia génica fue uno de los primeros enfoques de medicina de precisión para tratar enfermedades que existió décadas antes de que se usara el término medicina de precisión . La terapia génica no ha estado a la altura de su entusiasmo inicial, pero como aprenderá aquí, el campo está experimentando un resurgimiento dramático en gran parte debido a los éxitos recientes y la promesa de enfoques de edición del genoma como CRISPR-Cas.

que representan la mayoría de los cánceres, como el de mama, cerebro, pulmón, ovario y otros. Puede llevar varias semanas producir células T de ingeniería de cada paciente. ¿Hay formas de acelerar esto y acortar el tiempo para hacer estas células? La inmunoterapia puede estimular las reacciones inmunitarias que provocan la muerte, y la FDA ha detenido varios ensayos debido a la muerte de los pacientes. Los costos del tratamiento también son un problema, con

¿Cómo se hace?

Las dos estrategias principales para la administración de genes tratamientos CAR-T tan altos como $ 400,000 a $ 600,000 y son la terapia génica ex vivo y la terapia génica in vivo (Figura actualmente no están cubiertos por el seguro (aunque los 11.16). En la terapia ex vivo (ex significa "fuera de"; vivo en latín pacientes en ensayos clínicos a menudo no tienen costos porque significa "algo vivo"), se extraen células de una persona con una se ofrecen como voluntarios para el ensayo). Las células T enfermedad, se tratan en el laboratorio usando técnicas similares modificadas destruyen las células cancerosas, pero tienen una a la transformación bacteriana y luego se vuelven a introducir en él o ella. Técnicamente hablando, la introducción de ADN en vida corta. ¿Hay formas de hacer que estas células duren más? Los científicos están trabajando arduamente para abordar estas células animales o vegetales se denomina transfección. Por y otras preguntas, así que vigile de cerca la inmunoterapia. ejemplo, las células hepáticas de un paciente que padece un En la siguiente sección, consideramos otro ejemplo de trastorno hepático se extraerían quirúrgicamente y se cultivarían. medicina de precisión mediante la exploración de la terapia Los genes terapéuticos apropiados serían entonces génica, un tema prometedor y controvertido de la biotecnología médica.

Terapia génica ex vivo

Terapia génica in vivo gen normal para Retire una pequeña

una coagulación de la sangre

porción de hígado para

proteína

aislar las células Cultivar células en cultivo Virus o nanopartículas como liposomas como vectores para la administración de genes Introducir

Introducir directamente el

genes normales

gen normal para

para la

proteína de coagulación en las

coagulación de

Trasplante de células

proteínas a

hepáticas al paciente; genéticamente

través de

alterado

vectores virales,

Las células proporcionan

nanopartículas o por

proteínas de coagulación.

células del hígado del paciente o entregar por edición del genoma (es decir, CRISPR-Cas)

edición del genoma

Paciente con defecto genético de células hepáticas, carece de gen para proteína de coagulación sanguínea

FIGURA 11.16 Terapia génica ex vivo e in vivo en un paciente con un trastorno hepático La terapia génica ex vivo implica aislar células del paciente, introducir genes normales para la proteína de coagulación en estas células y luego trasplantarlas nuevamente al cuerpo, donde estas células producirán la proteína de coagulación requerida. La terapia génica in vivo consiste en introducir ADN directamente en las células mientras están en el paciente. En cualquier modo de terapia génica, los genes pueden introducirse en las células como ADN empaquetado en virus como vectores o como ADN desnudo.

Machine Translated by Google 320

Capítulo 11 Biotecnología médica

entregado en estas células usando vectores y otros enfoques discutidos en la siguiente sección. Estas células hepáticas modificadas genéticamente se volverían a trasplantar al paciente sin temor al rechazo del trasplante de tejido porque estas células procedían inicialmente del paciente (Figura 11.16).

Un vector viral utiliza un genoma viral para transportar un gen o genes terapéuticos para “infectar” las células del cuerpo humano, introduciendo así el gen terapéutico (Figura 11.17a). Los científicos usan varios virus, como adenovirus, que causa el resfriado común; un virus relacionado denominado

virus adenoasociado (AAV); virus de la influenza, que causan la gripe; y los virus del herpes, que pueden causar herpes labial y algunos de los cuales causan enfermedades de transmisión sexual, como vectores potenciales para la entrega de genes. Para que cualquier vector viral funcione, los científicos deben estar seguros de que estos vectores han sido modificados genéticamente e inactivados para que no produzcan enfermedades ni se propaguen por todo el cuerpo e infecten otros tejidos. La mayoría de los virus infectan las células del cuerpo humano uniéndose y entrando en las células y luego liberando su material genético en el núcleo o citoplasma de la célula humana. Suele ser ADN, pero algunos virus contienen un Entrega de la carga útil: vectores genoma de ARN. La célula humana infectada sirve entonces para la entrega de genes como huésped para reproducir el genoma viral y producir ARN Un desafío importante que debe superarse para que la terapia y proteínas virales. Las proteínas virales finalmente se génica se convierta en una herramienta confiable para el ensamblan para crear más partículas virales que se desprenden tratamiento de enfermedades es lograr una entrega segura y de las células huésped para que puedan infectar otras células y eficaz de genes terapéuticos: la carga útil. Dependiendo de la repetir el ciclo de vida (Figura 11.17a). condición genética a tratar, algunas estrategias terapéuticas Puede parecer extraño que los virus sean incluso pueden requerir la expresión a largo plazo de un gen correctivo, considerados por llevar genes para curar enfermedades humanas. mientras que otras pueden requerir una expresión rápida por Sin embargo, dado que los virus son muy efectivos para períodos de tiempo más cortos. La mayoría de las estrategias introducir sus genomas en las células, los científicos razonaron de administración de genes, tanto ex vivo como in vivo, se que si los virus pudieran desactivarse para que no causaran basan en virus como vectores para introducir genes terapéuticos en lasenfermedades células. y alterarse genéticamente para brindar terapia

La terapia génica in vivo no implica la eliminación de las células de un paciente; El ADN se introduce directamente en las células y tejidos del cuerpo (Figura 11.16). Un desafío de la terapia génica in vivo es administrar genes solo a los tejidos previstos y no a los tejidos de todo el cuerpo. Los científicos se han basado principalmente en el uso de virus como vectores para la entrega de genes, pero en algunos casos los genes se han inyectado directamente en algunos tejidos. Hasta ahora, las estrategias ex vivo generalmente han demostrado ser más efectivas que los enfoques in vivo .

a) Adeno-asociado virus (AAV)

Adeno-asociado

(b) Lentivirus Terapéutico ARN

virus

Lentivirus

Terapéutico ADN 1) Virus tomado

1) Virus tomado

endosoma

en la celda a través de

en la celda a través de

endosoma

endosoma endosoma 2) Endosoma y el virus se descompone,

Célula

Núcleo

2) endosoma romperse

liberando ARN Célula

3) el ARN es convertido

3) El virus se une a la célula .

núcleo y liberaciones contenido 4) formas de ADN circular episoma

4) el ADN se integra en el núcleo

en ADN

genoma 5) Proteína expresada 5) Proteína expresada

FIGURA 11.17 Entrega de genes terapéuticos con vector viral (a) Los virus como el virus adenoasociado modificado (AAV) entregan genes terapéuticos en las células sin integrarlos en el genoma de las células diana. (b) Los virus como el lentivirus, un virus de ARN, entregan genes terapéuticos al citoplasma, donde la transcriptasa inversa convierte el ARN en ADN. Luego, el ADN se integra en el genoma, asegurando que pasará a las células hijas durante la división celular.

Machine Translated by Google 11.5 Terapia génica

genes de forma segura, podríamos utilizar virus con fines beneficiosos.

321

es que debido a que un número relativamente pequeño de células

En muchos sentidos, los virus están perfectamente diseñados como

absorbe el ADN inyectado, es posible que no haya suficientes células

vehículos de terapia génica o vectores para la entrega de genes. Por

que expresen el gen terapéutico para que la terapia génica tenga algún

ejemplo, el adenovirus, que aproximadamente entre el 80 y el 90 por

efecto sobre el tejido. Los científicos están trabajando en formas de

ciento de la población se infectó en la infancia porque causa el resfriado común, puede infectar muchos tipos de células del cuerpo de manera

superar estos problemas y entregar ADN desnudo de manera más

bastante eficiente. Los retrovirus como los lentivirus, incluido incluso el VIH, son de interés como vectores porque, al entrar en una célula huésped, copian su genoma de ARN en ADN y luego insertan aleatoriamente su ADN en

efectiva. Por ejemplo, la electroporación (recuerde que en el Capítulo 5 analizamos cómo se usa la estimulación eléctrica para mover plásmidos hacia el interior de las células bacterianas) se puede usar para estimular el movimiento del ADN hacia el interior de las células. Un enfoque para administrar ADN sin vectores virales involucra

el genoma de la célula huésped, donde permanece de forma

liposomas, microesferas huecas de pequeño diámetro hechas de

permanente, un proceso llamado integración. Una de las principales

moléculas de lípidos, similares a las moléculas de grasa en las

razones por las que los retrovirus se utilizan para la administración de

membranas celulares. Los liposomas se empaquetan o recubren con

genes es que pueden integrar genes terapéuticos en el ADN de las

genes y luego se inyectan en los tejidos o se rocían sobre ellos. Una

células huésped humanas, lo que permite la inserción permanente de

técnica similar consiste en recubrir diminutas nanopartículas de oro con

genes en los cromosomas de las células de un paciente como una

ADN y luego dispararlas a las células con una pistola de ADN, una

forma de proporcionar una terapia génica duradera (Figura 11.17b). ).

pistola de aire comprimido que libera partículas de oro o liposomas a

Por ejemplo, investigadores de la Universidad de París y la Escuela de

través de las membranas celulares sin matar a la mayoría de las células.

Medicina de Harvard informaron que 2 años después del tratamiento de

Se están utilizando una variedad de diferentes tipos de nanopartículas

terapia génica para ß-thalas semia, un trastorno sanguíneo que implica un defecto en la cadena de globina ß de la hemoglobina que reduce la

como vectores portadores de genes. También se está explorando la expresión de genes a corto plazo a través de “píldoras de genes”. En

producción de hemoglobina, un joven ya no necesita transfusiones y

este enfoque, una pastilla entrega ADN a los intestinos, donde es

parece estar sano. Se usó un vector de lentivirus derivado del VIH

absorbido por las células intestinales; estos luego expresan proteínas

desactivado y modificado para transportar una copia del gen normal y

terapéuticas codificadas por el ADN y secretan estas proteínas en el

se administró a través de células madre sanguíneas.

torrente sanguíneo.

Los virus también se han estudiado ampliamente como vectores de terapia génica porque algunos virus infectan solo ciertas células del

Enfoques terapéuticos de ARN para la terapia génica.

cuerpo. Esta estrategia se ha utilizado para objetivos

Hemos discutido el uso de la tecnología de ARN antisentido como

terapia génica: la capacidad de administrar genes solo a los tejidos

una forma de bloquear la traducción de moléculas de ARNm para

infectados por un determinado virus. Por ejemplo, una cepa de

silenciar la expresión génica (Capítulo 3). Este enfoque se utilizó para

herpesvirus (HSV-1) infecta principalmente células del sistema nervioso

crear el tomate Flavr Savr (ver Figura 6.7). El concepto básico de la

central. Esta cepa se ha utilizado para la terapia génica dirigida de

tecnología de ARN antisentido es diseñar una molécula de ARN que

células en el sistema nervioso, que puede ser una forma eficaz de tratar

servirá como un par de bases complementarias para el ARNm que

trastornos genéticos del cerebro como la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson. Los investigadores también están

11.18). Este enfoque para desactivar un gen se denomina con frecuencia

investigando formas en que los herpesvirus modificados genéticamente

ARN o silenciamiento génico. Desde el desarrollo de tecnologías de

pueden usarse para destruir tumores cerebrales. Los ensayos

ARN antisentido en la década de 1970, los científicos han pensado que

preliminares de este enfoque en humanos se han mostrado prometedores.

desea inhibir, impidiendo así que se traduzca en una proteína (Figura

los enfoques de silenciamiento de ARN serían formas muy efectivas de desactivar los genes de enfermedades como un enfoque de terapia

La mayoría de las células humanas no captan el ADN con facilidad. Si lo hicieran, entonces sería posible transfectar células simplemente

génica, pero hasta ahora las terapias basadas en ARN no han cumplido su promesa inicial. .

mezclándolas con ADN en un tubo de la misma manera que se logra la transformación con células bacterianas. Sin embargo, se ha demostrado cierto éxito con las estrategias tanto in vivo como ex vivo utilizando ADN “desnudo”. El ADN desnudo es simplemente ADN por sí mismo, sin un

Pero es muy probable que las terapias basadas en ARN sean mucho más exitosas y más ampliamente adoptadas en la próxima

vector viral, que se inyecta directamente en los tejidos del cuerpo. Para

década. A mediados de la década de 2000, muchas empresas

este enfoque, a menudo se utilizan pequeños plásmidos que contienen

abandonaron este enfoque de la terapia génica debido a problemas

genes terapéuticos. Las células de ciertos tejidos tomarán parte del

asociados con la entrega de oligonucleótidos de ARN antisentido a

ADN desnudo y expresarán los genes entregados de esta manera.

través de las membranas celulares y evitar que se degraden mientras están en el sistema circulatorio. Sin embargo, los avances recientes en la química de oligonucleótidos de ARN han ayudado a superar estos

Las técnicas de administración de ADN desnudo han sido algo efectivas en el hígado y en el músculo esquelético. Uno de los principales problemas con la transfección de células humanas in vivo

obstáculos, y cientos de ensayos clínicos que involucran ARN antisentido se encuentran en las etapas de planificación.

Machine Translated by Google 322

Capítulo 11 Biotecnología médica

siARN Expresando plásmidos ARN antisentido

Entrega de nanopartículas de antisentido

esta enfermedad se caracteriza por la pérdida de neuronas motoras en la médula espinal, lo que resulta en una debilidad muscular

o siARN

progresiva, y es una de las principales causas genéticas de muerte en

ARN o

los bebés (más del 90 por ciento de los bebés mueren antes de los 2

siARN

Célula diana

vector viral

Membrana celular

entrega de ARN antisentido o

miARN Núcleo

antisentido ARN

siRNA

para el desarrollo normal de las neuronas motoras (Figura 11.19). El

ARNi

ARN terapéutico se administra en el líquido cefalorraquídeo. Es un

dsARN

ARN antisentido de 18 nucleótidos (nt) que se dirige a SMN2, un

Jugador

antisentido ARN

enzima

ARNm

siRNA

por enfermedad

gene

años). Los pacientes con AME tienen una mutación en el SMN1 gen que impide la producción de la proteína SMN funcional requerida

homólogo de SMN1. SMN2 normalmente se empalma mal en el exón 7 para producir una proteína SMN truncada, en gran parte no funcional.

RIESGO

complejo

Spinraza se une al pre-ARNm del gen SMN2 , lo que altera el

Sin traducción ARNm digestión

Citoplasma

Inhibición de traducción

empalme para incluir el exón 7 en el transcrito maduro y conduce a la traducción de una copia funcional de la proteína SMN (Figura 11.19). El fármaco se mostró tan prometedor en dos ensayos que los ensayos

FIGURA 11.18 Métodos de ARN antisentido y ARNi para la terapia génica mediante silenciamiento génico La tecnología antisentido y el ARNi son dos formas de silenciar la expresión génica y desactivar los genes de enfermedades. En la tecnología antisentido (izquierda), una molécula de ARN antisentido se une al ARNm del gen de la enfermedad y evita que se traduzca en una proteína. Con la tecnología RNAi, las moléculas de RNA de doble cadena (dsRNA) se envían a la célula. Luego, Dicer escinde los dsRNA en ARN de interferencia cortos (siRNA), que son escoltados por el complejo de proteínas RISC para unirse a su ARNm objetivo, lo que provoca su degradación y, por lo tanto, evita la traducción.

se detuvieron antes de tiempo y se consideraron exitosos porque se consideró poco ético continuar negando el fármaco a los niños afectados por SMN en los grupos de placebo. Este enfoque antisentido para alterar el empalme del ARNm para la terapia génica también ha generado entusiasmo porque tiene potencial para tratar la enfermedad de Huntington, la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y otras afecciones neurológicas. Desde Spinraza, los ensayos recientes de terapia génica que administran SMN1 a través de AAV han demostrado ser efectivos en ensayos clínicos para más de una docena de bebés con AME. La reciente aparición del ARN de interferencia (ARNi) como

En un lapso de 6 meses solo a fines de 2016, la FDA aprobó

método para controlar la estabilidad del ARNm y la síntesis de

ensayos de oligonucleótidos antisentido para la colesterolemia familiar,

proteínas ha revitalizado los enfoques de la terapia génica mediante el

la distrofia muscular de Duchenne y la atrofia muscular espinal

silenciamiento génico (consulte la Figura 3.18).

(SMA). Por ejemplo, el ARN antisentido llamado Spinraza (nusin ersen), producido por Ionis Pharmaceuticals de Carlsbad, California, fue aprobado como el primer tratamiento para la AME. Afectando a 1

(b)

SMN2

de cada 10.000 a 12.000 niños nacidos,

80%

Sin que

Spinraza (a)

SMN1

20% (.50%) Spinraza

SMN2 5678

Spinraza

Pre-ARNm

5678 antisentido hebra

empalme SMN

Muerte de motor neuronas

SMN

SMN

Baja supervivencia

Supervivencia

de motor neuronas

de motor neuronas

568

ARNm

5678

SMN

Proteína

SMN

Truncado, degradado rápidamente

FIGURA 11.19 Spinraza es una terapia de ARN antisentido que afecta el empalme del gen SMN (a) En la AME, la expresión del gen SMN1 conduce a la muerte de las neuronas motoras. SMN2 típicamente produce poca proteína SMN funcional. Spinraza aumenta la producción de proteína SMN para aumentar la supervivencia de las neuronas motoras. (b) Por lo general, la proteína de SMN2 no es funcional porque ~80 % de las veces ocurre un error de empalme incorrecto del ARNm de SMN2, excluyendo el exón 7, una región que codifica los aminoácidos críticos necesarios para la función de SMN, mientras que el empalme normal ocurre alrededor del 20 % de los tiempo. Pero al alterar el empalme, Spinraza bloquea el empalme para que el exón 7 se incluya en el ARNm funcional más del 50% del tiempo, lo que aumenta significativamente los niveles de SMN funcional.

Longitud total, funcional

Machine Translated by Google 11.5 Terapia génica

Con RNAi, las moléculas de RNA de doble cadena se envían a las

323

las células madre se están utilizando en enfoques de silenciamiento

células donde la enzima Dicer las corta en trozos de 21 nt de largo

génico y CRISPR-Cas, lo que demuestra su valor para diferentes

llamados RNA pequeños de interferencia (siRNA; Figura 11.18).

aplicaciones de terapia génica.

Los siRNA luego se unen con un complejo enzimático llamado complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC), que transporta los siRNA a su ARNm objetivo, donde se unen mediante emparejamiento de bases complementarias. El complejo RISC degrada los mRNA unidos a siRNA para que no puedan traducirse en proteína. El uso de la terapia génica para estimular los microARN en

Enfoques de edición del genoma para la terapia génica Históricamente, la mayoría de los enfoques de terapia génica se centraron en agregar copias normales de un gen en un esfuerzo por anular los efectos de un gen defectuoso. La edición del genoma o de

anillo (miARN) que se producen de forma natural y que inhiben la

genes es un término general para los enfoques diseñados para

expresión génica es otra área de investigación activa (Figura 11.18).

modificar con precisión genes específicos en el genoma. Reconozca

Hasta ahora, un desafío principal para las terapias basadas en RNAi

que los enfoques de edición están diseñados para corregir o

ha sido la administración in vivo sostenida de RNA antisentido,

reemplazar un gen o genes defectuosos. Los enfoques de edición

dsRNA, miRNA o siRNA a los tejidos diana. Los ARN se degradan

ahora también pueden incluir el reemplazo de genes defectuosos con

rápidamente en el cuerpo. También es difícil lograr que penetren en

una versión correcta de un gen. En los primeros días de la edición de

las células y se dirijan al tejido correcto. Dos enfoques comunes de

genes, los investigadores intentaron usar tipos específicos de

administración son inyectar el ARN antisentido o siARN directamente

nucleasas de edición de ADN llamadas nucleasas de dedo de zinc (ZFN).

o como un plásmido que las células toman para transcribirlo y producir

o TALENS (núcleasas efectoras de tipo activador de la transcripción).

moléculas antisentido o ARNi (Figura 11.18). Los mecanismos de

El uso de plásmidos que codifican ZFN para "editar" y reemplazar

administración de nanopartículas, liposomas y lentivirus, y la unión de

genes defectuosos ha sido un área de intensa investigación en terapia

ARNsi al colesterol y los ácidos grasos también se utilizan para

génica. Por ejemplo, Sangamo Ther apeutics ha implementado una

administrar ARN silenciadores. Otro problema es que la mayoría de

prueba de terapia génica basada en ZFN para pacientes con VIH en

las enfermedades complejas no son causadas por un solo gen. Por

un intento de alterar el gen CCR5 . Este gen codifica una proteína que

ejemplo, como se mencionó anteriormente en este capítulo, el gen

el VIH usa para ingresar a las células y el ensayo ha mostrado

BRCA2 se sobreexpresa en alrededor del 50 por ciento de los casos

resultados prometedores para detener la propagación del virus. Más

de cáncer de mama, y la tecnología de ARN antisentido puede

de 100 personas ya han sido tratadas con esta terapia. Pero debido a

silenciar este gen in vitro; pero el cáncer de mama es una enfermedad

que estas nucleasas generalmente han tenido un éxito limitado,

multigénica, y todavía no es posible silenciar todos los genes

centraremos nuestra discusión sobre la edición de genes en CRISPR-

implicados en ella.

Cas. Ningún método de terapia génica ha creado más entusiasmo

Varias docenas de ensayos clínicos que usan RNAi están en

que la técnica de edición de genes conocida como CRISPR-Cas o

marcha en los Estados Unidos. Las enfermedades a las que se ha

simplemente CRISPR. Hemos discutido

dirigido el ARNi incluyen varios tipos de cáncer, degeneración macular

varias aplicaciones de CRISPR-Cas a lo largo del libro. Identificado

(una forma de ceguera), diabetes, esclerosis múltiple, artritis y

en células bacterianas, el sistema CRISPR funciona para proporcionar

enfermedades neurodegenerativas.

inmunidad a bacterias y arqueas contra bacteriófagos invasores y

Células madre para la entrega de genes terapéuticos

plásmidos extraños. Presentado por primera vez en 2013, se desarrolló una locura por

Discutiremos las células madre con gran detalle en la Sección 11.6.

CRISPR que ha revolucionado las aplicaciones de ingeniería del

Cada vez más, los vectores virales y no virales se utilizan para

genoma, incluida la edición de genes para la terapia génica.

administrar genes terapéuticos en células madre, por lo general in

CRISPR se basa en la entrega de una secuencia de ARN “guiada” de cadena sencilla (sgRNA) que es complementaria a la secuencia del gen objetivo en el genoma y se une a la endonucleasa llamada Cas9 (Figura 11.20).

vitro, y luego las células madre se introducen en el paciente o se diferencian in vitro en tipos de células maduras antes de ser trasplantadas al órgano correcto del paciente. un paciente en tratamiento. En particular, las células madre hematopoyéticas (HSC),

Los sgRNA son relativamente fáciles de diseñar y sintetizar. Al mismo

que se encuentran en la médula ósea y dan lugar a las células

tiempo que se entrega la secuencia de sgRNA, se entrega una hebra

sanguíneas, se utilizan ampliamente para la terapia génica en adultos

molde de ADN que codifica una secuencia de reemplazo. El complejo

y niños. El uso de HSC tiene muchas ventajas: son de fácil acceso y,

sgRNA-Cas9 se une a la secuencia de ADN objetivo y Cas9 genera

a menudo, se extraen de la médula del paciente que se va a tratar

una ruptura roma de doble cadena en el ADN. El reconocimiento

para evitar complicaciones con el rechazo del tejido por parte del

CRISPR de los sitios de división del ADN está determinado por el

sistema inmunitario cuando se reintroducen; se replican rápidamente

emparejamiento de bases ARN-ADN y un motivo adyacente al

in vitro; son bastante longevos; y se diferencian tanto en glóbulos

protoespaciador (PAM), una secuencia de tres nucleótidos adyacente

rojos como en glóbulos blancos (leucocitos). Y como también

a la secuencia complementaria. A medida que las células reparan el

aprenderás,

daño del ADN causado por Cas9, las enzimas reparadoras incorporan ADN molde en

Machine Translated by Google 324

Capítulo 11 Biotecnología médica

FIGURA 11.20 CRISPR-Cas para la edición del genoma PAM ADN coincidente secuencia objetivo para editar

Guía de ARN

secuencia Cas9

ADN genómico

Reparar

Reemplazo secuencia

el genoma en el sitio CRISPR-Cas, reemplazando así la secuencia de

reintroducido en los pacientes con la esperanza de que estas células

ADN objetivo. Como también discutimos en el capítulo 3, pero no se

apuntaran a los tumores en el pulmón para su destrucción sin ser

muestra en la figura 11.20, CRISPR también se puede usar para eliminar

inhabilitadas por las células cancerosas. Los resultados de este ensayo

una secuenciación de ADN objetivo eliminándola y luego uniendo los

se esperaban para finales de 2018, después de que se publicara esta

fragmentos de ADN sin reemplazar la secuencia eliminada.

edición de Introducción a la biotecnología . En los Estados Unidos, a fines de 2017, solo se había recomendado

Parte del poder de CRISPR es que la edición se puede hacer directamente en un animal adulto vivo. A los pocos meses de que la

la aprobación de un ensayo CRISPR hasta el momento. Un grupo asesor de los NIH aprobó ensayos para la edición CRISPR-Cas9 de células T

técnica estuviera ampliamente disponible, los investigadores de todo el

de pacientes con melanoma, mieloma múltiple y otros tipos de cáncer

mundo utilizaron CRISPR para detectar genes específicos en células

que no responden a las terapias tradicionales. Este protocolo luego tuvo

humanas, ratones, ratas, bacterias, moscas de la fruta, levaduras, peces

que ser revisado y aprobado por la FDA. Está previsto que comiencen

cebra y docenas de otros organismos. Un equipo del Instituto Tecnológico

varios ensayos más de edición de genes en diferentes centros de todo

de Massachu Setts (MIT) curó recientemente a ratones de un trastorno

el mundo, dirigidos al cáncer de riñón, vejiga y próstata, entre otros.

hepático raro, la tirosinemia tipo I, a través de la edición de genes mediante CRISPR. En la tirosinemia, una afección que afecta Casi a diario, se publican ejemplos de aplicaciones exitosas de

aproximadamente a 1 de cada 100 000 personas, la mutación del gen FAH que codifica la enzima fumarilacetoacetasa evita la descomposición

CRISPR-Cas en organismos modelo y humanos que destacan el

del aminoácido tirosina. Después de un in vivo

potencial de este enfoque para la terapia génica.

enfoque con un tratamiento de una sola vez, aproximadamente 1 de cada 250 células hepáticas aceptaron el reemplazo del gen mutante

Éstos incluyen:

proporcionado por CRISPR con una copia normal del gen. Pero alrededor de 1 mes después, estas células proliferaron y reemplazaron a las células enfermas, ocupando aproximadamente un tercio del hígado, lo que fue suficiente para permitir que los ratones metabolizaran la tirosina y no mostraran los efectos de la enfermedad. Posteriormente, se eliminó a los ratones de una dieta baja en proteínas y de un fármaco que normalmente se utiliza para interrumpir la producción de tirosina. A fines de 2016, un equipo de científicos chinos proporcionó el primer informe del tratamiento CRISPR-Cas en humanos con un ensayo para tratar una forma agresiva de cáncer llamada cáncer de pulmón de células no pequeñas metastásico. un ex-vivo

ÿ Entrega AAV de CRISPR-Cas9 para eliminar un el exón defectuoso del gen Dmd en un modelo de ratón (ratones mdx ) de distrofia muscular de Duchenne (DMD) restauró significativamente la función muscular en los ratones tratados. Se ha estimado que este enfoque tiene el potencial de curar aproximadamente el 80 por ciento de los casos humanos de DMD. ÿ Después de ensayos exitosos en ratones, el gen de la globina ß humana (HBB) en las HSC se reparó in vitro para tratar la enfermedad de células falciformes y la ß-talasemia en humanos.

El enfoque se utilizó para editar un gen llamado muerte celular

Este trabajo se ha mostrado muy prometedor y puede conducir a

programada 1 (PD-1), que expresa una proteína en la superficie de las

ensayos clínicos en los próximos 5 años.

células T que a menudo puede ser neutralizada por las células cancerosas para minimizar las respuestas inmunitarias y evitar la destrucción de las células T de un tumor. A continuación, las células T editadas se

ÿ CRISPR-Cas9 se utilizó para atacar y reemplazar el gen del factor IX de coagulación defectuoso en las células hepáticas para curar la hemofilia B en ratones.

Machine Translated by Google 11.5 Terapia génica

TÚ DECIDES

325

¿Edición de embriones humanos y líneas germinales?

La edición de genes de células somáticas para prevenir o tratar enfermedades es muy prometedora. Pero incluso los enfoques

una mutación en el gen CCR5 para conferir resistencia a la infección por VIH. En este estudio, 4 de 26 embriones se editaron con éxito, pero otros contenían mutaciones indeseables como

para editar células somáticas han sido controvertidos. Por ejemplo,

resultado del tratamiento. Aunque esto demostró alguna prueba

¿debería usarse esto para la mejora genética? La edición de

de concepto para crear embriones resistentes al VIH, como el

genes para tratar la distrofia muscular es una cosa, pero ¿qué

trabajo de 2015, también mostró claramente que la edición de

pasa con la edición para mejorar la masa muscular y la fuerza en

genes de embriones no es ni precisa ni segura en este punto.

un hombre sano? Ninguna aplicación potencial de CRISPR-Cas ha generado tanta atención como la posibilidad de editar embriones y líneas germinales. El uso de CRISPR-Cas para editar embriones

En 2017, los investigadores de Oregon Health and Science La universidad publicó un trabajo que afirma reparar un defecto

humanos y la línea germinal humana (espermatozoides y óvulos)

genético en embriones humanos sin causar cambios no

se ha convertido en la aplicación potencial más controvertida de

deseados en otras partes del genoma. Esto se hizo con embriones

esta tecnología, aunque existían preocupaciones similares cuando

creados a través de FIV y se dirigió a un gen llamado MYBPC3,

se utilizaron por primera vez ZFN y TALENS.

que conduce a un corazón agrandado y puede causar un paro cardíaco repentino en adultos jóvenes aparentemente sanos.

Editar un embrión en etapa temprana, antes de que las

Después de la edición, los embriones no fueron implantados sino

células se diferencien por completo, daría como resultado

destruidos. Como se señaló anteriormente, este trabajo no fue

ediciones en la línea germinal humana (espermatozoides y óvulos)

apoyado por fondos federales.

y, por lo tanto, la edición de embriones afectaría a las generaciones

Estos y otros estudios han estimulado importantes

posteriores y permitiría a los padres con una enfermedad conocida

debates éticos sobre la ingeniería genética de embriones.

tener descendencia sin morir. la mutación a sus hijos. Esto plantea

Actualmente, alrededor de dos docenas de países (incluidos los

muchos problemas de seguridad, incluidas las preocupaciones

Estados Unidos y el Reino Unido) tienen una prohibición estricta

sobre las consecuencias no deseadas, como, ¿qué sucede si un

sobre la modificación de la línea germinal humana y del embrión,

enfoque de edición de genes realiza cambios que no se detectan?

pero existen regulaciones más permisivas en otros países. Esto

Actualmente, en los Estados Unidos existe una prohibición sobre

continúa provocando una preocupación generalizada por parte de

el uso de fondos federales para la edición de embriones. La FDA convocó a un comité para definir los criterios bajo los cuales se

científicos, expertos en ética, políticos y pacientes. Países como

podría permitir dicha edición si se levantara la prohibición en el futuro. En 2015, un equipo de científicos chinos informó sobre

China, India y Japón tienen pautas, no una verdadera legislación, que prohíben las modificaciones genéticas, pero generalmente se consideran inaplicables o se ignoran en gran medida. Recientemente, un grupo asesor formado por la Academia

el uso de CRISPR-Cas9 para editar el gen HBB en 86 embriones

Nacional de Ciencias y la Academia Nacional de Medicina de EE.

humanos donados previamente para la fertilización in vitro.

UU. respaldó la edición de embriones para genes que se sabe

Dos días después del tratamiento con CRISPR-Cas, 71

que causan "enfermedades y discapacidades graves" y solo si no

embriones habían sobrevivido, pero solo 4 de ellos portaban el

hay una "alternativa razonable". ¿Debería permitirse la edición de

cambio previsto en el gen HBB. Inesperadamente, muchos otros

embriones? De ser así, ¿qué restricciones o consideraciones

embriones habían adquirido mutaciones en genes distintos al HBB como resultado del tratamiento. A partir de esto, el equipo

deberían aplicarse? ¿Qué condiciones genéticas deberían ser elegibles para la edición de embriones y qué condiciones no

de investigación chino concluyó que la tecnología de edición de

deberían serlo? ¿Qué medidas de seguridad y eficacia deberían

genes no está suficientemente desarrollada para su uso en

implementarse para garantizar que la edición no produzca cambios

embriones. En 2016, el segundo informe publicado de edición de

no deseados en el genoma?

genes de embriones humanos, también de un equipo en China, describió el uso de CRISPR-Cas9 para introducir

Tú decides.

ÿ Edición CRISPR de una mutación en el gen PCSK9

ÿ Edición CRISPR-Cas de mutaciones involucradas en

presente en algunas personas con niveles peligrosamente altos

las formas genéticas de pérdida auditiva en ratones han mostrado

de lipoproteína de baja densidad (LDL o "colesterol malo")

un potencial temprano.

podría reducir el riesgo de enfermedad cardiovascular.

Recuerde que en la Sección 11.4, durante nuestras discusiones sobre medicina de precisión, mencionamos una forma prometedora de

ÿ Se espera que un enfoque CRISPR-Cas para tratar la amaurosis

tratar el cáncer llamada inmunoterapia y enfoques en los que las células T

congénita de Leber (LCA) tipo 10 (una forma de ceguera) entre en

de un paciente se modifican genéticamente in vivo antes de devolverlas al

ensayos clínicos en 2018.

cuerpo.

Machine Translated by Google 326

Capítulo 11 Biotecnología médica

La edición de genes de células T mediante CRISPR-Cas está

de un defecto en un gen llamado adenosina desaminasa (ADA). Este

mejorando drásticamente el campo de la inmunoterapia. Como puede

trastorno genético se denomina inmunodeficiencia combinada

ver, en muchos sentidos, la inmunoterapia como forma de medicina de

severa ADA (ADA-SCID) y, a menudo, se denomina enfermedad del

precisión también incorpora y depende de elementos de la terapia

“niño burbuja”. ADA produce una enzima implicada en el metabolismo

génica.

del nucleótido desoxiadenosina trifosfato (dATP). La mutación del gen

Como es el caso con otros enfoques de terapia génica, existe la

ADA da como resultado la acumulación de dATP, que, en alta

preocupación de que CRISPR-Cas cree mutaciones en lugares no

concentración, es tóxico para ciertos tipos de células T, lo que resulta

objetivo del genoma. Pero hasta ahora, CRISPR-Cas es claramente la

en una pérdida casi completa de estas células en pacientes con ADA-

herramienta más prometedora para la edición de genes y la terapia

SCID. Esta condición se denomina apropiadamente inmunodeficiencia

génica que jamás se haya desarrollado, y en poco tiempo, el ritmo de

“combinada grave” porque las mutaciones en el gen ADA dan un golpe

progreso con esta técnica en animales y humanos es notable.

de gracia a la capacidad del sistema inmunitario para producir

¡Manténganse al tanto!

anticuerpos y combatir enfermedades. Sin células T funcionales, las células B no pueden reconocer el antígeno y producir anticuerpos. Antes de la terapia génica, la mayoría de los pacientes con SCID no

Curar enfermedades genéticas: dianas para la terapia génica

vivían más allá de la adolescencia porque sus sistemas inmunológicos simplemente no podían combatir las infecciones.

La mayoría de los investigadores de terapia génica se centran en los trastornos genéticos creados por mutaciones o deficiencias de un solo gen, como la enfermedad de células falciformes, porque, en teoría, estas afecciones pueden ser más fáciles de curar mediante la terapia

Para tratar a Ashanti, el gen normal de ADA se clonó en un vector que luego se introdujo en un retrovirus. Se utilizó un enfoque de terapia

génica que las enfermedades genéticas que involucran múltiples genes

génica ex vivo en el que se aisló una pequeña cantidad de células T de la sangre de Ashanti y se cultivaron en el laboratorio. Sus células T

que interactúan de formas complejas. Las estimaciones actuales

se infectaron luego con el retrovirus que contenía ADA y las células T

indican que puede haber más de 3.000 enfermedades genéticas

infectadas se cultivaron adicionalmente.

humanas causadas por genes individuales. En todo el mundo, se han aprobado más de 2300 ensayos de terapia génica desde 1989, y

Debido a que los retrovirus integran su genoma en el genoma de las

aproximadamente dos tercios de estos se llevan a cabo en los Estados

células huésped, el retrovirus integraba el gen ADA normal en los

Unidos.

cromosomas de las células T de Ashan ti durante este cultivo. Después

Casi todas las categorías principales de enfermedades genéticas han sido el objetivo de la terapia génica. Muchos ensayos clínicos

de un breve período de cultivo, estas células T que contenían ADA se reintrodujeron en Ashanti (Figura 11.21).

aprobados recientemente son para el tratamiento del cáncer. Actualmente se están investigando enfoques de terapia génica para el tratamiento de la ceguera hereditaria; fibrosis quística; sordera; artritis;

Ashanti recibió 11 tratamientos durante aproximadamente 2 años. Unos meses después de la terapia génica, el número de células T en

enfermedades neurodegenerativas que incluyen la enfermedad de

Ashanti comenzó a aumentar. Después de 2 años, la actividad de la

Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y la esclerosis lateral amiotrófica

enzima ADA de Ashanti era relativamente alta y mostraba recuentos

(ALS); envejecimiento (intentando minimizar el acortamiento de los

de células T casi normales, con alrededor del 20 al 25 por ciento de

telómeros); enfermedad cardiovascular; distrofia muscular; hemofilia;

sus células T mostrando el gen ADA agregado. Ashanti actualmente

enfermedades infecciosas como el VIH; y muchas otras condiciones,

disfruta de una vida saludable.

incluyendo la depresión y la adicción a las drogas y al alcohol.

Los tratamientos posteriores de terapia génica para ADA SCID se han centrado en el uso de células madre de médula ósea y enfoques in vitro para repoblar el número de células T productoras de ADA. La

Pfizer lanzó sus primeros ensayos clínicos de Fase I para niños

terapia génica ha restaurado la salud de más de 100 personas

con DMD que recibieron infusiones del gen DMD administrado por AAV

afectadas por ADA-SCID, en su mayoría niños, lo que lo convierte en

en enero de 2018. Se espera que los primeros datos de este ensayo

el ejemplo más exitoso de terapia génica.

estén disponibles pronto. Aquí consideramos algunos ejemplos exitosos y bien estudiados de terapia génica en acción que reflejan el progreso en este campo.

Terapia génica para el tratamiento de diferentes formas de ceguera

La primera terapia génica humana

Más de 200 genes están asociados con trastornos de la retina, por lo

La primera terapia génica humana fue realizada en 1990 por un grupo

que tratar los trastornos oculares mediante terapia génica es una gran

de investigadores y médicos de los Institutos Nacionales de Salud en

oportunidad. Varias docenas de ensayos de terapia génica se han

Bethesda, Maryland, dirigido por W. French Anderson, R. Michael

completado o están en curso para diversas formas de ceguera, incluidas

Blaese y Kenneth Culver. La paciente, Ashanti DaSilva, de 4 años,

las causas degenerativas de ceguera relacionadas con la edad que

carecía de un sistema inmunitario funcional porque

provocan la pérdida progresiva de la visión. Debido al pequeño tamaño del ojo y al relativamente

Machine Translated by Google 11.5 Terapia génica

1) Eliminar ADA-deficiente

327

FIGURA 11.21 La primera terapia génica humana Se utilizó una estrategia de terapia génica ex vivo en un paciente con ADA-SCID de 4 años. células T

células T de la ADA-SCID paciente

Bacteria

2) Células de cultivo en laboratorio .

portadora de ADN vector con

genéticamente desactivado

normal clonado

retrovirus

hay un gen Clonado hay un gen

3) Infectar las células con un retrovirus que contiene el gen

incorporado en virus

ADA normal

4) Reinfundir el gen ADA que contiene las células T regresan al paciente ADA-SCID; Las células T alteradas genéticamente producen ADA

número pequeño de células que necesitan ser tratadas, las

la FDA emitió la primera terapia génica aprobada para una afección

perspectivas de que la terapia génica se convierta en un tratamiento

ocular hereditaria a Spark Therapeutics de Phila delphia para su

de rutina para los trastornos oculares parecen ser muy buenas. Las

producto Luxturn, que administra RPE65 in vivo para tratar la LCA.

células de la retina también son muy longevas; por lo tanto, los enfoques de administración de AAV pueden tener éxito durante períodos prolongados, incluso si el gen no se integra. Los

Los ensayos de terapia génica para la coroideremia, una rara forma hereditaria de ceguera provocada por una mutación en el gen

tratamientos de terapia génica para varias formas de ceguera se

CHM que afecta a las células pigmentarias de la retina, también han

iniciaron originalmente en perros y luego, en función de su éxito, los

generado resultados interesantes. Las inyecciones en la retina de

protocolos se adaptaron y aplicaron a ensayos en humanos.

AAV que contienen copias funcionales de CHM han mejorado

Investigadores de la Universidad de Pensilvania y el Hospital

significativamente la capacidad de los pacientes adultos para ver la

Infantil de Filadelfia informaron resultados beneficiosos para los

luz y, en varios, para leer líneas en una tabla optométrica, durante

tratamientos de la amaurosis congénita de Leber (LCA), una

más de 2 años después de un solo tratamiento.

enfermedad degenerativa de la retina que afecta a 1 de cada 50 000 a 100 000 bebés cada año y causa ceguera severa. La LCA es

Terapia génica para la hemofilia B

causada por alteraciones en las células fotorreceptoras (bastones y

Ensayos recientes de terapia génica, también realizados por Spark

conos), células sensibles a la luz en la retina, debido a 18 o más

Therapeutics, han demostrado éxito para la hemofilia B, un trastorno

genes. Un gen en particular, RPE65, ha sido el objetivo elegido para

de la coagulación de la sangre causado por defectos en el gen FIX

la terapia génica. El producto proteico del gen RPE65 metaboliza el

y que ocurre predominantemente en hombres. FIX codifica una

retinol, que es una forma de vitamina A que permite que los conos y bastones detecten la luz y transmitan señales eléctricas al cerebro.

proteína llamada Factor IX que es esencial para la coagulación de la sangre. Este ensayo usó una terapia génica mediada por AAV para administrar FIX a las células hepáticas. De los 10 hombres

Los pacientes adultos jóvenes con defectos en RPE65 recibieron

tratados, los 10 producían niveles normales de proteínas del factor

inyecciones del gen normal administrado a través de AAV. Después

de coagulación, y nueve de los 10 ya no necesitaban tratamiento un

de un solo tratamiento, la mayoría de los pacientes siguen siendo

año después de la terapia génica inicial. Este estudio proporciona el

legalmente ciegos, pero pueden ver más luz, algunos de ellos

resultado de terapia génica de hemofilia más exitoso informado para

pueden leer las líneas de una tabla optométrica y, cuando se usan

la hemofilia hasta la fecha de publicación de Introducción a la

en niños, muchos han ganado suficiente visión para caminar. A finales de 2017 biotecnología.

Machine Translated by Google 328

Capítulo 11 Biotecnología médica

Desafíos que enfrenta la terapia génica

fue causado por vectores de retrovirus que integraron aleatoriamente el gen terapéutico en una ubicación crítica del genoma que contenía

Los científicos siempre han estado preocupados por los riesgos potenciales asociados con la terapia génica y la seguridad de estos procedimientos. Las discusiones sobre la seguridad de la terapia génica se intensificaron mucho después de que Jesse Gelsinger, de 18 años, muriera durante un ensayo clínico de terapia génica en la

la región promotora de un gen llamado LM02, que codifica un factor de transcripción necesario para la formación normal de glóbulos blancos. Esta integración condujo a la transcripción aberrante del gen LM02 y la sobreexpresión de LM02, lo que desencadenó la división descontrolada de las células T maduras.

Universidad de Pensilvania en 1999. La muerte de Jesse se atribuyó directamente a complicaciones relacionadas con el vector de adenovirus utilizado para administrar genes terapéuticos a trátelo por un trastorno hepático (deficiencia de ornitina trans carbamilasa) que afectó su capacidad para descomponer los aminoácidos de la dieta.

Esta tragedia resultó en el cese temporal de una gran cantidad de ensayos de terapia génica y la FDA detuvo por completo la mayoría de los estudios retrovirales. Los ensayos finalmente se reanudaron, pero con un mayor seguimiento de los pacientes y una reevaluación significativa de los protocolos para la terapia génica con

La muerte de Jesse fue provocada por una respuesta

retrovirus.

inflamatoria grave a un vector de adenovirus modificado que portaba el gen de la ornitina transcarbamilasa (OTC) que le habían inyectado en la arteria hepática. Los vectores estaban destinados a ingresar a las células hepáticas y dar como resultado la producción de proteína OTC con la esperanza de que este tratamiento lo curara de su enfermedad hepática. A las pocas horas de su primer tratamiento, una reacción inmunológica masiva atravesó el cuerpo de Jesse. Desarrolló fiebre alta, sus pulmones se llenaron de líquido, múltiples órganos se cerraron y murió 4 días después de insuficiencia respiratoria aguda.

Glybera aprobado como el primer producto de terapia génica en el mundo occidental y posteriormente retirado En 2012, Glybera (alipógeno tiparvovec) hizo historia cuando la Agencia Europea de Medicamentos de la Unión Europea lo aprobó como el primer producto de terapia génica en obtener la aprobación comercial en el mundo occidental. Glybera es un sistema de vector AAV para entregar copias terapéuticas del gen LPL para tratar pacientes con una enfermedad rara llamada deficiencia de lipoproteína lipasa (LPLD; también llamada hiperquilomicronemia familiar). Los

Durante las investigaciones sobre esta tragedia, se supo que los científicos del ensayo clínico no habían informado otras reacciones adversas a la terapia génica y que algunos de los científicos involucrados en este ensayo estaban afiliados a empresas privadas que podrían beneficiarse económicamente de los ensayos. Se descubrió que los efectos secundarios graves observados en estudios

pacientes con LPLD tienen altos niveles de triglicéridos en la sangre. Los triglicéridos séricos elevados son tóxicos para el páncreas y causan una forma grave de inflamación pancreática llamada pancreatitis. Glybera fue desarrollado por la empresa uniQure BV, con sede en Amsterdam, que, por muchas razones, incluido el costo, decidió no buscar la aprobación de la FDA de EE. UU.

con animales no se explicaban a los pacientes durante las discusiones de consentimiento informado. Luego, la FDA analizó los ensayos de terapia génica en todo el país, detuvo varios de ellos y cerró varios. Otros grupos de investigación suspendieron voluntariamente sus estudios de terapia génica. Jesse Gelsinger fue la primera persona en un ensayo clínico de terapia génica en morir como resultado de su tratamiento. Su muerte planteó más preguntas sobre el uso de vectores virales, puso mayor énfasis en el desarrollo de vectores no virales y exigió un mayor escrutinio de la terapia génica y restricciones más estrictas en los ensayos de terapia génica.

En 2002, las preocupaciones sobre la terapia génica con retrovirus aumentaron aún más como resultado de los ensayos en

Glybera fue uno de los medicamentos más caros de la historia, quizás el medicamento más caro, con un costo de más de $1 millón por tratamiento. Pero en 2017, Glybera no había sido utilizada ampliamente por ningún país europeo y, desde su inicio, solo se había utilizado en un paciente, con una fuente única de financiamiento de reembolso para el tratamiento. Por lo tanto, uniQure anunció que no renovaría la autorización de comercialización europea después de octubre de 2017.

Desafíos futuros a abordar

Francia y el Reino Unido para tratar el síndrome de inmunodeficiencia

Actualmente, todavía existen más barreras para la terapia génica que

combinada grave ligado al cromosoma X (X-SCID). En estos ensayos,

soluciones a los problemas médicos. Estos incluyen lo siguiente:

5 de 20 niños tratados desarrollaron leucemia debido a la terapia, y 1 de ellos murió en 2004. Habían recibido inyecciones de células de médula ósea que habían sido tratadas (ex vivo) con un gen terapéutico administrado por un retrovirus.

ÿ ¿Cómo se puede controlar la expresión del gen terapéutico en el paciente? ¿Qué sucede si los genes terapéuticos se sobreexpresan o si un gen se apaga poco después de haber

Dos de estos niños habían regresado a casa a una vida normal, aparentemente curados, hasta que desarrollaron un cáncer parecido a la leucemia unos dos años y medio después. su cáncer

sido introducido? ÿ ¿Cómo pueden los científicos apuntar de manera segura y eficiente solo a las células y tejidos que requieren el

Machine Translated by Google 11.6 El potencial de la medicina regenerativa

329

gen terapéutico sin afectar otras células del cuerpo donde el gen

tejido dañado con otros nuevos, algo que a menudo no ocurre de forma

no es necesario?

natural en el corazón o el tejido cerebral.

ÿ ¿Cómo se puede dirigir la terapia génica a regiones específicas

Cuando ocurre el desarrollo de órganos en el embrión, los cambios

del genoma para evitar los problemas de integración aleatoria

en la expresión de muchos genes deben ocurrir en una secuencia

encontrados en los ensayos franceses o la inestabilidad y el

ordenada. Pueden ocurrir cambios no deseados que incluso los

movimiento del ADN insertado? Esta es un área en la que los enfoques CRISPR-Cas se han mostrado muy prometedores.

medicamentos no pueden corregir en las células, y ningún medicamento por sí solo puede estimular el crecimiento y la reparación de tejido nuevo cuando un órgano está severamente dañado. Incluso con los nuevos

ÿ ¿Cómo puede la terapia génica proporcionar un tratamiento permanente?

tratamiento sin la administración frecuente del gen terapéutico?

conocimientos obtenidos del Proyecto del Genoma Humano, es muy poco probable que se pueda usar un fármaco o incluso unos pocos para estimular cientos de cambios en la expresión génica con el tiempo adecuado requerido para la regeneración de tejidos y la restauración de la

ÿ ¿Cómo se puede rechazar el gen terapéutico?

función de los órganos.

evitado? Siempre que se utiliza la terapia génica, no siempre se sabe si el sistema inmunitario del receptor rechazará la proteína producida por genes terapéuticos o si rechazará las células modificadas genéticamente que contienen genes terapéuticos.

La medicina regenerativa, el cultivo de células y tejidos que pueden usarse para reemplazar o reparar tejidos y órganos defectuosos, es un campo apasionante de la biotecnología que tiene la promesa y el potencial de cambiar radicalmente la medicina y la prestación de atención

ÿ ¿Qué porcentaje de células en un órgano o tejido debe expresar el gen terapéutico para tratar la condición de manera efectiva?

médica tal como la conocemos. Como aprenderá, claramente muchos de

Esto variará dependiendo de la condición de la enfermedad, pero

los temas que discutiremos aquí podrían considerarse dentro de la categoría de medicina de precisión basada en la naturaleza específica de

queda por determinar si la mayoría de las células enfermas deben

la persona de estas diferentes tecnologías.

verse afectadas por el gen terapéutico o si una enfermedad puede tratarse corrigiendo solo una pequeña cantidad de células.

Trasplante de células y tejidos ÿ ¿Será posible utilizar la terapia génica para tratar enfermedades? facilidades que involucran múltiples genes? ÿ ¿Los enfoques de edición de genes eventualmente se volverán efectivos, seguros y ampliamente utilizados para la terapia génica? Estas y otras barreras deben superarse antes de que la terapia génica se convierta en un enfoque de tratamiento seguro y confiable, pero los científicos están logrando avances excelentes en este campo. También están logrando avances increíblemente rápidos en otra área candente de la biotecnología médica llamada medicina regenerativa, el tema final de este capítulo.

El trasplante no es una idea nueva, pero las aplicaciones que involucran el trasplante de células y tejidos específicos para reemplazar o reparar tejidos dañados son aspectos relativamente nuevos de la investigación biotecnológica médica.

Trasplantes de tejido fetal Después del éxito demostrado en roedores, los trasplantes de tejido fetal se han utilizado desde finales de la década de 1980. La mayoría del tejido fetal humano proviene de embriones o fetos obtenidos de víctimas de accidentes y embriones abortados legalmente. Mencionamos aquí el trabajo tradicional de trasplante de tejidos fetales, pero tenga en cuenta que en el futuro se espera que las células madre, y no los embriones o fetos, se conviertan en la principal fuente de células para tales trasplantes.

11.6 El potencial de la medicina regenerativa

Las enfermedades neurodegenerativas ocurren gradualmente, lo que lleva a una pérdida progresiva de las funciones cerebrales con el tiempo. La enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson son quizás

Actualmente, los médicos que tratan la mayoría de las enfermedades

los dos ejemplos más conocidos. Estas enfermedades ocupan el primer y

humanas se limitan principalmente a enfoques como técnicas quirúrgicas,

segundo lugar, respectivamente, como los trastornos neurodegenerativos

tratamiento con radiación y terapia con medicamentos.

más comunes. Solo para la enfermedad de Parkinson, se diagnostican

Aunque todos estos enfoques tienen un lugar en la medicina para tratar

aproximadamente 50.000 casos cada año y aproximadamente 500.000

ciertas condiciones humanas, no ofrecen la capacidad de regenerar tejido

estadounidenses padecen actualmente la enfermedad. La enfermedad de Parkinson se debe a la pérdida de células en un área muy profunda del

o restaurar las funciones de los órganos dañados. Por ejemplo, cuando una persona tiene un ataque al corazón o un derrame cerebral, a menudo

cerebro llamada sustancia negra. Las neuronas en esta región producen

se produce daño en los tejidos. Cuando un órgano está dañado, la única

una sustancia química llamada dopamina, un neurotransmisor o sustancia

forma de restaurar completamente sus funciones es reemplazar el

química utilizada por las neuronas (células nerviosas) para enviarse señales entre sí.

Machine Translated by Google 330

Capítulo 11 Biotecnología médica

desvío alrededor de los vasos obstruidos. Pero si un paciente La pérdida de estas células productoras de dopamina provoca necesita un trasplante de corazón o de hígado, se debe encontrar temblores, debilidad, falta de equilibrio, pérdida de destreza, rigidez a otra persona que pueda donar un órgano para el receptor. Incluso muscular, disminución del sentido del olfato, incapacidad para cuando se encuentra un donante humano que parece ser tragar y problemas del habla, entre otros efectos. La mayoría de compatible, el rechazo de órganos es un problema importante. El los tratamientos involucran medicamentos que aumentan la rechazo generalmente ocurre cuando el sistema inmunitario del producción o acumulación de dopamina en el cerebro; sin embargo, receptor reconoce que el órgano del donante es extraño. La después de aproximadamente 4 a 10 años de tratamiento compatibilidad de órganos para trasplante implica la tipificación de farmacológico, la enfermedad progresa y la eficacia de estos tejidos para comprobar si un órgano donado es compatible con un receptor. fármacos disminuye, lo que conduce a una mala calidad de vida tipificación de tejidos se basa en un gran grupo de proteínas del paciente, que generalmente muere por complicaciones relacionadas con la La enfermedad. que se encuentran en la membrana plasmática de cada célula del Del mismo modo, más de 250 000 personas han quedado paralizadas por traumatismos en la médula espinal, y casi 2 cuerpo, llamado complejo mayor de histocompatibilidad (MHC). millones de personas en todo el mundo viven con lesiones en la Los MHC se denominan acertadamente porque histo significa “tejidos”, y las moléculas del MHC deben coincidir entre el médula espinal. Cada año, aproximadamente 85 000 personas donante y el receptor para tener un órgano compatible para el sufren lesiones de la médula espinal, incluidas aproximadamente trasplante. Hay muchos tipos diferentes de proteínas MHC. Un 10 000 en los Estados Unidos. El tratamiento de enfermedades grupo común, los antígenos leucocitarios humanos (HLA, llamados neurodegenerativas y lesiones de la médula espinal con trasplante así porque se descubrieron por primera vez en los glóbulos blancos de tejido fetal ha sido una de las aplicaciones más utilizadas del o leucocitos), se encuentran prácticamente en todas las células del tejido fetal. A diferencia de las neuronas fetales, que pueden cuerpo. Las células del sistema inmunitario, como las células B y dividirse, la mayoría de las neuronas adultas no se repararán por T, reconocen los HLA en todas las células del cuerpo presentes sí mismas cuando se dañen, y la mayoría de las neuronas no desde el nacimiento como "propias" (que pertenecen al mismo experimentan división celular. Los pacientes que recibieron individuo), mientras que cualquier otra célula es "no propia" o trasplantes fetales han mostrado varios grados de mejora, incluido células extrañas que pueden ser atacadas por el sistema el alivio de los síntomas en más del 40 por ciento de los pacientes inmunitario. y destruido. Algunos HLA comunes se encuentran en y, en algunos casos, la eliminación casi completa de la mayoría de la mayoría de los tejidos humanos y otros son exclusivos de un los síntomas incluso varios años después, pero los trasplantes individuo determinado. Para tener un trasplante exitoso de un fetales no han brindado una recuperación completa. órgano de un ser humano a otro, se requiere una estrecha coincidencia de varios tipos de HLA entre el órgano del donante y Se han utilizado muchas estrategias de trasplante en los las células del receptor; de lo contrario, el receptor rechazará el intentos de reparar las lesiones de la médula espinal. Un enfoque órgano trasplantado. ha sido injertar fibras nerviosas de neuronas fetales o adultas en el área dañada de la médula espinal para unir las partes de la médula que fueron cortadas. Dichos implantes de puente se han mostrado Desde el primer trasplante de hígado humano en 1963, los prometedores en perros y ratas. A medida que los científicos cirujanos de trasplante han estado usando medicamentos aprendan más sobre las sustancias químicas inflamatorias que inmunosupresores para debilitar el sistema inmunológico del dificultan el crecimiento de los nervios y los factores que lo receptor y minimizar el rechazo de órganos. La mayoría de los estimulan, será posible utilizar dichas moléculas para minimizar la receptores de trasplantes deben usar medicamentos formación de tejido cicatricial, reducir el daño causado por el tejido inmunosupresores por el resto de sus vidas. Un problema obvio cicatricial a las células de soporte llamadas células gliales, bloquear con este enfoque es que los pacientes que toman medicamentos las moléculas inhibidoras del crecimiento , y estimular la inmunosupresores pueden desarrollar infecciones que, debido a regeneración de neuronas al mismo tiempo. sus sistemas inmunológicos debilitados, pueden poner en peligro la vida. La falta de suficientes donantes de órganos humanos y el

Transplante de organo El trasplante de órganos puede y salva vidas. Solo en 2016, se trasplantaron 135.860 órganos sólidos en todo el mundo. Esto refleja un aumento del 7,25 por ciento en el trasplante de órganos en comparación con 2015. El autoinjerto, es decir, el trasplante del propio tejido de un paciente de una región del cuerpo a otra, puede aliviar algunos problemas de trasplante. Por ejemplo, las operaciones de derivación de la arteria coronaria implican extraer segmentos de una vena de la pierna del paciente y conectarla quirúrgicamente a las arterias del corazón como un

problema del rechazo de órganos son las principales razones por

las que los científicos están buscando otras formas de proporcionar órganos de dona El xenotrasplante, la transferencia de órganos de diferentes especies, puede algún día convertirse en una alternativa viable a la donación de órganos de persona a persona, ayudando así a aliviar la tremenda necesidad de órganos de donantes humanos. Los babuinos alguna vez fueron considerados el animal elegido para proporcionar órganos a los receptores humanos. El primer trasplante de órganos de un animal a un ser humano en un niño, realizado en 1984 por médicos del Centro Médico de la Universidad de Loma Linda en California, implicó trasplantar un corazón de babuino a Baby Fae, una niña de 12 días. Hada bebé

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11.6 El potencial de la medicina regenerativa

vivió con el corazón de babuino durante 3 semanas antes de morir por complicaciones relacionadas con el rechazo del órgano. Se han realizado trasplantes similares sin gran éxito. Muchos investigadores se están enfocando en los cerdos como fuente de órganos. Los cerdos pueden ser una buena opción porque son fáciles de criar, relativamente económicos y muchos órganos de cerdo también son similares en función y tamaño a los órganos humanos. El progreso en el uso de órganos de cerdo para el trasplante en humanos se ha visto frenado por la preocupación de que los virus puedan transmitirse de los cerdos a los humanos, provocando el rechazo de los órganos trasplantados y creando otros problemas de salud. Hasta la fecha, los esfuerzos para diseñar cerdos clonados para proporcionar órganos libres de rechazo del sistema inmunitario humano o libres de virus porcino para trasplante han tenido un éxito limitado. Pero en 2017, la empresa de biotecnología eGenesis informó que había utilizado CRISPR para eliminar las 62 copias de genes de retrovirus endógenos (PERV) en el genoma del cerdo y creó embriones que se desarrollaron en lechones sanos (Figura 11.22). También es necesario modificar otros genes de cerdo que estimulan el sistema inmunológico (como discutimos en el Capítulo 6), pero ahora que CRISPR está disponible para la edición del genoma, esta investigación merece una atención especial en el futuro. El xenotrasplante no siempre tiene que involucrar la transferencia de un órgano completo, como aprenderá en la siguiente sección. Los científicos están trabajando arduamente para desarrollar formas de administrar pequeños grupos de células como técnica para el trasplante de células y tejidos.

Terapéutica celular

Una alternativa para evitar el rechazo de órganos trasplantados es utilizar células vivas que han sido encapsuladas en diminutas perlas o tubos de plástico llamados biocápsulas o microcápsulas. Las biocápsulas también pueden contener células diseñadas genéticamente para producir moléculas terapéuticas, como proteínas recombinantes. Las biocápsulas tienen pequeños orificios en sus paredes, lo que las hace permeables al intercambio de nutrientes y permite que las moléculas producidas por las células encapsuladas escapen de la cápsula y entren en el torrente sanguíneo o en los tejidos circundantes (Figura 11.23). Por ejemplo, las microcápsulas que contienen células productoras de insulina (células beta) del páncreas, implantadas en pacientes con diabetes tipo 1, producen insulina que puede viajar fuera de la cápsula al torrente sanguíneo del paciente a todos los órganos del cuerpo que requieren insulina. Se espera que las microcápsulas que contienen células beta, incluidas las células derivadas de células madre, pasen a ensayos clínicos en los próximos años. Otra característica importante de las biocápsulas es que protegen a las células de ser atacadas por el sistema inmunitario del receptor escondiéndolas dentro de las cápsulas, donde las células inmunitarias y los anticuerpos

no pueden alcanzarlas y destruirlas. El ataque del sistema inmunológico a las células beta es el problema en la diabetes tipo I; por lo tanto, las células encapsuladas pueden ser una estrategia exitosa. Aunque no es una cura permanente, las biocápsulas pueden proporcionar una liberación duradera de moléculas en el cuerpo. Es probable que este enfoque requiera que las biocápsulas se cambien cada pocos meses; sin embargo, en el caso de la diabetes, esta podría ser una mejor alternativa que

La terapéutica celular implica el uso de células, en lugar de tejidos u órganos completos, para reemplazar tejidos defectuosos o para administrar moléculas biológicas importantes. Una huésped inmune células y

Glucosa

anticuerpos

Oxígeno encapsulado

anticuerpos

células

Residuos

biocápsulas Producto génico terapéutico (es decir, insulina) liberado en el torrente sanguíneo o tejido circundante

FIGURA 11.23 Biocápsulas Las células encapsuladas pueden proporcionar formas valiosas de administrar moléculas terapéuticas. Las biocápsulas permiten que las moléculas producidas por las células salgan de la cápsula y proporcionen beneficios terapéuticos al huésped. FIGURA 11.22 Los cerdos modificados con el genoma podrían potencialmente salvar las vidas de los pacientes que esperan un trasplante Al mismo tiempo, las células de la biocápsula están protegidas del ataque de las células inmunitarias y los anticuerpos del huésped. Este ejemplo Estos lechones han sido diseñados por CRISPR-Cas para eliminar los retrovirus ilustra cómo podrían usarse las células productoras de insulina para endógenos, lo que podría proporcionar una fuente de órganos libres de virus para el proporcionar una fuente de insulina a un paciente con diabetes. trasplante humano.

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Capítulo 11 Biotecnología médica

Ingeniería de tejidos

o andamio hecho de sustancias biológicas como calcio, colágeno, un polisacárido llamado alginato o materiales biodegradables (Figura 11.24a). El andamio tiene la forma de un molde del tejido u órgano que se va a fabricar, y su propósito es crear un marco tridimensional sobre el que se colocan las células. El cultivo de células humanas en el andamio se denomina siembra porque las células actúan literalmente como "semillas" para crear más células que crecerán sobre el andamio. Los andamios sembrados con células se bañan en un medio rico en nutrientes y, con el tiempo, las capas de células se acumulan

Ya sea que pague $ 30,000 o $ 300 por su primer automóvil, una cosa es segura: con el tiempo, las piezas se desgastarán y se romperán. Un viaje al mecánico local puede reparar y reemplazar algunas partes del automóvil, pero eventualmente el automóvil se desgasta hasta el punto de no retorno, y es hora de comprar otro automóvil. El desgaste de las partes del cuerpo humano también pasa factura. Con el tiempo, los órganos no funcionan tan bien como deberían; en algunos casos, un órgano puede dejar de funcionar por completo. Incluso si una persona sobre el material del andamio para asumir la forma del andamio. vive una vida relativamente saludable, el desgaste del Las láminas de piel humana diseñadas han demostrado ser envejecimiento o un evento repentino como un derrame cerebral útiles para tratar a las víctimas de quemaduras graves que han o un ataque al corazón conducirá a una disminución en la función perdido porciones sustanciales de de los órganos y tal vez a una falla orgánica. Pero nuestros cuerpos no son como los automóviles: no podemos ir a un almacén de partes del cuerpo para reemplazarlas. (a) En el futuro, sin embargo, la ciencia emergente de la ingeniería de tejidos puede proporcionar tejidos y órganos que se pueden usar para reemplazar tejidos dañados o enfermos. Esta pequeña pero creciente industria (hay más de 75 empresas de biotecnología involucradas en la ingeniería de tejidos solo en los Estados Unidos y los expertos predicen que el campo crecerá muy rápidamente durante la próxima década) participa activamente en la investigación para diseñar tejidos y órganos humanos como reemplazo. para tejidos desgastados y dañados. A medida que envejecemos, sobrevivimos a las capacidades funcionales de nuestros órganos. También se predice que los enfoques de ingeniería de tejidos y medicina regenerativa conducirán a ahorros sustanciales de costos para el cuidado de enfermedades crónicas como la insuficiencia cardíaca congestiva y la diabetes. En el caso de la insuficiencia cardíaca congestiva, (b) si los tejidos cardíacos regenerados restauraran la función cardíaca incluso para un pequeño porcentaje de personas, los ahorros de costos podrían ser de varios miles de millones de dólares anuales en todo el mundo. En la década de 1990, el pionero de la ingeniería de tejidos Charles Vacanti y sus colegas fueron noticia en todo el mundo cuando revelaron un ratón al que le crecía una oreja artificial en la espalda. En este ejemplo, un andamio biodegradable en forma de oreja externa se adjuntó a un ratón y luego se sembró con células de cartílago de vaca. Las células de cartílago se infiltraron en el andamiaje y produjeron cartílago a medida que crecían; luego, a medida que el andamiaje se degradó, el cartílago desarrolló suficiente fuerza para sostenerse. El tejido que parece una oreja humana nunca se trasplantó a un ser humano. Debido a que estaba hecho de células de vaca, habría sido rechazado por el sistema inmunitario humano. Además, este tejido era solo el oído externo sin las estructuras del oído interno que realmente detectan el sonido, pero proporcionó una fuerte evidencia de que la ingeniería de tejidos podría funcionar. Los científicos de ingeniería de tejidos a menudo comienzan diseñando y construyendo un marco de biomaterial

FIGURA 11.24 Ingeniería de tejidos (a) Bioimpresión 3D de células musculares. (b) Una vejiga urinaria creada a partir de células madre.

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333

su piel, una condición muy dolorosa y potencialmente mortal. Las

para la corteza cerebral del cerebro, corazón, intestino, riñón, hígado,

estructuras óseas diseñadas para curar fracturas óseas también han

pulmón, glándula pituitaria, próstata, estómago y otros.

funcionado bastante bien. El andamiaje para diseñar dientes y vasos sanguíneos se ha mostrado prometedor, y muchos productos de ingeniería de tejidos están aprobados por la FDA y se utilizan para tratar pacientes o en ensayos clínicos.

A veces, los organoides se cultivan en portaobjetos de vidrio o plástico. Conocidos como "órganos en chips", estos modelos en miniatura de órganos humanos se están volviendo muy valiosos a medida que las compañías biotecnológicas y farmacéuticas utilizan estos sistemas in vitro para probar y desarrollar fármacos. Se cree que

Bioimpresión tridimensional de tejidos Las impresoras tridimensionales (3D) se han vuelto muy populares para crear todo tipo de prototipos, en particular a partir de plásticos. ¡ Pero durante más de una década, los científicos e ingenieros han utilizado la bioimpresión 3D para producir tejidos humanos! Por muy descabellado que parezca, la impresión de tejidos a partir de células funciona de forma muy parecida a la impresión de letras a partir de

los órganos en chips son mejores modelos para las pruebas de drogas que el cultivo celular tradicional de capas de células en una placa y, en algunos casos, pueden reemplazar las pruebas con animales. Por ejemplo, un órgano creado recientemente en un modelo de chip de tejido uterino que imita funcionalmente el ciclo menstrual femenino está ayudando a los científicos a estudiar las causas de los abortos espontáneos.

tinta (Figura 11.24b). Las células en solución, como las partículas de pigmentos en la tinta, se pueden rociar a través de boquillas similares a las de un chorro de tinta para imprimir diferentes tipos de tejido, a menudo rociando células sobre un andamio preparado. Capa a capa, las diferentes células se pueden colocar con precisión para crear estructuras de órganos y tejidos en 3D. Los científicos del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine incluso han utilizado imágenes de resonancia magnética (MRI) de la vejiga urinaria para luego imprimir andamios con la forma 3D adecuada para hacer crecer vejigas individuales para implantarlas en pacientes con cáncer.

Cuando se trata de diseñar órganos completos para trasplantes, la piel es un órgano relativamente simple de producir, al igual que los órganos huecos como las tráqueas y las vejigas, los cuales han sido diseñados y trasplantados a pacientes. La creación de órganos grandes y complejos, como el hígado, el corazón y los riñones, ha demostrado ser mucho más difícil, aunque se ha utilizado tejido fetal para hacer crecer un riñón rudimentario en ratas que pudo producir un líquido similar a la orina. Se están realizando al menos dos ensayos clínicos de fase II en los que se crearon vejigas humanas utilizando biopsias de tejido de vejigas de pacientes para sembrar andamios y producir nuevas vejigas (Figura 11.24c). Hasta la fecha, los científicos también

Muchos desafíos técnicos están asociados con la bioimpresión 3D que los investigadores están trabajando para superar. La lentitud del proceso de bioimpresión es uno de esos desafíos; el cultivo de fuentes de células fácilmente disponibles para la impresión, la construcción de órganos funcionales complejos y la garantía de que un

han diseñado vasos sanguíneos, incluidos vasos sanguíneos de bioingeniería que se han utilizado en pacientes con insuficiencia renal que requieren diálisis, córneas, retinas, tejido tiroideo, uretras y vaginas (implantadas en adolescentes nacidas con vaginas ausentes o subdesarrolladas) , entre otros.

tejido impreso tenga suficiente vascularización (suministro de vasos sanguíneos) e inervación (suministro de nervios) son ejemplos de otros desafíos. Pero en un tiempo relativamente corto, el campo ha progresado rápidamente, y no hay duda de que los enfoques de investigación multidisciplinarios ayudarán a que la bioimpresión 3D se convierta en una herramienta importante para la medicina regenerativa.

El campo de la ingeniería de tejidos está en su infancia. Pero el progreso avanza a un ritmo increíblemente rápido y, como se analiza en la siguiente sección, las aplicaciones que involucran células madre se suman a este progreso. Hay muchas razones para esperar que los órganos diseñados se conviertan en una realidad.

Organoides y órganos de ingeniería Desarrollados en la última década, los organoides, órganos en miniatura producidos a partir de células madre y cultivados, se han

Células madre

convertido en herramientas valiosas para los ingenieros de tejidos.

Desde que se informó por primera vez al público en 1998, la tremenda

Al igual que la forma en que los órganos se desarrollan in vivo, las

promesa y controversia que rodea a las células madre ha hecho que la investigación con células madre y temas relacionados sean temas

mezclas de células cultivadas en las condiciones adecuadas in vitro se pueden convencer para que se autoensamblen a medida que las células se diferencian y organizan para formar el organoide. Además

regulares de noticias de primera plana y titulares de televisión. Las células madre evocan respuestas emocionales y controvertidas de

de ayudar a los científicos a comprender el desarrollo de los órganos,

científicos, clérigos, políticos y el público en general. Las aplicaciones

los organoides son valiosos para las pruebas de fármacos, el modelado

potenciales de estas células generan emoción, miedo, ira y una

de enfermedades y, potencialmente, para el reemplazo de órganos en el futuro.variedad de otras emociones. Se han fabricado organoides a partir de células madre de pacientes

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Capítulo 11 Biotecnología médica

¿Qué son las células madre?

Hay muchos tipos diferentes de células madre, pero en general todas las células madre tienen dos características básicas que las distinguen de otros tipos de células: la autorrenovación y la diferenciación en células especializadas: ÿ Autorrenovación: las células madre crecen y se dividen (proliferan) indefinidamente por mitosis para crear poblaciones de células madre idénticas. ÿ Diferenciación: este es un proceso complejo que involucra muchos genes que deben activarse y silenciarse, y las células que se diferencian dependen de señales químicas como factores de crecimiento y hormonas de otras células para ayudarlas a cambiar. Las células madre son especiales porque eventualmente pueden diferenciarse para formar todos los más de 200 tipos de células que componen el cuerpo humano. Las células madre se denominan pluripotentes porque tienen el potencial de convertirse en una variedad de tipos diferentes. Para entender qué son las células madre, consideramos el desarrollo del embrión humano y lo que ocurre cuando se lleva a cabo la fecundación in vitro (FIV) . La FIV llamó la atención del público por primera vez en 1978, cuando Louise

Nació Brown, el primer bebé probeta. Para crear un niño por FIV, el esperma y el óvulo de los padres donantes se mezclan en una placa de cultivo para producir un embrión. Después de varios días de división, el embrión se implanta quirúrgicamente en el útero de una mujer, generalmente la donante de óvulos, que ha sido tratada con hormonas para preparar su útero para la implantación. Cuando una pareja acepta someterse a una FIV, generalmente se crean varios embriones, pero a menudo solo se implanta uno durante cada procedimiento. Los embriones restantes se congelan para uso futuro según sea necesario. Potencialmente, los embriones sobrantes pueden ser una fuente de células madre embrionarias humanas (hESC o células ES), pero también son fuente de una gran controversia. Un embrión pasa por una serie predecible de etapas de desarrollo (Figura 11.25). Después de que se fertiliza un óvulo, se le llama cigoto. El cigoto se divide rápidamente y, después de 3 a 5 días, primero forma una bola compacta de unas 12 células, llamada mórula, que significa “pequeña mora”. Alrededor de 5 a 7 días después de la fertilización, el embrión consiste en un pequeño grupo hueco de aproximadamente 100 células, conocido como blastocisto. El blastoquiste mide aproximadamente una séptima parte de un milímetro de

FIGURA 11.25 Aislamiento y cultivo de células madre embrionarias humanas (hESC) Las células aisladas de la masa celular interna de embriones humanos se pueden cultivar como fuente de hESC.

Huevo

Fertilización

División celular

Cigoto

Esperma

En las condiciones de crecimiento adecuadas, las hESC pueden estimularse para que se Masa celular interna:

Días 5–7

diferencien prácticamente en cualquier tipo de

fuente de embriones Células madre

trofoblasto

célula del cuerpo.

Blastocisto

aislar interior

Humano culto

Cultivar células de

masa celular

masa celular interna

células madre embrionarias

en la cultura

Diferenciación en tipos específicos de células y tejidos

espermatozoides

Adipocitos

Hígado

Macrófagos

células

Sangre Suave Otra celda tipos

músculo células

células

neuronas

Pancreático células

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335

En el laboratorio, en las condiciones de cultivo adecuadas, se ha diámetro. Contiene una fila exterior de células individuales demostrado que las ESC de humanos, ratones, ratas, primates llamadas trofoblasto; esta capa se desarrolla para formar parte y otras especies se diferencian en una miríada de células, de la placenta, que nutre al embrión en desarrollo. incluidas las células de la piel; células cerebrales (tanto neuronas El área de células de principal interés para los biólogos de como células gliales, que sostienen, nutren y protegen las células madre es un pequeño grupo de alrededor de 30 células neuronas); cartílago (condrocitos); ovocitos (que pueden ser metidas dentro del blastocisto, que forman una estructura fertilizados para dar lugar a una descendencia normal); conocida como masa celular interna, la fuente de hESC (Figura 11.25). espermatozoide; osteoblastos (células formadoras de hueso); Las células de la masa celular interna se desarrollan y se células hepáticas (hepatocitos); células beta pancreáticas diferencian para formar el propio embrión. James Thomson, de la Universidad de Wisconsin en Madison, informó en 1998 del secretoras de insulina; células musculares, incluido el músculo liso, que forma las paredes de los vasos sanguíneos; las células éxito del aislamiento y cultivo de las primeras hESC de un del músculo esquelético, que forman los músculos que se blastocisto humano, quien había cultivado hESC de monos adhieren al esqueleto y lo mueven; células del músculo cardíaco rhesus 2 años antes. También en 1998, John Gearhart y sus (miocitos), que forman las paredes musculares del corazón; y muchos otros tip colegas de la Universidad Johns Hopkins aislaron células ¿Cómo obtienen los investigadores hESC? Las hESC con germinales embrionarias, células primitivas que forman los fines de investigación se derivan de los blastocistos de embriones gametos (espermatozoides y óvulos) a partir de tejido fetal humano y demostraron que estas células podían convertirse en que ya no son necesarios para la FIV o de embriones humanos creados por FIV a partir de espermatozoides y óvulos donados diferentes tipos de células. Estos descubrimientos siguieron al trabajo de otros científicos que habían aislado células madre en para proporcionar embriones con fines de investigación. Por lo general, los blastocistos sobrantes se destruirían o congelarían especies como ratones, cerdos, vacas, conejos y ovejas. De indefinidamente, pero con el consentimiento de la pareja que hecho, los investigadores de células madre atribuyen gran parte proporcionó el esperma y el óvulo, se pueden usar para derivar de lo que se sabe sobre el aislamiento de hESC al trabajo hESC, como se describe en la Figura 11.25. Solo en las clínicas pionero iniciado en ratones en la década de 1980: de fertilidad de EE. UU., las estimaciones indican que más de 1 otro ejemplo destacado de cómo los organismos modelo contribuyen al avance de la ciencia. millón de embriones humanos permanecen congelados, de los cuales casi 100 000 se abandonan (no están destinados a uso Las ESC humanas evitan la senescencia y no muestran futuro), y varios miles de óvulos se desechan anualmente. signos de envejecimiento, en parte porque expresan altos niveles de telomerasa. Varios grupos han mantenido células madre durante años y más de 600 rondas de división sin problemas Otras fuentes de células madre aparentes. Las células cultivadas como estas, que se pueden La investigación sobre hESC es muy controvertida debido a su mantener y hacer crecer sucesivamente, se denominan líneas fuente: un embrión temprano. Los científicos han descubierto celulares. Las células madre también crecen rápidamente y células madre derivadas de adultos (ASC), células que residen pueden congelarse durante largos períodos y conservar sus en tejido adulto maduro y que podrían cultivarse y diferenciarse propiedades. Bajo las condiciones adecuadas, cuando se para producir otros tipos de células. estimulan con diferentes moléculas, incluidas hormonas y sustancias llamadas factores de crecimiento, las líneas de Las ASC aparecen en cantidades muy pequeñas y se han aislado del corazón, el cerebro, el intestino, el cabello, la piel, el células madre pueden ser persuadidas para diferenciarse en páncreas, la médula ósea, la grasa, las glándulas mamarias, los diferentes tipos de células. Esta diferenciación dirigida de células dientes, los músculos, la sangre y otros tejidos. Se cree que las madre en células diferenciadas específicas de interés es clave ASC están presentes en todos los tejidos adultos. para crear tejidos para aplicaciones de medicina regenerativa. Quienes se oponen a la investigación de hESC a menudo Un enfoque importante de la investigación con células madre es afirman que las ASC son una alternativa más aceptable que usar la experimentación para determinar qué controla la pluripotencia hESC porque aislar las ASC no requiere la destrucción de un de las células madre e identificar los factores que estimulan su embrión. Las ASC se pueden recolectar de las personas diferenciación en tipos de células discretos. Estas señales mediante una biopsia con aguja fina, a través de una aguja de incluyen sustancias llamadas factores de crecimiento, hormonas diámetro delgado que se inserta en el tejido muscular o óseo. y péptidos, que estimulan la diferenciación en formas específicas de tejido. Incluso puede ser posible aislar ASC de cadáveres. Las ASC Por ejemplo, los sistemas de señalización que implican el están presentes en el tejido graso (adiposo), que proporciona factor de crecimiento transformante ß (TGF-ß), las proteínas una excelente fuente de células madre, especialmente si morfogenéticas óseas (BMP) y otros factores de diferenciación considera que más de 500 000 L de tejido graso recolectado por del crecimiento actúan sobre un gen para un factor de liposucción y otras técnicas de cirugía estética se desechan en transcripción llamado Nanog. NANOG es una proteína clave que los Estados Unidos cada año. mantiene las hESC en un estado pluripotente indiferenciado. Los experimentos han demostrado que las ASC de un Una vez que se producen y aíslan las células madre, los tejido pueden diferenciarse en otro tejido especializado diferente. científicos utilizan una serie de pruebas para determinar su pluripotencia. En el

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Capítulo 11 Biotecnología médica

tipo de célula. Por ejemplo, una ASC aislada de tejido muscular podría usarse para convertirse en una célula sanguínea. Pero otros estudios han demostrado que las ASC pueden no ser tan pluripotentes como las hESC. Se requiere investigación continua para determinar si los ASC pueden ser tan valiosos como los hESC. Hay otros tipos de células madre. Las células madre se pueden aislar del líquido amniótico humano, el líquido protector que rodea al feto en desarrollo. En el laboratorio, estas células madre derivadas del líquido amniótico han sido persuadidas para convertirse en neuronas, células musculares, adipocitos, huesos, vasos sanguíneos, células hepáticas y otros. Las células madre cancerosas (CSC), también llamadas células iniciadoras de tumores, se han identificado e implicado en el desarrollo de cánceres, la progresión tumoral, la metástasis tumoral y la recurrencia de cánceres. Al igual que las células madre normales, las CSC pueden autorrenovarse y diferenciarse para formar los tejidos de los que derivan. Ciertas CSC crecen lentamente en grupos o nichos dentro de un tejido. No está claro qué propiedades pueden tener las CSC además de la capacidad de formar un tumor. Los investigadores tampoco están seguros de si las CSC se derivan de células normales o si están involucradas en la resistencia de los tumores cancerosos a las quimioterapias, pero estas células son objeto de una intensa investigación y de posibles tratamientos terapéuticos para el tratamiento del cáncer.

Creación de células madre por reprogramación nuclear de células somáticas La investigación en biología de células madre es un campo extremadamente activo. Un enfoque principal sigue siendo enfoques alternativos para producir células madre pluripotentes

sin destruir un embrión. Uno de los nuevos enfoques más prometedores para hacer esto involucra una técnica llamada reprogramación nuclear de células somáticas. El concepto básico de este enfoque es usar genes involucrados en el desarrollo celular para hacer retroceder una célula somática a una etapa anterior de desarrollo y afectar la expresión génica y, por lo tanto, reprogramar genéticamente la célula somática para volver a un estado pluripotente característico de las células madre. del que se derivó. Anteriormente se pensaba que una vez que las células se diferenciaban para convertirse en tipos de células específicas y especializadas, por ejemplo, una célula de la piel, su destino de diferenciación era irreversible. Pero ahora sabemos que este no es el caso. Una de las primeras técnicas de reprogramación exitosas involucró la fusión de hESC con células de la piel llamadas fibroblastos. Las células híbridas generadas de esta manera mostraron varias propiedades de hESC tanto in vitro como in vivo. Hay varios enfoques diferentes para la reprogramación nuclear, y este método ha hecho avanzar mucho la investigación con células madre. Un enfoque inicial, informado por primera vez en 2006 por Shinya Yamanaka y colegas de Japón, implicó el uso de retrovirus para administrar cuatro genes trans (OCT3/4, SOX2, c-MYC y KLF4) en fibroblastos (Figura 11.26). La expresión de estos cuatro genes, que codifican factores de transcripción implicados en el desarrollo celular, "reprograma" los fibroblastos a una etapa anterior de diferenciación. Estas células reprogramadas se denominan células madre pluripotentes inducidas (iPSC o células iPS). Yamanaka compartió el Premio Nobel de Fisiología de la Medicina de 2012 con Sir John Gordon del Reino Unido (quien, décadas antes, fue pionero en un trabajo innovador sobre la reprogramación de células).

Células y tejidos creados para:

• Estudios celulares de humanos enfermedades in vitro

Además de

• Específico del paciente

"pluripotencia" factores Cultura de

KLF4 c-MYC

células somáticas

SOX2 OCT4

terapia celular

Selección y

• La detección de drogas

neuronas

expansión de iPSC

iPSC

Músculo cardíaco

Células somáticas

hepatocitos

FIGURA 11.26 Reprogramación nuclear de células somáticas para producir células madre pluripotentes inducidas La introducción de cuatro genes de factores de transcripción (OCT3/4, SOX2, c-MYC, KLF4) en células somáticas como los fibroblastos da como resultado la formación de células madre pluripotentes inducidas ( iPSC). Invariablemente, varias de estas células son defectuosas en la reprogramación y deben seleccionarse durante el cultivo. También deben seleccionarse para la expresión de genes marcadores endógenos (como Nanog y Oct) que se sabe que se expresan en células madre pluripotentes.

Machine Translated by Google 11.6 El potencial de la medicina regenerativa

Las iPSC demuestran muchas propiedades de las hESC, como la

337

solía estudiar "enfermedades en un plato". Se están estudiando

autorrenovación y la pluripotencia, y con frecuencia no se pueden

células reprogramadas cultivadas de pacientes enfermos para ayudar

distinguir de las hESC. Las iPSC se han producido a partir de seres

a los científicos a comprender mejor la progresión y los procesos de

humanos, ratones, ratas, cerdos, monos y otros organismos.

las enfermedades humanas. También se están utilizando para pruebas

Posteriormente, también se utilizó un cóctel de moléculas de ARN para

de detección de drogas para determinar la eficacia de posibles

los cuatro genes descritos anteriormente para crear iPSC a partir de

tratamientos farmacológicos para las células enfermas. Los laboratorios

células somáticas. Las iPSC se han producido sin usar el gen c-MYC .

de todo el mundo están fabricando iPSC de pacientes con una

Este es un avance potencialmente importante porque c-MYC es un

enfermedad y diferenciando estas células (incluso para fabricar

onco gen conocido. Además, las células madre neurales humanas se

organoides) para que se conviertan en los tejidos afectados por una

han reprogramado a iPSC introduciendo solo OCT4.

enfermedad en particular, de modo que estas enfermedades puedan

Estas iPSC expresan genes como Nanog y Oct, que son marcadores característicos que se sabe que se expresan en hESC no diferenciadas. Los investigadores han demostrado que las iPSC pueden diferenciarse en una variedad de tipos de células, incluidas las células neurales, las células del músculo cardíaco, las

modelarse in vitro y las células puedan usarse para tratamientos farmacológicos. En la superficie, los iPSC eluden algunas de las controversias legales y éticas asociadas con los hESC. Pero a pesar de lo prometedores que son los iPSC, existen desafíos asociados con ellos que deberán abordarse.

células hepáticas y muchas otras. La reprogramación nuclear puede

Por ejemplo, los científicos aún no entienden completamente qué tan

ser una forma de generar iPSC específicas de pacientes sin la

pluripotentes pueden ser las iPSC y cómo controlar mejor la potencia

necesidad de un embrión y hESC. Las iPSC se han derivado con éxito

de estas células. Además, las iPSC:

mediante la reprogramación de células de piel humana de pacientes. Algunos ejemplos son células de piel reprogramadas tomadas del rostro de una mujer de 36 años, células de tejido conectivo de las articulaciones de un hombre de 69 años y células de piel del prepucio de un niño recién nacido. Se han derivado ovocitos y espermatozoides de iPSC (y ESC) de ratón. Los científicos especializados en fertilidad están muy interesados en producir óvulos y espermatozoides humanos tanto para estudiar la infertilidad como para ayudar a las parejas infértiles a tener hijos. Las células madre derivadas de la reprogramación podrían usarse para terapias celulares específicas de pacientes: ¡otro ejemplo de medicina de precisión! Además, con las iPSC, teóricamente es posible crear células madre específicas de la enfermedad a partir de pacientes individuales. Por ejemplo, uno podría tomar una biopsia de tejido, como la piel, de una persona con una enfermedad particular y reprogramar

ÿ Son relativamente ineficientes de producir (solo 1 de cada 1000 células somáticas expuestas a la mayoría de los enfoques de reprogramación se convierte en iPSC) ÿ Requiere alimentación constante para mantener células viables líneas ÿ Mostrar baja viabilidad en comparación con otros tipos de células una vez que se han almacenado congelados ÿ Puede ser propenso a formar tumores ÿ Ocasionalmente muestran diferenciación espontánea en tipos de células maduras cuando están en cultivo ÿ A veces puede ser difícil de usar para dirigir la diferenciación hacia tipos de células particulares La investigación con iPSC está progresando a un ritmo

esas células en células madre que luego podrían usarse para crear

asombroso a medida que los científicos trabajan para comprender

tipos de células para combatir la enfermedad. Las iPSC específicas del

mejor las propiedades y capacidades de estas células y su potencial

paciente podrían usarse para terapias basadas en células sin riesgo de

para generar células madre específicas del paciente sin la necesidad

rechazo inmunológico. Para las células madre específicas del paciente

de un embrión. Esté atento a nuevos y emocionantes desarrollos en

de cualquier tipo, CRISPR-Cas ahora también permite considerar la

los próximos años relacionados con la reprogramación nuclear y las

corrección de mutaciones en las células de un paciente y luego

iPSC.

reintroducir las células corregidas.

Aplicaciones potenciales de las células madre Pero incluso los investigadores de iPSC más optimistas creen

Los médicos y cirujanos reconocen que solo las células madre tienen

que tales terapias celulares no estarán listas hasta dentro de una

el potencial de reemplazar las células enfermas con células, tejidos y,

década o más. En 2017, un informe sobre el primer uso de iPSC en

con suerte, órganos sanos. En el futuro, la investigación con células

humanos para tratar la degeneración macular relacionada con la edad

madre puede afectar la vida de millones de personas en todo el mundo.

(una forma progresiva de ceguera) determinó que los tratamientos eran seguros. Este ensayo no mejoró la visión de los pacientes, pero sí

Hay muchas aplicaciones potenciales para las células madre, desde el cultivo de tejidos sanos hasta el estudio de enfermedades, la

detuvo la progresión de la enfermedad. Pronto se realizarán ensayos

manipulación genética para administrar genes en enfoques de terapia

para usar iPSC en el tratamiento de pacientes con enfermedad de

génica y la creación de tejidos completos en el laboratorio mediante

Parkinson, entre muchos otros ensayos que se espera que ocurran en

ingeniería de tejidos. Muchos científicos creen que las tecnologías de

los próximos años. Los científicos también están logrando avances emocionantes con células reprogramadas de pacientes; estas células pueden ser

células madre desempeñarán un papel clave en el desarrollo de tratamientos para enfermedades como el accidente cerebrovascular,

Machine Translated by Google 338

Capítulo 11 Biotecnología médica

TABLA 11.1

Terapias basadas en células madre Mayo Beneficiar potencialmente a millones de personas Número de pacientes

Condición de enfermedad

en los Estados Unidos

Enfermedad cardiovascular

58 millones

Enfermedades autoinmunes

30 millones

Diabetes

16 millones

Osteoporosis

10 millones

Cánceres (vejiga urinaria, próstata,

8,2 millones

recuperaciones aparentemente notables de accidentes cerebrovasculares, lesiones de la médula espinal, artritis y otras afecciones después de recibir tratamiento con células madre. La mayoría de estos son tratamientos no probados que no se han sometido a una evaluación rigurosa para determinar su eficacia o seguridad. Sin embargo, ha habido una serie de tratamientos bien evaluados en modelos animales, así como en ensayos clínicos en humanos que utilizan células madre para la reparación de tejidos. Por ejemplo, las células madre de la grasa se han utilizado para formar tejido óseo en el cráneo humano. La reparación del tejido cardíaco ha mostrado un gran potencial. Las células madre podrían usarse para reemplazar las células

ovario, mama, cerebro, pulmón y

muertas y moribundas después de un trauma, como un ataque al

cáncer colorrectal; tumores cerebrales)

corazón. La cardiopatía isquémica y el ictus se registran como las

Enfermedad degenerativa de la retina

5,5 millones

principales causas de muerte en los últimos 15 años. En 2016, estas enfermedades por sí solas causaron 15,2 millones de muertes en todo el mundo.

Fenilcetonuria (PKU)

5,5 millones

La muerte de las células del músculo cardíaco debilita el corazón y

Inmunodeficiencia

0,3 millones

puede impedir que lata con la fuerza adecuada para mantener un flujo sanguíneo normal. Las células del músculo cardíaco adulto no

combinada severa (SCID) Anemia drepanocítica

0,25 millones

Enfermedades neurodegenerativas (Enfermedades de Alzheimer y

0,15 millones

Parkinson)

Fuente: Adaptado de Stem Cells and the Future of Regenerative Medicine, www.nap.edu/catalog/10195.html.

se reparan bien. Varios grupos de investigadores han inyectado ASC de diferentes fuentes, como la médula ósea o el tejido cardíaco, en áreas dañadas del corazón. Uno de los primeros enfoques exitosos que utilizan ratones se describe en la figura 11.27. A menudo, varias moléculas que sirven como señales de activación del crecimiento para las células cardíacas también se inyectan en el corazón dañado junto con las células madre. Un porcentaje de las células madre trasplantadas se convierte en células musculares cardíacas, forman conexiones eléctricas con células musculares sanas y mejoran la

enfermedad cardíaca, enfermedad de Parkinson, enfermedad de

función cardíaca en más del 35 por ciento. Los investigadores

Alzheimer, enfermedad de Lou Gehrig, diabetes y otras condiciones

informaron una mejor eficiencia de bombeo en ratones al menos un

(consulte la Tabla 11.1).

año después del tratamiento. Con este trabajo, sin embargo, todavía quedan algunas dudas sobre si muchas de las ASC se convierten en

Potencial y promesa son palabras que se usan con frecuencia cuando se discuten las aplicaciones de células madre, pero el uso de

células del músculo cardíaco o si las ASC liberan moléculas que

estas células para tratar enfermedades aún no se ha probado en gran

estimulan la curación de las células que rodean el tejido dañado.

medida. Aquí consideramos algunos de los ejemplos más prometedores de aplicaciones de células madre hasta la fecha. Los pacientes con leucemia frecuentemente requieren quimioterapia

Se han utilizado enfoques similares para trasplantar hESC, iPSC

o radioterapia para destruir los glóbulos blancos defectuosos. Como

o cardiomiocitos derivados de hESC en las paredes ventriculares de

resultado, el sistema inmunológico del paciente se debilita

corazones dañados en cerdos, ratas, ratones y humanos involucrados en ensayos clínicos. En algunos casos, se colocan andamios

considerablemente. Los tratamientos contra la leucemia también pueden incluir transfusiones de sangre para reemplazar los glóbulos

sintéticos en sitios del corazón lesionado para ayudar al injerto de

blancos y los glóbulos rojos dañados por la quimioterapia. El uso de

células trasplantadas. En este tipo de experimentos, las células madre

células madre para producir glóbulos blancos ya se ha convertido en una forma eficaz de tratar la leucemia. Las células madre de la sangre

trasplantadas se diferenciaron para formar células del músculo cardíaco, que luego pueden restaurar un porcentaje significativo de

del cordón umbilical también se han utilizado para proporcionar

actividad eléctrica y contractilidad en las áreas dañadas.

glóbulos rojos a pacientes con enfermedad de células falciformes y aquellos con otras deficiencias sanguíneas. El aislamiento de células madre de la sangre del cordón umbilical se está volviendo tan popular

Se están realizando varios ensayos clínicos en humanos en diferentes etapas, y los científicos son optimistas de que estos

enfoques puedan contrarrestar significativamente los efectos dañinos que, en muchos estados de EE. UU., los padres pueden optar por de las enfermedades cardiovasculares en el futuro. Considere esta pagar para congelar las células madre de la sangre del cordón umbilical indefinidamente en caso de que su hijo las necesite en algún momento en el futuro. emocionante posibilidad: en el futuro, un cirujano puede ordenar unos Debe abordar cualquier informe sobre el éxito del tratamiento con células madre con precaución. Ha habido historias bien

pocos gramos de células de músculo cardíaco de un laboratorio de

publicitadas y publicitadas de pacientes que muestran

cardíaco de la misma manera que los cirujanos rutinariamente

medicina regenerativa para trasplantarlas a un paciente con ataque

Machine Translated by Google 11.6 El potencial de la medicina regenerativa

339

Anteriormente en este capítulo, discutimos los problemas que enfrentan los pacientes que sufren lesiones de la médula espinal. El accidente cerebrovascular es otra lesión del sistema nervioso para la Se indujo un ataque al corazón en un

cual los científicos y los médicos buscan tratamientos. En los últimos

ratón hembra, causando daño (área

años, los investigadores han refutado la creencia de larga data de

blanca) al ventrículo izquierdo del corazón.

que el cerebro y la médula espinal humanos no pueden desarrollar nuevas neuronas. Se han aislado células madre adultas del cerebro humano y se han utilizado para producir neuronas en cultivo, y los científicos ya han demostrado que las ESC se pueden diferenciar para formar neuronas que se pueden inyectar en ratones y ratas para mejorar la función neuronal en personas con lesiones en la médula

médula ósea de un ratón

espinal. En algunos de los primeros estudios, los investigadores de la

macho adulto.

Universidad Johns Hopkins demostraron que los trasplantes de

Se tomaron células de

células madre humanas pueden permitir que los ratones con las extremidades traseras paralizadas caminen. Estos estudios se llevaron Las células madre fueron

aislado de la células de la médula ósea.

a cabo en ratones que quedaron paralizados después de haber sido infectados con un virus similar al virus de la poliomielitis que causa la poliomielitis. Pero sabemos que las lesiones del sistema nervioso en modelos animales se reparan más fácilmente que en humanos. Por lo tanto, todavía queda mucho trabajo por hacer en el campo de la

Estas células madre se inyectaron en el corazón dañado de la mujer de 3 a 5 horas después del ataque al corazón.

reparación y regeneración de la médula espinal, pero los investigadores son optimistas de que los trasplantes de células madre neurales adultas puedan estar listos para ensayos clínicos en humanos en los próximos años, ofreciendo esperanza a las muchas personas que se

Una o dos semanas después, el las células inyectadas ayudaron a regenerar parte del daño

ven afectados por lesiones de la médula espinal. A fines de 2017, se informó sobre una de las aplicaciones más extraordinariamente exitosas de la terapia con células madre.

corazón. La presencia de una Y cromosoma identifica las células del

Este enfoque combinó la terapia génica con células madre para

donante masculino.

regenerar la epidermis de un niño de 7 años con una condición genética llamada epidermólisis ampollosa de unión, que había perdido casi dos tercios de su piel debido a infecciones bacterianas

FIGURA 11.27 Reparación de un corazón dañado con células madre de médula ósea adulta Las células madre de médula ósea adulta de

(Staphylococcus aureus y Pseudomo nas aeruginosa). Un equipo de

ratón se pueden usar para reparar áreas del corazón de ratón dañadas por un ataque cardíaco.

Luca del Centro de Medicina Regenerativa de la Universidad de

científicos de células madre en Italia dirigido por la Dra. Michele De Módena y Reggio Emilia usó una pequeña biopsia de piel del niño e introdujo copias del gen LAMB3 a través de un vector retroviral . ,

pedir sangre de un banco de sangre para una transfusión durante un

luego creció células en cultivo en láminas de piel.

procedimiento quirúrgico! Se ha demostrado un tratamiento potencialmente prometedor e

A través de una serie de tres operaciones que abarcaron 4 meses, un

innovador que usa iPSC para corregir la anemia de células falciformes

equipo quirúrgico adhirió las láminas de piel al cuerpo del niño.

en ratones (Figura 11.28 en la página siguiente). En este trabajo, las

Después de 21 meses, la piel de estas sábanas creció normalmente

iPSC se produjeron a partir de células de la piel de ratones

y reemplazó las heridas anteriores, reconstruyendo así ~80% de la

transgénicos que expresan una versión mutada del gen de la

piel del niño con tejido sano.

hemoglobina de células falciformes humanas y muestran la enfermedad

Muchas preguntas fundamentales sobre las células madre aún

de células falciformes. Estas iPSC fueron modificadas genéticamente

deben responderse antes de que las tecnologías de células madre

para corregir la mutación del gen de la hemoglobina. A continuación, se indujo a las iPSC corregidas para que formaran células madre

puedan convertirse en estrategias de tratamiento viables. Los estudios que han utilizado células madre pluripotentes de cualquier fuente y

sanguíneas y se transfirieron a ratones donantes de células

las han introducido en animales o pacientes han estado plagados de

falciformes, que produjeron glóbulos rojos funcionales que, a su vez, corrigieron la enfermedad. Se han informado resultados similares

problemas en gran medida. Un problema principal es controlar la

usando CRISPR para editar el gen de la hemoglobina de células

deseados. Por ejemplo, si las células madre se inyectan en un tejido,

falciformes. Estos son resultados increíblemente emocionantes, que

digamos, músculo esquelético, es difícil controlar cómo responderán

combinan aspectos de las tecnologías de células madre y la terapia

a las señales de diferenciación in vivo. Como resultado, tales células

génica.

a menudo se convierten en muchas

diferenciación de células madre pluripotentes en tejidos de interés

Machine Translated by Google 340

Capítulo 11 Biotecnología médica

Ratón donante con células falciformes la anemia contiene el alelo bs humano Trasplante

recoger la piel

diferenciar en

células

células madre sanguíneas

Infectar células con retrovirus liberando oct4, medias 2, Klf(4), c-Myc

Recuperado reprogramar en iPSC

genéticamente corregido iPSC

ratón

Eliminación de c-Myc

Reemplace el alelo bs para corregir mutación de células falciformes

FIGURA 11.28 Un modelo de ratón para corregir la anemia de células falciformes usando iPSC

tipos de células y tejidos diferentes e indeseables distintos de los tipos previstos. Las hESC inyectadas pueden formar tumores, incluidos tipos de tumores llamados teratomas, que contienen mezclas de tejidos diferenciados como dientes, huesos y cabello, todo en un solo tumor. Cuando se inyectan células madre en lugar de tejidos adultos diferenciados, los científicos tampoco pueden controlar la propagación de las células a otros lugares del cuerpo. Otro problema es evitar las anomalías cromosómicas que se sabe que ocurren cuando las células madre se diferencian. Por ejemplo, las alteraciones en el número de cromosomas (trisomía 12, trisomía 17 y otras) ocurren con frecuencia cuando las células madre se diferencian. Pacientes en clínicas de células madre no reguladas en China, Tailandia, Corea, Rumania y otros países han muerto como resultado directo de complicaciones después de haber

ÿ ¿Qué factores afectan la integración de nuevos tejidos y células en los órganos existentes? ÿ ¿Pueden la reprogramación nuclear de células somáticas u otros enfoques que no requieren un embrión convertirse en técnicas confiables para producir células madre pluripotentes con las propiedades de las hESC? ÿ ¿Qué enfermedades se pueden tratar con mayor eficacia mediante tecnologías de células madre? ÿ ¿Qué estrategias serán más efectivas para entregar tratamientos con células madre? Las respuestas a estas y muchas otras preguntas ayudarán a los científicos y médicos en su búsqueda por desarrollar aplicaciones basadas en células madre para el tratamiento de enfermedades humanas.

recibido inyecciones de células madre. Es importante reconocer que los tratamientos con células madre más efectivos y seguros en el futuro probablemente impliquen diferenciar las células madre in vitro en los tipos

Clonación

de células y tejidos deseados y luego introducir esas células en un

Hemos discutido diferentes tipos de clonación en este libro. Recuerde

paciente según corresponda, en lugar de inyectarlas directamente. .

que la clonación se refiere a hacer una copia de algo: un gen, una célula o un organismo completo. La tecnología de ADN recombinante se utiliza para la clonación de genes.

Otras preguntas importantes que deben responderse incluyen:

ÿ ¿Por qué las células madre se autorrenuevan y mantienen un estado indiferenciado?

Cuando las bacterias o las células cultivadas se dividen en una placa de Petri o en un biorreactor, se están produciendo clones de células. Pero claramente ningún aspecto de la clonación es tan controvertido como la clonación de animales. Con el anuncio de la clonación de la oveja Dolly

ÿ ¿Qué factores desencadenan la división de las células madre?

en 1997, el mundo se enfrentó de inmediato a la perspectiva de que los

ÿ ¿Cuáles son las señales de crecimiento (químicas, genéticas,

avances en biotecnología podrían conducir a la clonación humana. La

ambientales) que influyen en la diferenciación de las células madre?

creación de Dolly generó un gran aumento en la conciencia pública y

Machine Translated by Google 11.6 El potencial de la medicina regenerativa

341

discusión adicional sobre la clonación. En esta sección, consideramos las implicaciones científicas de las aplicaciones de clonación humana.

clonación terapéutica, el núcleo de la célula de un paciente (por ejemplo, células de la piel) se inyecta en un óvulo enucleado (un óvulo al que se le ha extraído el núcleo) que luego se estimula para dividirse en cultivo para crear un embrión (Figura 11.29 en la siguiente página). página). El embrión producido no se utilizará Clonación Terapéutica y Clonación para producir un niño; en cambio, se cultivará durante varios Reproductiva días hasta que alcance la etapa de blastocisto para que pueda usarse para recolectar células madre. Las células madre aisladas Existen dos enfoques principales para la clonación: la clonación de este embrión pueden cultivarse y luego introducirse en el reproductiva y la clonación terapéutica (Cuadro 11.2). La intención de la clonación reproductiva es crear un bebé. paciente donante (Figura 11.29). Dolly fue el primero de muchos mamíferos producidos por Antes del desarrollo de las iPSC, la clonación terapéutica clonación reproductiva. A diferencia de la clonación reproductiva, se consideraba una forma potencial de proporcionar células la clonación terapéutica proporciona células madre que son madre específicas del paciente que podrían usarse para tratar compatibles genéticamente con un paciente que requiere un trasplante.enfermedades En sin temor al rechazo inmunitario por parte del receptor.

TABLA 11.2 Comparación de células madre, clonación terapéutica y clonación reproductiva

Inducido Tallo embrionario Células (ESC) Producto final o “final”

Propósito/ aplicación

Células madre adultas

(ASC)

Tallo pluripotente Células (iPSC)

Terapéutico Clonación (somática Célula Nuclear

Reproductivo

Transferir)

Clonación

Humano "clonado"

Células madre

Células madre

Células madre

Células madre

indiferenciadas (aisladas de tejido fetal

indiferenciadas creadas

o embrionario, como un embrión en la etapa

indiferenciadas (aisladas de tejido adulto, como células de la médula ósea)

indiferenciadas que crecen en una placa de cultivo (obtenidas

de blastocisto) que crecen en cultivo

que crecen en una placa de cultivo

Fuente de células madre para la

Fuente de células madre para la

a partir de células somáticas; puede ser específico del paciente

de la persona que también actuará como receptora de estas células)

Fuente potencial de células madre específicas del paciente

investigación y el investigación y el tratamiento de tratamiento de para estudiar enfermedades humanas, enfermedades humanas, enfermedades y tratar enfermedades humanas como la sustitución de como la sustitución de tejidos enfermos o lesionados tejidos enfermos o lesionados

Fuente de células madre que son genéticamente compatibles con el receptor para el tratamiento de enfermedades humanas,

Crear, duplicar o reemplazar a un ser humano mediante la producción de un embrión para la implantación, lo que lleva al nacimiento de un niño

como el reemplazo de tejido enfermo o lesionado. Embrión requerido

Sí

No

No

Sí

Sí

madre sustituta

No

No

No

No

Sí

Depende de cómo se defina un

No

No

Depende de cómo se defina un

Sí

requerido Humano creado

embrión Marco de tiempo Unas pocas semanas de crecimiento en la cultura.

embrión Unas semanas de crecimiento en cultivo

Semanas a meses Algunas semanas de crecimiento en la cultura

9 meses, la duración de un embarazo biológico normal (después del crecimiento del embrión en cultivo)

Machine Translated by Google 342

Capítulo 11 Biotecnología médica

La clonación reproductiva

Clonación terapéutica

mujer o

Femenino

mujer o

Femenino

donante masculino

donante masculino

Núcleo remoto

Núcleo remoto

célula del cuerpo

(piel, músculo,

de huevo

pelo, etc)

Tenencia pipeta

célula del cuerpo

(piel, músculo,

de huevo

pelo, etc)

Tenencia pipeta

Núcleo insertado

Núcleo insertado

cigoto clonal

cigoto clonal

Crecer en cultura para producir embrión

Embrión

embrión clonal

Blastocisto

embrión implantado en el útero

bebe clonal Cosechar células madre de la masa celular interna

Producir células de elección.

Células óseas

neuronas Células musculares

Transplante de tejido volver al donante

FIGURA 11.29 Clonación reproductiva y clonación terapéutica Si la clonación reproductiva se llevara a cabo en seres humanos, el objetivo sería producir un bebé clonado. En la clonación terapéutica, se producen células madre que son genéticamente idénticas a las células extraídas de un paciente para proporcionar una terapia de células madre específica para el paciente. La foto muestra una pipeta de sujeción (lado izquierdo del huevo) sosteniendo un huevo mientras se extrae el núcleo con una micropipeta de vidrio (derecha).

porque él o ella fue la fuente original de las células. Como se mencionó anteriormente, en teoría, las células madre de un paciente también se pueden usar para crear líneas celulares de humanos con enfermedades genéticas para proporcionar a los científicos un potencial sin precedentes para estudiar y aprender más sobre las enfermedades humanas.

A muchos científicos no les gusta el término clonación terapéutica porque implica crear un clon humano. Crear células madre para tratar enfermedades humanas no es lo mismo que clonar un ser humano. La mayoría de los investigadores de células madre prefieren el término transferencia nuclear de células somáticas (SCNT) porque la transferencia nuclear realmente describe el

Machine Translated by Google 11.6 El potencial de la medicina regenerativa

procesos biológicos que tienen lugar. Recuerde que discutimos los detalles

343

menos valioso de lo que inicialmente se creía. Algunos no lograron crecer

de SCNT anteriormente (Capítulo 7). Para la clonación terapéutica, el

sin diferenciarse. Otros mostraron inestabilidad genética con anomalías en

blastocisto se usaría como fuente de células madre y luego se destruiría.

el número de cromosomas.

En 2013, al menos dos equipos de investigación diferentes publicaron

Algunas líneas estaban contaminadas con células alimentadoras de ratón

artículos que demostraban que podían clonar embriones humanos y

(que se usaban comúnmente para proporcionar nutrientes clave para el

producir hESC por SCNT. También se han producido embriones y hESC

crecimiento de células madre en los primeros días del trabajo de ESC).

de personas con enfermedades.

Muchos científicos y grupos defensores de las células madre lucharon

El primer ejemplo involucró a un paciente con diabetes tipo 1 y células

arduamente para levantar la prohibición de la financiación federal para la creación de nuevas líneas hESC.

pancreáticas productoras de insulina que se diferenciaron de las hESC, lo

En 2006, el Senado aprobó un proyecto de ley para levantar la

que llevó a los científicos un paso más cerca de tratar a los pacientes con

prohibición de la financiación federal, pero posteriormente fue vetado por el

sus propias células productoras de insulina. No se ha probado que la

presidente Bush. El Congreso volvió a intentarlo con un proyecto de ley en

clonación terapéutica en humanos pueda funcionar como tratamiento, pero

2007 que también fue rápidamente vetado por el presidente Bush.

los ensayos clínicos están en curso.

En 2009, el presidente Barack Obama emitió una orden ejecutiva para que se levantara la prohibición y encargó a los NIH que desarrollaran pautas

Para la clonación reproductiva, el blastocisto se implantaría en el útero de una mujer para permitirle crecer y desarrollarse para formar un

para regular el financiamiento federal del trabajo de ESC, pero no para el uso de fondos federales para crear embriones para derivar hESC.

bebé, lo que llevaría los 9 meses normales. La clonación reproductiva por transferencia nuclear es un proceso muy ineficiente en el mejor de los casos. En el caso de la oveja Dolly, se necesitaron 277 intentos de fusión

Muchas fundaciones privadas están proporcionando cientos de millones de dólares para los investigadores de células madre, y varios

nuclear para producir solo un embrión implantado con éxito que se desarrolló

estados han promulgado leyes para crear institutos de investigación de

completamente y formó a Dolly (Capítulo 7).

células madre y brindar apoyo financiado por el estado para la investigación de ESC. Algunos de los estados más activos incluyen California, Nueva

Muchos científicos piensan que la clonación reproductiva de humanos

Jersey, Connecticut, Illinois, Maryland y Wisconsin. California en particular

es poco ética, inmoral y científicamente insegura; otros piensan que puede

fue pionera. En 2004, los ciudadanos aprobaron un presupuesto de casi

ser inevitable al menos en algún lugar del mundo. Ha habido varios anuncios muy publicitados de algunos grupos privados sobre sus planes en curso

investigación con células madre y crear el Instituto de Medicina Regenerativa

$300 millones en bonos y más de $3 mil millones en total para apoyar la

para producir humanos mediante la clonación reproductiva. Estas

de California (CIRM). A medida que se agota el financiamiento de CIRM en

afirmaciones han generado mucho escepticismo y han sido ampliamente

2017, el estado debe decidir si se aprobará otra propuesta pública si se

refutadas y fuertemente denunciadas por la mayoría de la comunidad

somete a votación o si CIRM deberá contar con el respaldo principalmente

científica. En el momento en que se imprimió este libro, no existía ninguna

de financiamiento privado. En todo el mundo, las regulaciones sobre la

prueba definitiva de que un humano haya sido clonado alguna vez.

producción de nuevas líneas de hESC y las políticas sobre clonación terapéutica varían. Por ejemplo, la producción de nuevas líneas y la clonación terapéutica son legales en el Reino Unido, Israel, Corea del Sur, China y Singapur. La clonación terapéutica está prohibida en Brasil, Australia y la Unión Europea (aunque en los países miembros que la

Reglamento que rige el tallo embrionario Clonación Celular y Terapéutica en el Estados Unidos

permiten, las hESC pueden derivarse de embriones no utilizados de procedimientos de fertilización in vitro) .

Aunque existen lineamientos internacionales sobre el uso ético de células madre, actualmente no existe una política internacional que rija el uso de células madre. Poco después de que las hESC se aislaran por primera vez en los Estados Unidos, el Comité Asesor Nacional de Bioética y los Institutos

Se han establecido centros legítimos de investigación con células madre en todo el mundo en países considerados grandes potencias, así

Nacionales de Salud (NIH) comenzaron a trabajar en las pautas para la

como en muchos países relativamente pequeños (Bélgica, Suecia, Turquía,

investigación de las hESC. En 2001, el presidente George W. Bush anunció

Israel, Suiza, etc.). Pero como se mencionó anteriormente, también han

la prohibición del uso de fondos federales para crear un embrión con el fin

surgido muchas clínicas de células madre en todo el mundo, y los pacientes

de aislar los CES. Esta prohibición preveía el uso de fondos federales para

desesperados por curarse han viajado a otros países en busca de curas

la investigación de 78 líneas celulares que ya se habían establecido y

basadas en células madre, que a menudo son exageradas y promocionadas

estaban disponibles a través de los NIH antes de esta fecha.

como exitosas a pesar de la información sin fundamento y los efectos secundarios adversos. efectos A menudo llamados "turistas de células madre", se sabe que los pacientes viajan por todo el mundo para recibir tratamientos con células madre no probados, y la cantidad de personas

Sin embargo, solo 21 de estas líneas estuvieron disponibles para la investigación, y muchas de las líneas resultaron estar muy lejos.

involucradas en

Machine Translated by Google 344

Capítulo 11 Biotecnología médica

TÚ DECIDES

Debates sobre células madre y clonación

Frecuentemente, cuando la ciencia y la medicina producen descubrimientos

clonación terapéutica el equivalente a matar a un niño deliberadamente en beneficio de otra persona. Otros creen que el embrión temprano es un

innovadores, la sociedad no está preparada para las consecuencias de las

grupo de células vivas con el potencial de formar una persona, pero que

nuevas tecnologías. En 1850, el desarrollo de la anestesia se consideraba

el embrión temprano en sí mismo no es un ser humano.

muy controvertido. Muchos se preocuparon por las reacciones adversas imprevistas de la anestesia. Más de 150 años después, pocos cuestionan la importancia de la anestesia para cirugías complejas e incluso procedimientos de rutina, como la extracción de una muela del juicio. Recuerde del Capítulo 3 que cuando se desarrolló la tecnología del ADN recombinante, hubo temor y especulación sobre lo que resultaría de tales experimentos.

ÿ ¿Deberíamos justificar la destrucción de embriones que se desarrollan por FIV? ÿ ¿Por qué no usar estos embriones en un intento de reducir el dolor y el sufrimiento en otros humanos? Los científicos definen la vida de muchas maneras. Los biólogos están de acuerdo en que el grupo de células llamado blastocisto está

Al igual que las controversias sobre la anestesia y el ADN recombinante, el clero, los políticos, los investigadores y el público en

vivo a nivel celular. Aunque todas las formas de vida merecen respeto, el blastocisto no es una persona porque no tiene extremidades, sistema

general debaten actualmente los méritos de las células madre y la

nervioso, órganos u otras características físicas de un individuo humano.

clonación. En la raíz de estos debates está la fuente de las células madre

Por lo tanto, sigue existiendo una importante fuente de debate sobre si

humanas, en particular, las hESC y sus posibles usos y abusos. Las hESC

debemos asignar un estatus moral a los embriones humanos y, de ser

son controvertidas debido a su origen: el embrión humano primitivo. Los

así, en qué etapa.

ESC son quizás el tema científico más controvertido jamás debatido por el público y los políticos. Sabiendo que las hESC pueden tener un enorme potencial para tratar y curar muchas enfermedades devastadoras y brindar a las personas la oportunidad de tener una vida más larga y saludable, ¿qué piensa sobre su uso? La lista de preguntas en torno a las células madre y la clonación parece interminable.

ÿ ¿El valor moral de un embrión aumenta a medida que se desarrolla o es igual al de un bebé o un adulto? Si un embrión se considera una persona viva, entonces tiene todos los derechos de otras personas vivas. En consecuencia, destruir un embrión intencionalmente es inmoral. Los ciudadanos deben decidir cómo será el dinero de sus impuestos gastados y lo que creen que es una investigación ética, responsable y segura. El establecimiento científico debe compartir su conocimiento para

ÿ ¿Es aceptable producir un embrión humano con el único propósito de destruirlo para otros usos?

garantizar que los ciudadanos tomen decisiones bien informadas sobre temas como los ESC y la clonación.

ÿ Si está de acuerdo con la creación de embriones humanos para la investigación, ¿debería haber un límite de tiempo para cultivar y estudiar estos embriones antes de que surjan preocupaciones éticas? La mayoría de los países occidentales, incluido Estados Unidos, exigen que los embriones humanos cultivados en el

La clonación reproductiva humana es ilegal en al menos 13 estados de EE. UU. e ilegal en más de 40 países, pero muchos países tienen políticas menos restrictivas. Varios países que prohibieron la clonación con fines reproductivos abogan por la clonación con fines de investigación.

laboratorio se estudien solo hasta 14 días después de su creación. Reino Unido, Suecia, China e Israel han autorizado la creación de ÿ Algunos temen que la investigación con células madre genere

embriones clonados humanos para investigación médica. Ahora, la

una gran necesidad de óvulos humanos. ¿Es aceptable pagar

comunidad biomédica alienta a países como Estados Unidos, Francia,

a las mujeres para que recolecten sus óvulos quirúrgicamente?

Alemania y Canadá a permitir lo mismo.

ÿ ¿Cuál es el estatus moral de los primeros embriones creados por clonación terapéutica? ÿ ¿Qué derechos tiene un donante para recibir células madre? líneas o tecnologías creadas a partir de células que han donado? ¿Deberían los donantes de tejidos compartir las recompensas monetarias de una línea de células madre creada a partir de sus células?

Incluso si la clonación terapéutica finalmente se aprueba en estos países, ¿su aceptación hará más probable que la gente acepte la clonación reproductiva? Probablemente no. La clonación terapéutica, que está destinada a tratar enfermedades, es un tema muy diferente a la creación de un nuevo ser humano. Si la creación de iPSCs resulta ser una forma viable de producir células madre, los debates científicos y éticos

Algunas personas creen que una persona se forma en el momento en que se fecunda un óvulo, por lo que consideran

sobre tratamientos

Machine Translated by Google Preguntas y actividades

la clonación y el uso de hESC pueden volverse irrelevantes porque las células madre podrían generarse sin un óvulo o embrión.

345

enfermedad, enfermedad de Alzheimer y otras, ¿cómo se sentirá el público de otros países al no tener acceso a tales tecnologías? Algunos incluso han argumentado que la clonación reproductiva es un

En 2018, las encuestas de opinión pública han indicado que

derecho fundamental de las personas. ¿Cómo te sentirías si fueras

El 66 por ciento de las personas en todo el mundo aceptan

parte de una pareja infértil que no pudiera tener un hijo relacionado

moralmente la investigación médica que utiliza células madre

biológicamente de otra manera que no sea a través de la clonación

obtenidas de embriones humanos, mientras que solo el 29

reproductiva? ¿Existen aplicaciones adecuadas y éticamente

por ciento todavía se opone a la idea. Si los científicos de los países

aceptables para el uso de embriones tempranos y sus células madre?

que aprueban la clonación terapéutica utilizan la tecnología para

¿Se puede decir lo mismo de la clonación? Tú decides.

investigar tratamientos para el Parkinson

este “turismo” sigue creciendo a un ritmo alarmante. La Unión Europea tiene leyes similares a las regulaciones de la FDA en los Estados Unidos que rigen el uso de células madre.

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

La FDA tiene pautas básicas sobre la pureza de las células madre y sus aplicaciones en ensayos clínicos y productos médicos. Pero incluso en los Estados Unidos, las regulaciones de la FDA se aplican de manera deficiente y están abiertas a la interpretación, y las estimaciones sugieren que hay casi 600 clínicas de células madre operando en los

1. Describa brevemente cómo el Proyecto Genoma Humano ha llevado a avances en la biotecnología médica.

2. Realice una búsqueda en Internet del gen MECP2 y vea si puede encontrar trabajos de investigación o artículos que

Estados Unidos. Es claro que se deben establecer mejores regulaciones

describan la investigación sobre este gen en organismos modelo.

para regular las aplicaciones seguras de células madre que cumplan

¿Qué condiciones genéticas humanas están asociadas con este

con las buenas prácticas de fabricación (cGMP) para la producción de

gen según la investigación con organismos modelo?

células de grado clínico, y para evitar los casos fraudulentos y trágicos de su uso inapropiado y poco ético. Tales abusos y las tragedias resultantes solo impedirán el progreso y erosionarán la confianza en los tratamientos legítimos que se están desarrollando.

3. ¿Qué técnicas se pueden usar para identificar enfermedades genéticas en humanos fetales o adultos? Proporcione al menos dos ejemplos. 4. ¿Cuáles de los siguientes ejemplos de pruebas genéticas son pruebas de pronóstico? ¿Cuáles son de diagnóstico?

HACER UNA DIFERENCIA En 1968, unos 40 años antes de que se aislaran las hESC, los médicos realizaron con éxito el primer trasplante de médula ósea. La médula ósea

una. El análisis de la secuencia del genoma completo (genómica personal) muestra mutaciones asociadas con la enfermedad de Parkinson. b. La prueba ASO determina que un individuo es portador del

contiene ASC, específicamente células madre hematopoyéticas, que

alelo mutante de ß-globina (ßS )

pueden producir todos los diferentes tipos de células presentes en la

se encuentra en la anemia de células falciformes.

sangre. Desde este primer trasplante, el trasplante de médula ósea se ha vuelto rutinario; se usa comúnmente para tratar una variedad de

C. La secuenciación del ADN de un tumor de mama revela mutaciones en el gen BRCA1 .

enfermedades de la sangre y la médula ósea, cánceres de la sangre como la leucemia, trastornos de la coagulación de la sangre y trastornos inmunitarios del torrente sanguíneo. Alguna vez se pensó que muchas de estas enfermedades eran incurables y, en los primeros días de los trasplantes de médula ósea, había muchos escépticos y muchos desafíos que superar. De alguna manera, la investigación con hESC e iPSC se

d. Las pruebas genéticas en un adolescente sano identifican un SNP relacionado con el síndrome de Down. 5. ¿Harías secuenciar tu genoma? ¿Por qué o por qué no? Si su respuesta es afirmativa, ¿haría

pública la secuencia de su genoma? ¿Cómo se podría usar mal

enfrenta a algunos de estos mismos desafíos, y el éxito futuro de estas

esa información? ¿Quién debería tener acceso a los datos de su

tecnologías aún está por verse. Solo en los Estados Unidos, unos 10,000

secuencia?

pacientes son tratados con trasplantes de médula ósea cada año, y el éxito de tales tratamientos está “marcando la diferencia” para muchos pacientes y sus familias.

6. En 2013, la actriz Angelina Jolie eligió para someterse a una cirugía profiláctica de doble mastectomía para

prevenir el cáncer de mama con base en una prueba positiva para

Machine Translated by Google 346

Capítulo 11 Biotecnología médica

mutación del gen BRCA1 . ¿Cuáles son algunas posibles

15. Explique por qué los enfoques de edición del genoma tienen el

consecuencias positivas y negativas de este ejemplo de alto

potencial de cambiar radicalmente la forma en que se llevará a

perfil de actuar sobre los resultados de una prueba genética?

cabo la terapia génica en el futuro. 16. ¿Por qué es tan controvertida la edición de la línea germinal? Explique

7. ¿Qué es la Iniciativa de Medicina de Precisión (PMI)? Describa cómo se espera que el PMI mejore la atención médica en el futuro. Visite el sitio web de PMI en https:// allofus.nih.gov/ aprender más. 8. ¿Qué es la farmacogenómica? Explique cómo ya ha afectado a los tratamientos farmacológicos describiendo un ejemplo específico.

tus respuestas. 17. ¿Qué es la medicina regenerativa? Describir formas potenciales en las que la ingeniería de tejidos puede usarse para tratar enfermedades. 18. Compara y contrasta diferentes tipos de tallo

incluyendo células madre embrionarias, células madre adultas y células madre pluripotentes inducidas. Incluya una explicación

9. Visite ClinicalTrials.gov y busque tratamientos con mAb actualmente en ensayos clínicos. Visite el sitio de la Sociedad Americana de

de dónde proviene cada tipo de célula madre y cómo se puede aislar cada tipo.

Terapia Genética y Celular (http://

Dé dos ejemplos de cómo se pueden usar las células madre

www.asgct.org/) para buscar ensayos clínicos de terapia génica

para ayudar a tratar enfermedades humanas.

actualmente en curso. 10. Es difícil ver casi cualquier programa de televisión sin ver anuncios

19. En algunos países, el uso de fondos gubernamentales para la investigación con células madre embrionarias ha sido muy

del anticuerpo monoclonal Humira, el mAb más utilizado y vendido

controvertido. ¿Qué tipos de financiación se utilizan para realizar

hasta la fecha. ¿Para qué está diseñado Humira? Realice una

experimentos con hESC? ¿Alguno de los principales organismos

búsqueda en Internet para obtener más información sobre este mAb.

11. Los tratamientos CAR-T y otras formas de inmunoterapia han producido resultados notables para algunos pacientes que se

de financiación financia esta investigación? De no ser así, ¿qué tipos de recursos están disponibles para los laboratorios y científicos que trabajan con hESC? Haz una búsqueda en Internet para saber más.

someten a un tratamiento contra el cáncer.

Cree un diagrama que detalle cómo se fabrican las células CAR-

20. Compare y contraste la clonación terapéutica y la clonación

T a partir de un paciente y cómo se modifican estas células para

reproductiva preparando una tabla que enumere los pros y los

atacar un tumor específico.

contras de cada tecnología.

12. ¿Qué es la terapia génica? Explique las diferencias

entre la terapia génica ex vivo e in vivo , y dar un ejemplo de una enfermedad genética humana tratada por cada enfoque. Proporcione dos ejemplos de cómo los genes terapéuticos pueden administrarse en las células. 13. Discuta los desafíos que enfrentan los científicos para hacer que la terapia génica sea una técnica eficaz para tratar las enfermedades genéticas humanas.

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en

14. Describa dos técnicas de silenciamiento de genes y cómo se pueden usar para la terapia génica.

la industria de la biotecnología.

Machine Translated by Google Estudio de caso Personal Genomics ayuda a Elizabeth Davis a caminar de nuevo

347

Este estudio de caso se ha incluido para brindarle la oportunidad de familiarizarse con un ejemplo de investigación aplicable a este campo de estudio. Una vez que haya analizado los datos y respondido las preguntas, puede compararlos con los que le proporcionó a su instructor con los materiales del texto.

CASO DE ESTUDIO La genómica personal ayuda a Elizabeth Davis a caminar de nuevo capacidad para diagnosticar enfermedades genéticas y ayudar a tratar a los pacientes. Para obtener más información sobre la

comenzó a caminar de puntillas, y luego comenzó Alrededor de los 6 años, Elizabeth repenteen piernas y experimentando síntomas Davis como de debilidad

historia de Elizabeth, incluido un testimonio en video de Elizabeth,

brazos, voz apagada y golpeteo en las rodillas cuando caminaba. Los

visite: http://endeavors.unc.edu/the-cure-code/

dedos de sus pies se curvaron bajo sus pies, y cuando era adulta, a menudo estaba confinada a una silla de ruedas y

Preguntas

incapaz de participar en actividades cotidianas básicas como ir de compras por su cuenta. Después de 30 años de diagnósticos erróneos por parte de los médicos tradicionales, sin tratamiento, Davis se inscribió en un ensayo en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill

Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com 1. ¿Qué es el gen GCH1 y qué sabemos sobre la proteína que codifica y sus funciones?

para secuenciar su exoma. La secuenciación reveló una mutación en el gen GCH1, y este diagnóstico sugirió que Elizabeth podría responder bien al fármaco levodopa, que eleva los niveles de dopamina en el cerebro y es un tratamiento común para los pacientes con enfermedad

2. ¿Qué condiciones genéticas están asociadas con el gen GCH1? 3. Considerar dilemas éticos si la secuenciación del exoma del

de Parkinson. Posteriormente, este tratamiento le permitió a Elizabeth

genoma de Elizabeth revelara genes asociados con otras

volver a caminar.

condiciones genéticas como el cáncer o mutaciones para las que no existen tratamientos.

La historia de Elizabeth revela un ejemplo de cómo la secuenciación del genoma está ofreciendo una extraordinaria

Machine Translated by Google

CAPÍTULO DOCE

Biotecnología Internacional Reglamento Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿÿ Comprender el contexto de la regulación internacional de la biotecnología y cómo esto se cruza con la regulación a nivel nacional. ÿÿ Describa el papel combinado de la Organización para la Agricultura y la Alimentación (FAO), la Organización Mundial de Sanidad Animal (OIE) y la Organización Mundial de la Salud (OMS) en la regulación de productos biotecnológicos para proteger la salud vegetal, animal y humana. ÿÿ Describir cómo se regulan los organismos genéticamente modificados (OGM), que pueden presentar riesgos para la diversidad biológica. ÿÿ Explicar el proceso de acceso, Las agencias especializadas de las Naciones Unidas, como la intercambio y participación en los Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la beneficios de la genética vegetal, animal y microbianaCultura (UNESCO) y la Organización para la Agricultura y la Alimentación recursos.

(FAO), son algunos de los organismos internacionales que regulan la biotecnología.

ÿÿ Describir cómo se aplican las reglas del comercio internacional a los productos biotecnológicos y cómo se protegen las patentes bajo la regulación internacional. ÿÿ Describir cómo los derechos humanos y los principios bioéticos deben dar forma a la investigación biotecnológica. ÿÿ Comprender el papel que la experiencia científica, ya sea de forma individual o en colaboración, puede desempeñar en el desarrollo y la implementación de regulaciones internacionales.

348

Machine Translated by Google 12.1 Descripción general de los reglamentos internacionales

alimento contaminado puede causar la muerte. Medi

349

como método para desarrollar impulsores genéticos sintéticos fue sugerido

El usolos decines unaydroga mal etiquetada o elel consumo una la comida están regulados por gobierno de de un país gobierno Estas regulaciones tienen profundos efectos en la industria biotecnológica. Puede llevar años probar un nuevo fármaco para confirmar su seguridad y eficacia; mientras tanto, se pueden perder vidas que el nuevo fármaco podría haber salvado. Hay un costo si los alimentos deben desecharse, al igual que hay un costo si la productividad agrícola disminuye porque no se usan herbicidas potencialmente tóxicos. Claramente, existe un conflicto entre garantizar la seguridad y reducir los costos. Los productos biotecnológicos nuevos e innovadores en medicina y agricultura prometen beneficios pero también presentan riesgos. Cuando el expresidente estadounidense Bill

por científicos en 2014. Es probable que los impulsores genéticos sean más eficientes en organismos con ciclos reproductivos cortos. Existe un interés creciente en el uso de impulsores genéticos para controlar las poblaciones de mosquitos vectores que propagan la malaria y otras enfermedades transmitidas por vectores y para combatir las especies invasoras. Las principales regulaciones que se aplican actualmente a los impulsores genéticos son las que se aplican a los organismos genéticamente modificados (OGM). El desarrollo prospectivo de impulsores genéticos señala la necesidad de regulaciones adecuadas, ya que los impulsores genéticos no encajan bien dentro de las regulaciones existentes sobre el uso confinado de OGM y la liberación deliberada de OGM en el medio ambiente. Las normas sobre uso confinado se aplican a la etapa en que todas las actividades

relacionadas con los OGM se realizan en laboratorios de investigación o Clinton y el exprimer ministro del Reino Unido Tony Blair se instalaciones de producción con medidas adecuadas de control físico, comprometieron a limitar las patentes de secuencias genéticas químico y biológico para evitar su liberación al medio ambiente. Tales (entre otras cosas) compartiendo la información recopilada por regulaciones existentes tienden a enfocarse en la evaluación del riesgo del los investigadores que trabajaban en el Proyecto Genoma organismo para establecer las medidas de control requeridas para un nivel Humano, el pánico se extendió por la industria biotecnológica. adecuado de contención. Es posible que no consideren la naturaleza de la Muchos aplauden una restricción al patentamiento de secuencias transformación que podría plantear un nivel adicional de riesgo. En cambio, de genes porque argumentan que tal patentamiento es las normas sobre liberación deliberada se aplican a la etapa en la que los moralmente inaceptable. En el centro de este debate está lo que OMG se liberan intencionalmente al medio ambiente para ensayos de campo significa que algo sea “patentable”. Más adelante en este o experimentos similares y antes de su comercialización. Estas capítulo, analizamos las patentes y cómo se regulan las patentes de productos biotecnológicos. reglamentaciones tienden a suponer que el potencial de los OMG para propagarse y persistir en el medio ambiente es una característica indeseable, aunque es probable que sea una característica valiosa de los organismos con impulsores genéticos. Por lo tanto, si estos organismos estuvieran

PRONÓSTICO DEL FUTURO

regulados por las normas existentes sobre liberación deliberada,

Los impulsores genéticos sintéticos utilizan tecnología de ingeniería genética

probablemente no estarían autorizados para su uso. Se necesita un trabajo

y aumentan las posibilidades de que un rasgo particular se transmita a la

sustancial en el desarrollo regulatorio y la consulta social antes de que se

descendencia desde el 50 por ciento habitual de probabilidad que resulta de

implemente dicha tecnología.

la reproducción sexual a casi el 100 por ciento. Esto se puede lograr agregando, eliminando o modificando genes (consulte la figura 12.1). El uso de CRISPR-Cas9

ARNg

Cas9 Cargo

alelo 1

Cas9 Cargo Reparar

alelo 1

Cortar sitio

alelo 2

herencia normal

El gen alterado no se propaga

Cas9 Cargo

Herencia impulsada por genes

El gen alterado siempre se hereda

FIGURA 12.1 Una ilustración de la diferencia entre la probabilidad de heredar un rasgo a través de la herencia normal y la herencia impulsada por genes.

alelo 2

Machine Translated by Google 350

Capítulo 12 Regulaciones Internacionales de Biotecnología

12.1 Descripción general de los reglamentos internacionales Las aplicaciones de la biotecnología se cruzan con varias áreas en las que la comunidad internacional tiene intereses comunes de larga data, como la salud pública mundial y la seguridad alimentaria. La biotecnología tiene el potencial de contribuir a la gestión de una serie de desafíos globales. Esto incluye combatir las enfermedades infecciosas emergentes y adaptar los cultivos agrícolas a las condiciones climáticas cambiantes. Las regulaciones internacionales pueden desempeñar un papel facilitador en la gestión de tales desafíos. En cuanto a los riesgos asociados con la investigación, el desarrollo y el uso de la biotecnología, existe una variedad de guías internacionales relevantes para la evaluación, gestión y comunicación de tales riesgos. Se supone que estas reglamentaciones sirven a los intereses de todos los estados (y de la humanidad) y deberían facilitar la creación de capacidad en ciencia y tecnología, así como en los organismos reguladores asociados de los países en desarrollo para promover el desarrollo de tecnología localmente apropiada y una distribución más amplia de los beneficios tecnológicos. Las regulaciones internacionales apuntan a coordinar las actividades estatales en áreas donde la acción separada de los estados individuales puede ser insuficiente para lograr intereses comunes o abordar preocupaciones comunes. Algunas de estas áreas comunes son la protección de la salud humana, animal y vegetal; protección del medio ambiente; desarrollo sostenible; comercio; agricultura y sistemas alimentarios; derechos de propiedad intelectual; y control de armas. En este capítulo, usaremos el término “estado” para referirnos a un país oa su gobierno. Las reglas internacionales son creadas por los estados, y los estados conservan la autoridad sobre su desarrollo e implementación. Este trabajo generalmente cuenta con el apoyo de una organización internacional (intergubernamental) que brinda servicios de secretaría para reuniones, coordina sistemas de intercambio de información y redes de expertos, y facilita los procesos de revisión regulatoria. Los estados miembros de tal organización internacional conservan la autoridad para la toma de decisiones, que se ejerce a través de los órganos de gobierno. La naturaleza del sistema internacional es tal que para que las reglas internacionales tengan un efecto práctico, generalmente se requieren medidas de implementación a nivel nacional. Las regulaciones internacionales deberían ayudar a la armonización de tales medidas de implementación (al proporcionar estándares mínimos, por ejemplo), pero a menudo será necesario consultar las regulaciones a nivel nacional para comprender cómo se aplican las reglas internacionales dentro de un contexto particular. Las reglamentaciones internacionales que se aplican a la biotecnología pueden haberse desarrollado como parte de un ámbito más amplio. Por ejemplo, la Convención de Armas Biológicas o BWC (ver Sección 12.7) prohíbe la

uso de la biología con fines nocivos. Los estados parte de la convención se comprometen a brindar cooperación internacional en la aplicación y el desarrollo de las ciencias biológicas únicamente con fines pacíficos. Los estados han afirmado que la convención se aplica a todos los desarrollos científicos y tecnológicos relevantes, por lo que claramente incluye los avances biotecnológicos dentro de su alcance. Sin embargo, se han diseñado otras reglamentaciones específicamente para abordar los productos biotecnológicos, como los Principios y Directrices del Codex Alimentarius relacionados con la evaluación de la inocuidad de los alimentos y la biotecnología moderna. También se han introducido nuevas disposiciones en otros reglamentos como el Código Sanitario para los Animales Terrestres (ver Sección 12.2). Las regulaciones internacionales vienen en dos formas principales: instrumentos de “ley dura” y de “ley blanda”. La ley dura se refiere a los tratados y convenciones internacionales

que son legalmente vinculantes para los estados partes, mientras que la ley blanda se refiere a las normas, directrices y códigos internacionales cuyo cumplimiento es voluntario. La ley dura no es necesariamente más efectiva que la ley blanda. Esto se debe a que: (a) la mayoría de los tratados internacionales generalmente carecen de mecanismos de aplicación para garantizar el cumplimiento y (b) los instrumentos de derecho indicativo suelen ser más fáciles y rápidos de actualizar. Esto los hace relevantes en áreas de rápido avance científico. Un ejemplo de esto se puede ver en los capítulos agregados recientemente al Manual de Pruebas de Diagnóstico y Vacunas para los Animales Terrestres de la OIE sobre temas como "secuenciación de alto rendimiento, bioinformática y genómica computacional" y "biotecnología en el diagnóstico de enfermedades infecciosas". y “la aplicación de la biotecnología al desarrollo de vacunas veterinarias”. Las regulaciones internacionales son una herramienta fundamental para la formulación de políticas internacionales, pero existen junto con una variedad de otros mecanismos de gobernanza, como sistemas de vigilancia y monitoreo, mecanismos de intercambio de información y fondos para el desarrollo de capacidades. Estos mecanismos apoyan la acción estatal coordinada. Muchas organizaciones internacionales y las reglas que supervisan incorporan procesos de asesoramiento o revisión cien Estos pueden ser órganos permanentes o ad hoc y existe una variabilidad considerable en su composición, roles y requisitos de experiencia. Dichos procesos se analizan en la Sección 12.8. Proporcionan una ruta clave para el aporte de asesoramiento experto en la formulación de políticas internacionales. Hay algunas áreas en las que las reglamentaciones internacionales no están a la altura de los avances científicos y tecnológicos. En biotecnología, uno de los debates actuales es hasta qué punto la normativa existente cubre o puede necesitar adaptarse a la digitalización de la biología. La mayoría de las regulaciones existentes se enfocan en el intercambio o movimiento de materiales biológicos entre estados.

Machine Translated by Google 12.1 Descripción general de los reglamentos internacionales

351

Organización de Sanidad Animal (OIE), la Organización A medida que el uso de datos, como la información de Mundial del Comercio (OMC), la Secretaría del Convenio secuencias digitalizadas, se vuelve más frecuente, tal enfoque puede no ser más apropiado o suficiente. Cualquier sobre la Diversidad Biológica (SCBD), la Organización para la Agricultura y la Alimentación (FAO) y la Organización esfuerzo por ampliar el alcance de la regulación de datos de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la debe comprender el contexto de la práctica científica para Cultura (UNESCO) (ver Tabla 12.1). que no obstaculice involuntariamente los esfuerzos de investigación global al obstruir, retrasar o aumentar En los Estados Unidos, el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA), la Agencia de Protección sustancialmente los costos de acceso e intercambio de dicha información. Las principales organizaciones internacionales que Ambiental (EPA) y la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) controlan el uso supervisan las regulaciones con relevancia para la biotecnología son la Organización Mundial de la Salud (OMS), el World de productos biotecnológicos.

TABLA 12.1

Principales Regulaciones Internacionales y Organizaciones Asociadas

Regulaciones Internacionales

Organismos Internacionales Asociados

Protección de la salud humana, animal y vegetal Reglamento Sanitario Internacional

OMS

Código Sanitario para los Animales Terrestres y Manual de Pruebas de Diagnóstico y Vacunas para los Animales Terrestres

OIE

Convención Internacional de Protección Fitosanitaria

FAO

Manual de Bioseguridad en el Laboratorio

OMS

Gestión de riesgos biológicos: Guía de bioseguridad de laboratorio

OMS

Orientación sobre las Regulaciones para la Caja Fuerte

OMS

Transporte de Sustancias Infecciosas Principios y directrices del Codex sobre alimentos derivados de la

CAC

biotecnología moderna Conservación de la Biodiversidad El Convenio sobre la Diversidad Biológica

SCBD

Protocolo de Cartagena sobre Bioseguridad

SCBD

Manejo de Recursos Genéticos Protocolo de Nagoya sobre Acceso y Distribución de Beneficios

SCBD

Tratado Internacional sobre los Recursos Fitogenéticos para la Alimentación y

FAO

la Agricultura Marco de preparación para la influenza pandémica

OMS

Derechos comerciales y de propiedad intelectual Acuerdo sobre Obstáculos Técnicos al Comercio

OMC

Acuerdo sobre la Aplicación de Normas Sanitarias y Fitosanitarias Medidas

OMC

Acuerdo sobre los Aspectos de la Propiedad Intelectual relacionados con el Comercio

OMC

Derechos

Convenio para la Protección de las Obtenciones Vegetales

Unión para la Protección de las Obtenciones Vegetales

Derechos humanos Declaración Universal sobre los Derechos Humanos

UNESCO

Genoma y Derechos Humanos Declaración Internacional sobre Genética Humana

UNESCO

Datos Declaración Universal sobre Bioética y Derechos Humanos Convención de Armas Biológicas

UNESCO

Machine Translated by Google 352

Capítulo 12 Regulaciones Internacionales de Biotecnología

“Regulaciones internacionales” se usa aquí para describir las reglas

Las organizaciones internacionales responsables de la protección

acordadas entre los estados a nivel internacional. Estos están abiertos a

de la salud agrupan redes de laboratorios colaboradores que contribuyen

que cualquier estado los suscriba, independientemente de su situación

a la vigilancia y respuesta. Estos son los centros colaboradores y comités

geográfica o económica. La discusión en este capítulo no se extiende a

asesores de expertos de la OMS, los centros colaboradores y laboratorios

las reglas a nivel regional (como las de la Unión Europea) ni a los

de referencia de la OIE, la Red Mundial de Alerta y Respuesta ante

acuerdos bilaterales entre estados o reglas a nivel nacional. Visite el sitio

Brotes Epidémicos de la OMS y el GISRS, el Sistema Mundial de

web complementario para obtener información sobre los procesos de

Información Zoosanitaria de la OIE, los Sistemas de Prevención y

autorización de comercialización y aprobación de medicamentos en los

Respuesta ante Emergencias de la FAO, y el sistema conjunto de la FAO

Estados Unidos y la Unión Europea.

y la OIE. Red de Expertos en Gripe Animal (OFFLU). Estos sistemas suelen colaborar con empresas externas porque no tienen la capacidad interna para fabricar vacunas y tratamientos. La OMS ha estado trabajando para mejorar la relación entre los estados, sus redes de

12.2 Protección de los derechos humanos,

Sanidad Animal y Vegetal

expertos y la industria, luego de que se identificaran preocupaciones sobre la desigualdad en el acceso a vacunas y tratamientos durante emergencias internacionales de salud pública (consulte el Marco de preparación para una influenza pandémica en la Sección 12.4).

Las tres principales organizaciones internacionales que se ocupan de la salud humana, animal y vegetal son la OMS, la OIE y la FAO. Supervisan una variedad de regulaciones, recurren a extensas redes de experiencia y han creado muchas iniciativas conjuntas. De su trabajo, hay tres áreas de especial relevancia para la biotecnología:

Manipulación, transferencia y uso seguros de materiales biológicos ÿÿ control de enfermedades, vigilancia y respuesta, ÿÿ manipulación, transferencia y uso seguros de materiales biológicos, y

Tanto la OMS como la OIE brindan orientación sobre el manejo, la transferencia y el uso seguros de materiales biológicos como muestras clínicas y cepas de vacunas, en particular aquellos que son o podrían

ÿÿ seguridad alimentaria.

ser patógenos. Su objetivo es proteger a las personas que trabajan en las instalaciones de laboratorio, el público en general y la salud animal, y

Biotecnología para el control, la vigilancia y la respuesta a enfermedades

el medio ambiente. La guía se extiende a las consideraciones de

La biotecnología fortalece las capacidades para el control de

Gestión de riesgos biológicos: Guía de bioseguridad de laboratorio,

enfermedades, la vigilancia y la respuesta mediante el desarrollo de

Orientación sobre las Regulaciones para el Transporte de Sustancias Infecciosas, y en el Código Sanitario para los Animales Terrestres y el

mejores herramientas de diagnóstico, nuevas vacunas y tratamientos.

seguridad y protección y se puede encontrar en el Manual de bioseguridad en el laboratorio de la OMS,

Manual de Pruebas de Diagnóstico y Vacunas para los Animales Terrestres de la OIE . La guía es ampliamente aplicable a cualquier trabajo de laboratorio que involucre materiales biológicos. Antes de emprender un trabajo en un laboratorio, se debe realizar un análisis de riesgos. Este análisis de riesgos debe incluir la evaluación del organismo sobre el que se va a trabajar, el equipo y las instalaciones disponibles, las prácticas y procedimientos locales y las condiciones del entorno circundante (como la presencia o ausencia de vectores de enfermedades). El resultado de este análisis indicará los requisitos—para medidas de contención, prácticas operativas, etc.—aplicables a la obra.

Capítulo 16 del Manual de bioseguridad en el laboratorio de la OMS proporciona orientación adaptada específicamente para trabajar con ADN recombinante en instalaciones de laboratorio. También incluye orientación sobre la evaluación de seguridad de sistemas de expresión biológica, vectores de expresión, vectores virales, animales transgénicos y knock-

FIGURA 12.2 La OIE protege la salud animal La OIE se esfuerza por promover la buena gobernanza y la calidad de los servicios veterinarios.

out, plantas transgénicas y organismos genéticamente modificados.

Machine Translated by Google 12.2 Protección de la salud humana, animal y vegetal

TÚ DECIDES

353

¿Cómo debemos regular la biotecnología más allá de los entornos tradicionales?

A medida que las herramientas y

se supone que deben adherirse a las reglas de seguridad de sus

técnicas biotecnológicas se vuelven más

laboratorios y los estándares de bioseguridad de sus países; el programa

accesibles, se abren oportunidades para que la biología pase de

de seguridad iGEM también proporciona pautas de seguridad.

entornos de laboratorio tradicionales (como los de instituciones de

Esto se hace para garantizar que los experimentos de biotecnología

investigación públicas y privadas, universidades e instalaciones

fuera de los espacios tradicionales también sigan un conjunto de

clínicas) a espacios comunitarios como las instalaciones de biología de

prácticas de seguridad que son similares a las regulaciones a nivel

bricolaje. La regulación existente está diseñada en torno a las estructuras

nacional e internacional. Esto significa que desde una etapa temprana

institucionales y los lugares de trabajo tradicionales y es posible que no

de sus carreras, los competidores desarrollan no solo sus habilidades y

se adapte bien a estos nuevos espacios. Entonces, ¿cómo se podría

conocimientos científicos y técnicos, sino también una comprensión

promover una gestión adecuada de la biotecnología independientemente

práctica de la práctica responsable.

del espacio operativo?

Este es un enfoque diferente a la regulación de biotecnología en comparación con las regulaciones establecidas

La máquina internacional modificada genéticamente

por los gobiernos, que se han discutido en el resto de este capítulo.

(iGEM) ofrece un ejemplo de cómo se puede abordar esto. Esta es

¿Qué ventajas podrían tener tales estándares, normas y códigos de

una competencia estudiantil donde los estudiantes forman equipos y

práctica desarrollados por la comunidad? ¿Deberían verse así más

aplican partes y técnicas de biología sintética a desafíos del mundo

regulaciones de biotecnología en el futuro? Tú decides.

real. Los equipos

derivados de plantas de ADN recombinante. Siguió estos en 2008 con una norma para la evaluación de la seguridad de los alimentos derivados de animales de ADN recombinante y en 2010 con un documento llamado Directrices sobre criterios de rendimiento y

FIGURA 12.3 Los laboratorios deben cumplir con las normas de bioseguridad y bioprotección El Manual de bioseguridad en el laboratorio de la OMS es una referencia útil para las personas que trabajan en instalaciones de laboratorio.

Seguridad alimenticia

Los alimentos que comemos deben ser seguros. La Comisión del

validación de métodos para la detección, identificación y cuantificación de secuencias específicas de ADN y proteínas específicas en Alimento. De acuerdo con estas directrices, se debe realizar un análisis de riesgos antes de comercializar un producto. Este proceso implica comparar el alimento GM con una contraparte convencional, es decir, la variedad parental tradicional de la que se derivó el alimento GM e importantes variantes comerciales del alimento parental. Esto se hace para identificar cualquier peligro nuevo o alterado para la salud o la nutrición humana. Adicionalmente, el análisis incluye una valoración basada en la descripción y caracterización de los organismos donante, huésped y receptor, y los elementos y cambios introducidos en el alimento. Los estándares CAC también contienen consejos generales sobre cómo evitar la transferencia de genes de alimentos alergénicos y desaconseja el uso de técnicas que resultan en la presencia de genes de resistencia a los antibióticos en el producto alimenticio.

Codex Alimentarius (CAC), un organismo conjunto de la FAO y la OMS, fue fundada en 1961 para promover la armonización de las normas de inocuidad de los alimentos a nivel internacional para En particular, si bien las normas de la CAC y la OIE son de la protección de los consumidores y la promoción de prácticas carácter voluntario, en el Acuerdo sobre la Aplicación de Medidas leales en el comercio de alimentos. La OIE también desempeña un Sanitarias y Fitosanitarias (Acuerdo MSF) de la OMC se alienta a papel de colaboración en relación con la seguridad alimentaria en los Estados miembros a utilizar estas normas internacionales como la producción animal. base para las medidas destinadas a proteger a los seres humanos. , En 2003, CAC adoptó un conjunto de principios que se sanidad animal y vegetal, evitando al mismo tiempo restricciones centran en el análisis de riesgos de los alimentos derivados de la comerciales injustificadas (véase la Sección 12.5). El Acuerdo MSF biotecnología moderna. También adoptó dos normas para la es jurídicamente vinculante. realización de la evaluación de la inocuidad de los alimentos producidos utilizando microorganismos de ADN recombinante y alimentos

Machine Translated by Google 354

Capítulo 12 Regulaciones Internacionales de Biotecnología

12.3 Conservación de la Biodiversidad y el Protocolo de Cartagena sobre Bioseguridad El Convenio sobre la Diversidad Biológica (CDB) fue adoptado en 1992 en la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo. Este tratado internacional legalmente vinculante tiene como objetivo promover la conservación de la biodiversidad y el uso sostenible de sus componentes, así como la distribución equitativa de los beneficios del uso de los recursos genéticos. El CDB se centra en dos aspectos de la biotecnología en relación con sus objetivos. El primer aspecto es reconocer los beneficios potenciales de la biotecnología para la conservación y uso sostenible de la biodiversidad. La convención promueve la transferencia de tecnología y los esfuerzos de investigación en colaboración que utilizan la biotecnología para tales fines. El segundo aspecto son los riesgos potenciales para la biodiversidad y el medio ambiente que podría plantear la liberación de OMG. La convención requiere que los estados tengan la capacidad de gestionar tales riesgos. También sugiere que los estados deberían considerar colectivamente el desarrollo de procedimientos para el manejo, transferencia y uso seguros de dichos organismos. Para garantizar esto, en el año 2000 se adoptó el Protocolo de Cartagena sobre Bioseguridad. El Protocolo de Cartagena es un acuerdo legal que constituye una adición a los requisitos del CDB. Se aplica a los movimientos transfronterizos (o movimientos a través de fronteras internacionales) de OMG, también denominados organismos vivos modificados u OVM en el texto del Protocolo, que podrían presentar riesgos para la diversidad biológica. El protocolo se aplica al primer movimiento de cualquier OVM específico a un país para su liberación en su medio ambiente. Dichos movimientos transfronterizos están sujetos a un procedimiento de Acuerdo Fundamentado Anticipado, que implica un proceso de consentimiento informado por parte del Estado importador. Este proceso requiere que el exportador notifique al estado importador sobre el movimiento transfronterizo propuesto con anticipación y no proceda a menos que obtenga el consentimiento. La decisión de permitir o denegar el movimiento transfronterizo debe basarse en una evaluación de los riesgos para la conservación y el uso sostenible de la biodiversidad. Esta decisión también puede tener en cuenta los riesgos para la salud humana. Es posible que se exija al exportador que asuma los costos de realizar esta evaluación del riesgo. El protocolo no se aplica a los OVM cubiertos por otras regulaciones u organizaciones internacionales ni a los OVM que son productos farmacéuticos para humanos. El procedimiento AIA no se aplica a los OVM en tránsito o destinados a uso confinado en el país importador. Existe un procedimiento separado para OVM para uso directo en

alimentos, piensos o procesamiento como se establece en el Artículo 11 del Protocolo de Cartagena. Se pueden adoptar procedimientos simplificados eximiendo algunos OVM del AIA o importando un OVM al mismo tiempo que se notifica su movimiento transfronterizo al país importador. El Protocolo Suplementario de Nagoya-Kuala Lumpur sobre Responsabilidad y Compensación fue adoptado en 2010, agregando más disposiciones en esas áreas. La mayoría de los estados se han convertido en partes del CDB; Estados Unidos es una notable excepción y, dado que no es parte del CDB, no puede ser un estado parte de sus protocolos.

12.4 Manejo de Recursos Genéticos Los recursos genéticos, definidos como material genético de valor real o potencial, son un insumo clave para una variedad de investigación y desarrollo biotecnológico. El material genético puede ser de origen vegetal, animal o microbiano. Los productos y procesos biotecnológicos pueden constituir material genético y, por lo tanto, se considerarían recursos genéticos. Las normas internacionales sobre recursos genéticos, que abordan principalmente el acceso, el intercambio y la participación en los beneficios, se desarrollaron con un enfoque inicial en los recursos fitogenéticos y los patrones históricos de intercambio asociados con ellos. Todos los países dependen del intercambio regular de recursos fitogenéticos (en forma de semillas o materiales similares) para mantener su productividad agrícola. Históricamente, y particularmente durante la época colonial, unos pocos países ricos accedieron a grandes cantidades de recursos fitogenéticos de todo el mundo, los adaptaron y los explotaron sin devolver estos recursos ni compartir los beneficios (en forma monetaria o mediante variedades mejoradas) con los países de origen. origen.

Del mismo modo, las principales empresas agrícolas pudieron acceder, adaptar y comercializar dichos recursos en ausencia de requisitos de distribución de beneficios. Los sistemas internacionales para el intercambio de semillas se establecieron en la década de 1950, y desde la década de 1980 se han estado desarrollando normas que promueven la distribución justa de beneficios a cambio de facilitar el acceso a los recursos fitogenéticos.

Con los avances en biotecnología, las plantas y otras formas de recursos genéticos se han vuelto más valiosas para una variedad de propósitos de investigación y desarrollo y se utilizan en una serie de productos y procesos industriales, como en la producción de tintes y aditivos alimentarios y para piensos, y en áreas como la minería y el procesamiento de residuos. Los enfoques internacionales para el acceso y la distribución de beneficios se han ampliado para cubrir la mayoría de los tipos de enfermedades ge

Machine Translated by Google 12.4 Manejo de Recursos Genéticos

355

(incluidos los recursos marinos, acuáticos, pecuarios, forestales,

(Artículo 2). El protocolo requiere seguir la provisión del CDB de

de insectos y microbianos), pero no se extienden a los recursos

consentimiento informado previo y términos de acceso mutuamente

genéticos humanos.

acordados.

En la década de 1980, se hicieron intentos de enmarcar los recursos genéticos como un “patrimonio común de la humanidad”,

En ocasiones, el sistema de consentimiento fundamentado previo puede implicar largos períodos de negociación, lo que ha

un enfoque legal internacional para el manejo de ciertos recursos

generado preocupaciones de que la aplicabilidad del protocolo a los

que enfatiza que pertenecen a toda la humanidad. Sin embargo, no

recursos genéticos patógenos y recursos similares podría ser

se estableció un enfoque de patrimonio común para los recursos

perjudicial para los esfuerzos de investigación a nivel mundial.

genéticos debido en gran parte a la controversia sobre si debería

Podría haber obstrucciones para el intercambio oportuno de tales

aplicarse tanto a los recursos genéticos trabajados como a los

recursos durante una emergencia de salud pública. Los debates

recursos genéticos en bruto. En cambio, desde 1992, el enfoque internacional dominante para la regulación de los recursos genéticos

actuales sobre si el alcance del protocolo debe ampliarse para incluir

se ha basado en los “derechos soberanos de los estados”.

preocupaciones, que también se extienden a otras áreas de la

información de secuencias digitales han aumentado estas investigación biotecnológica que abordan desafíos globales.

Derechos soberanos del estado Los derechos soberanos del estado generalmente se aplican a los recursos naturales, como la madera y los minerales, dentro de la

Tratado Internacional sobre los Recursos Fitogenéticos para la Alimentación y la Agricultura

jurisdicción territorial de un estado y se han establecido en el derecho internacional desde la década de 1960. Estos derechos no

En 1983, la FAO adoptó el Compromiso internacional para los

se extendieron a los recursos genéticos durante mucho tiempo.

recursos fitogenéticos en la alimentación y la agricultura, que se

En 1992, el CDB reconoció los derechos soberanos de los estados sobre sus recursos naturales y que la autoridad para determinar el

basaba en el principio de que los recursos fitogenéticos son un patrimonio común de la humanidad. Sin embargo, esto no obtuvo

acceso a los recursos genéticos, por lo tanto, recae en los gobiernos

una amplia aceptación por parte de los estados.

nacionales. La convención también dice que el acceso a los recursos

Con la adopción del CDB en 1992 y su reconocimiento de los

genéticos debe estar sujeto al consentimiento informado previo

derechos soberanos de los estados sobre dichos recursos, se

del estado proveedor, bajo términos mutuamente acordados,

solicitó a la FAO que revisara el compromiso de conformidad con las

incluidas las disposiciones de distribución de beneficios. Esto

disposiciones del convenio, y en 2001 el Tratado Internacional sobre

generalmente se hace en forma de un acuerdo de transferencia de

los Recursos Fitogenéticos para la Alimentación y la Agricultura

material entre el estado proveedor y la persona o institución que

( TIRFG) fue adoptado. El TIRFG estableció un Sistema Multilateral

accede al recurso.

de Acceso y Distribución de Beneficios, que cubre 64 cultivos

El Protocolo de Nagoya agrega más detalles a esto al cubrir las

alimentarios y forrajeros —basado en los criterios de interdependencia

medidas legislativas que deben aplicar los estados proveedores y

e importancia para la seguridad alimentaria— y los ubica en un

proporcionar ejemplos de formas monetarias (pagos de regalías,

acervo mundial de recursos genéticos, diseñado para ser de fácil

financiación de la investigación, etc.) y no monetarias (intercambio

acceso para usuarios de sus estados miembros.

de resultados de investigación, participación en el desarrollo de productos, etc.) de distribución de beneficios. El ejercicio de los derechos soberanos de los estados para

El tratado facilita el acceso a los recursos del sistema para su utilización y conservación con fines de investigación, mejoramiento

administrar el acceso a los recursos genéticos generalmente no

y capacitación para la alimentación y la agricultura únicamente. Se

significa que los derechos de propiedad intelectual (DPI) no puedan

supone que cualquier beneficio del uso de los recursos se comparte

reclamarse sobre dichos recursos. Si bien, es necesario que la obra

de manera justa y equitativa a través del intercambio de información,

cumpla con los criterios generales para la concesión de tales

la transferencia de tecnología o la participación en las ganancias. El

tratado también establece que cualquier DPI reclamado sobre productos derivados de los recursos no debe restringir el acceso a los derechos de licencia puede ser una forma de participación en los beneficios. ellos en su forma original en el sistema. derechos (ver Sección 12.5). La copropiedad de los DPI o compartir

El Protocolo de Nagoya

Si bien el tratado solo cubre los recursos fitogenéticos, la Comisión de Recursos Genéticos para la Alimentación y la Agricultura

En 2010, se adoptó en Nagoya, Japón, el Protocolo de Nagoya

de la FAO supervisa evaluaciones globales regulares del estado de

sobre Acceso a los Recursos Genéticos y Distribución Justa y

los recursos genéticos de plantas, animales, acuáticos, forestales,

Equitativa de los Beneficios que se Deriven de su Utilización del

microorganismos e invertebrados relevantes para la alimentación y

Convenio sobre la Diversidad Biológica.

la agricultura. También proporciona estándares y orientación

La “utilización” incluye la investigación y el desarrollo de la

adicionales sobre la recolección, el almacenamiento y la

composición genética y bioquímica de los recursos genéticos

caracterización de los recursos y proporciona un foro para los

mediante la aplicación de la biotecnología.

debates sobre políticas internacionales.

Machine Translated by Google 356

Capítulo 12 Regulaciones Internacionales de Biotecnología

La preparación para la influenza pandémica Estructura

sobre la base del riesgo y la necesidad para la salud pública en las primeras etapas de un brote y sobre una base per cápita para aquellos países que de otro modo no podrían acceder a las vacunas

El rápido intercambio de recursos genéticos virales y otros

durante una pandemia. Además, la participación en los beneficios

patógenos con los sistemas internacionales de vigilancia es una

se produce a través de “Contribuciones de socios”, en las que las

parte esencial de las respuestas oportunas y efectivas a los brotes

empresas que trabajan con el GISRS brindan un apoyo equivalente

de enfermedades. El intercambio de muestras virales con la Red

a la mitad de sus costos de funcionamiento.

Mundial de Vigilancia de la Influenza de la OMS (ahora el Sistema Mundial de Vigilancia y Respuesta a la Influenza o GISRS, una red de más de 150 laboratorios públicos ubicados en todo el mundo) fue cuestionado en 2006-07 durante un brote de influenza aviar, que fue vinculado a más de 350 casos humanos y 180 muertes. Indonesia dejó de compartir muestras virales en varios puntos

12.5 Derechos comerciales y de propiedad intelectual

durante este período. El país expresó su preocupación de que las

Muchos productos biotecnológicos están disponibles a través de

vacunas que se fabrican a partir de estas muestras serían

los mercados mundiales y están sujetos a las normas comerciales

posteriormente inasequibles para su población.

internacionales. Estas reglas, en su mayoría supervisadas por la OMC, están diseñadas para facilitar el comercio internacional. Una forma de lograrlo es limitando las barreras, como los aranceles de

La OMS y sus estados miembros respondieron con esfuerzos

importación, para facilitar la libre circulación de mercancías. Si se

para recuperar la confianza en el sistema. Esto incluyó el desarrollo

imponen límites a los bienes importados para garantizar una calidad

de un Mecanismo de Trazabilidad del Virus de la Influenza en 2010, que permite el seguimiento de muestras dentro, alrededor y

comparable o para la protección del consumidor, las normas

fuera del GISRS, y la adopción del Marco de Preparación para la

los estándares en estas áreas, tales reglas también promueven la

Influenza Pandémica (Marco PIP) en 2011. El marco reconoce la

previsibilidad en el comercio, lo que significa que un exportador

soberanía estatal derechos sobre los recursos biológicos y crea

puede esperar un nivel básico de consistencia en las reglas

sistemas para centralizar el acceso y la participación en los

aplicadas por diferentes países.

internacionales respaldan la equidad en su aplicación. Al armonizar

beneficios de los recursos genéticos, en el contexto de los virus de influenza con potencial pandémico humano. El sistema de acceso centralizado utiliza dos formas de acuerdos estandarizados para gestionar la transferencia de recursos

Comercio de Productos Biotecnológicos Los dos acuerdos de la OMC que tienen relevancia para la

genéticos virales. El primero es para transferencias dentro del

importación y exportación de ciertos productos biotecnológicos son

GISRS, y el segundo es para cualquier transferencia del GISRS a

el Acuerdo sobre Obstáculos Técnicos al Comercio (Acuerdo OTC)

grupos externos, como empresas biotecnológicas y farmacéuticas,

y el Acuerdo sobre la Aplicación de Medidas Sanitarias y

fabricantes de vacunas y diagnósticos, y otras instituciones de investigación. El sistema de distribución de beneficios incorpora

Fitosanitarias (Acuerdo MSF). Ambos son legalmente vinculantes

una reserva centralizada de vacunas. Estas vacunas se distribuirán

por un mecanismo de aplicación que puede incluir sanciones comerciales en caso de incumplimiento. Las sanciones comerciales

en

para todos los estados miembros de la OMC y están respaldados

generalmente se refieren a medidas, a menudo impuestas por razones políticas o económicas, que restringen las exportaciones e importaciones de un país o conjunto de países. Pueden, por ejemplo, incluir prohibiciones a la exportación de armas a ciertos gobiernos. En el contexto de las disputas comerciales en la OMC, las sanciones están dirigidas a los países que incumplen las normas de la OMC y deben ser equivalentes a los costos que su incumplimiento impone a los demás. El Acuerdo OTC cubre los reglamentos técnicos y las normas de calidad que se aplican a cualquier producto en el comercio internacional. Dichos estándares se limitan a aquellos que son necesarios y científicamente justificados. La aplicación de normas de etiquetado o normas técnicas diferentes a los productos importados en lugar de las que se aplican a los productos nacionales

FIGURA 12.4 El marco PIP promueve el acceso equitativo a las vacunas en caso de brotes de influenza pandémica

puede dar lugar a la violación de este acuerdo. Un ejemplo de esto es cuando México se quejó ante la OMC

Machine Translated by Google 12.5 Derechos comerciales y de propiedad intelectual

357

Órgano de Solución de Controversias que las reglas de EE. UU. con

acuerdo, una invención debe cumplir tres requisitos básicos para

respecto al etiquetado “dolphin-safe” en los productos de atún

que se le conceda una patente: debe ser novedosa, debe implicar

enlatado están en disyunción con las leyes internacionales, y

una actividad inventiva y debe ser susceptible de aplicación industrial.

descalifican a los productos de atún mexicanos para llevar las

Los solicitantes de patentes están obligados a divulgar la invención de manera clara y concisa para que cualquier persona experta en la

etiquetas. La etiqueta tiene un valor comercial importante ya que los consumidores y minoristas del mercado estadounidense preferirían

materia pueda llevarla a cabo fácilmente.

comprar productos de atún etiquetados. Negarle a México la etiqueta

La protección dura al menos 20 años a partir de la presentación de

pone a los productos de atún mexicanos en desventaja en el mercado

una solicitud. Durante este período, los terceros deben solicitar el

estadounidense. Se solicitó a Estados Unidos que pusiera sus

consentimiento para usar el proceso o fabricar, usar o vender el

medidas en conformidad con las normas internacionales. Cuando eso no se hizo, se autorizó a México a suspender las

producto obtenido directamente del proceso. Cuando una invención

concesiones comerciales sobre bienes estadounidenses hasta por

posible que sea necesario poner a disposición una muestra para

involucre un microorganismo, un cultivo de tejido o un plásmido, es

un monto de $163 millones por año, equivalente a las pérdidas

cumplir con el requisito de divulgación. El Tratado de Budapest sobre

comerciales sufridas por México debido a los requisitos de etiquetado.

el Depósito de Microorganismos con el Propósito del Procedimiento de Patentes, supervisado por la OMPI, estableció un sistema en el

El Acuerdo OTC cubre todos los reglamentos y normas

cual el depósito de tales muestras puede hacerse en una Autoridad

técnicas excepto cuando se trata de medidas sanitarias (salud

Internacional de Depósito y ser reconocido para procedimientos de

humana y animal) o fitosanitarias (sanidad vegetal) según se definen

patentes.

en el Acuerdo MSF. El Acuerdo MSF tiene como objetivo evitar la

Ha habido preocupaciones de que las reglas de patentes en

creación de barreras comerciales injustificadas bajo el pretexto de

virtud del Acuerdo sobre los ADPIC restringen el acceso a

proteger la salud. No se espera que todos los estados tengan

medicamentos esenciales para las poblaciones de los países en desarrollo.

estándares idénticos para abordar los problemas de salud en el

Se han hecho algunos intentos para remediar esto mediante la

comercio, y el acuerdo permite el reconocimiento de la equivalencia

adopción de la Declaración Ministerial de Doha sobre el Acuerdo

de diferentes medidas que logran el mismo nivel de protección.

sobre los ADPIC y la Salud Pública en 2001 y mediante la creación

Cuando existan, las normas internacionales pertinentes deben

de un sistema denominado Mecanismo del Párrafo 6. Si un país

utilizarse como base para las medidas nacionales y cualquier medida que se ajuste a las normas internacionales se considerará conforme

carece de capacidad de fabricación nacional, este mecanismo

al acuerdo.

bajo licencia obligatoria.

permite la fabricación de productos farmacéuticos en un país diferente

El acuerdo hace referencia a tres organismos internacionales cuyas

La aplicación del Acuerdo sobre los ADPIC a los recursos

normas pueden ser particularmente relevantes en este contexto: la

genéticos también ha resultado polémica de dos formas principales.

OIE, la FAO (en particular las normas de la Convención Internacional

Algunos países se oponen por motivos morales a la aplicación de los

de Protección Fitosanitaria) y la Comisión del Codex Alimentarius.

DPI a las formas de vida y los recursos genéticos asociados, creyendo que dichos recursos no deberían estar sujetos a la apropiación privada. Luego, hay otros países que aceptan que se

Derechos de propiedad intelectual

pueden otorgar patentes para los recursos genéticos, pero argumentan que el origen del recurso genético y cualquier

La propiedad intelectual es una creación única de la inteligencia

conocimiento tradicional relevante para la invención deben divulgarse

humana y los derechos de propiedad intelectual (DPI) se asignan a

en las solicitudes de patente. Estos temas están siendo discutidos

los creadores de dichos productos. Las patentes son una forma de

dentro de la revisión del Artículo 27.3(b) del Acuerdo TRIPS, que

DPI que otorga a un inventor o investigador derechos exclusivos para

cubre la patentabilidad o no patentabilidad de las invenciones de

evitar que terceros fabriquen, usen o vendan el producto patentado,

plantas y animales. El Comité Intergubernamental sobre Propiedad

utilicen el proceso patentado o el producto obtenido directamente de

Intelectual, Recursos Genéticos, Conocimientos Tradicionales y

ese proceso sin el consentimiento del propietario de la patente. La

Folclore de la OMPI también está trabajando para desarrollar

Organización Mundial de la Propiedad Intelectual (OMPI)

instrumentos legales internacionales para abordar algunos de estos temas.

ha adoptado dos tratados que tienen por objeto facilitar las solicitudes de patentes en más de un país: el Tratado de Cooperación en materia de Patentes y el Tratado sobre el Derecho de Patentes. La OMC supervisa el Acuerdo sobre los Aspectos de los

También se está abordando la relación entre los derechos de propiedad intelectual y el desarrollo. La OMPI tiene una agenda de desarrollo que guía parte de su trabajo, y también desarrolló la

Derechos de Propiedad Intelectual relacionados con el Comercio

Agenda de Desarrollo de Doha en 2001.

(Acuerdo sobre los ADPIC), que entró en vigor el 1 de enero de 1995. Como base para la armonización internacional, el acuerdo establece

La OMC también participa en el Fondo para la Aplicación de Normas

las normas mínimas de protección con respecto a las principales

creación de capacidad para la aplicación de normas sobre inocuidad

y el Fomento del Comercio, que proporciona fondos para apoyar la

áreas derechos de propiedad intelectual tales como derechos de

de los alimentos y sanidad animal y vegetal en los países en

autor, marcas registradas, patentes, etc. De acuerdo con la

desarrollo.

Machine Translated by Google 358

Capítulo 12 Regulaciones Internacionales de Biotecnología

HERRAMIENTAS DEL TRABAJO ¿Qué es el Sistema de Tratados de Cooperación en materia de Patentes?

Si bien el Acuerdo sobre los ADPIC establece las normas internacionales mínimas

se puede presentar una sola solicitud “internacional”. Los estados que son parte de este tratado constituyen la Unión

para los DPI, no elimina la necesidad de

Internacional de Cooperación en materia de Patentes, que

solicitar una patente por separado en cada país

coopera en la presentación, búsqueda y examen de las

individual donde el inventor desea protección de patente. Para

solicitudes de patente. La OMPI también ha creado una Autoridad

simplificar el proceso y reducir los costos para estos inventores,

de búsqueda internacional que realiza verificaciones del estado

la OMPI adoptó el Tratado de Cooperación en materia de

de la técnica o cualquier información que brinde evidencia de

Patentes (PCT) que estableció un sistema para abordar este

que la invención se conoce públicamente antes de la fecha de

problema. Implica un “procedimiento unificado” para manejar la

solicitud de una patente. Las decisiones sobre si otorgar una

presentación de la solicitud de patente. Cuando la presenta el

patente aún se toman a nivel nacional, pero el uso de este

solicitante en un Estado miembro, la presentación se produce

sistema puede ahorrarles a los solicitantes una cantidad

simultáneamente en otros Estados miembros que designe el

considerable de tiempo y esfuerzo. Se realizaron más de 235,000

solicitante. Utilizando el sistema PCT, un

presentaciones a través del sistema en 2018.

Derechos de obtenciones vegetales

seguro a alguien con una predisposición genética al cáncer o enfermedades del corazón. Riesgos como estos motivaron a la

La protección de la propiedad intelectual para nuevas variedades de

Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la

plantas se puede buscar a través del sistema de patentes oa través de sistemas “sui generis”, es decir, más especializados. A nivel internacional, el sistema alternativo a las patentes son los derechos de obtención vegetal (PVR), derechos que se otorgan al obtentor de una

Cultura (UNESCO) a desarrollar tres declaraciones que describen cómo los derechos humanos y los principios bioéticos deberían dar forma a la investigación y las aplicaciones biotecnológicas que involucran el genoma humano y los datos relacionados:

nueva variedad vegetal. Estos se rigen por el Convenio Internacional para la Protección de las Obtenciones Vegetales. Los criterios para obtener un derecho de obtención vegetal requieren que la variedad sea nueva,

ÿÿ La Declaración Universal sobre el Genoma Humano

distinta, uniforme y estable.

ÿÿ La Declaración Internacional sobre Genética Humana

y Derechos Humanos Datos

Una vez otorgado el derecho, se requiere la autorización del titular para

ÿÿ La Declaración Universal sobre Bioética y

los actos de producción, reproducción, acondicionamiento para la propagación, oferta para la venta, venta, comercialización, exportación, importación o acopio de la variedad. No se requiere autorización para usos privados, no comerciales o experimentales de la variedad vegetal o el uso del material para obtener otras variedades nuevas. Estos derechos se extienden por al menos 20 años.

Derechos humanos Tales declaraciones de principios pueden indicar un nivel de consenso entre los estados acerca de cómo se deben enmarcar y abordar ciertos temas, pero, a diferencia de las normas y directrices, tienden a no tener disposiciones técnicas sustantivas. Estas declaraciones no son legalmente vinculantes. Entre otros temas, abordan la evitación de la discriminación genética o la estigmatización; los fines de la investigación que utiliza el genoma

12.6 Derechos humanos

humano y los datos genéticos humanos; confidencialidad de los datos genéticos; recopilación, procesamiento, almacenamiento y uso de datos y muestras; y el respeto por la privacidad, la equidad y la justicia.

Los nuevos desarrollos biotecnológicos han abierto el genoma humano y los datos genéticos humanos a una variedad de usos; muchos de estos

Los pueblos indígenas a menudo han jugado un papel clave en el

están demostrando ser beneficiosos, como una mejor comprensión de las

desarrollo y cultivo de los recursos genéticos y poseen conocimientos

enfermedades y la identificación de nuevas formas de tratarlas. Sin

tradicionales relevantes para sus usos. El CDB y sus Protocolos y el Comité Intergubernamental de la OMPI reconocen a estas personas como

embargo, estos nuevos conocimientos y datos pueden utilizarse para fines que violen los derechos humanos. Los empleadores o proveedores

partes interesadas clave en el acceso y la gestión de los recursos

de atención médica pueden usar estos datos para discriminar a grupos

genéticos y el conocimiento asociado.

étnicos o individuos por motivos genéticos. Un ejemplo de tal discriminación sería la negativa a otorgar servicios de salud

Esto se hace al permitir su representación en el consentimiento fundamentado previo y la distribución de beneficios.

Machine Translated by Google 12.7 Prevención del uso hostil de la biotecnología

TÚ DECIDES

359

¿Debería haber una prohibición global de la edición del genoma humano?

En noviembre de 2018, el profesor He Jiankui anunció el nacimiento de los

La clonación humana terapéutica puede usarse para producir células madre embrionarias, y los estados tenían opiniones

primeros bebés editados genéticamente del mundo. Según los

divergentes sobre la ética de la investigación médica que usa

informes, había editado los embriones de los gemelos para

tales células madre, generalmente basadas en el estatus moral

protegerlos de la infección por el VIH (ver el Capítulo 13). El

otorgado a los embriones humanos.

anuncio fue ampliamente condenado por las comunidades científicas y políticas, y ha habido llamados para una prohibición

Un problema similar puede ocurrir con los intentos de lograr una prohibición de la edición del genoma humano. Es

global, o al menos una moratoria, sobre la edición del genoma

probable que las perspectivas divergentes sobre la moralidad

humano (línea germinal). Una moratoria podría brindar la

de la edición del genoma humano hagan extremadamente difícil llegar a un consenso. Para algunos, una moratoria tendría sentido,

oportunidad de una discusión social exhaustiva sobre los aspectos técnicos, médicos, éticos y de otro tipo necesarios de la edición del

hasta que se demuestre que su uso en humanos es seguro.

genoma humano antes de establecer un marco internacional.

Después de esa etapa, con un conocimiento más completo de los

Pero lograr un consenso global sobre las regulaciones

riesgos y beneficios potenciales, creen que estaría justificado usar

que abordan las tecnologías genéticas humanas ha sido

tales técnicas para curar enfermedades hereditarias graves, etc.

extremadamente difícil en el pasado. Por ejemplo, a principios

Para otros, que ven cualquier instancia de edición de la línea

de la década de 2000, Francia y Alemania propusieron que las

germinal humana como éticamente injustificable, se prefiere una

Naciones Unidas crearan un tratado internacional que prohibiera

prohibición total y permanente.

la clonación humana. Aunque hubo consenso en que debería

¿Es esta la etapa adecuada en el desarrollo de la

prohibirse la clonación humana con fines reproductivos, resultó

tecnología para pasar a una prohibición global? ¿Cuáles podrían

imposible establecer un tratado. Esto se debió a las diferencias

ser las ventajas y desventajas de regular la edición del genoma

de opinión sobre si la clonación humana terapéutica debería

humano a nivel nacional? Tú decides.

incluirse en la prohibición.

procesos. También hay dos declaraciones internacionales que cubren los derechos de los pueblos indígenas como partes interesadas: la Declaración de las Naciones Unidas sobre los Derechos de los Pueblos Indígenas y el Convenio sobre Pueblos Indígenas y Tribales supervisado por la Organización Internacional del Trabajo.

12.7 Prevención del uso hostil de la biotecnología Existe una norma internacional de larga data y una prohibición contra el uso de la biología para fines no pacíficos. Esto se extiende a todos los desarrollos científicos y tecnológicos en las ciencias de la vida y otros campos relevantes. El principal tratado internacional que aborda este tema es la BWC, adoptada en 1975. Además de la prohibición del uso indebido, la BWC promueve la cooperación internacional en la investigación y el desarrollo científicos y la transferencia de tecnología con fines pacíficos. También proporciona un mecanismo para hacer frente a la sospecha de incumplimiento y para la asistencia en caso de un ataque de guerra biológica.

La Resolución 1540 de la ONU fue adoptada en 2004 para prevenir la proliferación de armas biológicas, así como armas químicas, radiológicas y nucleares, de actores estatales a no estatales. A esto le ha seguido desde entonces una serie de resoluciones que sustentan sus disposiciones. El Grupo Australia, una organización informal establecida en 1985, proporciona un mecanismo para que sus 43 estados miembros controlen las exportaciones relacionadas con agentes químicos y biológicos y artículos de doble uso (que se pueden usar tanto con fines pacíficos como no pacíficos), y equipos asociados. Para fortalecer y mantener la norma internacional contra el mal uso de la biología, los estados han puesto cada vez más énfasis en fomentar la educación y crear conciencia sobre seguridad, protección y responsabilidades éticas en la comunidad científica. Tales iniciativas son promovidas regularmente por los estados que son parte de la BWC y por la OMS a través de documentos de orientación. Un ejemplo de esto sería la Investigación de Ciencias de la Vida Responsables para la Seguridad de la Salud Global, publicada en 2010 por la OMS. Muchas academias de ciencias también están desempeñando un papel en el desarrollo de estas iniciativas y en la promoción de la concienciación entre sus miembros.

Machine Translated by Google 360

Capítulo 12 Regulaciones Internacionales de Biotecnología

12.8 Rol de los científicos en el desarrollo de regulaciones internacionales

consultas Las regulaciones internacionales se desarrollan a través de negociaciones que involucran a representantes gubernamentales nacionales, por lo que también habrá oportunidades para asesorar a los gobiernos nacionales sobre sus posiciones de negociación. También puede desempeñar un papel en la formulación de políticas a través de membresías en asociaciones científicas u organizaciones

Las regulaciones internacionales deben seguir siendo relevantes para las prácticas científicas en constante cambio y los contextos tecnológicos más amplios. Pero a veces las regulaciones pueden tener dificultades para adaptarse de manera oportuna, particularmente en áreas de rápido avance científico y tecnológico. Las comunidades científicas y de otros expertos tienen un papel que desempeñar en el desarrollo y la implementación de políticas y

industriales. Muchas organizaciones nacionales tienen organismos colectivos que brindan representación internacional. Por ejemplo, InterAcademy Partnership representa a las academias científicas, de ingeniería y médicas en una variedad de temas internacionales, incluidas la biotecnología y la bioseguridad (www.interacademies.org). Los científicos principiantes pueden encontrar una representación similar a través de Global Young Academy (globalyoungacademy.net).

regulaciones internacionales que posteriormente pueden tener implicaciones significativas para su trabajo.

También existe la Organización de Innovación en Biotecnología (www.bio.org/about), que reúne a empresas de biotecnología y otras

Esto sucede a menudo a través de organizaciones intermediarias, como academias de ciencias o patrocinadores de la

que trabajan en investigación y desarrollo biotecnológico en más de 30 países.

ciencia, pero también se puede hacer mediante la participación individual en la provisión de asesoramiento de expertos. La InterAcademy Partnership es una red global que reúne a más de 130 academias miembros nacionales y regionales. Produjo un

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES

informe para la Conferencia de Revisión de la Convención de Armas Biológicas de 2016 y continúa reuniendo a personas con experiencia en investigaciones de interés de doble uso.

Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

1. ¿Cuáles son algunas de las formas en que interna

¿Las normas nacionales cumplen la función de coordinar la y las implicaciones de seguridad de los avances científicos. Wellcome Trust es otra fundación independiente que financia a científicos de todo el mundo. El Trust, junto con otros financiadores de la ciencia en el Reino Unido, proporcionó información en una consulta gubernamental sobre cómo implementar el Protocolo de Nagoya. Expertos individuales participan en debates en línea sobre las interacciones entre la biología sintética y los objetivos del CDB.

acción del Estado? 2. ¿Cómo ha mejorado la gestión de los recursos genéticos el intercambio de recursos entre los estados? 3. La prohibición de armas químicas y biológicas bajo la BWC se relaciona con la intención—

ya sea pacífica o no pacífica. No prohíbe por completo la investigación, el desarrollo, la producción, el almacenamiento y el uso de agentes biológicos y toxinas. ¿Por qué es

Algunas organizaciones y tratados internacionales tienen

importante este enfoque?

procesos o mecanismos específicos para el asesoramiento y la revisión científica. Estos incluyen las Comisiones de Especialistas de la OIE, el Órgano Subsidiario de Asesoramiento Científico,

4. Algunos componentes de la normativa internacional buscar limitar o restringir ciertas actividades; otros

Técnico y Tecnológico del CDB y la Lista de Expertos elaborada

componentes juegan un papel facilitador en la aplicación de

por el Secretario General de la OMS durante emergencias de salud

la biotecnología. ¿Puedes identificar ejemplos de ambos?

pública. La OIE y la OMS también cuentan con importantes redes colaboradoras de laboratorios y otros centros de investigación que

5. ¿Qué cubre el TIRFG?

respaldan su trabajo. 6. ¿Cómo restauró el Marco PIP la confianza de

países en desarrollo en el intercambio de muestras virales?

HACER UNA DIFERENCIA Junto con la búsqueda de una carrera científica en biotecnología en el sector público o privado, es posible desempeñar un papel en la elaboración de políticas y regulaciones que se aplican al campo.

7. ¿Puedes pensar en cómo la definición de “utiliza

ción” de un recurso genético en el Protocolo de Nagoya podría interpretarse de diferentes maneras? 8. Los derechos soberanos del Estado se aplican generalmente a

Puede hacer esto como experto individual si forma parte de un grupo

recursos dentro de la jurisdicción territorial de un estado.

asesor de expertos para una organización internacional o participa en

¿Por qué esto podría dificultar su aplicación a algunas

políticas

formas de recursos genéticos?

Machine Translated by Google Preguntas y actividades

9. ¿Por qué el Órgano de Solución de Diferencias de la OMC autorizó a México a suspender las concesiones comerciales sobre mercancías estadounidenses?

10. ¿Cómo solucionó la OMC el problema de la ¿Acuerdo sobre los ADPIC que restringe el acceso a

medicamentos asequibles para las poblaciones de los países en desarrollo? 11. ¿Cómo garantiza el sistema del PCT que un inventor pueda

361

formas de valioso material biológico que podría encontrar en su trabajo? 17. Vaya a la dirección web www.unog.ch/80256 EE600585943/(páginas http)/E292144E188C41A0C125 7B98004A04A0?OpenDocument y escoja un par de ejemplos de los desarrollos recientes en ciencia y tecnología enumerados y resuma sus implicaciones para los objetivos de la Convención de Armas Biológicas.

solicitar protección por patente en un gran número de países? 18. Ir a la dirección web www.oie.int/en/scientific 12. ¿Cómo protege el Protocolo de Nagoya los derechos de los pueblos indígenas que poseen conocimientos sobre valiosos recursos genéticos? 13. Los Estados miembros de una organización internacional ejercen la autoridad decisoria a través de los órganos de gobierno. Ir a la dirección web www. who.int/about/governance/world-health-assembly y discutir algunas de las funciones de la Asamblea Mundial

de la Salud, un órgano rector. 14. Vaya a la dirección web www.who.int/features/qa/ one-health/es/ y discutir el valor del enfoque "One Health" en el contexto de las regulaciones biotecnológicas.

experiencia/reducción de amenazas biológicas/ y explique algunos de los enfoques comunes que se pueden usar para contrarrestar las amenazas de enfermedades naturales y también para combatir amenazas deliberadas como el bioterrorismo. 19. Vaya a la dirección web www.who.int/csr/ recursos/publicaciones/HSE_GAR_BDP_2010_2/es/ y explicar el valor de un documento de orientación como la

Investigación de Ciencias de la Vida Responsable para la Seguridad de la Salud Global. 20. Vaya a la dirección web bch.cbd.int/synbio/open terminó/discusión/ y mire las discusiones sobre biología sintética en el foro en línea abierto del CDB. ¿Crees que este es un mecanismo útil para involucrar a la experiencia científica?

15. ¿Por qué es importante que los científicos (individual o colectivamente) participen en el desarrollo e implementación de la regulación internacional?

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas

16. La Orientación sobre bioseguridad en el laboratorio de la OMS se aplica al “material biológico valioso” y no solo a los organismos patógenos que generalmente se han asociado con la necesidad de medidas de bioseguridad y bioprotección. ¿Cuáles son algunos de los otros

didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

Machine Translated by Google 362

Capítulo 12 Regulaciones Internacionales de Biotecnología

CASO DE ESTUDIO ¿Cómo debe garantizarse el transporte seguro de sustancias infecciosas? Preguntas multado con 20.000 dólares por un tribunal canadiense por E ninfringir febrerolas de normas 2019, Gang Li de Guelph, fue de sanidad animal.Ontario, Había transportado muestras no declaradas de cuatro virus animales en su equipaje facturado y no tenía permisos ni documentación para ellos. Consulte www.inspection.gc.ca/about-the-cfia/news room/prosecutionbulletins/2019-02-20/eng/155067329

6677/1550673298754. Consulte la Orientación sobre la Normativa para la Caja Fuerte

Transporte de Sustancias Infecciosas publicado por la OMS para responder a las siguientes preguntas:

Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com 1. ¿Cumplían las muestras de virus animales con la definición? de sustancias infecciosas como se indica en estas normas? 2. ¿Se clasificarían las muestras en la categoría A (capaces de causar una discapacidad permanente, una enfermedad potencialmente mortal o mortal en seres humanos y animales sanos) o en la categoría B (otras sustancias infecciosas)?

3. Quién es responsable de garantizar el transporte seguro de sustancias infecciosas?

Machine Translated by Google

CAPÍTULO TRECE

Ética y Biotecnología Después de completar este capítulo, debería ser capaz de: ÿ Definir bioética y explicar cómo se relaciona con la biotecnología. ÿ Comprender y aplicar diferentes enfoques del pensamiento ético. ÿ Identificar posibles dilemas éticos asociados con la biotecnología, incluido el uso de evidencia que se basa en una comprensión científica para evaluar.

ÿ Plantear preguntas y enfoques que aborden los problemas éticos identificados en este capítulo. ÿ Identificar resultados y peligros

asociados con diferentes enfoques éticos. ÿ Discutir las interacciones entre la ciencia, la economía, la comunicación y las políticas

En noviembre de 2018, un científico chino, He Jiankui, anunció el nacimiento de los primeros gemelos editados con genoma del mundo. Luego presentó su trabajo en la Segunda Cumbre Internacional de Edición del Genoma Humano en Hong Kong. Jiankui afirmó haber utilizado la tecnología CRISPR-Cas9 para editar CCR5, el gen que permite que el VIH infecte las células humanas, y afirmó que las niñas son inmunes a la infección por el VIH de por vida. Hubo una protesta internacional inmediata contra su afirmación, ya que se burló de las consideraciones éticas internacionales al permitir que el embrión editado siguiera su desarrollo.

públicas para cuestiones éticamente desafiantes en biotecnología. ÿ Comprender y explicar las controversias y cuestiones éticas relacionadas con las pruebas genéticas, las células madre, los organismos modificados genéticamente, la clonación, la medicina regenerativa, la edición del genoma y otros temas bioéticos. ÿ Analizar la cuestión ética de la privacidad genética desde más de una perspectiva para demostrar una comprensión de los conceptos bioéticos.

363

Machine Translated by Google 364

Capítulo 13 Ética y Biotecnología

Es importante que comprenda que la ética es una sentido común. Por supuesto, no es ético causar cáncer disciplina basada en dilemas. Los dilemas éticos surgen Enintencionalmente cierto modo, la éticaen puede parecerde unapersonas simple y antigua un grupo sin suempresa. cuando un problema o situación importante requiere una conocimiento solo para probar su nuevo medicamento cuidadosa consideración y reflexión para tomar lo que uno cree que son decisiones éticas sólidas. contra el cáncer. Pero en muchos casos las opciones no son tan claras. A menudo, las decisiones deben abordar Una pregunta fundamental que debe plantearse al posibles compensaciones, compromisos o posiblemente tratar cuestiones de bioética no es "¿Se puede hacer incluso sacrificios. La bioética se ocupa de algunas de las esto?" sino “¿Debería hacerse esto?” Y si se debe hacer cuestiones más fundamentales a las que se enfrenta nuestra algo, la pregunta se convierte en "¿Cómo se puede hacer sociedad. Y en muchos aspectos, las decisiones que se de la manera correcta?" Es importante que todos consideren toman ahora pueden afectar el futuro de la ciencia, la estas preguntas, especialmente en las áreas de la humanidad y el mundo en el que vivimos. La intención de biotecnología, donde los descubrimientos y sus aplicaciones este capítulo no es decirle qué pensar acerca de la bioética. pueden tener un gran impacto en la salud humana y el En cambio, la intención es lograr que comprenda cómo medio ambiente. Estas preguntas llegan al corazón no solo pensar acerca de la bioética, alentarlo a hacer preguntas, a de la sociedad sino también de la ciencia y su papel en la sociedad. pensar cómo hacer las preguntas correctas, adquirir todos Por ejemplo, considere la foto que se muestra en la los hechos y tomar decisiones basadas en información en lugar deFigura reacciones 13.1.emocionales. Los científicos han implantado células de

PRONÓSTICO DEL FUTURO La ética y los temas relacionados en todas las áreas de la ciencia están captando cada vez más la atención del público, los científicos, los políticos y otros. A medida que surgen nuevas aplicaciones biotecnológicas, los debates y una mayor conciencia de las preocupaciones éticas asociadas con estas aplicaciones casi siempre precederán al desarrollo real de la aplicación. Usando las células madre como ejemplo, mucho antes de que cualquier aplicación de células madre fuera probada y lista para ser

ratón en embriones de pollo para demostrar que las células de ratón pueden recibir señales del embrión de pollo para inducir el desarrollo de los dientes, algo que normalmente no ocurre en los pollos. Los embriones de pollo comenzaron a formar dientes, pero no se les permitió convertirse en adultos. Pero algunas personas están indignadas con experimentos como este porque crean imágenes de pollos mutantes "como Frankenstein" con dientes que no son normales. La imagen del gallo que se muestra en la Figura 13.1 fue creada por fotógrafos por valor de impacto y titulares; esto no es real. Así que solo porque la tecno

implementada, los especialistas en ética estaban discutiendo los posibles problemas éticos de las aplicaciones de células madre. Con la forma en que la información se comunica rápidamente ahora, habrá pocas situaciones en las que una aplicación o descubrimiento biotecnológico no esté precedido por un debate ético. Entonces, en lugar de tratar de hacer lo casi imposible, es decir, pronosticar los problemas éticos más urgentes que enfrentará la biotecnología en los próximos años, queremos enfatizar que, cada vez más, el pensamiento ético y la toma de decisiones serán habilidades importantes para el futuro. Casi todas las aplicaciones sobre las que ha aprendido en este libro, incluidas aquellas que pronosticamos como áreas candentes en el futuro, tendrán componentes éticos significativos.

13.1 ¿Qué es la ética? La ética identifica un código de valores para nuestras acciones, especialmente hacia otros humanos. En términos simples, la ética podría considerarse una guía para separar el bien del mal y el bien del mal. El área de la ética que se ocupa de las implicaciones de la investigación biológica y las aplicaciones biotecnológicas, especialmente en lo que respecta a la medicina, se denomina bioética. Considera los aspectos sociales y morales y los posibles resultados del uso de tecnologías biológicas y médicas.

FIGURA 13.1 Dientes en crecimiento en pollos. ¿Debe hacerse esto? La imagen que se muestra aquí es una representación artificial de un gallo con dientes; en realidad no existe tal animal. Esta es una imagen deliberadamente inexacta presentada por su valor impactante y para estimular su pensamiento sobre la bioética.

Machine Translated by Google 13.1 ¿Qué es la ética?

disponible para crear un embrión de pollo con dientes, ¿debería

este es un método elegante para tomar decisiones. Todas las

hacerse en primer lugar? ¿Se debe permitir que el embrión se convierta

avenidas pueden ser evaluadas para el beneficio potencial y la

365

en un pollo adulto para ver si desarrolla dientes? ¿Es esto ético? ¿Qué

decisión se vuelve más cuantitativa. La desventaja de este cálculo es

piensas? Para obtener más información sobre la investigación a la que nos

que debemos asignar un valor a todas las cosas consideradas. ¿Cómo asignamos estos valores?

referimos aquí, consulte el artículo de Mitsiadis et al. en la lista de

Algunos dirían que algunas de las cosas más importantes de la vida

referencias del sitio web complementario.

(el amor y la familia) no se cuantifican fácilmente, mientras que otras cosas (los bienes materiales y la duración de la vida) podrían

Enfoques para la toma de decisiones éticas Antes de explorar cuestiones bioéticas, primero examinamos algunos

enfatizarse en los cálculos porque son cuantificables. Otra fuente de preocupación también podría ser la persona que realiza el cálculo y la asignación de valores. Por ejemplo, el cálculo utilitario sería menos

de los métodos más importantes del pensamiento ético. El estudio de

que ideal si lo hiciera alguien que creyera que los hombres valen más

la ética es tan antiguo como la humanidad misma. Las preguntas sobre

que las mujeres o que la consideración principal debería ser el margen

nuestros deberes y responsabilidades hacia otros miembros de la

de beneficio.

comunidad humana nos han acompañado durante mucho tiempo. Hipócrates (c. 460–361 a. C.) podría considerarse el primer bioeticista. Hizo hincapié en el paciente más que en la enfermedad en su práctica

La deontología, u objetivismo, parte del punto de vista de que existen al menos algunos absolutos (reglas definitivas que no se

de la medicina, viendo el valor del individuo y la santidad de la vida

pueden romper) y que tenemos la obligación moral o el compromiso

humana como de importancia primordial. Durante años, los médicos

de adherirnos a estos absolutos. Un absoluto que suele mencionarse

se han comprometido a seguir los principios centrales del Juramento

es el del valor de la vida humana, expresado así por Kant: “Obra de tal

Hipocrático: “no matar”, “ayudar, o al menos no hacer daño”, en su

manera que siempre trates a la humanidad, ya sea en tu propia

deber hacia los pacientes y su profesión.

persona o en la persona de cualquier otro, nunca simplemente como un medio, pero siempre al mismo tiempo como fin.” Otra forma de decir esto es en términos de respeto por los demás: que debemos tratar a

Los pensamientos y métodos éticos para abordar los problemas a menudo se pueden dividir entre dos puntos de vista principales

los demás como fines en sí mismos y no como medios para un fin.

(aunque ciertamente también hay otros enfoques). El enfoque utilitarista, o ética consecuencial, comenzó con el filósofo escocés

Este enfoque a menudo se ha asociado con las tradiciones

Jeremy Bentham (1748–1832) y el filósofo inglés John Stuart Mill

religiosas, pero suponer que un enfoque ético objetivo es únicamente

(1806–1873). Este enfoque establece que algo es bueno si es útil, y

un enfoque religioso o incluso que todos los enfoques religiosos de las

una acción es moral si produce “el mayor bien para el mayor número”.

cuestiones éticas comienzan con los mismos absolutos es un concepto

El segundo enfoque principal, el enfoque deontológico (kantiano), o

erróneo. Las convicciones profundamente arraigadas son solo eso:

ética del deber, proviene principalmente del filósofo alemán Immanuel

puntos de referencia personales a los que se adhiere un individuo. Una

Kant (1724–1804) y se centra en ciertos imperativos, o principios

ventaja del objetivismo es que brinda pautas firmes en muchas

absolutos, que debemos seguir por un sentido del deber. y debe dictar

situaciones en las que se requieren decisiones éticas, proporcionando

nuestras acciones.

una fórmula ética clara para la toma de decisiones. Una desventaja de este enfoque es que puede ser, o al menos puede percibirse como demasiado rígido en su proceso de toma de decisiones,

La bioética moderna se remonta a tiempos más recientes y es

sin tener en cuenta lo que pueden ser factores importantes o

principalmente el trabajo de dos especialistas en ética en la década de

considerando posibles cambios en los valores. Y puede haber

1970: Joseph Fletcher y Paul Ramsey. Estos hombres refinaron los

situaciones o cuestiones en las que no exista una convicción clara o

dos enfoques principales del pensamiento ético mencionados: Fletcher para el utilitarismo, también denominado ética situacional, y Ramsey

absoluta, lo que requiere un examen más detenido del asunto para definir los imperativos morales y discernir el curso de acción.

para la deontología u objetivismo. Para ilustrar la diferencia entre utilitarismo y objetivismo, considere El utilitarismo enfatiza las consecuencias, no las intenciones.

una situación en la que una persona está desesperadamente

Otra forma de expresar este énfasis es que “el fin justifica los medios”.

hambrienta y no tiene dinero para comprar comida.

La idea es calcular cuáles serían las consecuencias de una acción y

Al pasar por una tienda, la persona ve una barra de pan sobre una

sopesar diferentes consecuencias entre sí. Si podemos analizar varios

mesa. Un cálculo utilitario podría tener en cuenta la necesidad de la

cursos de acción para determinar cuál tendrá el mayor efecto positivo en el mayor número de personas, entonces podemos dar una respuesta

persona, los alimentos disponibles y la minúscula pérdida de valor de la tienda y considerar que estaría bien tomar el pan. Un enfoque

a la pregunta de qué debemos hacer. En algunas formas,

objetivista podría tener el absoluto “robar está mal” y considerar que no es ético tomar el pan.

Machine Translated by Google 366

Capítulo 13 Ética y Biotecnología

Tenga en cuenta que son posibles otros enfoques y métodos éticos más allá de los dos enfoques principales mencionados aquí, e incluso estos dos enfoques para la toma de decisiones éticas a veces pueden combinarse. Al abordar las decisiones éticas, un objetivo clave es recopilar información, considerar los hechos y tomar una decisión informada y bien pensada. Y en los debates sobre cuestiones éticamente polémicas, no es prudente ni cortés ridiculizar o menospreciar la decisión de otra persona. Sea sensible a los efectos de su propia conducta. Trate de comprender y defender racionalmente sus propias decisiones éticas, y esfuércese por considerar las decisiones de los demás. La idea de la probabilidad de un evento, la probabilidad estadística, es otro concepto importante a tener en cuenta al tomar decisiones éticas. Es crucial determinar con precisión qué posibilidades existen de que suceda un evento "malo". Otra consideración podría ser cuán negativo sería el efecto del posible evento. Debido a que muchas consecuencias tardan en desarrollarse, la probabilidad de que ocurra un resultado debe ser parte de la consideración. Los especialistas en bioética y los científicos a menudo usan medidas estadísticas para determinar las evaluaciones de riesgo, la probabilidad de que suceda algo dañino o no intencionado. La evaluación de riesgos es parte de su proceso de toma de decisiones todos los días. Por ejemplo, sabe que cada vez que conduce su automóvil existe el riesgo de tener un accidente. Suponiendo que no tenga miedo de conducir, su evaluación de riesgos probablemente le diga que la probabilidad de un accidente no supera la necesidad de llegar a donde quiere ir. uso de teléfono celular; viaje aéreo; bebiendo alcohol; el riesgo-beneficio de tomar antibióticos, medicamentos para el resfriado, vacunas u otros medicamentos (frente al

HERRAMIENTAS DEL OFICIO

efectos secundarios); y tomar malas decisiones dietéticas son otros buenos ejemplos de evaluaciones de riesgos en su vida cotidiana.

Ejercicio ético de calentamiento Lo que sigue es un escenario típico relacionado con la toma de decisiones éticas difíciles. Aunque la situación puede parecer un poco dura porque se trata de un escenario de vida o muerte, algunas de las biotecnologías que se están desarrollando también se ocupan de cuestiones de vida o muerte y tienen consecuencias de largo alcance. Una familia se detiene en el Gran Cañón en su automóvil. Los padres salen a ver un puesto de refrescos y cierran las puertas del auto, dejando a tres niños pequeños dormidos en el asiento trasero. Pero no ponen el freno lo suficientemente bien. Después de que se han alejado un poco, el auto comienza a rodar lentamente hacia el borde del acantilado. Eres el único que se da cuenta. Un hombre corpulento está parado cerca de donde se dirige el auto. Podría empujarlo frente al automóvil, lo que detendría su movimiento, aunque él mismo sería aplastado o empujado por el borde. ¿Qué harías? Primero, ¿tiene todos los hechos en esta situación? Hasta ahora, hemos pintado el escenario para que solo tenga dos opciones: dejar que el automóvil se desborde o sacrificar al hombre por los tres niños. La pregunta parece ser simple: "¿Puedes cambiar su vida por la de ellos?" Un enfoque utilitarista podría considerar que este es un comercio ético, una vida para tres, y también considerar que los tres son vidas jóvenes; un enfoque objetivista podría considerar que está mal poner en peligro o matar cualquier vida humana, sin importar las consecuencias eventuales. ¿Existen otras opciones o alternativas posibles?

El pensamiento cuidadoso y una mente abierta son herramientas poderosas para los especialistas en bioética

A diferencia de las diversas aplicaciones industriales

antecedentes de un tema desde numerosas perspectivas.

y de laboratorio de la biotecnología, la bioética no

Las habilidades lingüísticas pueden ser un activo adicional, porque no

requiere equipo especializado. Las principales herramientas del oficio son

todas las perspectivas o la literatura pueden ser accesibles en un solo

lógica y una mente abierta e inquisitiva. Los especialistas en bioética

idioma. Clasificar los posibles resultados y señalar posibles caminos para la resolución de inquietudes requiere razón y lógica, además de paciencia.

deben ser capaces de evaluar una situación con cuidado, considerando las posibilidades desde muchos ángulos diferentes. Deben incluir

En el mundo moderno, el conocimiento de las agencias y reglas

preocupaciones y resultados médicos, religiosos, filosóficos, legales,

reguladoras también es extremadamente importante. Esto significa que

científicos y sociales en sus evaluaciones. Los especialistas en bioética

los especialistas en bioética no solo deben ser capaces de comprender

deben poder y estar dispuestos a considerar muchos puntos de vista

las reglamentaciones y leyes actualmente vigentes, sino también poder

diferentes, que a menudo son contradictorios.

interactuar con los responsables de la formulación de políticas para facilitar

Los especialistas en bioética también deben ser inquisitivos, capaces

la creación de reglamentaciones y leyes sólidas. Finalmente, las buenas

de hacer preguntas de sondeo y deben determinar los muchos

habilidades interpersonales y de comunicación (tanto orales como escritas)

factores que subyacen a las preocupaciones. También pueden considerar

son esenciales para aclarar las preocupaciones, las preguntas y los resultados para todos los involucrados.

necesario realizar extensas búsquedas bibliográficas, profundizando en el

Machine Translated by Google 13.2 Ejemplos de Ética y Biotecnología

TÚ DECIDES

367

¿Bien o mal?

El director ejecutivo (CEO) de una pequeña

consciente de un problema importante con esta tecnología que ha

compañía biotecnológica de inicio

aparecido recientemente. ¿El CEO revela el problema y se arriesga

Una empresa está negociando una fusión multimillonaria de su

a poner en peligro la fusión, o permite que la fusión avance sin discutir

empresa con una empresa de biotecnología más grande debido a una

el problema? Tú decides, basando tu respuesta en el objetivismo y el

prometedora tecnología de clonación de células madre que ha

utilitarismo.

desarrollado su empresa. Sin embargo, el CEO también es

13.2 Ejemplos de Ética y Biotecnología Las bacterias intercambian plásmidos de forma rutinaria, y se produce la recombinación y la mutación, lo que permite la expresión de nuevos genes o nuevas combinaciones de genes que no estaban presentes antes. Sin embargo, el juego cambia cuando los humanos se involucran y crean nuevas combinaciones genéticas. Como discutimos en el Capítulo 3, debido a las preocupaciones con la tecnología del ADN recombinante como un nuevo método, los científicos se reunieron en una conferencia en Asilomar, California, en 1975 y pidieron una moratoria (un cese temporal pero completo de cualquier investigación) hasta que la seguridad de la técnica y se podrían evaluar las posibles consecuencias. Recuerde que una preocupación principal era que las bacterias modificadas genéticamente escaparían del laboratorio al medio ambiente, posiblemente creando nuevas enfermedades, propagando enfermedades antiguas de una manera más virulenta o creando cambios en el ecosistema que podrían conducir a la aniquilación de algunas especies. Se desarrollaron pautas para diferentes niveles de contención de bioseguridad, dependiendo de los peligros inherentes del sistema experimental utilizado. Por ejemplo, los experimentos con bacterias no patógenas y secuencias de genes no patógenos requieren solo un equipo de seguridad mínimo, mientras que los experimentos con patógenos conocidos, células humanas o genes potencialmente patógenos requieren procedimientos de contención más estrictos.

Células y Productos Como hemos discutido a lo largo de este libro, tanto las bacterias como las células eucariotas pueden modificarse genéticamente para expresar genes y proteínas extraños. Esto ha demostrado ser un enfoque indispensable para producir productos médicamente valiosos. Piense en los desafíos éticos relacionados con la modificación genética de células individuales y los productos que han surgido como resultado de estos cambios.

Cuando un producto se refiere a la aplicación en seres humanos, como una proteína recombinante terapéutica, no solo existe la cuestión obvia de la seguridad, sino también la cuestión de la eficacia o efectividad en su uso previsto. Obviamente, esto es importante para un paciente previsto porque el paciente desea un tratamiento eficaz. Pero la eficacia también es importante para el fabricante; si el producto no es efectivo, puede haber un desperdicio económico tremendo. Para cualquier fármaco, una consideración importante será la dosis a la que el fármaco es eficaz, con efectos secundarios y toxicidad mínimos. En consecuencia, también será importante establecer si la droga presenta algún peligro carcinogénico o teratogénico . Estas consideraciones previenen problemas futuros, como descubrir que el fármaco cura la enfermedad con una dosis pero mata al paciente o causa cáncer o defectos de nacimiento con otra dosis, porque plantean la preocupación ética de dañar en lugar de ayudar al paciente y al paciente. problemas potenciales involucrados en el uso de los propios pacientes como conejillos de indias para probar la eficacia de los medicamentos. Debemos ser conscientes del trato humano de animales en estudios preclínicos. Necesitamos determinar cuántos animales de experimentación serán los mínimos necesarios para probar el fármaco, qué tipos de tratamientos serán necesarios para las pruebas y si se deben usar roedores o primates. Si es posible, los órganos objetivo se pueden probar con los medicamentos (órgano en un chip) antes de cualquier estudio con animales. La elección de las especies puede afectar la acción de la droga. Uno de los mejores ejemplos de diferencias entre especies en la acción de las drogas ocurrió con la talidomida, que originalmente fue diseñada como un sedante suave. Se probó en roedores de laboratorio estándar y se encontró que era seguro. Sin embargo, muchas de las mujeres embarazadas que tomaron este sedante dieron a luz a bebés con defectos de nacimiento graves. Cuando se probó el fármaco en titíes (un tipo de mono), se produjeron defectos de nacimiento similares a los observados en humanos. Resulta que el metabolismo de los fármacos puede variar entre especies. Consideraremos la cuestión de la experimentación humana en detalle más adelante, pero siempre se deben tener en cuenta las posibles diferencias en los efectos sobre los humanos frente a

Machine Translated by Google 368

Capítulo 13 Ética y Biotecnología

Cultivos GM: ¿Eres lo que comes?

reducir el daño que podrían causar las plagas y enfermedades potenciales.

Un avance clave en la ingeniería genética, y también una de las

Un ejemplo es la soja Roundup-Ready. Este frijol de soya está

mayores controversias, proviene de la producción de organismos

modificado genéticamente para resistir el Roundup su bicide, lo

genéticamente modificados (GM), en particular cultivos GM. El objetivo es producir plantas que puedan resistir plagas,

que permite que un agricultor rocíe el cultivo y elimine las malas hierbas nocivas que interferirían con el crecimiento del cultivo sin

enfermedades o climas severos, facilitando la producción de

dañar el frijol de soya. Otro ejemplo es el maíz Bt (Figura 13.2).

cultivos. Sin embargo, muchas personas se oponen a los cultivos

Recuerde del Capítulo 6 que este cultivo GM está diseñado para

transgénicos y tienen aversión a ingerir alimentos modificados genéticamente. Los cultivos transgénicos y otras plantas genéticamente modificadas presentan varias áreas de preocupación. Una

producir una toxina de la bacteria Bacillus thuringiensis, que mata las larvas del barrenador del maíz y otras plagas de insectos que se alimentan de la planta. Algunas investigaciones han sugerido un posible efecto tóxico

preocupación involucra a la planta misma. Los científicos deben

de los cultivos Bt en las mariposas monarca, a pesar de que no

determinar si las alteraciones en la genética de la planta brindan un

eran un insecto objetivo y no se alimentan de maíz. Por lo tanto,

beneficio a la planta o al menos no producen una planta menos

sería importante saber si la toxina afecta a especies o grupos de

vigorosa. Una pregunta que podría valer la pena responder es si la

insectos específicos y si los insectos no objetivo también pueden

integridad de la especie (mantener la composición genética original

verse afectados. Una cuestión que se consideró fue si la toxina

de una especie sin cambios importantes, de modo que siga siendo

podía propagarse o si se limitaba únicamente a la planta de maíz.

esencialmente la misma especie) se preserva de alguna manera

Debido a que el maíz es polinizado por el viento, el polen puede

junto con la alteración. Debe buscar definir por sí mismo si la

transportarse a otras plantas y ser tóxico para algunos insectos a

integridad de la especie es importante o si crear una especie de

distancia. Los investigadores tenían que determinar la probabilidad de que

planta "mejor" es más deseable que tratar de mantener una especie "antigua". Al hacerlo, determine usted mismo si la modificación

esto sucediera. Para las mariposas monarca, el estudio indicó que

genética de organismos, en este caso plantas, viola algún código

el polen de maíz podría propagarse por el viento a las plantas de

ético.

algodoncillo (que son una fuente de alimento para las monarcas) ubicadas junto al campo de maíz transgénico. Las monarcas que

Otra pregunta, en una escala más amplia que la primera, es el

se alimentan del algodoncillo podrían ingerir el polen de maíz (y la

posible efecto de las plantas alteradas en el ecosistema y en la

toxina). Los científicos tuvieron que preguntarse si esto era probable

biodiversidad general (la gama de diferentes especies presentes en un ecosistema). Debemos determinar el efecto de la introducción

monarca. Piense en los tipos de experimentos que podría diseñar

de una planta modificada genéticamente en el medio ambiente local.

y cuánto polen y toxinas se necesitarían para matar a una mariposa para probar estas preguntas. En los últimos años, varios estudios a largo plazo no han mostrado efectos adversos de la exposición de

Debido a que nos estamos enfocando en las plantas cultivadas, el efecto deseado probablemente será no solo aumentar el crecimiento y la producción de la planta cultivada GM, sino también

TÚ DECIDES

la mariposa monarca a los cultivos Bt. Podría haber posibles efectos de la polinización cruzada entre el maíz Bt y la transferencia de genes modificados

¿Debería aprobarse rápidamente el trigo transgénico (para quienes padecen gluten)?

La fuente más común de gluten es el trigo.

trigo antes de que se combinen con glutenina para producir gluten. El

Las proteínas del gluten atrapan el aire a

pan que se produce a partir de este trigo silenciado parece tener la

medida que el pan fermenta, dándole el sabor elástico y masticable que asociamos con el pan. Desafortunadamente, el gluten es tóxico

textura y el sabor del pan elaborado con harina de trigo actual. Actualmente, los ensayos están determinando si las personas que

para un pequeño número de personas que padecen la enfermedad

padecen gluten pueden tolerarlo.

celíaca y para un número mucho mayor de personas alérgicas al gluten. La cebada y el centeno son otros granos que contienen gluten,

Dado que la comercialización de este trigo bajo en gliadina

intentos para eliminar los genes que contienen gluten, pero existen en

requerirá molinos y distribuidores separados, es probable que se necesiten inversores norteamericanos para la empresa comercial. El

múltiples cromosomas y la mayoría del trigo es hexaploide, lo que lo

proceso de aprobación en los Estados Unidos y la Unión Europea

pero no son tan comunes en los alimentos como el trigo. Se han hecho

hace difícil. El Instituto de Agricultura Sostenible de España ha

también llevará tiempo y dinero. ¿Debería recibir el trigo GM (sin

adoptado un enfoque diferente, utilizando ARN de interferencia (ARNi)

gluten) una aprobación más rápida que otros alimentos GM? ¿Deberían

para silenciar todos los genes productores de gliadina en

incluirse en la aprobación otros alimentos modificados genéticamente beneficiosos? Tú decides.

Machine Translated by Google 13.2 Ejemplos de Ética y Biotecnología

369

FIGURA 13.2 Posibles interacciones y

gen Bt (llorar)

Vector

Integridad de la especie

consideraciones para un cultivo GM, maíz Bt Los cultivos modificados con Bt fueron diseñados para proteger las plantas contra plagas como el gusano cogollero del algodón (foto superior) y el barrenador del maíz; pero poco después de su uso, surgieron preocupaciones sobre los posibles efectos en los insectos no objetivo, como las mariposas monarca (foto inferior).

Transfección y selección de maíz Bt

Insectos objetivo Insectos no objetivo

transgénico

Otras plantas (incluido otro maíz)

planta de maíz bt

Otros efectos del ecosistema La alimentación animal

Consumo humano Resultados sociales

Producto de maíz Bt

Resultados económicos

a otras especies que no son cultivos (por ejemplo, otras plantas que podrían adquirir el gen de la toxina y matar insectos deseables, como las mariposas monarca). Tendría que considerar la probabilidad de tal ocurrencia. Toda la cuestión de la introducción de plantas GM en el medio ambiente natural necesita un escrutinio cuidadoso para considerar posibles cambios a largo plazo en el ecosistema y los efectos sobre la biodiversidad. Otra consideración es la propagación de plantas GM a otras áreas más allá de donde se cultivan.

Otra pregunta a considerar se refiere al producto del cultivo GM: debemos considerar cómo se utilizará, si es seguro para alimentar a los animales y si es seguro para los humanos. También debemos recopilar todos los hechos y hacer evaluaciones informadas. Debido a que la toxina está dirigida contra insectos, parece poco probable que afecte a animales o humanos. Pero hacer esta suposición no es suficiente; se necesitan evidencias y pruebas que puedan verificar su seguridad. Piense en algunos experimentos que podría hacer para probar la seguridad de un producto GM.

¿Se debe consultar al público sobre la liberación de TÚ DECIDES

insectos modificados genéticamente?

En 2010, unos 6.000 dedos de mosquito

poblaciones de insectos. La compañía afirma que sus ensayos en

transgénicos fueron liberados

las Islas Caimán redujeron esa población de insectos en

deliberadamente en un bosque deshabitado de Malasia, para sorpresa de los seguidores locales e internacionales. El ensayo Malay sian fue un esfuerzo para controlar la fiebre del dengue, una

aproximadamente un 80 por ciento. En 2016, una sucursal de la empresa matriz de Google, Verily, anunció que estaba utilizando robots para crear mosquitos macho

enfermedad viral transmitida por el mosquito Aedes aegypti. El virus

infértiles transgénicos y planeó lanzarlos en California para ayudar a

del dengue se ha extendido a más de 100 países, y la Organización Mundial de la Salud (OMS) considera que la población en riesgo de

combatir la propagación de enfermedades transmitidas por insectos, como la infección por el virus Zika y el dengue. Más de 20 millones de

infección por dengue comprende casi 2.500 millones de personas. En

estos insectos GM han sido liberados en Fresno, California, en el primer

algunas partes del mundo, la fiebre del dengue es una de las principales

estudio de campo de Verily.

causas de muerte en los niños. La fiebre del dengue causa síntomas severos y dolorosos similares a los de la gripe en adultos, que a veces pueden provocar complicaciones letales. La compañía británica de biotecnología Oxitec había liberado previamente 3,3 millones de

En estos ejemplos, el público e incluso los investigadores en el campo generalmente desconocían las liberaciones hasta después de que se anunciaran los resultados de los ensayos. No existen políticas

insectos GM en ensayos en las Islas Caimán en 2009 y 2010 en el

para informar al público sobre tales experimentos. ¿Debería haber?

primer ensayo de campo de mosquitos GM del mundo diseñado para

¿Basta simplemente con informar al público de que se han liberado

controlar el portador del dengue.

insectos transgénicos? Tú decides.

Machine Translated by Google 370

Capítulo 13 Ética y Biotecnología

TÚ DECIDES

¿Cuál sería el efecto de prohibir los organismos GM?

Un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Purdue revela que una

se reduciría en un equivalente a 200 millones de toneladas de dióxido de carbono y permitiría que 2 millones de acres volvieran a ser bosques

prohibición mundial de los cultivos transgénicos aumentaría los precios de

y pastizales. Algunos de los mismos grupos que quieren reducir las

los alimentos y agregaría el equivalente a casi mil millones de toneladas de

emisiones de gases de efecto invernadero también quieren prohibir los

dióxido de carbono a la atmósfera. Si, en cambio, los países que plantan

organismos GM (OGM). ¿Qué argumentos de objetivismo y utilitarismo

cultivos transgénicos igualan la tasa de siembra de cultivos transgénicos en

usaría para explicar el beneficio de los OGM para el medio ambiente global?

los Estados Unidos, las emisiones globales de gases de efecto invernadero

No solo deberíamos centrarnos en el gen particular en cuestión, sino también preguntarnos si es necesario considerar otros genes o

su pizza o copos de maíz? Gracias a CRISPR (repeticiones palindrómicas agrupadas regularmente interespaciadas), nuevos

productos presentes en el cultivo GM. Por ejemplo, en muchos

cultivos conocidos como editados genéticamente, en lugar de

casos, los genes de resistencia a los antibióticos se utilizan como

modificados genéticamente, están llegando al mercado. ¿Deberían

marcadores de selección para células modificadas genéticamente.

etiquetarse estos cultivos como transgénicos?

¿Siguen presentes los genes en el cultivo transgénico? Y si es así,

Las cuestiones sociales y económicas también surgen del uso

¿pueden transferirse estos genes de los alimentos ingeridos a las

potencial de los cultivos transgénicos. La capacidad de modificar las

bacterias intestinales? Debería volver a preguntar cuál es la

plantas para lograr una producción mejor y menos costosa podría

probabilidad de que el ADN o las proteínas sobrevivan a la digestión.

cambiar drásticamente la industria agrícola. Potencialmente, se podría disponer de alimentos más abundantes a un costo reducido

La figura 13.2 muestra algunas de las posibles interacciones y consideraciones. También debemos determinar si el producto de un

tanto para el agricultor como para el consumidor. Sin embargo,

cultivo GM debe ponerse en cuarentena después de que se haya

estas ventajas pueden verse contrarrestadas por desventajas

cultivado el cultivo. Esto nuevamente vuelve a nuestra cuestión de

potenciales, como las preocupaciones de seguridad descritas anteriormente.

seguridad, especialmente con respecto a la exposición humana o el

Otros posibles usos de los cultivos transgénicos incluyen la

consumo del producto.

producción de compuestos útiles desde el punto de vista médico. La seguridad y la eficacia vuelven a ser consideraciones clave en la

Algunos países limitan estrictamente la importación de cultivos transgénicos y existe un movimiento para etiquetar los alimentos

evaluación ética del uso de estos compuestos. La política actual de los EE. UU. exige no solo la gama habitual de pruebas de seguridad

para designar su origen en términos de plantas potencialmente

y eficacia de los compuestos médicos, sino también que se restrinja

modificadas genéticamente (Figura 13.3). En general, existe la

el crecimiento de las plantas modificadas genéticamente. Los

preocupación de que los alimentos GM no sean naturales. Algunas personas creen que, según los datos, estas restricciones no son

miembros de la UE y Australia también tienen políticas estrictas con respecto a la producción de cultivos transgénicos. La producción

válidas y pueden asustar indebidamente a los consumidores. ¿Cuál

comercial de un cultivo farmacéutico GM no ha sido aprobada en

sería su reacción al encontrar una etiqueta "GM" en

ninguno de estos países.

FIGURA 13.3 ¿Tienen los consumidores “derecho a saber” si los alimentos que consumen contienen organismos modificados genéticamente?

Machine Translated by Google 13.2 Ejemplos de Ética y Biotecnología

TÚ DECIDES

371

¿Cuánto retorno de la inversión?

Monsanto, una empresa con sede en St.

para muchos agricultores y les permite ahorrar dinero en semillas para

Louis, Missouri, creó

plantar un nuevo cultivo. Debido a que Monsanto invirtió tanto dinero en

Soya Roundup-Ready, que está diseñada genéticamente para

su tecnología, querían que los agricultores compraran nuevas semillas

resistir el herbicida Roundup de Monsanto, un herbicida de uso común

Roundup-Ready cada año, pero los agricultores afirman que nunca les

que mata casi todas las plantas. La semilla Roundup-Ready cuesta

dijeron que sus semillas no podían volver a plantarse. Monsanto afirma

varios dólares por bushel más que las semillas de soya convencionales.

que los agricultores están utilizando su costoso producto de alta tecnología de forma gratuita.

Monsanto ha utilizado investigadores privados para verificar los informes de que los agricultores en diferentes lugares habían estado

¿Debería permitirse a los agricultores continuar con sus

reciclando semillas cosechadas de soja Roundup-Ready plantadas el

práctica tradicional de reciclar semillas? ¿O deberían las empresas

año anterior. El uso de semillas cosechadas de un cultivo anterior es

de biotecnología poder imponer usos restringidos de sus productos?

una práctica común

Tú decides.

¿Cría de animales o retoques de animales? La modificación genética de los animales plantea muchas de las mismas cuestiones planteadas por la modificación genética de las plantas. Las primeras aplicaciones de la biotecnología a la cría de animales han incluido suplementos de antibióticos en alimentos e inyecciones de hormona de crecimiento o esteroides para aumentar el crecimiento de los animales. Considere la aplicación de estos suplementos e inyecciones desde un punto de vista ético. Primero, debido a que estos son animales agrícolas, los efectos de la modificación genética en los productos de los animales (leche, carne, etc.) y la seguridad de estos productos para el consumo humano fueron la principal preocupación. Una consideración fue la cantidad de tiempo que los suplementos (especialmente las hormonas) persistirían en el animal, es decir, si aún estarían presentes cuando los humanos consumieran los productos animales. De ser así, los científicos también deben determinar si habría algún efecto en el consumidor y si la hormona, si estuviera presente, sobreviviría a cualquier cocción o proceso digestivo.

TÚ DECIDES

Se ha expresado poca preocupación sobre el efecto de los animales agrícolas GM en el medio ambiente, pero todavía hay dudas sobre la integridad de las especies y la salud del animal, así como sobre la seguridad de los productos animales para los consumidores humanos. Se requieren consideraciones similares con respecto a los animales que han sido manipulados genéticamente para producir productos médicamente útiles. Estos podrían incluir animales transgénicos modificados para producir un factor de coagulación en su leche, animales transgénicos como cerdos diseñados con genes humanos para que sus órganos puedan ser trasplantados a humanos sin ser rechazados, o vacas clonadas para ser utilizadas como carne. Científicos chinos han creado vacas transgénicas que extraen leche humana. ¿En qué punto consideraría que tal alteración de un animal no es ética? Asegúrese de considerar si hay un punto en el que el animal podría adquirir suficientes genes, células o atributos humanos para considerarlo humano y si esto cambiaría su punto de vista ético sobre el uso del animal para la investigación. Referirse de nuevo a

Aceptación de órganos animales

Un estudio publicado recientemente en la

es muy similar a la de los humanos (y para la mejora del ganado

revista Nature informó la totalidad

porcino). La secuencia del genoma del cerdo sería un recurso valioso

secuencia del genoma del cerdo doméstico y genes identificados y

en el uso de cerdos tanto en la producción agrícola como en la

secuencias de proteínas que tienen similitudes con las encontradas

investigación biomédica para la posible donación de órganos, lo que se

en humanos (algunas de las cuales están implicadas en enfermedades

conoce como xenotrasplante. Dado que algunas religiones prohíben

humanas). Producto de una amplia colaboración internacional, este

matar a ciertas especies de animales, ¿cómo se deben poner los

estudio revela el primer borrador de la secuencia del genoma del cerdo,

órganos de animales a disposición de las personas que figuran en la

que podría proporcionar una herramienta de referencia para explorar el

lista de donantes? ¿Cómo justificaría un argumento ético la aceptación

cerdo como modelo experimental para enfermedades humanas

de un órgano animal por parte de un paciente con objeciones religiosas

específicas, como la fisiología del cerdo.

o éticas de otro tipo? Tú decides.

Machine Translated by Google 372

Capítulo 13 Ética y Biotecnología

Figura 13.1. Científicos ingleses y franceses implantaron células de

objeciones éticas de los activistas por los derechos de los animales

ratón en embriones de pollo para demostrar que las células de ratón

¿puedes prever a partir de este trato mejorado a los animales?

podían reconocer las señales de desarrollo de las células de pollo para estimular la formación de dientes. Los biólogos están

¿Está justificada esta aplicación de la ingeniería genética por el objetivismo, el utilitarismo o ambos?

interesados en esto en parte porque aunque los genes involucrados en estas señales de desarrollo no están activos en las aves (los dientes se perdieron en las aves hace unos 70 a 80 millones de años), indica que estos genes pueden activarse y pueden estimular el desarrollo de los dientes. cuando las células apropiadas están presentes. ¿Y qué? ¿Quién quiere hacer pollos con dientes? Estas son buenas preguntas, y ciertamente puede preguntarse si este tipo de experimentos son usos éticos de los animales. Pero también considere que la información de estos experimentos puede ser

Genomas Sintéticos y Biología Sintética La investigación sobre genomas sintéticos ha resultado en el trasplante de un genoma sintético a una cepa bacteriana para cambiar el microbio receptor en el organismo del genoma sintético donante (Capítulo 5). Estas y otras futuras aplicaciones de la biología sintética plantean muchas cuestiones éticas sobre lo que se debe y no se debe hacer con los genomas sintéticos y sus posibles usos para crear nuevas formas de vida.

fundamentalmente valiosa para aclarar el desarrollo de los dientes y potencialmente en el futuro para desarrollar nuevos tratamientos para la formación, el reemplazo y la regeneración de los dientes en humanos, las razones principales de esta investigación.

Ensayos farmacológicos con pacientes humanos Muchas de las cuestiones más espinosas relacionadas con la biotecnología y algunos de los debates más polémicos giran en

Recombinetics en St. Paul, Minnesota, ha producido ganado lechero sin cuernos al insertar un gen de ganado de carne naturalmente sin

torno a los seres humanos. Incluso los procedimientos científicos simples pueden evocar emociones fuertes y suscitar una profunda

cuernos en una raza de la misma especie que se usa en la producción de

controversia cuando los sujetos son seres humanos. ¿Por qué crees

leche (Figura 13.4).

que el uso o uso potencial de humanos experimentalmente provoca

Los animales podrían ayudar a reducir la práctica del "descornado"

reacciones tan fuertes? Más adelante discutimos cómo la mera definición de lo humano se ha convertido en un campo de debate.

quirúrgico, una práctica controvertida que ha suscitado preocupaciones sobre el bienestar animal. Recombinetics le dijo a la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) que tenía la intención de comercializar alimentos de sus vacas sin la aprobación de la FDA y

Por ahora, nos fijamos en un ejemplo sencillo basado en un posible fármaco anticancerígeno generado a través de la

con una etiqueta que decía "generalmente reconocido como seguro".

biotecnología. Supongamos que el fármaco se ha movido hasta el

La decisión de la compañía se vio reforzada por el anuncio del

punto en que estaba listo para los ensayos clínicos. Debemos decidir

Departamento de Agricultura de EE. UU. en abril de 2016 de que

a quién le administraremos el fármaco como prueba.

renunciaría a la regulación de un hongo que ha sido modificado

Debido a que es un fármaco contra el cáncer, se lo daremos de

genéticamente para resistir el pardeamiento. Qué

forma natural a los pacientes que tienen el tipo de cáncer al que se dirige

FIGURA 13.4 Cría de toro sin cuernos creada por inserción de genes.

Machine Translated by Google 13.2 Ejemplos de Ética y Biotecnología

esta droga Sin embargo, debemos decidir si administrarlo a todos los pacientes con ese tipo de cáncer o solo a aquellos en las etapas más avanzadas de la enfermedad, aquellos que pueden haber agotado todos los demás medios de tratamiento y para quienes el nuevo fármaco experimental es un último complejo. La razón es que, para este subgrupo de pacientes, no existe otro tratamiento posible; por lo tanto, el tratamiento experimental presenta al menos alguna esperanza. Sin embargo, el fármaco puede funcionar mejor con pacientes que están más temprano en la progresión del cáncer y, por lo tanto, podría ser más eficaz. No obstante, los pacientes que se encuentran en estadios más precoces de la enfermedad disponen de otras alternativas que ya han demostrado seguridad y eficacia (al menos en cierta medida). Después de elegir el grupo de pacientes para el ensayo clínico, surge otro dilema. Los pacientes tienen derecho a ser informados completamente de los efectos potenciales del tratamiento experimental, tanto buenos como malos. Solo cuando están informados pueden ser participantes dispuestos en el juicio. Esto se denomina consentimiento informado. Los

373

pacientes que recibirían el fármaco) y un grupo controlado con placebo (en este caso, pacientes que recibirían un placebo, un tratamiento seguro pero ineficaz, como una pastilla de azúcar o una inyección de solución salina). En un ensayo doble ciego completamente aleatorizado, ni los pacientes ni los médicos que administran el tratamiento sabrían quién recibió el fármaco real y quién recibió el placebo. El consentimiento informado debería desempeñar un papel en este tipo de experimentos. El uso de placebos es parte de la ciencia objetiva, pero debemos ver si es ético. La ciencia objetiva puede no ser siempre el mejor enfoque o el enfoque ético.

¿Qué significa ser humano? Muchos de los debates éticos sobre las células madre y la clonación giran en torno al estatus moral del embrión humano. Como discutimos en el Capítulo 11, las células madre pueden tener el potencial para avances tremendos en la medicina regenerativa, haciendo posible la reparación o el reemplazo de tejido dañado y enfermo en muchas enfermedades, como enfermedades cardíacas, accidentes cerebrovasculares, enfermedades neurodegenerativas, diabetes y otras. Como sabe, hay disponibles muchas fuentes posibles de células madre, incluidos embriones, fetos, sangre del cordón umbilical, tejidos adultos e incluso células tumorales “domesticadas” (Figura 13.5).

pacientes dan su consentimiento para continuar con el experimento, plenamente informados de los posibles beneficios y riesgos que se avecinan. El concepto de consentimiento informado es vital para cualquier procedimiento que involucre a un ser humano. Si un paciente no puede dar su consentimiento por sí mismo (porque el individuo es demasiado joven o está en Estas fuentes de células madre se suman a las opciones de coma, por ejemplo), un miembro de la familia o tutor puede dar el consentimiento por poder. Determine usted mismo por qué el consentimiento reprogramación informado nuclear, es tancomo vital. la producción de células madre pluripotentes inducidas a partir de células somáticas humanas. Los placebos presentan otro problema en lo que respecta Gran parte del debate sobre las células madre se ha centrado a los procedimientos experimentales en seres humanos. En un en la cuestión científica de la capacidad de las diferentes células estudio controlado con placebo, la práctica científica estándar madre para transformarse en otros tipos de tejidos. implica el uso de un grupo experimental (en este caso,

TÚ DECIDES

¿Los datos de los ensayos clínicos deben ser públicos o pertenecen a la compañía farmacéutica?

En 2002, los Institutos Nacionales de Salud (NIH) lanzaron Clinicaltrials

El proyecto de ley proponía exigir el acceso abierto a la información de los ensayos de fase 1, que inscriben a pacientes sanos

.gov para ayudar a los pacientes y médicos a encontrar información

en pequeñas cantidades. Sin embargo, según algunos portavoces de

sobre ensayos clínicos cercanos. El registro actual contiene información

la industria, dicha información sería de poco valor para los pacientes.

sobre más de 260 000 ensayos clínicos en los 50 estados de EE. UU.

Los defensores del proyecto de ley afirmaron que las empresas

y en 201 países. Este registro ha sido utilizado voluntariamente por la

podrían beneficiarse de compartir ensayos en etapas iniciales para

mayoría de las empresas farmacéuticas y de biotecnología porque

evitar que los nuevos medicamentos repitan los mismos errores que

excluye los ensayos en etapa inicial, en los que se podría perder

ya habían producido resultados negativos. En defensa de la industria,

información comercial confidencial. Durante varios años, se debatió un

las empresas de biotecnología confían en la financiación de capital de

proyecto de ley del Congreso (S.467—Ley de Acceso Justo a los

riesgo, y si los primeros datos se comparten con otras empresas,

Ensayos Clínicos; Ley FACT) para exigir la divulgación obligatoria de

existe la preocupación de que la financiación para la innovación se

los resultados de los ensayos clínicos en una base de datos pública,

agote. ¿Vale la pena el riesgo de que se reduzca la financiación para

pero nunca se aprobó como ley. Algunos afirman que la información

la investigación de fármacos? ¿Hay una solución mejor? Tú decides.

podría ayudar a los pacientes a decidir si participar o no, pero algunos en la industria farmacéutica dicen que es innecesaria y sofocará la innovación.

Machine Translated by Google 374

Capítulo 13 Ética y Biotecnología

Continuidad del desarrollo humano trofoblasto

Huevo

Unicelular Esperma

embrión

3 días embrión

(cigoto)

5 a 7 días

4 semanas

6 semanas

embrión

embrión

Niño

embrión Celula interior

(blastocisto)

masa

Células germinales embrionarias

Células madre embrionarias

Adulto

Células madre

células madre adultas

de tejido fetal

teratocarcinoma (tumor de células germinales)

Células madre de la sangre del cordón umbilical

Células madre placentarias

embrionario células de carcinoma

FIGURA 13.5 Fuentes de células madre Los embriones humanos, el tejido fetal, los bebés y los adultos son fuentes potenciales de células madre.

para el tratamiento de enfermedades; sin embargo, los elementos clave del debate han sido las cuestiones éticas sobre los embriones como fuente de células madre. Como sociedad, no hemos podido ponernos de acuerdo sobre si es ético destruir embriones humanos en etapa temprana para investigaciones que podrían beneficiar a miles de pacientes. A diferencia de la donación de órganos, en la que un individuo puede donar uno de los dos órganos emparejados en vida o después de su muerte, el proceso de recolección de células madre embrionarias destruye al donante (el embrión; Figura 13.5). El uso de embriones humanos como fuente de células madre es un tema muy controvertido, en

TÚ DECIDES

en parte porque plantea cuestiones como las siguientes: ¿Cuándo se considera que el embrión es una persona? ¿Es ético destruir un embrión humano para recolectar células madre que pueden beneficiar a muchos otros humanos? Debemos resolver la cuestión central, que examina el estado moral o ético de un embrión humano. Biológicamente, el embrión es un ser humano, especie Homo sapiens, que acaba de comenzar su viaje de desarrollo. Debemos sopesar la relevancia de los diferentes hitos del desarrollo para ser considerado humano frente al simple hecho biológico de que el embrión es miembro de nuestra propia especie. Biológicamente,

Medicina regenerativa: ¿solo para ricos?

Los mecanismos moleculares responsables

Sus resultados muestran que las células de rata topo desnuda

de las diferencias de longevidad entre

producen menos proteínas aberrantes, lo que respalda la hipótesis de

especies animales son relativamente desconocidos. El roedor más

que el proteoma más estable de la rata topo desnuda contribuye a su

longevo, la rata topo desnuda, tiene una traducción de proteínas

longevidad. Se espera que un mayor estudio de la fidelidad de la

más precisa que el ratón. Investigadores del Instituto de Evolución de

traducción de proteínas mejore la comprensión y conduzca a terapias

Israel han demostrado que la rata topo desnuda tiene una estructura

comprobables. Dado que es probable que esta investigación sea

única de ARN ribosómico fragmentado y especulan que puede

costosa, las terapias pueden ser asequibles solo para los ricos.

cambiar el plegamiento o la dinámica de la subunidad ribosómica

¿Debería restringirse la financiación pública para que los ricos paguen

grande, modificando la interacción de la subunidad grande con la

por sus beneficios?

transferencia. ARN (ARNt) y afectando la síntesis de proteínas.

Considere las respuestas del utilitarismo y el objetivismo. Tú decides.

Machine Translated by Google 13.2 Ejemplos de Ética y Biotecnología

375

un embrión es un miembro de la especie humana, pero la cuestión del

La posición ética sería que incluso si no hay alternativas, el costo ético

estatus moral de un embrión humano va más allá de lo biológico y

es demasiado alto para justificar la destrucción de embriones.

también gira en torno a lo que algunos han denominado el estatus de persona. Este término se ha utilizado para definir una entidad que

Curiosamente, incluso algunas personas que ven un embrión

califica para protección basada no en un valor intrínseco sino en ciertos

humano como una persona potencial y no como un individuo realizado

atributos, como la autoconciencia.

se oponen a la destrucción de embriones humanos por razones éticas.

Haga una lista de las ventajas y desventajas de este concepto de

más bien con la forma en que la sociedad ve cualquier vida humana.

La preocupación no es directamente con el embrión y su estado, sino personalidad. Una preocupación podría ser la cuestión de quién decide

Desde su punto de vista, estamos entrando en una pendiente

qué atributos cuentan al evaluar si un ser humano en particular puede

resbaladiza en la que la destrucción de seres humanos para uso o

ser valorado como persona.

experimentación médica puede pasar del uso de embriones al uso de individuos nacidos. Una vez más, volvemos a la cuestión de la

Con respecto a la investigación con embriones, algunos han

personalidad, especialmente como una construcción social que podría

tomado esta actitud: “Ni una persona, ni un problema”. Razonan que

clasificar a diferentes humanos según su calidad de vida y su utilidad

un embrión humano es microscópico, que aún no posee un corazón

para la sociedad.

que late, ondas cerebrales, brazos o piernas. Por supuesto, esas cosas se desarrollan más tarde, pero en una etapa muy temprana, el embrión carece de lo que solemos asociar con nuestro concepto de humanidad. Obviamente, hay varios puntos de vista sobre el estado del embrión humano, y no hay consenso. Algunos dicen que es simplemente un

Embriones de repuesto para investigación

grupo de células, como un trozo de piel. Otros creen que es una forma de vida humana que merece un profundo respeto: una persona

versus creación de embriones para investigación

potencial.

Mientras consideramos la pregunta sobre el estado moral del embrión,

Aún otros sostienen que un embrión tiene el mismo valor moral que

existen diferentes puntos de vista basados en el propósito original para

cualquier otro miembro de la especie humana. Considere la cuestión

el cual se creó el embrión o en el método por el cual se creó el embrión.

de si alguna célula humana merece respeto como persona potencial.

Contrariamente a la idea errónea común de que los fetos abortados se

Cuando se combinan, un óvulo y un espermatozoide forman un embrión, y cualquier célula somática puede aportar un núcleo para

utilizan para la investigación con células madre, la fuente principal de embriones para esta investigación son los embriones "excedentes" de

formar un embrión clonado. Considere, entonces, si hay algo especial

la fertilización in vitro (FIV, Capítulo 11).

en tener un genoma humano completo en un óvulo. Estos embriones, que se dejan en almacenamiento congelado después de que una pareja haya utilizado otros embriones para la implantación Considerado en el contexto del uso de embriones humanos para

e, idealmente, el embarazo y el parto, pueden donarse (con el

aislar células madre embrionarias, el debate sobre la destrucción

consentimiento de la pareja) para investigación. Dependiendo de la

necesaria del embrión es polémico. Ciertamente, las células madre

clínica de FIV o del país, los embriones congelados pueden desecharse

embrionarias teóricamente pueden usarse para formar cualquier tejido,

después de un cierto período de tiempo. Enumere usted mismo las

con el potencial de trasplantes para reparar o reemplazar tejido dañado

consideraciones éticas necesarias en este caso.

o enfermo. Esto podría sugerir que sería ético destruir embriones

Algunos dicen que es éticamente válido utilizar estos embriones para

humanos para investigación si, a partir de esa destrucción, significara

la investigación si, de lo contrario, serían desechados—

que dicha investigación podría conducir a tratamientos para enfermedades. Sin embargo, según la evidencia publicada actual, una

que algún bien ético podría salvarse de su existencia si fueran a

pregunta que primero debe hacerse es si las células madre embrionarias

Otros dicen que su destrucción para la investigación cruza una línea ética incompatible con el propósito para el que fueron creados

son tan buenas para los tratamientos potenciales como se afirma.

contribuir a una terapia potencial oa un nuevo conocimiento científico.

originalmente. Otra consideración que tiene tanto ética como componentes científicos es si otras alternativas viables, como las

Otra fuente potencial de embriones humanos es la creación específica de embriones con fines de investigación.

células madre adultas o las células madre pluripotentes inducidas,

Algunos han argumentado que el uso de embriones de repuesto para

son igual de buenas. Las cuestiones éticas toman entonces una nueva

investigación es éticamente válido (razonando que esto podría salvar

forma, preguntando, por un lado, si la investigación con embriones es

un bien potencial de una destrucción segura), pero que la creación

necesaria para que la ciencia explore todas las vías posibles de

específica de embriones para investigación no lo es. Para determinar

avances médicos o, por otro, si el cálculo ahora indica que la alternativa

si este argumento es éticamente consistente, considere si existe alguna

hace investigación éticamente contenciosa innecesaria. por supuesto

diferencia en los embriones biológicamente o solo en cuanto a la

uno

intención o el uso de los embriones.

Machine Translated by Google 376

Capítulo 13 Ética y Biotecnología

¿Se deben clonar humanos y otros animales por alguna razón? La creación de embriones mediante la clonación por transferencia nuclear de células somáticas plantea muchas de las mismas preguntas que surgen con la investigación con células madre, con la complejidad adicional de la técnica y la “identidad” potencial del clon (Figura 13.6). Un embrión clonado creado para ser transferido a un útero e implantado enfrenta muchos riesgos y factores de seguridad para su propio desarrollo y crecimiento, tanto antes como después del

una vez nacido, podría esperarse que “viviera una vida mejor” que la persona que fue clonada. Otra preocupación potencial surge si una persona previamente existente, ahora fallecida, hubiera sido clonada. La composición genética del clon ya sería conocida, ya estaría dictada, porque el proceso de clonación reproduce un individuo previamente existente. Se puede esperar que un clon esté a la altura de ese legado genético, con mayores expectativas por parte de los padres y otros en base a lo que logró el donante del material genético del clon.

Nuestros genes determinan muchas de nuestras nacimiento. La tasa de éxito de nacimientos vivos y la características físicas y nos predisponen a diversas subsiguiente supervivencia de los clones es extremadamente enfermedades o comportamientos, pero después de nacer hay muchas experiencias y entornos que nos hacen quienes somos baja. Como discutimos en los Capítulos 7 y 11, sabemos que puede haber una serie de problemas, algunos sutiles y otros muy graves, la salud los clones. Esas experiencias no se y encon quienes nosde convertiremos. Una consideración es si la creación de un embrión humano pueden duplicar, por lo que el clon crecerá de manera diferente clonado con la intención de iniciar un embarazo y un nacimiento al que fue clonado y puede comportarse de manera bastante vivo debe considerarse otro tipo de tecnología de reproducción diferente. Un clon de Einstein podría convertirse en artista en asistida similar a la FIV o si (debido a los riesgos de seguridad lugar de científico. Mucho más nos afecta a nosotros y a nuestra y las bajas tasas de éxito) debe considerarse poco ético. composición que solo nuestra genética, incluido nuestro entorno investigación humana. También deben tenerse en cuenta las y nuestras experiencias. Hasta ahora hemos considerado la creación de un clonado cuestiones sociales relativas a la identidad de un clon humano nacido. Por ejemplo, si una pareja decide crear un hijo clonado embrión humano con la intención de producir un niño nacido usando una célula de un donante de la esposa, el clon no sería una hija genética, sino la hermana de la esposa, una gemela tardía y no tendría ninguna relación con el esposo. .

Las consideraciones éticas relacionadas con el clon incluyen cómo la falta de parentesco con uno de los padres puede cambiar el parentesco y las relaciones familiares. Dado que el clon es una "copia" de uno de los "padres", el clon,

vivo. Sin embargo, esta no es la única propuesta para la creación de embriones humanos clonados. La creación de embriones humanos para la clonación terapéutica podría dar lugar a células embrionarias compatibles para pacientes (Figura 13.6) ya valiosos modelos de investigación humana para el estudio de enfermedades genéticas y cáncer. Aunque esto puede sonar como una razón potencialmente valiosa y éticamente válida para crear embriones humanos clonados, otros argumentan que tales embriones no deberían producirse.

enucleado huevo de

mujer donante transferencia nuclear Núcleo

de una celda

embrión clonado

Célula somática (cuerpo)

de hombre o mujer

Quitar interior

paciente

masa celular

La clonación reproductiva:

neuronas

Estadio de blastocisto

producir deseado

Trasplante Músculo

células sanas

podría ser implantado

Idéntico genéticamente

en embarazada mujer para crear

al donante de células somáticas

cultivo embrionario Células madre

Clonación terapéutica para producir sanos Paciente

embrión clonado

embrión clonado

tejidos para trasplante en un paciente

FIGURA 13.6 Esquema Teórico de Clonación Humana o Clonación Terapéutica para Producir Tejidos para Trasplante

clon humano de donante de células somáticas.

Machine Translated by Google 377

13.2 Ejemplos de Ética y Biotecnología

Un argumento en contra de la creación de embriones humanos clonados no se basa en el valor inherente del embrión como ser humano o persona, sino en el argumento de que la creación de embriones

huevo de madre con mitocondrial defecto

huevo de normal femenino

humanos para tales fines podría conducir a la comercialización humana, convirtiendo cualquier vida humana en una mercancía que se puede comprar. , vendido y usado, abaratando así la vida en el proceso. Aún otros han argumentado que no deberíamos estar creando embriones humanos de una manera que fabrique la vida humana, los llamados embriones de diseño.

Núcleo eliminado del óvulo de donante

Núcleo eliminado para

crear huevo enucleado

Fertilización de ovocitos reconstruidos (óvulo y mitocondrias de hembra normal, núcleo de óvulo de donante)

Un argumento a favor de la creación de embriones humanos clonados se basa en la suposición de que si un embrión no se crea por medios normales (en este caso, por fertilización), no es humano. Cada uno de estos argumentos se basa en diferentes definiciones de lo que significa ser humano y el valor que se le da a la vida humana. Curiosamente, hace casi 30 años, surgieron debates éticos similares sobre lo que significa ser humano cuando Louise Brown, la primera bebé probeta, fue concebida por FIV. A lo largo de los años, la FIV ha

Inserción de núcleo de óvulo de donante

Ovocito reconstruido con donante de material nuclear

sido aceptada como una forma completamente ética de concebir un embrión. Blastocisto en desarrollo implantado en un madre sustituta, quien dio a luz un mono bebe

Terapia de reemplazo mitocondrial Aproximadamente 1 de cada 5000 humanos tiene una enfermedad Mono rhesus normal

basada en el ADN mitocondrial (ADNmt) o está en riesgo de

cuyas células contienen el

desarrollar dicho trastorno genético. Muchos trastornos genéticos

genoma nuclear del madre afectada, la genoma nuclear de el padre, y el genoma mitocondrial de la hembra normal. el bebe mono contiene material genético de tres padres.

basados en el mtDNA pueden detectarse mediante pruebas genéticas, pero actualmente no hay curas disponibles para estos trastornos. En 2010, los científicos demostraron que el genoma del mtDNA se puede reemplazar en los óvulos de un primate no humano, el mono rhesus (Macaca mulatta). Esto se logró trasplantando el genoma nuclear de un óvulo de una madre a un óvulo receptor enucleado de otra hembra con un contenido normal de mitocondrias (Figura 13.7). Los óvulos reconstruidos fueron fertilizados e implantados en el útero de la madre original. El resultado fue la producción de “descendencia de tres padres” que contenía ADN nuclear del genoma nuclear materno trasplantado de una hembra, mitocondrias del óvulo receptor de otra hembra y un genoma paterno del donante de esperma. Como estos monos han progresado hasta la edad adulta, hasta ahora parecen ser normales.

FIGURA 13.7 Intercambio de ADN mitocondrial con ovocitos de monos Rhesus El núcleo de un ovocito (izquierda) con mitocondrias defectuosas se extrajo y se transfirió a un óvulo enucleado que contenía mitocondrias normales. Se inyectó el esperma del padre y, después de la fertilización, se implantó el blastocisto en desarrollo en una madre sustituta. El resultado fue un mono sano.

transmisión de enfermedades en familias con antecedentes conocidos de trastornos basados en el ADNmt. Se deben superar varios obstáculos técnicos y éticos si se va a Conocida como terapia de reemplazo mitocondrial (TRM) o FIV

utilizar la MRT en humanos. Por ejemplo, las técnicas actuales no

triparental, en 2012 la TRM se aplicó a óvulos humanos. Los cigotos

eliminan por completo la transferencia de algunas mitocondrias

exitosos se desarrollaron normalmente hasta la etapa de blastocisto, y

defectuosas al óvulo de la donante.

estos embriones se usaron para desarrollar líneas de células

No está claro si se transfieren suficientes mitocondrias defectuosas para

embrionarias cultivadas, que se probaron de muchas maneras. Estas

afectar la salud del embrión. Además, ¿es éticamente aceptable producir

líneas celulares se comportaron y probaron de manera similar a aquellas

descendencia con contribuciones genéticas de tres padres? En 2015, el

que no se habían sometido a MRT. Por lo tanto, esta tecnología puede

Reino Unido se convirtió en la primera nación en legalizar las técnicas

potencialmente ofrecer una opción de tratamiento futuro para prevenir

MRT, diseñadas para evitar que los niños hereden

el ADNmt.

Machine Translated by Google 378

Capítulo 13 Ética y Biotecnología

Enfermedades causadas por mutaciones en el mtDNA. Por lo tanto, las

nuevas estrategias para pruebas genéticas, tratamiento de enfermedades

mujeres con enfermedades basadas en el mtDNA posiblemente podrían tener hijos sanos derivados de su propio ADN nuclear y mitocondrias

nuestro ADN podría leerse tan fácilmente, existe una creciente preocupación

derivadas de un tercero.

genéticas y genómica personal. Pero debido a que la historia contada en por la privacidad de esa información genética. La secuencia de ADN de uno puede ser un identificador verdaderamente único. Los investigadores

Derechos del paciente y materiales biológicos

deben cuidar especialmente de proteger la confidencialidad de aquellos

Considere cómo se sentiría si le sucediera el siguiente escenario. Está

un flujo libre de información científica asegura la rápida difusión de ideas y

que han donado ADN para la secuenciación y las pruebas. Debido a que

recibiendo tratamiento para una enfermedad como la leucemia y dona

facilita los avances científicos, a continuación veremos algunas de las

sangre, médula ósea y muestras de células del bazo para su análisis como

formas en que los científicos pueden salvaguardar la información genética

parte de su tratamiento. Más tarde se entera de que los médicos que lo

para asegurar a los sujetos de investigación individuales o grupos de

trataron desarrollaron líneas celulares a partir de sus tejidos, que patentaron

sujetos que se mantendrá su privacidad. Esto es importante no solo para

y luego usaron para generar importantes recompensas financieras. De

tranquilizar a los sujetos de investigación, sino también para que los

hecho, tales situaciones han ocurrido y han dado lugar a una serie de demandas presentadas por pacientes. En estos casos, los pacientes han

científicos mantengan la confianza continua de las personas y su disposición a participar en proyectos de investigación.

afirmado que antes de dar su consentimiento informado para extraer las células, no se les dijo que sus médicos realizarían investigaciones sobre sus células y que se beneficiarían económicamente. Pacientes y abogados

Una muestra de preguntas éticas sobre la información genética incluye

han afirmado que estos ejemplos representan una ruptura de la relación

las siguientes (consulte el Capítulo 11 para una discusión más extensa y

médico-paciente y un ejemplo de un “principio de enriquecimiento injusto”.

más preguntas sobre las pruebas genéticas):

ÿ ¿Deberíamos examinar a las personas para detectar trastornos genéticos para los que no existen tratamientos efectivos? En la mayoría de estos casos, los pacientes han buscado una parte

ÿ ¿Qué obligación ética tienen los médicos y científicos de divulgar

de la compensación económica por sus células. En varios casos de alto

los resultados de las pruebas genéticas si el análisis del ADN de

perfil, los tribunales han dictaminado que los médicos tienen el deber de

una persona revela mutaciones no relacionadas con los motivos

revelar su interés personal en la investigación y posibles asuntos

originales de la prueba?

económicos no relacionados con el tratamiento del paciente. Pero los tribunales también dictaminaron que los donantes de células y otros

ÿ Un resultado negativo de una prueba genética no descartar siempre el desarrollo futuro de ciertas enfermedades, ni un

materiales biológicos no tienen derechos de propiedad sobre sus materiales

resultado positivo siempre significa que un individuo desarrollará una

biológicos, y los médicos y científicos que desarrollan patentes y reciben

enfermedad. ¿Cómo comunicamos de manera efectiva los resultados

beneficios financieros de estos materiales no son responsables de la compensación del paciente.

de las pruebas genéticas y los riesgos reales a la persona que se somete a la prueba? ÿ Los hallazgos incidentales son resultados que no eran el objetivo

Muchos donantes no saben que no son dueños de sus propias células y renuncian a un alto grado de control sobre sus tejidos cuando los donan.

principal de la prueba. Por ejemplo, si le hicieron una radiografía debido a una lesión en el pecho mientras practicaba un deporte y reveló un tumor en el pulmón (el hallazgo incidental), se le diría que

En relación con esto, incluso ha habido situaciones en las que muestras de esperma donadas se utilizaron para fertilizar óvulos y producir hijos sin el

tenía un tumor. ¿Se debe informar a las personas acerca de los hallazgos incidentales durante las pruebas genéticas (actualmente,

consentimiento de la persona que donó el esperma, lo que convirtió a los

no hay requisitos para hacerlo)?

hombres en padres sin su consentimiento. En general, las regulaciones estadounidenses favorecen cada vez más el consentimiento informado por escrito sin coerción para ningún sujeto donante. A medida que las tecnologías de células madre y medicina regenerativa se vuelvan más comunes, sin duda el tema de los derechos de los pacientes con respecto a los materiales biológicos se volverá aún más complejo y requerirá un mayor escrutinio y consideración ética.

ÿ A medida que el diagnóstico genético preimplantacional y las pruebas fetales se generalicen, seguirán surgiendo cuestiones éticas. ¿Cuándo se justifica que los padres descarten embriones? ¿Es aceptable para todas las enfermedades? ¿Para enfermedades que se desarrollan en la edad adulta? ¿Qué pasa si un gen solo aumenta el riesgo de una enfermedad? ÿ ¿Las personas que se hicieron la prueba cuando eran recién nacidos deberían tener acceso a su información genética cuando sean

Información genética y privacidad genética El Proyecto Genoma Humano ha conducido a la identificación de genes

adultos? En el futuro, esto podría incluir los resultados de la secuenciación del ADN fetal. ÿ ¿Debería ser posible que alguien se sometiera a pruebas de genes

responsables o que contribuyen a muchos estados de enfermedad. Como

no relacionados con enfermedades que afecten rasgos como la

saben, el proyecto también ha dado lugar a

inteligencia, el color de la piel, la altura o el peso?

Machine Translated by Google 13.2 Ejemplos de Ética y Biotecnología

TÚ DECIDES

379

Los piratas informáticos del genoma y los genomas "anónimos" identifican Donantes individuales de ADN

Usando únicamente herramientas de

mismos que no querrían que otros supieran. Cuando James

búsqueda de Internet disponibles

Watson, el co-descubridor de la estructura del ADN, hizo

públicamente, los científicos del Instituto Whitehead para la Investigación Biomédica en Massachusetts determinaron la identidad

secuenciar su ADN, no quería información sobre si tenía una variante del gen de la apolipoproteína E disponible públicamente.

de 50 individuos cuya información genética era parte del Proyecto 1000 Genomas. El investigador de Whitehead, Yaniv Erlich, demostró

Este gen está relacionado con un mayor riesgo de enfermedad de

que podía descubrir las identidades de las personas que participaron

Alzheimer. Para que las personas participen en pruebas genéticas y

en la investigación de secuenciación mediante el análisis de

estudios genómicos, deben confiar en este trabajo y no temer que su

repeticiones cortas en tándem de secuencias del cromosoma Y

información genética pueda ser vulnerable y mal utilizada.

disponibles públicamente para el Proyecto 1000 Genomas y luego cruzar los datos del estudio con información sobre dos genealogías

Erlich publicó los resultados de su trabajo pero no detalló

públicas. bases de datos Otros han demostrado que los nombres y

los procesos paso a paso que utilizó. ¿Fue esto ético? ¿Por qué

direcciones de cientos de personas involucradas en proyectos de

o por qué no? ¿Qué debe hacer la comunidad de investigación en

genoma supuestamente anónimos pueden revelarse comparando

genómica para garantizar la privacidad de la información genética

datos demográficos en diferentes bases de datos y cotejando registros

en los estudios del genoma? ¿Qué garantías esperaría si tuviera que

públicos que contienen códigos postales, fechas de nacimiento e

secuenciar su genoma? ¿Qué obligaciones éticas tienen los

información de género.

investigadores para garantizar la privacidad de la información genética?

Incluso aquellos que acceden a permitir que sus datos de ADN

Tú decides.

ser de conocimiento público puede tener información sobre

La identificabilidad, la posibilidad de que los datos genéticos difundidos se asocien con (o revelen la identidad confidencial de) individuos específicos, es una preocupación importante, especialmente a medida que más individuos se someten a análisis de secuencia del genoma completo o genómica personalizada y, cada vez más, a la medicina de precisión. Como sabe, una secuencia completa genera una gran cantidad de datos, que deben almacenarse electrónicamente y que pueden formar parte de un registro médico electrónico mantenido por un médico, compartido por correo electrónico o almacenado en la nube. La Ley de Responsabilidad y Portabilidad de Seguros Médicos (HIPAA, por sus siglas en inglés) ofrece protección para la información médica personal y establece estándares de privacidad, incluso para registros electrónicos. ¿Puede el mantenimiento de registros médicos electrónicos evitar la identificabilidad incluso cuando los pacientes acuerdan compartir o divulgar ciertos aspectos de sus registros médicos? Se ha propuesto el concepto de “buenas prácticas genómicas” (similar a las buenas prácticas de laboratorio y de fabricación en otras áreas de la biotecnología) para garantizar el manejo adecuado y ético de los datos del genoma. La línea celular de cultivo de tejidos HeLa es una de las líneas celulares más utilizadas y distribuidas en el mundo. Las células HeLa llevan el nombre de Henrietta Lacks, una madre pobre de cinco hijos de Baltimore, cuyas células se extrajeron de un tumor cervical y se cultivaron sin su permiso antes de su muerte en 1951. Recientemente, el genoma de las células HeLa se completó y se publicó en línea sin el consentimiento. de la familia Lacks, lo que plantea preocupaciones de que la información genética sobre la familia

habían sido liberados sin su permiso, violando así su privacidad. Hemos discutido las controversias asociadas con las pruebas genéticas directas al consumidor (Capítulo 11). A medida que la identificación de rasgos genéticos se vuelve más rutinaria en entornos clínicos, los médicos deberán garantizar la privacidad de sus pacientes. Existen preocupaciones significativas sobre cómo los empleadores, las compañías de seguros, las agencias gubernamentales o las percepciones adquiridas por el público en general podrían usar negativamente la información genética. La privacidad genética y la prevención de la discriminación genética serán cada vez más importantes en los próximos años. Como discutimos en el Capítulo 11, la Ley de No Discriminación por Información Genética (GINA, por sus siglas en inglés) prohíbe la discriminación basada en la genética o el uso indebido de la información genética en los seguros de salud y el empleo. Visa, Slack Technologies e Instacart son tres empresas de los Estados Unidos que recientemente ofrecieron a sus empleados pruebas genéticas subvencionadas para el cáncer de mama y de ovario. Aunque se reconoce como un beneficio valioso, algunos afirman que podría conducir a la invasión de la privacidad y la discriminación de los empleados por otras pruebas genéticas. Las pruebas de obesidad a través de pruebas genéticas pueden indicar aquellos con mutaciones que crean una tendencia a mantener el peso y afectan negativamente el apetito. La diabetes tipo 2 puede costar a las empresas $ 12,000 por año por empleado. Una empresa que proporciona pruebas genéticas, Newtopia, afirma que no proporciona resultados de pruebas individuales, solo la participación total de los empleados y la pérdida total de peso.

Machine Translated by Google 380

Capítulo 13 Ética y Biotecnología

información. ¿Son estas garantías adecuadas para proteger la privacidad individual y prevenir la discriminación? ¿Qué otras salvaguardias se necesitan?

¿Más o menos humanos? El primer ejemplo exitoso de terapia génica involucró a niños que padecían el síndrome de inmunodeficiencia combinada severa de adenosina desaminasa (ADA-SCID; Capítulo 11). Las personas con ADA-SCID nacen sin un sistema inmunitario eficaz, principalmente debido a un gen defectuoso en sus células inmunitarias. Los tratamientos exitosos han utilizado células madre adultas de la médula ósea de los niños, usando ingeniería genética para agregar el gen correcto y reemplazando las células madre modificadas en los pacientes (consulte la Figura 11.16). Piense en algunas de las consideraciones éticas asociadas con la tecnología de terapia génica. Los tratamientos de terapia génica como los que se usan para corregir la SCID ADA parecen ser muy exitosos, por lo que uno podría pensar que no debería haber preocupaciones. Sin embargo, debido a que estos son

condición a alteraciones e incluso mejoras de la composición genética humana. Considere si la mejora genética, tal vez para aumentar la masa muscular o la capacidad de transporte de oxígeno de los glóbulos rojos, también podría considerarse médicamente necesaria para la salud del individuo, incluso si en realidad fuera solo una preferencia personal. La prohibición de tales alteraciones genéticas podría considerarse como una vulneración de los derechos individuales. Debido a que el genoma de este individuo sería alterado a algo diferente a lo normal, debemos reconsiderar la cuestión de si él o ella todavía se consideraría humano, así como también lo que podríamos incluir en esa definición. Muchas preguntas rodean la posibilidad del dopaje genético en los atletas, es decir, el uso de la terapia génica para la modificación genética a fin de mejorar los rasgos humanos importantes para los deportes. Las técnicas genéticas aplicadas a animales han demostrado una función muscular mejorada, una mayor producción de células sanguíneas y contenido de oxígeno, y un metabolismo mejorado y rendimiento de resistencia.

procedimientos médicos experimentales, ciertamente existen problemas de consentimiento informado, seguridad y eficacia. Edición del genoma y gen de la línea germinal Un problema de seguridad que ha surgido es el potencial de Modificaciones formación de cáncer. Como se discutió en el Capítulo 11, un vector de adenovirus utilizado para la terapia génica provocó La pregunta de qué hace que un organismo sea humano se leucemia en varios niños. Esta consecuencia generó una vuelve más apremiante cuando observamos el potencial de la preocupación considerable acerca de las futuras terapias edición del genoma. Como discutimos en el Capítulo 11 y en genéticas, especialmente utilizando este vector viral en particular. otras partes del libro, la edición del genoma mediante enfoques Entonces, una consideración ética podría ser los riesgos como CRISPR-Cas genera una amplia gama de consideraciones asociados con la alteración de la genética de un individuo, éticas. CRISPR hace posible editar genomas con precisión y especialmente la especificidad de la orientación para la inserción del gen reemplazo. condemucha más facilidad que otros enfoques. CRISPR ya se ha Las terapias génicas somáticas actuales y propuestas utilizado para editar los genomas de ratones, ratas y monos, y implican el tratamiento de enfermedades genéticas existentes. pocos científicos dudan de que funcione de la misma manera en las personas. Sin embargo, deberíamos considerar la posibilidad de tratamientos genéticos para condiciones en las que solo existe una tendencia genética hacia una enfermedad en particular y Actualmente, ningún tema suscita más atención que los no hay certeza de que la enfermedad ocurra. Una posibilidad es peligros de la edición del genoma para la modificación genética el cáncer de mama, en el que la mutación en genes como de la línea germinal humana: alterar genéticamente el esperma, BRCA1 y BRCA2 aumenta el riesgo de desarrollar cáncer de los óvulos o los embriones humanos que durarán toda la vida mama y de ovario. Debemos considerar la diferencia entre una del individuo y se transmitirán a las generaciones futuras. La enfermedad genética y un atributo genético. Para una enfermedad genética como ADA-SCID, se sabe que un individuo con tal problema genético definitivamente desarrollará la enfermedad. Sin embargo, un atributo genético no significa que la enfermedad ya exista o que inevitablemente se desarrollará. Si consideramos atributos que no necesariamente conducen a una enfermedad o que ni siquiera pueden estar asociados con un mayor riesgo de enfermedad, ampliamos nuestras consideraciones de ingeniería genética más allá de lo terapéutico y comenzamos a contemplar si consideraremos otras posibles modificaciones genéticas como éticamente. aceptable, yendo más allá del tratamiento para un problema existente.

edición de la línea germinal puede afectar cada célula del cuerpo del individuo, haciendo que la alteración genética sea hereditaria. Potencialmente, esto podría significar la eliminación de algunas enfermedades genéticas, porque esos genes podrían eliminarse del acervo genético humano. Por supuesto, cualquier problema que resulte de la alteración genética también podría ser hereditario, al igual que cualquier mejora genética. Considere si este tipo de edición del genoma, que afectaría no solo al individuo tratado sino también a las generaciones futuras, podría ser éticamente aceptable. Algunos de los posibles resultados de eliminar o agregar genes en el acervo genético humano podrían incluir la eliminación de enfermedades genéticas o la susceptibilidad a las enfermedades, una mayor

Machine Translated by Google 13.3 Economía, el papel de la ciencia y la comunicación

TÚ DECIDES

381

¿Iguales o diferentes?

Considere el siguiente escenario.

empaquetado en forma de células embrionarias tetraploides,

Se crea un embrión por FIV para una

creando un embrión que se implanta en la mujer y se lleva a término. El bebé que nace no tiene la enfermedad genética, y

pareja que quiere un hijo. Sin embargo, se sabe que la pareja es portadora de una enfermedad genética y existe un 100 por ciento

tampoco la tendrá ninguno de los descendientes de ese niño.

de certeza de que el embrión tendrá la enfermedad.

Además de las varias cuestiones éticas que se pueden discutir

Los científicos que trabajan con la pareja aíslan células madre

con respecto a este escenario, considere esta: ¿Es el niño nacido el mismo ser humano/

embrionarias del embrión. En cultivo, son capaces de reparar el problema genético en las células mediante la edición del genoma.

individuo/persona como el embrión original? Considere las

Luego, algunas de las células madre embrionarias se

respuestas del utilitarismo y el objetivismo. Tú decides.

rendimiento humano, mayor o menor esperanza de vida humana y

y tanto los individuos como las empresas buscan utilizar la

mayores riesgos de cáncer. Un premio Nobel ha sido partidario de este tipo de investigación

biotecnología para descubrimientos que serán rentables. Después de todo, la biotecnología es un negocio.

porque podría conducir al desarrollo de un “mejor ser humano”; pero podríamos hacer una pausa para considerar qué constituye “mejor” y qué definición debe utilizarse en estas decisiones.

La investigación científica no solo es costosa, sino que los proyectos, las empresas y las carreras pueden vivir o morir dependiendo de la financiación y la rentabilidad de la investigación. Claramente, no hay suficiente dinero para financiar todas las

Otro resultado potencial mencionado a veces para la alteración

propuestas científicas, ya sea que la propuesta sea de un miembro

genética de la línea germinal podría ser la creación de una nueva

de la facultad de la universidad que realiza una investigación o de

especie superior de humanos, el concepto básico detrás de la eugenesia. Un potencial negativo asociado con este resultado podría

una empresa que trabaja para desarrollar un nuevo producto. La financiación de la investigación a menudo se evalúa en función de si

ser dividir a los humanos en diferentes clases sociales genéticas. En

aumentará nuestro conocimiento sobre aspectos fundamentales de

2015, un grupo de destacados biólogos pidió una moratoria mundial

la ciencia o producirá un descubrimiento o producto que mejore nuestras vidas.

sobre el uso de esta nueva técnica de edición del genoma que alteraría el ADN humano de forma hereditaria.

Muchos investigadores de colegios y universidades que buscan financiamiento envían propuestas de investigación a las agencias de

En los Estados Unidos, una encuesta (consulte el artículo de

financiamiento. Estas propuestas luego son revisadas por paneles de científicos que hacen recomendaciones a las agencias de

Scheufele et al., 2017, en las referencias del Capítulo 13 en el sitio

financiamiento sobre qué proyectos deben financiarse.

web complementario) informó que aproximadamente el 65 % de los

Pero la cantidad de dinero e incluso algunas de las decisiones sobre

encuestados consideraron aceptable la edición tanto somática como

la dirección de la financiación también provienen de quienes

germinal. Pero cuando se les preguntó acerca de la mejora de la

proporcionan el dinero, especialmente el gobierno.

línea germinal, se informaron niveles más bajos de aceptación para

La mayoría de las decisiones se basan en el éxito potencial de la

la edición de la línea germinal (26 por ciento, con un 51 por ciento

ciencia, su novedad y su aplicación potencial a la salud y el

que la consideró inaceptable), en comparación con la mejora

conocimiento general. Sin embargo, algunas de las decisiones

somática (39 por ciento, con un 35 por ciento que la consideró

también pueden verse afectadas por el grado de conocimiento de

inaceptable).

los científicos por parte de los revisores o por la presión política.

Consulte You Decide: Human Embryo and Germline Editing en el Capítulo 11 para una discusión ética sobre este tema.

Deberíamos considerar no solo cómo se evalúan las propuestas de investigación y sus posibilidades de éxito, sino también la posibilidad de que contribuyan a la amplitud del conocimiento científico (porque en la ciencia es difícil saber de dónde pueden

13.3 Economía, el papel de Ciencia y Comunicación

provenir los próximos grandes avances y qué el conocimiento previo podría conducir a tales avances). Consideraciones adicionales son los costos y el acceso a cualquier tratamiento que pueda producirse. La financiación de la investigación podría ser tan costosa que sólo

No podemos escapar al hecho de que el dinero juega un papel importante en las decisiones de investigación. Las inversiones

los ricos podrían beneficiarse de ella, o podría resultar ser un desperdicio colosal de

privadas y los fondos gubernamentales impulsan la investigación y el desarrollo,

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Capítulo 13 Ética y Biotecnología

TÚ DECIDES

¿Qué tratar con la terapia génica?

En el Capítulo 11, analizamos algunas de las cuestiones científicas no resueltas en

¿Debería haber participado en un ensayo de terapia génica? La terapia génica es actualmente muy costosa. ¿Todos deberían

torno a la terapia génica. También hay muchas preocupaciones éticas

tener acceso a la terapia génica sin importar el costo? ¿Qué tipos

sobre la terapia génica y los riesgos asociados con ella. ¿El paciente y

de enfermedades y condiciones deberían ser objeto de terapia génica

los miembros de su familia comprenden los riesgos asociados con los

(por ejemplo, solo enfermedades mortales)? ¿Qué pasa con las

ensayos de terapia génica? Por ejemplo, Jesse Gelsinger (recuerde

enfermedades tratables para las que se usaría la terapia génica para

del capítulo 11 que Jesse murió como resultado de su terapia génica)

que los pacientes no tuvieran que tomar medicamentos diarios pero

tenía una forma relativamente leve de una enfermedad que estaba

efectivos? ¿Qué pasa con las condiciones cosméticas como la calvicie? Tú decides.

siendo tratada con éxito con medicamentos.

dinero y tiempo; simplemente podría sugerir que otras vías de investigación tendrían una mejor oportunidad de producir resultados

Los derechos de propiedad intelectual también son importantes cuando consideramos las implicaciones éticas de la investigación y

útiles. Debido a que las posibles fuentes de financiación para la

su financiación. El patentamiento de la propiedad intelectual—

investigación son limitadas, es posible que las decisiones de

ya sean aplicaciones que involucren secuencias de ADN particulares,

financiación deban sopesarse en términos de si la financiación de un

nuevos tipos de células, OGM o incluso embriones,

tipo de investigación podría disminuir la financiación de otra línea,

puede ser lucrativo para los descubridores, pero también puede

potencialmente más exitosa. Una empresa de biotecnología con una idea potencialmente

plantear dilemas éticos y científicos. Por ejemplo, considere las posibilidades de un gen humano que ha sido aislado y caracterizado,

rentable normalmente tiene que buscar financiación de capitalistas

y luego patentado por el descubridor. La persona o empresa titular de

de riesgo y otros inversores dispuestos a financiar la investigación y

la patente podría exigir que cualquier persona que intente realizar

el desarrollo (I+D) necesarios para el desarrollo del producto. Si tales

una investigación con el gen patentado pague una tarifa de licencia

inversionistas son reacios al riesgo pero buscan ganancias, ¿quién

por su uso.

financiará la investigación experimental arriesgada que es costosa

Si de la investigación resultara una prueba diagnóstica o una terapia,

pero tiene un gran potencial para salvar vidas o conducir a alguna

es posible que se requieran más honorarios y regalías.

tecnología nueva y útil? Incluso podríamos extender la discusión de la economía a

Esto podría dificultar o encarecer la investigación de algunos genes o limitar el uso clínico del gen patentado.

cuestiones éticas, como si es aceptable pagar a las mujeres para que donen óvulos para la investigación con células madre. La falta de óvulos de calidad que quedan de la FIV, junto con la mayor demanda

Más recientemente, ha surgido una gran controversia sobre a quién se le debe otorgar la primera patente para el uso del sistema

de óvulos a medida que la investigación con células madre se vuelve

CRISPR-Cas en la edición del genoma. En 2014, la Oficina de Marcas

más común, está impulsando la necesidad de óvulos humanos. En

y Patentes de EE. UU. (PTO) otorgó la primera patente a Feng Zhang

2009, Nueva York se convirtió en el primer estado de EE. UU. en

del Instituto Broad y el MIT para la aplicación de CRISPR-Cas a

permitir el uso de dinero público de esta manera, ¡hasta $10,000! Algunas de las cuestiones éticas aquí giran en torno al riesgo asociado

células eucariotas. Pero una solicitud de patente de Jenni fer Doudna

con la estimulación hormonal, las posibles complicaciones y los

quien descubrió conjuntamente el sistema CRISPR-Cas como una

de la Universidad de California-Berkeley y Emmanuelle Charpentier,

enfoques invasivos necesarios para recolectar óvulos. Muchas

herramienta de edición del genoma, se presentó 7 meses antes que

cuestiones económicas y no económicas giran en torno a este tema:

la de Zhang.

ÿ ¿Se debe pagar a las mujeres como donantes de óvulos?

ÿ De ser así, ¿debería haber límites a dichos pagos? ÿ ¿Debería haber un límite sobre cuántas veces

Zhang, sin embargo, había solicitado una patente de vía rápida, que otorgó la patente 6 meses después de que presentó la solicitud. La PTO de EE. UU. decidió que la solicitud de Zhang era claramente diferente de la patente más amplia de Berkeley sobre ingeniería

¿La mujer puede donar óvulos durante un período de tiempo determinado o se le debe permitir servir como donante “en

genética por CRISPR.

serie”, donando docenas de óvulos a lo largo del tiempo?

licencias de la tecnología para una variedad de aplicaciones en

ÿ ¿El pago de los óvulos creará un mercado en el que las mujeres utilicen la donación de óvulos como una forma de empleo?

Las patentes de CRISPR han llevado a muchas empresas a obtener medicina, agricultura e industria, y para 2017 el valor colectivo de estas empresas ya había superado los 100 millones de dólares.

Machine Translated by Google 13.3 Economía, el papel de la ciencia y la comunicación

383

cuidado e intereses éticos. La bioética se vuelve críticamente importante para la industria biotecnológica porque las discusiones y debates éticos son a menudo la fuerza impulsora para hacer leyes en general (leyes que rigen el comportamiento de la población y ciertamente leyes que regularán la industria biotecnológica) una vez que se convierte en un consenso general de un población particular que una ley es necesaria. La comunicación precisa y honesta es vital para el éxito de la ciencia en general y de la biotecnología en particular. Los científicos deben estar dispuestos y ser capaces de comunicarse abierta y sinceramente con otros científicos, pero también, y lo que es más importante, con la comunidad en general. Un público que no pueda entender y apreciar la importancia de las contribuciones que la ciencia hace a su vida diaria no apoyará sus esfuerzos. Es necesaria una comunicación directa, sin exagerar el potencial de la investigación o la inminencia de los resultados y sin utilizar terminología confusa. Si el público y los responsables políticos creen que han sido engañados, los resultados podrían ser desastrosos tanto para la ciencia como para la sociedad. Si el público cree que los científicos son insensibles a las cuestiones éticas en su investigación, les resultará difícil ganarse la confianza del público. La consideración de todos los hechos FIGURA 13.8 La toma de decisiones éticas es una parte esencial de la ciencia es importante. La integridad en la investigación es esencial, pero también lo es la integridad en la comunicación de la ciencia. Muchas de estas preguntas éticas involucran decisiones difíciles que no solo lo afectan a usted, sino también a otras Algunos médicos ya se han quejado de que no pueden vidas, tanto ahora como en el futuro. Siempre sería más fácil permitirse pasar los cargos de ciertas pruebas genéticas a si las decisiones, especialmente las difíciles, pudieran tomarse sus pacientes debido a las restricciones de licencia. por usted. Pero el último enfoque supone que el tomador de Sin embargo, limitar o impedir las patentes de genes o decisiones tiene todos los hechos o tiene objetivos que herramientas genéticas podría eliminar el incentivo para coinciden con los suyos. También implica renunciar a su realizar dicha investigación, especialmente para las empresas libertad individual para tomar esas decisiones, así como a su que esperan beneficiarse de su investigación. Recopilar una responsabilidad individual. Con la libertad viene la lista de posibles problemas éticos asociados con la patente responsabilidad: si eliges, eres responsable de esas de genes o células y considerar posibles alternativas o elecciones, y tus elecciones no solo te afectan a ti, sino compromisos que podrían alcanzarse para permitir que continúe la investigación. también a los demás. Una persona inteligente conoce los Las cuestiones éticas relacionadas con la biotecnología mejores medios para lograr un fin; una persona sabia sabe también tocan el papel de la ciencia en la sociedad (Figura por qué fines vale la pena luchar. 13.8). La ciencia y la tecnología han proporcionado descubrimientos e invenciones que hacen que nuestras vidas sean más felices y saludables. Pero es importante considerar HACER UNA DIFERENCIA si los científicos deberían tener libertad ilimitada para investigar. A menudo es difícil saber cuál será la fuente del El sistema inmunológico humano tiene la clave para prevenir y próximo gran avance y, a veces, surgen nuevos descubrimientos controlar un amplio espectro de enfermedades infecciosas, de fuentes y caminos inesperados que muchos científicos ni cánceres, enfermedades autoinmunes y alergias. El Proyecto de siquiera consideran que valga la pena seguir. Debemos Vacunas Humanas es una colaboración público-privada para determinar cómo la ciencia puede servir mejor a la sociedad. identificar las respuestas inmunitarias humanas asociadas con Todo el concepto de regular algo tan impredecible y fluido una protección vacunal óptima. Los conocimientos obtenidos del como el descubrimiento científico es difícil. También es difícil proyecto guiarán el desarrollo de vacunas potencialmente saber quién debe decidir estas cuestiones: los científicos mejoradas contra enfermedades como la influenza, el dengue, el porque saben cómo funciona la ciencia, los políticos porque VIH y otras enfermedades infecciosas, así como el cáncer. Al deben establecer las reglas o la sociedad porque es la más reunir a los principales investigadores de vacunas, instituciones y afectada por las decisiones. Considere qué tipos de empresas biofarmacéuticas, y aprovechar los avances tecnológicos regulaciones podrían satisfacer mejor las necesidades tanto recientes en biología molecular y celular y bioinformática, el de la ciencia para promover el descubrimiento como de la sociedad para promover proyecto puede la salud.

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Capítulo 13 Ética y Biotecnología

permitir el desarrollo acelerado de vacunas e inmunoterapias para algunas de las enfermedades más devastadoras de nuestro tiempo. La empresa más reciente en unirse al proyecto es Pfizer. ¿Qué cuestiones éticas cree que surgirán si este proyecto conduce a nuevas vacunas que puedan administrarse al público para prevenir enfermedades? ¿Cree que los bioeticistas deberían formar parte de la normativa de aplicación?

8. Si apoya la liberación de organismos transgénicos como

plantas o insectos en el medio ambiente, desarrolle un plan para controlar la propagación de estos organismos. 9. Si una empresa desarrolla una vacuna para una enfermedad mortal sin cura, pero los primeros estudios muestran que la vacuna es efectiva solo en alrededor del 40 por ciento de los pacientes, ¿debería la empresa esperar para llevar la vacuna al mercado mientras trabaja para mejorar la eficacia de la vacuna?

PREGUNTAS Y ACTIVIDADES

eficacia (que puede no ser posible) y las personas que padecen la enfermedad mueren, o debería estar disponible de inmediato?

Las respuestas se pueden encontrar en el Apéndice 1.

10. ¿Hay alguna diferencia entre un ser humano y una persona? ¿Por 1. ¿Cuáles son los dos principales enfoques del pensamiento

qué o por qué no?

ético y en qué se diferencian? 2. “En septiembre pasado, una niña de California llamada Molly recibió un trasplante de sangre del cordón umbilical de su hermano recién nacido, Adam, que le salvó la vida.

Molly, que tenía 8 años, sufría de un trastorno sanguíneo genético potencialmente mortal conocido como anemia de Fanconi. Pero lo que hizo que el procedimiento fuera particularmente inusual fue que Adam podría no haber nacido si su hermana no hubiera

11. Suponga que la terapia génica pudiera usarse para reducir los niveles de colesterol y grasas saturadas en la sangre, lo que permitiría a las personas consumir alimentos fritos ricos en grasas con poco riesgo de enfermedades cardíacas. Sin embargo, este tratamiento podría no funcionar para todos y no habría forma de saber de antemano quién se beneficiaría. Como resultado, algunas personas inevitablemente morirían prematuramente por enfermedades del corazón.

¿Debería aprobarse dicha terapia génica para su uso en humanos? Responda a esta pregunta describiendo brevemente cómo un bioeticista que cree en un enfoque utilitarista podría ver este escenario y contrastar esta perspectiva con un punto de vista deontológico. tendría la enfermedad y que sería el mejor tejido compatible con Molly”. 12. Si se extrae una sola célula de un embrión in vitro ¿Fue esto ético? y conservado para su uso en la futura regeneración de Adaptado de Kline RM. ¿De quién es la sangre, de todos modos? órganos, pero el embrión no sufre daños y puede seguir Científico americano. 2001;284(4):42–49. desarrollándose normalmente, ¿es este un uso ético del 3. Cuando las compañías farmacéuticas descubren que un tejido embrionario humano? estado enferma. Fue concebido a través de FIV, y los médicos seleccionaron específicamente su embrión de un grupo de otros para implantarlo en el útero de su madre después de que las pruebas mostraran que no

medicamento objetivo no responde a su nuevo fármaco, ¿tienen la obligación legal de informar a otras compañías farmacéuticas? 4. Haz una tabla con una lista en una columna de todas las

13. Michelle, una candidata a doctorado en ciencias de 21 años en una de las mejores universidades de los Estados Unidos, es una mujer atractiva. Para ganar un poco de dinero extra,

posibilidades que se te ocurran para las interacciones que una

responde a un anuncio en un periódico local de una clínica de

planta GM podría tener con el ecosistema. Luego, en la segunda

fertilidad que busca mujeres ansiosas por donar óvulos para

columna, enumere los posibles resultados, buenos o malos, para

parejas infértiles que buscan tener hijos. A Michelle se le pagará

cada una de las interacciones enumeradas. 5. Si un cultivo GM fue diseñado para producir hormona de crecimiento, ¿cuáles son algunos de los posibles resultados éticos y preguntas que deben anticiparse?

por estos huevos, alrededor de $5,000 cada uno. Durante un período de varios años, dona óvulos para parejas infértiles y óvulos para procedimientos de transferencia nuclear de células somáticas utilizados para crear embriones para derivar células madre embrionarias.

6. Como aprendió en el Capítulo 6, el Estándar Nacional de Divulgación de Alimentos Bioingeniería aprobado en 2016 requiere que los alimentos biotecnológicos que contengan OGM estén etiquetados. Explique las ventajas y desventajas de etiquetar los alimentos GM y los posibles problemas éticos asociados con esta discusión. 7. Si un alérgeno alimentario puede eliminarse de los productos alimenticios mediante el uso de una fuente de alimento vegetal recombinante y un consumidor se ve perjudicado por la falta de voluntad de un productor para utilizar la fuente GM, ¿podría la empresa ser considerada responsable del daño creado?

Durante este tiempo, Michelle gana alrededor de $45,000 por sus óvulos donados. Nunca sabrá si alguno de sus óvulos realmente condujo a un embarazo exitoso. ¿Está esto éticamente bien para usted? ¿Es aceptable pagarle a alguien por sus huevos? ¿Qué información crees que se les debe dar a las posibles donantes de óvulos antes o después de hacer una donación? 14. Nunca hay suficiente dinero disponible, incluso

del gobierno, para apoyar cada propuesta de investigación científica que se presente a las agencias de financiamiento. ¿Cómo se deben tomar las decisiones sobre

Machine Translated by Google Estudio de caso El proyecto GTEx, cadáveres y derechos de la familia

¿Cuáles de estas propuestas son una pérdida de dinero y

385

tratar de obtener la aprobación de patentes que tienen

cuáles producirán descubrimientos que pueden cambiar la vida

un alcance demasiado amplio. ¿Por qué podría ser esto

humana para siempre? Cuando los científicos de la competencia

ventajoso para una empresa? ¿Existen instancias en las que

solicitan subvenciones para investigación, ¿qué principios deben

las patentes puedan interferir con el progreso de la investigación

guiar las decisiones sobre cómo se gastará el dinero de los

y el desarrollo? Explique su

impuestos disponibles? ¿Deberían las preocupaciones éticas ser

respuestas

parte de tales decisiones de financiamiento?

19. En una escuela en Newtown, Connecticut, en 2013, un hombre disparó contra 20 niños, 6 miembros del personal escolar, su

15. ¿Qué es la terapia de reemplazo mitocondrial?

(MRT) y cómo se puede utilizar para tratar enfermedades de

madre y él mismo. A raíz de esta horrible tragedia, los genetistas

mtDNA? ¿Es ético producir niños mediante MRT y FIV? Utilice

de la Universidad de Connecticut en Farmington analizaron los

enfoques de objetivismo o utilitarismo para responder a esta

genes del tirador. ¿Qué problemas éticos podrían estar asociados

pregunta. Con base en lo que sabe sobre MRT, ¿es "bebés de

con las variaciones genéticas que podrían revelarse acerca de

tres padres" una forma apropiada de describir a los hijos

este individuo? Describa sus respuestas.

nacidos de este enfoque? Explique sus respuestas. 20. Basándose en lo que ha aprendido sobre la biotecnología, ¿cuáles

Realice una búsqueda en Internet con los términos de búsqueda Nuffield Council on Bioethics and MRT. ¿Dónde está ubicado el Consejo de Nuffield y qué declaraciones ha hecho el Consejo sobre la ética de MRT?

cree que son los 5 o 10 temas o aplicaciones principales que plantean las preocupaciones más éticas? ¿Cuál de estos temas es de mayor interés para usted? ¿Por qué esto es tan?

16. GINA (Ley de no divulgación de información genética) cubre el seguro médico pero no el seguro de vida.

¿Se debe incluir un seguro de vida? ¿Por qué o por qué no? Explique. 17. ¿Qué problemas éticos están asociados con el genoma?

edición y modificación de genes de la línea germinal? Describir los riesgos y la ética de editar embriones humanos. 18. ¿Qué cuestiones éticas se pueden asociar con la patente de un

Visite www.pearsonglobaleditions.com para el sitio web complementario El sitio web complementario incluye preguntas de prueba, fichas didácticas, herramientas de estudio, referencias de Internet y bibliográficas, e información sobre carreras en biotecnología, incluidos los perfiles profesionales aportados por profesionales que trabajan en la industria de la biotecnología.

producto o aplicación biotecnológica? A menudo, las empresas Este estudio de caso se ha incluido para brindarle la oportunidad de familiarizarse con un ejemplo de investigación aplicable a este campo de estudio. Una vez que haya analizado los datos y respondido las preguntas, puede compararlos con los que le proporcionó a su instructor con los materiales del texto.

CASO DE ESTUDIO El Proyecto GTEx, Cadáveres y Derechos de Familia 2. ¿Debe ser la divulgación de cualquier resultado experimental un https://www.gtexportal.org/home/) El proyecto es un esfuerzo La Expresión Genotipo-Tejido (GTEx;por verlos NIH en los EE. UU. para de $ 100 millones financiado examinar las variaciones de la expresión génica en diferentes partes del cuerpo y en múltiples individuos. Si bien las familias o los individuos dieron su consentimiento para los cadáveres que han sido donados para el proyecto, la mayoría de las familias no se dieron cuenta de que no tendrían acceso a los hallazgos genéticos de GTEx, incluso aquellos que pueden afectar a las familias de los donantes al revelar predisposiciones

requisito para otorgar el consentimiento para permitir que el cuerpo de un ser querido se use como cadáver para la investigación? 3. Si estuviera en esta situación, ¿le disgustaría saber que los investigadores podrían tener acceso a información genética sobre usted y su familia que es relevante para su salud pero no revelarle esta información?

a enfermedades genéticas. 4. Las personas muertas no se consideran sujetos humanos.

Preguntas Las respuestas se pueden encontrar en www.pearsonglobaleditions.com 1. ¿Deberían los miembros de la familia ser informados de incidentes ¿recomendaciones?

¿Qué preguntas éticas le plantea este estudio de caso sobre la investigación con cadáveres?

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APÉNDICE 1

Respuestas a preguntas & Actividades Las respuestas para los estudios de casos se pueden encontrar en www.pearsonhighered.com/biotechnology

Capítulo 1 1–2. Actividades abiertas; respuestas variables. 3. Biorremediación. 4. La medicina de precisión implica prescribir una estrategia de tratamiento

proporcionar dinero para empresas en etapas iniciales, de alto riesgo y potencialmente rentables) o inversores "ángeles" (individuos que proporcionan capital para una puesta en marcha a cambio de la propiedad y la obtención de ganancias en la empresa). 15. La industria farmacéutica se dedica principalmente a la producción, venta y

basada en información específica sobre la enfermedad particular del

comercialización de medicamentos para el tratamiento de seres humanos.

individuo. Por ejemplo, la estrategia de tratamiento podría basarse en el

Esta es una similitud con muchas empresas de biotecnología (médica);

perfil genético de un paciente, ajustando el fármaco a la genética del

sin embargo, la forma en que la industria farmacéutica, en contraposición a la

paciente. Se puede analizar una muestra de ARN o ADN de un paciente con

biotecnología, produce estos medicamentos es diferente. Las empresas

una condición médica para determinar si los genes que expresa esa persona

farmacéuticas utilizan principalmente procesos químicos sintéticos para fabricar

coinciden con el perfil genético de un proceso de enfermedad en particular. Si

compuestos de fármacos, mientras que las empresas de biotecnología utilizan

es así, se puede diseñar un enfoque de tratamiento específico de acuerdo con

células vivas para producir un fármaco. Las empresas farmacéuticas también

la estrategia de tratamiento más conocida basada en el perfil genético del

suelen producir dispositivos médicos. En los últimos años, muchas grandes

paciente, con medicamentos que se dirijan a proteínas específicas codificadas

empresas farmacéuticas han adquirido empresas de biotecnología más

por esos genes.

pequeñas; como resultado, muchas compañías farmacéuticas tradicionales también están haciendo I+D en biotecnología. Por ejemplo, la empresa

5. Actividad abierta; respuestas variables. 6. Ningún producto puede salir de una empresa biotecnológica hasta que

pasa pruebas rigurosas por la unidad interna llamada control de calidad (QC). El control de calidad (QA) es responsable de monitorear todo lo que ingresa

farmacéutica Roche compró la empresa de biotecnología Genentech. 16. Abierto. Sin respuesta específica. Los estudiantes se registran para bio e-noticias tecnológicas.

17–20. Actividades abiertas; respuestas variables.

y sale de una empresa para garantizar la seguridad y la calidad del producto y rastrear las fuentes de los problemas identificados por las quejas según lo especificado por las agencias reguladoras, como la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. (FDA). Las medidas de control de calidad y control

Capitulo 2 1. Consulte la Tabla 2.1 y la Figura 2.2 para ver una comparación de

de calidad son importantes para cada paso de la investigación y el desarrollo

células eucariotas y procariotas y diferencias importantes entre estos tipos de

(I+D), así como para la fabricación de productos, incluidos el embalaje y la

células.

comercialización. 7–10. Actividades abiertas; respuestas variables. 11. Preguntas abiertas; respuestas variables sobre posibles ventajas y desventajas y cuestiones éticas. Pero una razón principal por la que los científicos están interesados en este enfoque es que podría reducir la necesidad de criar y criar animales para la producción de carne.

2. Los genes son secuencias de nucleótidos de ADN, generalmente de

1000 a alrededor de 4000 nucleótidos de largo, que proporcionan las instrucciones (código) para la síntesis de ARN. La mayoría de los genes producen moléculas de ARNm que codifican proteínas, pero algunos genes producen ARN que no codifican proteínas. Los genes están contenidos en los cromosomas, que son espirales apretadas de ADN y proteína. Los cromosomas permiten que las células separen el ADN de manera uniforme durante la división celular. Los cromosomas contienen múltiples genes, y la

12–13. Preguntas de final abierto; respuestas variables.

cantidad de genes en un cromosoma puede variar según su tamaño.

14. Las empresas de biotecnología a menudo comienzan con un descubrimiento de un científico que trabaja en el mundo académico. Por ejemplo, se descubre

3. 1' de carbono.

que un gen o una proteína son importantes en el proceso de una enfermedad y pueden tener aplicaciones potenciales como producto de ADN recombinante.

Comenzar una empresa de biotecnología, una empresa de "puesta en marcha", para desarrollar esta proteína como producto requiere una financiación

4. La hebra complementaria será una hebra antiparalela de secuencia 3' – TAACGTCCTTGGGAAT – 5'. 5. Las reglas de Chargaff establecen que el porcentaje de timinas es

inicial significativa para realizar la I+D, como la investigación preclínica en

aproximadamente igual al porcentaje de adeninas en un genoma; los

animales y, en última instancia, los ensayos clínicos de la FDA (si la proteína

porcentajes de guaninas y citosinas también son aproximadamente

se va a utilizar Inhumanos). A veces, una empresa comienza con un “capital

iguales. Esto es cierto porque el ADN consta de pares de bases

semilla” inicial, que puede provenir de unos pocos inversores individuales.

complementarias. Las timinas de una hebra forman enlaces de hidrógeno

Luego, si el producto muestra potencial, la persona o personas que inicien la

con las adeninas de la hebra opuesta; gua nueves forman enlaces de

empresa buscarán capital de riesgo (de corporaciones o grupos que deseen

hidrógeno con citosinas. Este conocimiento podría aplicarse de la siguiente manera: si el ADN contiene aproximadamente

A-1

Machine Translated by Google Apéndice 1 Respuestas a preguntas y actividades

A-2

15 por ciento de timinas, entonces también contendría aproximadamente

traducción. Las moléculas de ARN de transferencia (ARNt) transportan

15 por ciento de adeninas. Combinadas, estas bases representan

aminoácidos al ribosoma durante la síntesis de proteínas. Cada ARNt contiene

aproximadamente el 30 por ciento del ADN de la bacteria; por lo tanto, el

un aminoácido y una secuencia de anticodón que se aparea con las secuencias

resto del ADN (70 por ciento) consta de cantidades iguales de guaninas y

de codones durante la traducción.

citosinas. Por lo tanto, la guanina comprendería aproximadamente el 35 por ciento del genoma y la citosina aproximadamente el 35 por ciento.

12. Los biólogos usan la frase "expresión génica" para hablar sobre la producción de ARNm de un gen en particular. A partir del ARNm, las células traducen proteínas que son responsables de muchos aspectos de la estructura y

6. El ADN es una molécula de doble cadena ubicada en los núcleos de las células. Cada cadena de ADN está hecha de bloques de construcción llamados nucleótidos, que consisten en un azúcar pentosa, un grupo fosfato y una base. El ADN es el material genético heredado de las células; sus genes contienen instrucciones para la síntesis de proteínas. El ARN se copia del ADN a través de un proceso llamado transcripción. El ARN es una molécula

función celular. 13. Los ncRNA a menudo participan en la regulación de la expresión génica, pero también desempeñan otras funciones, como el empalme del mRNA. Los ncRNA comúnmente conocidos incluyen el ARN de transferencia y el ARN ribosómico, ambos involucrados en la traducción. Consulte la Tabla 2.4 para obtener una lista de ncRNA y sus funciones.

monocatenaria, que es una diferencia estructural importante en comparación con el ADN. El ARN contiene no solo nucleótidos, incluida la base uracilo, que

14. Regulación de genes (expresión) es una frase amplia utilizada para

reemplaza a la timina presente en el ADN, sino también una pentosa diferente

describir las formas en que las células pueden controlar la expresión génica.

(ribosa) que la del ADN (desoxirribosa). Se transcriben varios tipos principales

La regulación génica es un aspecto esencial de las funciones de una célula.

de ARN, incluidos ARNm, ARNt y ARNr. El ARNt y el ARNr se incluyen en

Las células utilizan muchos mecanismos complejos para regular la

una categoría importante de ARN no codificantes (ARNnc) que intervienen en

expresión génica. En este capítulo, destacamos el control transcripcional

la traducción, el empalme del ARNm y la regulación de la expresión génica,

como un proceso regulatorio. La regulación génica permite que las células

entre otras funciones. Después de la transcripción, las moléculas de ARN

controlen estrictamente la cantidad de ARN y proteína que producen en

pasan al citoplasma, donde son necesarias para la síntesis de proteínas

respuesta a las necesidades particulares de la célula. Consulte la Figura 2.13 para obtener una descripción general de los mecanismos reguladores de genes

(traducción).

en eucariotas. 15. Los operones son grupos de genes que normalmente se regulan 7. Consulte la Figura 2.8 para ver un resumen de los principales componentes

simultáneamente bajo el control de un solo promotor. Los operones son más frecuentes en los genomas bacterianos. Las bacterias

involucrados en la replicación del ADN.

pueden usar operones para controlar cuidadosamente la expresión de 8. Pregunta abierta; respuestas variables.

productos génicos (proteínas) involucrados en procesos similares, como el

9. Se codifican once codones, seis aminoácidos. comienzo

metabolismo de nutrientes (el operón de lactosa es un ejemplo clásico), Deténgase

5'-GGCACCAUGCGUCGAAAAUCAAAGUGAA ACAAAAA-3'.

dependiendo de las demandas de la célula. 16. La regulación de la transcripción implica el control de la expresión génica mediante la regulación de la cantidad de ARNm producido (transcrito). Es una de las formas más frecuentes en que las células eucariotas controlan la

La secuencia de aminoácidos es metionina-arginina-arginina-lisinaserina-lisina. Recuerde que los ARNm reales y sus proteínas codificadas son mucho más largos que los que se muestran en este ejemplo y que los codones de parada no codifican un aminoácido.

10. (a) Solo la hebra inferior produce un ARNm funcional con un codón de inicio. Esta secuencia es 5' – GGGAUGCCCUGGACGCGGCGUUAGAU – 3'. La secuencia de aminoácidos de un polipéptido producido a partir de esta secuencia es: Metiona—prolina—triptófano—treonina—arginina—arginina

(b) el ARNm copiado de la cadena inferior de ADN con una T insertada entre las bases 10 y 11 es 5'– GGGAUGCCCUAGGACGCGGCGUUAGAU-3'.

expresión génica. A menudo, la regulación transcripcional involucra factores de transcripción específicos que pueden estimular la expresión génica al ayudar a la ARN polimerasa a unirse y transcribir genes. Otras proteínas pueden actuar como reguladores negativos de la transcripción.

17. Sí. Esto está regulando la expresión génica. La expresión génica a menudo puede ser controlada con precisión por las células, dependiendo de la cantidad de ARN y proteína requerida. Por lo tanto, los genes pueden activarse (aumento de la expresión) o desactivarse (disminución de la expresión; rara vez los genes no se expresan en absoluto; por lo general, la expresión puede disminuir en relación con la expresión en otros momentos).

18. Mutaciones que afectan la estructura y función de las proteínas incluyen mutaciones sin sentido (que afectan un codón al crear un codón de

Esto dará como resultado una A (negrita) insertada en la

terminación), mutaciones sin sentido (que cambian un codón para codificar un aminoácido diferente con propiedades diferentes a las del aminoácido

secuencia de ARNm transcrita, que ahora crea un codón de parada

original codificado) y cambios de marco creados por inserciones o

(UAG) en el ARNm, que ahora crea un codón de parada (UAG) en el

eliminaciones. Las mutaciones silenciosas no tienen efecto sobre la estructura

ARNm, que producirá un codón truncado (acortado) péptido de solo 2

y función de la proteína porque estas mutaciones de un codón no afectan al aminoácido codificado por el codón mutado.

aminoácidos, metionina—prolina.

11. El ARN mensajero (ARNm) es una copia exacta de un gen. Actúa como una

19. El epigenoma comprende aspectos estructurales del ADN que no implican la

especie de "mensajero" al llevar el código genético en forma de codones,

mutación directa de un nucleótido ni cambios en las secuencias del ADN. El

codificados por ADN, desde el núcleo hasta el citoplasma, donde esta

epigenoma incluye la metilación de las proteínas histonas en los cromosomas,

información puede interpretarse para producir una proteína. Las moléculas

la acetilación, los ARN no codificantes que se unen al genoma y otras

de ARN ribosomal (ARNr) son componentes importantes de los ribosomas.

modificaciones.

Los ribosomas reconocen y se unen al mRNA y “leen” a lo largo del mRNA

Las modificaciones epigenéticas de los cromosomas afectan la

durante

expresión génica. En los últimos años hemos aprendido que la epigenética

Machine Translated by Google Apéndice 1 Respuestas a preguntas y actividades

las modificaciones juegan un papel en la enfermedad; por lo tanto, estas

A-3

número 114480 revela información sobre los genes del cáncer de mama familiar.

modificaciones están siendo objeto de nuevos enfoques terapéuticos para el tratamiento de enfermedades.

9. Este trozo de ADN puede ser cortado una vez por HindIII al final

20. CRISPR-Cas proporciona una forma novedosa y bastante sencilla de identificar una secuencia específica en el gen para eliminarla o reemplazarla (edición del

de la secuencia y una vez por EcoRI al comienzo de la secuencia. No hay sitios de corte para BamHI en esta secuencia. Una búsqueda de todas las enzimas en

genoma). Las implicaciones de la edición del genoma son de gran alcance,

la base de datos revela aproximadamente 20 enzimas de restricción que pueden

desde la edición de células animales, vegetales y bacterianas para la

cortar esta secuencia. Esta demostración debería proporcionarle una apreciación

investigación hasta la creación de alimentos genéticamente modificados para la

de cuán poderosos pueden ser los programas de computadora para ayudar a los

terapia génica en humanos.

biólogos moleculares a analizar secuencias de ADN.

Capítulo 3 1. La clonación de genes es la copia (clonación) de un gen o de una parte de un gen. Los términos tecnología de ADN recombinante

10. Las respuestas corregidas están disponibles en el sitio web a medida que los estudiantes trabajan en las preguntas.

e ingeniería genética a menudo se usan indistintamente. Técnicamente, la tecnología del ADN recombinante implica combinar ADN de diferentes fuentes, mientras que la ingeniería genética implica manipular

11. Son los primeros 30 pb de un gen de insulina humana. 12. Abierto; las respuestas son variables, pero el esquema generalmente debe incluir

o alterar la composición genética de un organismo. Por ejemplo, ligar un trozo

un proceso que involucre la fragmentación de los cromosomas en piezas más

de ADN humano en un cromosoma bacteriano es un ejemplo de tecnología de

pequeñas para la secuenciación y luego el alineamiento de la secuencia usando

ADN recombinante, y colocar este trozo de ADN recombinante en una célula

software de bioinformática. Los enfoques de secuenciación de tercera generación

bacteriana para crear una bacteria se considera

pueden implicar la secuenciación sin fragmentación.

13. El análisis del genoma ha avanzado rápidamente en gran parte Ingeniería genética.

debido a los enfoques NGS y TGS (junto con la bioinformática para analizar y

2. Sí, 5'-GAATTC-3' (con su secuencia complementaria 3'-CTTAAG-3'), el sitio

comparar datos de secuencias) que han dado como resultado técnicas automatizadas por computadora de alto rendimiento para secuenciar tramos

de restricción de la enzima EcoRI. 3. Los cebadores son oligonucleótidos de ADN monocatenarios cortos por lo general alrededor de 20 a 30 nucleótidos de largo. Inician la síntesis de ADN y son complementarios a los nucleótidos que flanquean los extremos

más largos de ADN de manera más rápida, precisa y económica que los métodos de secuenciación de Sanger . Como resultado, la cantidad de genomas que se analizan ha aumentado drásticamente debido a los avances en las tecnologías de secuenciación.

opuestos del ADN diana a amplificar. 4. Consulte la Sección 3.1.

14. Consulte la Sección 3.4 para obtener un resumen de los hallazgos clave del 5. La secuencia del gen clonado de ratas podría usarse para crear cebadores que podrían usarse para amplificar el ADN de las células humanas en un esfuerzo por amplificar el gen complementario en los humanos. Si uno tuviera éxito en la obtención de productos de PCR de este experimento, los productos de PCR podrían secuenciarse y compararse con el gen de la rata para buscar secuencias de nucleótidos similares (lo que sugiere que estos genes están relacionados).

Proyecto Genoma Humano. 15. MyHeritage proporciona un servicio de pruebas genéticas, incluidas las pruebas de ADN para el análisis de ascendencia. 16. La revolución "ómica" de la biología moderna se refiere a la rápida expansión de nuevas disciplinas de investigación que han resultado de los estudios genómicos,

Además, los productos de PCR podrían usarse como sondas en experimentos

como lo reflejan los nuevos términos que utilizan el sufijo -ómica o -oma.

de selección de bibliotecas para encontrar el gen humano de longitud completa

Generalmente, tales estudios implican un análisis exhaustivo a gran escala.

o como sondas para análisis de transferencia Northern para determinar si el ARNm de este gen se expresa en tejidos humanos.

Por ejemplo, la proteómica involucra el estudio de todas las proteínas en una célula o tejido; La metabolómica implica el estudio de todas las proteínas y productos metabólicos involucrados en un proceso metabólico, como el

6. Aproximadamente 32,768 (2n 2 1

, donde n = número de ciclos).

metabolismo de los carbohidratos (azúcar). Gracias a proyectos de genómica como el Proyecto Genoma Humano, muchas otras áreas de la biología han

7. En RT-PCR, el ARNm tiene que ser convertido en ADN por el

progresado hasta el punto en que los científicos pueden estudiar categorías

enzima transcriptasa inversa porque la PCR no puede amplificar directamente

enteras de moléculas simultáneamente o en su totalidad. Respuestas abiertas

el ARN. En qPCR, las plantillas de ADN se utilizan junto con uno de los dos

para disciplinas y aplicaciones ómicas.

enfoques de cuantificación en tiempo real, las sondas TaqMan o SYBR Green, que emiten una luz que es proporcional a la cantidad de productos de PCR. Al combinar RT-PCR y qPCR, se puede controlar la cantidad de ARN producido por un tejido expuesto a un determinado medicamento o toxina y estudiar cuantitativamente qué genes podrían activarse o desactivarse para responder a la exposición.

17. La secuenciación de un genoma individual (genómica personal) puede revelar (diagnosticar) genes implicados en enfermedades. Dependiendo del gen y la enfermedad, entonces puede ser posible apuntar a dichos genes a nivel de ADN, ARN o proteína de manera precisa para tratar o curar enfermedades.

8. La búsqueda de diabetes revela una lista de secuencias de genes relacionados con la diabetes mellitus insulinodependiente y no insulinodependiente. Al hacer clic en cualquiera de los enlaces numerados resaltados, accederá a páginas informativas que brindan gran detalle sobre cada gen. Buscando con la accesión

18. Pregunta abierta; una cosa importante a considerar serían las políticas de la empresa con respecto al intercambio de datos. 19. La biología de sistemas implica estudiar las relaciones entre datos genómicos, datos proteómicos, vías metabólicas y

Machine Translated by Google Apéndice 1 Respuestas a preguntas y actividades

A-4

otras vías para comprender mejor cómo funcionan las células.

14. Los vendajes inteligentes tienen ADN, ARN que dirige la síntesis de

Comprender las interacciones complejas en una célula que involucran la

penicilinasa, otras enzimas que degradan bacterias y aquellas que pueden

genómica, la transcriptómica y la proteómica, por ejemplo, está ayudando a

producir vacunas contra agentes infecciosos presentes en el área específica

las empresas a descifrar los componentes clave de una célula involucrada en

detectada por los sensores incorporados.

una enfermedad, lo que ayudará en el desarrollo de tratamientos novedosos (por ejemplo, medicamentos dirigidos a vías específicas). 20. La biología sintética implica la ingeniería de células con funciones específicas

15. Las células de levadura se transfectan con dos plásmidos: el cebo (proteína de interés fusionada con el dominio de unión al ADN de un factor de transcripción de levadura) y la presa (una biblioteca de fragmentos de ADNc vinculados al

propósitos Por ejemplo, se puede crear un genoma sintético con genes

dominio de activación de un factor de transcripción) . La transcripción de genes

específicos que se pueden usar para crear células con propiedades novedosas.

informadores que señalan la interacción no ocurre a menos que el cebo y la

Una posible aplicación es crear microorganismos que puedan usarse para

presa interactúen entre sí y formen un factor de transcripción medible. La

sintetizar biocombustibles; otras aplicaciones incluyen la creación de microbios

interacción entre proteínas puede detectarse por la presencia de los productos

diseñados para la biorremediación, la síntesis de nuevos productos

resultantes de la expresión del gen informador.

biofarmacéuticos o la producción de productos químicos y combustibles a partir de la luz solar y el dióxido de carbono.

Capítulo 4 1. El sitio web de la base de datos pública de proteínas ha archivado las estructuras enviadas que se pueden comparar.

16. La histidina y la cisteína tienen sulfuros disponibles para esta modificación postraduccional. 17. Podría criar un grupo de ratones con la mutación PRNP y utilizar un método de análisis sensible (p. ej., prueba de espectrometría de masas) para detectar la presencia de la proteína inusual en las células cerebrales.

2. Puede someter los cultivos bacterianos a temperaturas crecientes y variaciones de sustrato, seleccionando los sobrevivientes hasta que una población haya evolucionado con las cualidades deseables, luego purifique su enzima.

18. Se han identificado péptidos señal para las proteínas secretada por B. subtilis. Necesitaría averiguar si se producen para su proteína de interés para saber que se secretaría.

3. Reemplazar los sitios activos con estructuras que se unen a ligandos proporciona información sobre la estructura de unión del sitio activo. 19. Tendrías que reemplazar la sal con un tampón que coincide con el pI de su proteína (probablemente por diálisis o diafiltración). 4. La secuencia de aminoácidos dictaría la secuencia de ADNc, que no es la secuencia "natural", ya que carece de intrones. 20. Múltiples sitios en el anticuerpo primario para la unión del anticuerpo secundario 5. Las proteínas priónicas cambian las estructuras proteicas normales para que se agregan (y acumulan) y no pueden ser eliminados por mecanismos

aumentarían la reacción enzimática de la señal de color producida para la detección.

corporales. Si se puede entender el proceso de los priones, se pueden diseñar terapias para probar la eficacia contra la enfermedad de Alzheimer.

6. Por lo general, los biorreactores de animales vivos son preferibles si se

Capítulo 5 1. Hay varias diferencias estructurales importantes entre las células procariotas y

necesitan grandes cantidades de una proteína que tenga glicosilaciones

eucariotas. Bacteria y Archaea son procariotas; Las células eucariotas incluyen

significativas. Los biorreactores industriales son más rápidos para producir

células vegetales, células animales, hongos y protozoos, que son

proteínas que se necesitan en cantidades más pequeñas y donde se pueden

estructuralmente más complejos que las bacterias. Las células procariotas son

realizar otras modificaciones postraduccionales.

más pequeñas que las células eucariotas, no contienen un núcleo, tienen relativamente pocos orgánulos y contienen una pared celular. Los procariotas

7. La columna de afinidad debe tener el sustrato o ligando unido de la enzima en su matriz. 8. MS, HPLC y cristalografía de rayos X 9. El pI le diría el pH más estable para la proteína y si tenía afinidad por una matriz de columna catiónica o aniónica, o su tamaño relativo por una columna SEC.

también tienen genomas más pequeños que las células eucariotas; el genoma procarionte suele constar de un único cromosoma circular. Las células procarióticas han desempeñado muchas funciones importantes en la biotecnología. Las bacterias se usan como anfitriones en experimentos de clonación de genes, las proteínas recombinantes producidas por bacterias son importantes para la investigación, algunas proteínas se usan en aplicaciones médicas, los microbios se usan para fabricar muchos alimentos y bebidas, y las

10. Si la proteína (estructura) pudiera modelarse según la forma de la estructura química que se necesita y se produce biológicamente (para la prueba), entonces

bacterias se usan como fuente de antibióticos y como huéspedes para la producción de vacunas de subunidades, entre muchas otras aplicaciones.

es probable que sea menos costosa y más rápida de producir que el proceso de síntesis química más lento. 11. Las XNAzimas se producen a partir de ADN artificial y son estructuras

2. Las levaduras son eucariotas fúngicas unicelulares y las bacterias son células

únicas que no se producen por evolución natural.

procariotas. La mayoría de las levaduras tienen genomas más grandes que

La degradación de XNAzimas es más difícil para las enzimas de

las bacterias. A través de la fermentación, las levaduras se utilizan para hacer

degradación para encontrar sitios para la digestión catalítica.

panes y masas, así como para elaborar cervezas y vinos.

12. Las letras representan los 20 aminoácidos (Ver Apéndice A2); los colores

Las levaduras cumplen muchas funciones importantes en la investigación. El

representan la abundancia relativa de los diferentes péptidos que coinciden con

sistema de dos híbridos de levadura es una técnica valiosa para estudiar las

EGFR.

interacciones entre proteínas. Debido a que el genoma de la levadura

13. Cryo EM construye una estructura 3D a partir de múltiples imágenes 2D y puede usarse para comparar estructuras de proteínas naturales con aquellas construidas a partir de secuencias de aminoácidos.

contiene muchos genes similares a los genes humanos, los genetistas lo estudian en busca de pistas sobre las funciones de muchos genes humanos. 3. Pregunta abierta; respuestas variables.

Machine Translated by Google Apéndice 1 Respuestas a preguntas y actividades

4. El ADN se une a las células cuando las células y el ADN se enfrían en hielo. Un breve paso de choque térmico entre 37°C y 42°C hace que el ADN entre en las células. La electroporación tiene la ventaja de ser un procedimiento

A-5

expuesto a un patógeno en particular, pero normalmente no lo protegerá ni lo curará de una condición preexistente. 13. VIH/SIDA, tuberculosis y malaria.

muy rápido, lo que permite procesar rápidamente muchas muestras. Además, se pueden usar cantidades mucho más pequeñas de ADN que en la transformación con cloruro de calcio, y también se puede usar la electroporación para introducir ADN en células vegetales y animales.

14. El estudio de los genomas microbianos puede ayudar a los científicos de muchas formas. La secuenciación de genomas puede revelar nuevos genes, incluidos genes que pueden usarse en aplicaciones biotecnológicas (p. ej., genes que codifican nuevas enzimas con propiedades importantes para varios usos comerciales, incluida la biorremediación). Los científicos pueden

5. Las proteínas de fusión se generan mediante la inserción de un gen clonado

estudiar los genes de los patógenos causantes de enfermedades (incluidos

para una proteína de interés en un vector de expresión que permite la

los posibles agentes de bioterrorismo) y luego utilizar este conocimiento para

producción de una proteína fusionada con una proteína marcadora, como la

ayudar a combatir las enfermedades. El estudio de los genomas puede

proteína fluorescente verde o la proteína de unión a maltosa. A continuación,

ayudar a los científicos a aprender más sobre el metabolismo bacteriano, la

esta proteína fusionada se puede pasar por una columna de afinidad, que se

relación de las cepas bacterianas y la transferencia lateral de genes (el

unirá a la porción de etiqueta de la proteína de fusión y permitirá que la

intercambio de genes entre especies).

proteína de fusión se aísle de un extracto bacteriano de proteínas.

La metagenómica implica el análisis de genomas a partir de muestras

6. Los microbios anaerobios son aquellos microorganismos que no

ambientales. Las aplicaciones potenciales importantes incluyen la

requieren oxígeno para convertir los azúcares en energía (en forma de ATP).

identificación de microbios, genes y proteínas previamente desconocidos

En condiciones anaeróbicas, algunos microbios utilizan la fermentación del

con propiedades comercialmente valiosas; aprender sobre el impacto de los

ácido láctico; otros usan la fermentación de alcohol (etanol) para obtener

cambios ambientales en la comunidad microbiana; y estudiar la relación

energía. El ácido láctico y el etanol son productos de desecho de la

genética de las comunidades de microbios en varias muestras ambientales.

fermentación anaeróbica que son componentes importantes de muchos alimentos. El ácido láctico se encuentra en quesos y yogures; El etanol se encuentra en bebidas alcohólicas como el vino y la cerveza. 7. Una forma de controlar el contenido de alcohol es regular cuidadosamente la cantidad de oxígeno que se agrega a un biorreactor de fermentación durante la elaboración del vino. Cuando se utilizan anaerobios facultativos (microorganismos que pueden utilizar la respiración celular o la fermentación) para la fermentación, en presencia de oxígeno degradarán los azúcares mediante la respiración celular aeróbica y producirán menos alcohol. En ausencia de oxígeno, tales microbios degradarán los azúcares por fermentación y, por lo tanto, el contenido de alcohol del vino será mayor.

15. Estos fueron experimentos revolucionarios en parte porque demostraron que es posible crear un genoma sintético que podría transferirse a una célula y ser funcional. 16. Consulte las páginas 176–177. 17–20. Actividades abiertas; respuestas variables.

Capítulo 6 1. El T-DNA contiene genes para codificar enzimas que hacen que la planta cree derivados de aminoácidos especializados que A. tumefaciens usa para la formación de agallas en la corona y no son metabolizados por el organismo

8. Los lantibióticos son una clase de péptidos codificados por genes que contienen estructuras de anillos intramoleculares, introducidos a través de aminoácidos

huésped, lo que da como resultado un tumor. 2. Una desventaja es que las instalaciones con grandes biorreactores estériles

tioéter inusuales, como lantionina y metillantionina. Los lantibióticos se unen

son más costosas de construir que las plantas diseñadas y requieren un

al lípido II, una molécula precursora en la biosíntesis de la pared celular

tiempo considerable para comenzar a producir productos.

bacteriana. Las odilorhabdinas (ODL) son producidas por enzimas del grupo

Un beneficio es que las plantas modificadas genéticamente pueden

de genes de la péptido sintetasa no ribosómico de la bacteria Xenorhabdus nematophila.

producir proteínas farmacéuticas en cantidades que se pueden cosechar. Los pacientes con la enfermedad de Gaucher también pueden beneficiarse

A diferencia de los lantibióticos, los ODL se unen a subunidades

de la rápida producción de la enzima que les falta a partir de plantas

ribosómicas que ningún antibiótico ha explotado previamente.

modificadas genéticamente si fallan otras fuentes.

9. Todas las vacunas están diseñadas para estimular el sistema inmunitario del

3. La presión evolutiva seleccionará a aquellos con variaciones genéticas que

receptor para que produzca anticuerpos o células T activadas contra un

transmitan alguna resistencia, y estos serán los sobrevivientes que

patógeno, por ejemplo, una bacteria o un virus. Durante la producción de

transmitirán esta resistencia a su descendencia, aumentando su número

anticuerpos, también se producen células de memoria inmunitarias, como

en las generaciones futuras.

las células B productoras de anticuerpos y las células B de memoria. Al crear anticuerpos y células de memoria en el receptor, el objetivo de la vacunación es proporcionar al receptor protección contra un patógeno en particular en caso de que esté expuesto a él. Los tres tipos principales de vacunas son las vacunas de subunidades, que consisten en moléculas del patógeno (generalmente proteínas expresadas por tecnología de ADN recombinante); vacunas atenuadas, que están hechas de patógenos vivos que han sido debilitados para evitar la replicación; y vacunas inactivadas, que se preparan eliminando el patógeno e inyectando microbios muertos o inactivados en el receptor de la vacuna.

4. Es muy probable que se deba a que varios países (p. ej., EE. UU., Brasil) han dictaminado que ciertas plantas editadas con CRISPR-cas9 deben recibir una aprobación rápida y desregulada. Esto se debe a que dichas plantas se han transformado mediante la inactivación de genes y no mediante la introducción de genes extraños de otros organismos. Tales plantas GM pueden provocar menos resistencia en la población de consumidores, lo que lleva a una aceptación general más amplia. 5. En el apilamiento híbrido de genes, las líneas parentales, cada una de las cuales contiene uno de los genes, se cruzan y luego se selecciona una descendencia que heredará ambos genes. En el caso del apilamiento

10. Preguntas abiertas; respuestas variables. 11. Preguntas abiertas; respuestas variables. 12. Una vacuna preventiva o profiláctica como Gardasil está diseñada para brindar protección inmunológica antes de que

molecular, los genes se introducen mediante ingeniería genética, ya sea de forma simultánea o secuencial. 6. Los países menos desarrollados ven la necesidad de una mayor producción de alimentos para sus poblaciones y se dan cuenta de que las innovaciones GM pueden proporcionarlos.

Machine Translated by Google Apéndice 1 Respuestas a preguntas y actividades

A-6

7. Arctic Apple se produjo mediante la eliminación de genes, sin agregar genes "extraños", y recibió un estado desregulado. 8. Probablemente sí, ya que hay pocas alternativas en áreas de sequía, y otras plantas tolerantes a la sequía han estado presentes durante algún tiempo.

5. La orientación de las células inmunitarias contra el cáncer u otras enfermedades a menudo se puede observar a través del embrión transparente. 6. Al bloquear el mecanismo de replicación del virus, no se necesitan vacunas contra cada nuevo virus de la gripe. 7. Los medicamentos biológicos necesarios en grandes cantidades se pueden

9. Agrobacterium tumefaciens infecta la célula vegetal a través de una

producir en animales sin el gasto de biorreactores industriales, pero deben

plásmido Ti grande, circular, de doble cadena. El T-DNA, es decir, la porción del

expresarse en los huevos o la leche que se pueden recolectar de forma

plásmido Ti que se integra en el ADN cromosómico de la planta, se modifica

rutinaria.

eliminando los genes que causan la formación de tumores y reemplazándolos con los genes que se insertarán en la planta.

8. Al combinar los tejidos apropiados en la forma adecuada arreglo para que imiten la relación natural del órgano humano, es posible evaluar la eficacia y la seguridad de los medicamentos antes de los ensayos clínicos en

10. Se pueden elegir marcadores que se expresen antes de que se observe la

las primeras etapas del desarrollo del fármaco.

variación diseñada, verificando que los genes insertados con el marcador también se expresen. 11. Crean poros en el revestimiento del intestino medio, inhiben las proteínas del

9. El uso humanitario de animales en las pruebas requeridas por la FDA debe demostrar los esfuerzos para reducir la cantidad de animales, reemplazarlos

intestino medio que podrían destruir las proteínas CRY y estimulan la

con especies inferiores y refinar las pruebas para producir menos dolor e

autodigestión del intestino de los insectos.

incomodidad para los animales en el pruebas

12. Las inserciones de genes de cloroplastos se limitan a las partes de la planta fotosintética y no se dispersan, lo que limita la transmisión ambiental.

10. El melanoma, como cáncer, puede dividirse continuamente, lo que proporciona la replicación necesaria de las células de hibridoma que producen el

13. La eliminación de genes mediante la edición CRISPR-Cas no introduce genes de otras fuentes que necesitan pruebas adicionales, sino que elimina genes, haciéndolos tan seguros como las plantas no editadas. 14. El ADN viral que se introduce es para la cubierta del virus, y no es infeccioso. La proteína de la cubierta que se produce generalmente induce inmunidad al virus en la planta.

15. Extensas pruebas y notificaciones al USDA y aislamiento ensayos de campo de al menos 120 días.

anticuerpo monoclonal.

11. Las regulaciones para la aprobación de la terapia génica para mascotas son menos estrictas que para los humanos, y los resultados pueden ser útiles para avanzar en la terapia génica humana. 12. Los órganos en un chip se producen a partir de tejido humano relevante y permiten la prueba in vitro antes de la prueba en humanos. Las pruebas en animales proporcionan datos valiosos, pero no imitan tanto las pruebas en órganos humanos como las pruebas en el tejido pertinente, antes de los ensayos de fase obligatorios.

16. Esta controversia cambia, y la búsqueda resultará en dif argumentos diferentes.

13. La conexión de órganos individuales de manera que refleje cómo las interconexiones en el animal relevante (p. ej., humanos) imitan la situación

17. Proteínas que los pacientes necesitan en grandes cantidades y a diario (como anticuerpos, hemoderivados, citoquinas, factores de crecimiento, hormonas y

de lo que probablemente ocurrirá en el animal completo proporciona datos valiosos antes de la fase de prueba obligatoria.

enzimas recombinantes), así como proteínas que se necesitan para hacer frente a una amenaza inmediata (p. ej. , producción de aumento rápido). 14. Las mutaciones genéticas asociadas con la enfermedad de las mascotas proporcionan una

Oportunidad de "prueba de concepto" para que la investigación determine si

18. El tomate modificado tiene el ADN normal (sentido)

tienen una contraparte en humanos.

secuencia a la proteína PG y una secuencia complementaria insertada (antisentido). Cuando se transcriben, se combinan y cancelan la producción de PG.

15. Se pueden examinar las mitocondrias de una fuente diferente mutaciones que existen en la célula donante original y que pueden descartarse como causa de transmisión de enfermedades (es decir, mitocondriales).

19. Si las plantas progenitoras que contienen los genes ya han sido aprobadas para uso comercial por las agencias reguladoras, la descendencia del apilamiento de híbridos heredará esa aprobación.

16. Los cuidadores de animales pueden contraer versiones mutadas de la gripe aviar, lo que puede provocar epidemias de gripe en los seres humanos. El bloqueo

20. La modificación de los promotores de genes puede resultar en una mayor o menor expresión de proteínas que son beneficiosas comercialmente.

Capítulo 7

de la replicación de este virus en pollos reduce la probabilidad de transferencia a humanos. 17. Mediante la transferencia de células madre embrionarias humanas a embriones animales cuyo desarrollo de órganos ha sido bloqueado por un disparador

1. Los medicamentos veterinarios son un producto valioso de la ingeniería genética, y todos los medicamentos humanos deben probarse en animales

embriológico, los ESC pueden producir más órganos similares a los humanos para su estudio.

en las fases de prueba exigidas por la FDA. 18. Los medicamentos para mascotas cuestan entre 3 y 5 millones de dólares, en comparación con

2. La inmunoterapia dirige el sistema inmunitario para atacar el cáncer células mientras que otros medicamentos atacan el cáncer de otras maneras.

3. Las cabras se reproducen más rápido y son más baratas de criar que ganado y puede liberar proteínas en la leche.

4. Genes de enfermedades animales con similitud con enfermedades humanas

los 3200 millones de dólares de los medicamentos para humanos. Los medicamentos para mascotas a menudo tienen posibles aplicaciones equivalentes en humanos, lo que reduce el tiempo/costo de desarrollo.

19. La hibridación fluorescente in situ se puede utilizar para identificar rasgos genéticos que han sido elegidos para la expansión de la raza si las

los genes se pueden usar para investigar variaciones asociadas con la progresión

etiquetas fluorescentes se utilizan en el análisis cromosómico del semen o los

de la enfermedad, la gravedad y la respuesta a los medicamentos.

óvulos de los posibles compañeros reproductores.

Machine Translated by Google Apéndice 1 Respuestas a preguntas y actividades

20. La comparación de la dosificación del fármaco en diferentes intervalos (o de forma continua) puede indicar los beneficios de la tasa de respuesta de

A-7

18. Agregar perfiles de ADN estándar (sitios CODIS) y STR del cromosoma X a las pruebas de ADNmt aumenta la precisión de las pruebas de ADN paterno.

diferentes protocolos y aliviar las pruebas (o los fracasos) en humanos que posteriormente son tratados con el fármaco.

Capítulo 8 1. No, solo los cebadores de genes que se han asociado con la enfermedad será necesario PCR esas áreas para buscar

19. Las pruebas de proteómica para el fraude alimentario no se usan comúnmente debido a la degradación de proteínas causada por la cocción, lo que las hace poco confiables. 20. Las pruebas hospitalarias para nuevos transcritos, fusiones de genes, variantes de un solo nucleótido e indeles proporcionan perfiles de ADN para

para mutaciones clave.

2. Touch DNA analiza las células de la piel que quedan en la escena del crimen. El ADN de una persona puede viajar sin darse cuenta de un lugar a otro a

variaciones específicas de ADN asociadas con enfermedades específicas. Su uso proporciona indicaciones valiosas y una potencial detección temprana de enfermedades.

través de una transferencia secundaria, sin que el individuo toque directamente la superficie donde finalmente termina el ADN. La presencia de dicho ADN puede conducir a resultados de investigación inexactos.

Capítulo 9 1. Actividad abierta; las respuestas dependen de los procesos descrito.

3. Usando datos de tratamiento de respondedores exitosos a protocolos de tratamiento específicos, encuentre variaciones genéticas que estén relacionadas y desarrolle cebadores para estos genes para secuenciar para comparar antes del tratamiento. 4. El hisopado tradicional solo detecta el ADN que se encuentra en grandes

2. Los microbios autóctonos son microorganismos, como las bacterias. que viven naturalmente (a menudo llamados microbios nativos) en un ambiente particular. Debido a que los microbios autóctonos están adaptados a un entorno particular, a menudo son ideales para la biorremediación porque han desarrollado mecanismos de adaptación para sobrevivir en presencia de

cantidades, mientras que el sistema de vacío húmedo puede extraer

diferentes contaminantes.

suficientes trazas microscópicas de ADN para ejecutar un perfil de ADN completo.

Muchos enfoques de biorremediación se basan en técnicas para estimular

5. Evalúa más (77) marcadores genéticos en lugar de 1 (por ELLA 2+).

6. La PCR es un proceso exponencial que puede amplificar una secuencia hasta

(como la fertilización) los microbios autóctonos para mejorar sus capacidades de degradación y acelerar los procesos de limpieza.

3. La oxidación implica la eliminación de uno o más electrones .

un millón de veces. Por lo tanto, es razonable comenzar con solo una pequeña

de un átomo o molécula, y durante la reducción, un átomo o molécula gana

cantidad de ADN de la muestra de alimentos.

uno o más electrones. Estas reacciones a menudo ocurren juntas y, por lo

7. Uno de cada uno de los ROS pertinentes de los dos padres.

tanto, se denominan reacciones redox. Las reacciones redox pueden alterar la estructura y las propiedades de una

8. Las pruebas PCR son extremadamente sensibles a la contaminación por ADN extraño en la escena del crimen y dentro del laboratorio. 9. Por lo general, los errores son contaminaciones del material recolectado . de la escena del crimen. 10. Disputas de paternidad principalmente, cuando los perfiles de ADN nuclear no están claros o están en disputa. 11. Las mutaciones que ocurren después de la concepción y durante su vida pueden producir variaciones genéticas.

molécula. Para un contaminante químico, la oxidación o la reducción pueden hacer que el químico sea inofensivo al cambiar sus propiedades. Las reacciones redox están frecuentemente involucradas en la biorremediación.

4. La adición de fertilizantes como carbono, nitrógeno, fósforo y potasio suele ser un paso importante en muchos procesos de biorremediación. La fertilización, también llamada enriquecimiento de nutrientes, estimula el crecimiento y la actividad (metabolismo) de los microorganismos en el medio ambiente. Estos microorganismos, generalmente bacterias, también se dividen más rápidamente para crear más bacterias. Al estimular el metabolismo de las bacterias y

12. Más sitios aumentarán la precisión de las huellas dactilares de ADN y se consideraron necesarios en base a la evidencia. 13. Los STR varían en número entre individuos, pero el número de STR para un loci determinado se hereda de sus padres. Esto crea una conexión identificable

aumentar su número en un sitio contaminado, los contaminantes suelen degradarse más rápidamente. Agregar oxígeno a un sitio contaminado es efectivo cuando los microorganismos involucrados en la limpieza dependen de la biodegradación aeróbica.

genéticamente para compararla con los perfiles de ADN de los padres. 5. Consulte Fitorremediación en la Sección 9.2. 14. El costo de la atención del cáncer de mama se reduciría mediante la detección

6. Consulte la Sección 9.3.

temprana, aunque la información está prohibida por la Ley de no divulgación de información genética (consulte el Capítulo 12).

7. Los disruptores endocrinos son sustancias químicas en el medio ambiente que interrumpen el sistema endocrino imitando o bloqueando las hormonas

15. El calor intenso del desastre creó principalmente fragmentos de ADN, lo que redujo la precisión de los métodos de toma de huellas dactilares de CODIS en algunos casos. 16. Contaminar el ADN produce resultados falsos y sería más probable en un entorno que no sea de laboratorio. Se necesitarían y validarían salvaguardas para la expansión a las pruebas rápidas de ADN en las comisarías.

naturales en los organismos, incluidos los humanos. Son particularmente prominentes en el agua, ingresando al medio ambiente desde las aguas residuales municipales, ya que estas drogas (por ejemplo, los subproductos de las píldoras anticonceptivas) se encuentran en los desechos humanos. Ciertos productos químicos industriales son también disruptores endocrinos. Los efectos dañinos de los disruptores en los sistemas endocrinos de los organismos acuáticos, su desarrollo y reproducción se encuentran entre las preocupaciones tanto para los organismos acuáticos

17. M-Vac utiliza una aplicación de solución estéril y vacu lo extrae de la superficie tocada, seguido de la concentración del material para la amplificación del ADN. El hisopo de algodón tiene un mayor potencial de contaminación que este método.

como potencialmente para los humanos.

8. No todos los países exigen que los constructores divulguen la historia del terreno a los futuros propietarios potenciales. Sin embargo, no se recomienda desarrollar un sitio previamente contaminado.

Machine Translated by Google A-8

Apéndice 1 Respuestas a preguntas y actividades

a una zona residencial. En este caso, debido a las fugas de los tanques de

y amenazas al potencial genético de las especies nativas cuando los peces

almacenamiento subterráneos, las matrices del suelo y los acuíferos

de cultivo escapados ingresan a la población.

subterráneos debajo del sitio podrían haber sido fuertemente contaminados. La fuente de agua subterránea contaminada es difícil de limpiar por completo incluso después de una biorremediación exitosa. Trazas de gasolina pueden pasar desapercibidas y es posible que los efectos en la salud no se conozcan por completo. Un problema importante con el redesarrollo de sitios de biorremediación para uso residencial es que pueden pasar muchos años (o generaciones) para determinar si los residentes están experimentando efectos en la salud debido a las sustancias químicas que permanecen en el sitio. Incluso si los residentes experimentan algunos problemas de salud, a menudo es muy difícil determinar si estos efectos son causados por contaminantes en el sitio. 9. Un enfoque podría involucrar el estudio de estructuras que contienen

3. Muchos biotecnólogos acuáticos creen que la biotecnología La orgía desempeñará un papel importante en la mejora de las poblaciones de peces y mariscos en el futuro. Una forma obvia en que esto se puede hacer es utilizar enfoques de biorremediación para detectar y limpiar la contaminación ambiental. Otro enfoque puede involucrar el uso de la biotecnología para aprender acerca de los patógenos que causan enfermedades en los organismos acuáticos y desarrollar formas de prevenir o tratar dichas enfermedades. Los enfoques transgénicos y de poliploidía pueden usarse para continuar produciendo organismos acuáticos con mayor resistencia a las enfermedades. Además, la acuicultura se puede utilizar para cultivar especies que se pueden sembrar, a fin de aumentar las poblaciones decrecientes de organismos acuáticos.

plomo para averiguar si las bacterias están creciendo en ellas. Por ejemplo, uno podría estudiar las tuberías de plomo que quedan en el medio ambiente y, con el tiempo, determinar si las bacterias están creciendo en estas tuberías. El crecimiento bacteriano en una superficie de plomo podría ser una indicación de que las bacterias han desarrollado una forma de evitar los efectos tóxicos del plomo. Esto podría ser una señal de que estas células pueden degradar el plomo. Esas bacterias podrían entonces aislarse y podrían

4. Una ventaja de cambiar a dietas basadas en vegetales es que se reduciría la cantidad de carnada consumida por las especies cultivadas. Se ha planteado la preocupación de que los peces de piscifactoría criados con dietas basadas en vegetales tengan un sabor suave y poco natural. Otros afirman que estos pescados tienen un sabor menos "a pescado" y eso es deseable.

diseñarse experimentos usando microcosmos para probar si las bacterias podrían usarse para degradar el plomo. 5. La contaminación por peces se refiere al escape de peces de cultivo de la 10–13. Actividades abiertas; respuestas variables. 14. Actividad abierta; respuestas variables. la rena Se ha emprendido el Programa de Monitoreo de Recuperación Ambiental, que evalúa la recuperación del medio ambiente costero de Bay of Plenty después de la varada de Rena. Hasta el momento no se han reportado actividades de biorremediación.

acuicultura a los ecosistemas naturales. Consulte "Usted decide" en el Capítulo 10 para obtener información sobre cuestiones como el cruzamiento con las poblaciones nativas y la competencia con las poblaciones nativas, la destrucción del hábitat, etc. 6. Actividad abierta. 7. En el pasado, las truchas arcoíris, marrones y de arroyo se criaban y

La biorremediación por microorganismos degradadores de petróleo podría

sembraban en ríos, lagos y estanques para que los pescadores las

haber ocurrido en la región contaminada.

disfrutaran como una pesquería de "toma y toma". En 2013, se presentó

15. Era razonable esperar que pudieran desarrollarse zonas de hipoxia porque, a medida que los microbios aeróbicos degradaban el petróleo, consumirían oxígeno en áreas locales del océano. La disminución de los niveles de oxígeno en el agua podría causar hipoxia, lo que provocaría la muerte de peces. Sin embargo, dada la gran profundidad del derrame, la acción de las olas y el viento probablemente fue responsable de causar una mezcla suficiente del agua, lo que evitó que ocurrieran grandes zonas de hipoxia y la consiguiente muerte de peces.

en el criadero una enfermedad bacteriana llamada furunculosis, causada por la bacteria Aeromonas salmonicida . Se pensaba que la enfermedad se originaba cuando las aves se alimentaban de peces silvestres con la enfermedad y luego introducían la enfermedad en el criadero a través de sus heces o al alimentarse en los estanques y canales del criadero. Como resultado, más de 200.000 peces tuvieron que ser sacrificados en lugar de sembrados. Los canales se limpiaron con vapor y se desinfectaron. Se tomaron medidas para mantener a las aves fuera de la propiedad. Algunas truchas de arroyo y marrones fueron vacunadas para protegerlas de la enfermedad. El criadero

16. Actividad abierta; respuestas variables.

también se centró en la cría y almacenamiento de truchas arcoíris, que tienen

17. Actividad abierta; Las respuestas son variables, pero una crítica principal fue

una inmunidad natural a Aeromonas salmonicida.

cuestionar si estos microbios realmente metabolizan el arsénico e incorporan el arsénico en su ADN, como afirman los científicos que publican este trabajo.

8. Como se discutió en el Capítulo 8, los animales transgénicos contienen genes de otra fuente. Los transgenes pueden ser de especies relacionadas (por ejemplo,

18–20. Actividad abierta; respuestas variables.

introducir el gen del salmón para la hormona del crecimiento en la trucha) o de especies muy diferentes (por ejemplo, introducir el gen de la luciferasa [lux] de

Capítulo 10 1. Consulte la Tabla 10.1. 2. Los ejemplos de beneficios incluyen proporcionar fuentes de alimentos, mejorar las poblaciones de peces y mariscos, crear industrias agrícolas en las regiones no costeras que no tienen industrias pesqueras o de mariscos, y proporcionar pescado para la pesca recreativa. Los ejemplos de problemas incluyen algunas especies que no son adecuadas para la acuicultura o que son

bacterias marinas bioluminiscentes o luciérnagas en el salmón). Los peces transgénicos se pueden crear utilizando varias técnicas diferentes, pero una técnica destacada incluye la microinyección del transgén en embriones en etapa de blastocisto para permitir la incorporación del transgén en los tejidos embrionarios. Los peces poliploides, como los triploides, que contienen tres juegos completos de cromosomas, generalmente se crean mediante un tratamiento químico o eléctrico de espermatozoides u óvulos para producir gametos diploides que pueden usarse para fertilizar gametos haploides.

demasiado caras para criarlas, enfermedades que podrían diezmar las poblaciones de peces porque la mayoría de los peces cultivados son genéticamente similares, desechos de las piscifactorías que podrían crear problemas de contaminación,

9. Este salmón GM es el primer animal genéticamente modificado aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos para

Machine Translated by Google Apéndice 1 Respuestas a preguntas y actividades

consumo humano. Es un salmón del Atlántico transgénico que expresa

A-9

18. Organismos acuáticos, especialmente filtradores como las almejas .

el gen de la hormona del crecimiento del salmón Chinook (más grande), por lo

y mejillones, tienen el potencial de ayudar a biorremediar el agua porque

que crece mucho más rápido que el salmón no transgénico. Consulte la Sección

pueden filtrar y acumular toxinas (como lo hacen naturalmente). Las algas y

10.3 para conocer las controversias que rodean al salmón GM.

bacterias acuáticas también son valiosas para la biorremediación.

10. Actividad abierta; respuestas variables. 11. Las agencias federales como la FDA y el Departamento de Agricultura de EE.

19. La prueba de lisado de amebocitos de limulus (LAL) se basa en enzimas de la sangre del cangrejo herradura (Limulus polyphemus) para detectar toxinas

UU. (USDA) creían que no había necesidad de regular el GloFish porque no

llamadas endotoxinas (lipopolisacáridos) producidas por microbios tóxicos. Se

representaba una amenaza para la salud pública, ya que los peces tropicales

utiliza para comprobar la esterilidad de instrumentos como dispositivos médicos.

no se utilizan como alimento. Los Estados Unidos El Servicio de Pesca y Vida Silvestre determinó que el pez representaba poca amenaza para el medio ambiente porque no modificado

20. Actividad abierta; respuestas variables.

El pez cebra se vendió en los Estados Unidos y se liberó en la naturaleza sin consecuencias conocidas. Muchos grupos defensores de los derechos de los animales y otros han protestado enérgicamente por el desarrollo del GloFish principalmente porque lo perciben como un abuso de la ingeniería genética

Capítulo 11 1. El Proyecto Genoma Humano ha revelado la ubicación de todos los genes humanos, incluidos los que intervienen en condiciones normales así como en

para crear una especie transgénica únicamente con el propósito de disfrutarla

procesos patológicos. Identificar estos genes fue clave para comprender cómo

como mascota.

funcionan los genes y cómo los genes están involucrados en el desarrollo de

También se han planteado preocupaciones sobre la posible liberación de esta

ciertas enfermedades. La identificación de genes de enfermedades ha dado

mascota genéticamente modificada (GM) en la naturaleza. Algunas personas

lugar a pruebas genéticas que se pueden utilizar para detectar en las personas

también han planteado el punto de que GloFish ha sentado un precedente

la probabilidad de que hereden una determinada afección genética o genes

para el desarrollo no regulado de otras mascotas GM y animales GM que

causantes de enfermedades. Se han desarrollado formas específicas de

pueden representar amenazas ambientales. Los grupos antibiotecnológicos

tratamiento médico (medicina de precisión) en forma de medicamentos

también citan esto como un ejemplo para aumentar el escepticismo público

diseñados para afectar genes y proteínas específicos involucrados en

sobre la biotecnología porque si GloFish puede no estar regulado, ¿qué otras

enfermedades y condiciones genéticas que tienen una base genética. Dichos

áreas de la biotecnología pueden no estar reguladas?

tratamientos también incluyen estrategias de terapia génica.

12. Actividad abierta; respuestas variables. 13. Actividad abierta; respuestas variables. Las respuestas deberían, sin embargo, mencione que los organismos que crecen bajo condiciones

2. El gen MECP2 codifica una proteína MECP2 que modifica cromatina a través de la metilación del ADN y ayuda a apagar o regular a la baja la expresión de otros genes. Se expresa abundantemente en las neuronas

ambientales únicas o extremas (como presión, calor y profundidades oceánicas)

y juega un papel en la función cerebral ayudando a las neuronas a desarrollar

se encuentran entre los más estudiados para la identificación de moléculas

y mantener sinapsis (conexiones para transmitir impulsos eléctricos). En los

únicas que podrían ser potencialmente valiosas. Por ejemplo, los mejillones,

seres humanos, la mutación en MECP2, que se encuentra en el cromosoma

que se adhieren firmemente a las estructuras para soportar el constante

X, causa el síndrome de Rhett, un trastorno del espectro autista y un trastorno

golpeteo de las olas, producen moléculas únicas en sus fibras bisales que

neurodegenerativo progresivo que causa retraso mental, particularmente en

brindan fuerza adhesiva.

las mujeres. En modelos animales, la mutación de MECP2 en monos macacos produce síntomas asociados con el autismo, y estos monos GM transmiten la

14. Actividad abierta; respuestas variables.

mutación a la descendencia. Los científicos tienen la esperanza de que modelos como este puedan resultar valiosos para tratar el síndrome de Rhett y los

15. Actividad abierta; respuestas variables.

trastornos del espectro autista.

16. El aminoácido raro en las fibras bisales es la l-dopa, que no suele encontrarse en la mayoría de las proteínas. Contiene un grupo químico llamado catecol, que consta de un anillo de benceno con dos grupos hidroxilo (ÿOH). El grupo

3. La amniocentesis y la muestra de vellosidades coriónicas son formas de

catecol puede formar enlaces de hidrógeno con superficies cargadas

obtener muestras de tejido de fetos en desarrollo para realizar pruebas genéticas.

negativamente (aniónicas) en las rocas. En condiciones de laboratorio, los

Las células fetales o el tejido adulto (por lo general, los glóbulos blancos o las

iones cargados positivamente (cationes) interfieren con la unión de catecol.

células de la piel, las mejillas o el cabello) se pueden analizar mediante un

Pero en el agua salada parece que las proteínas bisales contienen cationes

análisis de cariotipo, incluido FISH, para detectar anomalías en el número y la

que desplazan a los cationes en el agua salada y permiten que las proteínas

estructura de los cromosomas. Las técnicas moleculares, como el análisis de

sean atraídas y se unan a las superficies aniónicas de las rocas.

oligonucleótidos específicos de alelos (ASO), o micromatrices, se pueden utilizar para detectar genes defectuosos en células humanas. Cada vez más, la secuenciación del ADN, y posiblemente la secuenciación del ARN, jugarán un

17. Las biopelículas son acumulaciones de organismos vivos, como las bacterias, que recubren una superficie. Por ejemplo, las biopelículas se producen en los dientes, los implantes cardíacos y las vías intravenosas. En ambientes marinos, las algas y moluscos que crecen en los cascos de los barcos

papel más importante en las pruebas genéticas. 4. (a) Pronóstico (pero podría ser diagnóstico si una persona es mostrando síntomas de la enfermedad de Parkinson); (b) Diagnóstico; (c) Diagnóstico; (d) Diagnóstico.

ejemplifican la biopelícula. Muchos organismos acuáticos combaten la formación de biopelículas al producir compuestos que matan o inhiben el crecimiento de los microbios que forman biopelículas. Por lo tanto, los científicos están interesados en identificar estos compuestos para que puedan usarse en aplicaciones comerciales para combatir la formación de biopelículas.

5–6. Preguntas de final abierto; respuestas variables. 7. El PMI está diseñado para transformar el tratamiento médico a través de un enfoque integrado de investigación, tecnología y políticas que brindan tratamientos individualizados. La biotecnología tiene papeles importantes en el PMI, desde el

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Apéndice 1 Respuestas a preguntas y actividades

identificación de influencias biológicas, conductuales y ambientales sobre la enfermedad a través de la investigación, el desarrollo y la aplicación de nuevos tratamientos. La medicina de precisión se enfoca en tratamientos individualizados altamente personalizados basados en diferencias individuales en genética, estilo de vida, medio ambiente y otros factores. Esto se opone a muchas estrategias de tratamiento actuales que son de talla única, en las que la mayoría de las personas con la misma enfermedad son tratadas de la misma manera.

16. Pregunta abierta; respuestas variables. 17. La medicina regenerativa involucra la creación de células, tejidos y órganos que pueden usarse para reparar o reemplazar tejidos muertos o dañados en una persona. Esto podría incluir el cultivo de órganos in vitro para su implantación en pacientes. 18. Las células madre embrionarias (ESC) se aíslan de las primeras

Una iniciativa de PMI en marcha es reclutar al menos 1 millón de voluntarios

embriones en estado de blastocisto. Los blastocistos generalmente se

estadounidenses de quienes se recopilará y analizará una variedad de datos de muestras biológicas, incluida la secuenciación de ADN, el microbioma, los datos

vitro. Para aislar y cultivar ESC, la masa celular interna se disecciona fuera

del epigenoma y otros datos para proporcionar nuevos conocimientos sobre la

del blastocisto y estas células luego se cultivan en una placa de cultivo de

salud y la enfermedad. a nivel individual, comunitario y poblacional.

tejidos. Por el contrario, las células madre derivadas de adultos (ASC) se

derivan de los embriones sobrantes de los procedimientos de fertilización in

aíslan de tejidos adultos maduros. Estas células se encuentran en pequeñas cantidades en muchos tejidos del cuerpo, como los músculos y los huesos. Se extrae una pequeña muestra (biopsia) de tejido adulto (por ejemplo, se puede 8. La farmacogenómica es una medicina personalizada creada mediante el análisis de la genética de una persona y el diseño de un fármaco o una estrategia de tratamiento que es específica para esa persona en particular en función de los genes involucrados en la condición médica de esa persona. La farmacogenómica es una forma de medicina de precisión que existe mucho antes de que se utilizara el término medicina de precisión . Gleevec y Herceptin para el tratamiento de la leucemia mieloide crónica y el cáncer de mama, respectivamente, son ejemplos.

usar una aguja para realizar una biopsia en una muestra de células madre adultas de médula ósea), y luego se pueden cultivar ASC. Al tratar las ESC o las ASC con diferentes factores de crecimiento, los científicos pueden estimular las células madre para que se diferencien en diferentes tipos de células corporales. Las células madre amnióticas se extraen del líquido amniótico que rodea a un embrión en desarrollo. Las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) se producen mediante la reprogramación de células somáticas para que se conviertan en células madre. Los biólogos de células madre visualizan muchas formas en las que las células madre pueden usarse para tratar

9. Actividad abierta; respuestas variables. 10. Humira es un tratamiento de anticuerpos monoclonales aprobado por la FDA ment para la artritis reumatoide, formas de psoriasis, enfermedad de Crohn, colitis ulcerosa y otras condiciones.

enfermedades, y varias aplicaciones se encuentran actualmente en ensayos clínicos. Como ejemplos, las células madre podrían implantarse en el cuerpo para reemplazar el tejido dañado, las células madre se han utilizado como vectores para la entrega de genes terapéuticos y podrían usarse para cultivar tejidos y órganos para su posterior trasplante a humanos, entre otros. aplicaciones

11. Actividad abierta. Consulte las Figuras 11.14 y 11.15. 12. El propósito de la terapia génica es entregar genes terapéuticos a los seres humanos para tratar o curar enfermedades. La terapia génica también puede implicar la edición del genoma mediante técnicas como CRISPR-Cas o técnicas

19. Preguntas abiertas; respuestas variables.

para silenciar genes, como RNAi. La terapia génica ex vivo implica extraer células de un paciente, insertar un gen o genes en estas células y luego inyectarlas o implantarlas en el paciente. El tratamiento de SCID es un ejemplo de terapia

20. Consulte la Tabla 11.2 para ver una comparación de la clonación terapéutica y reproductiva.

génica ex vivo. La terapia génica in vivo ocurre dentro del cuerpo al administrar genes directamente en el cuerpo (por ejemplo, tratar afecciones de la retina mediante inyecciones directas en el ojo). Algunas técnicas para administrar genes terapéuticos incluyen el uso de virus como vectores para la terapia génica, la inyección de ADN desnudo y el uso de liposomas para administrar genes.

Capítulo 12 1. Las regulaciones internacionales cumplen la función de coordinar la acción estatal mediante la creación de principios compartidos y la armonización de estándares. Otros ejemplos incluyen promover la previsibilidad en el comportamiento del estado, facilitar el intercambio de información, reducir los costos de interacciones múltiples y separadas y establecer mecanismos de resolución de disputas.

13. Los científicos de terapia génica se enfrentan a muchos desafíos, entre ellos garantizar la entrega segura de genes (especialmente cuando se utilizan

2. El intercambio de recursos ha llevado al beneficio mutuo: las personas o estados

vectores virales), dirigir el gen terapéutico a las células y tejidos correctos y

que utilizan los recursos, así como las personas o estados que los proporcionan,

encontrar formas de obtener la expresión suficiente del gen terapéutico para

disfrutan de los beneficios generados por la utilización de dichos recursos.

curar la condición dada. La edición del genoma presenta desafíos similares, como garantizar que solo se editen las secuencias de genes objetivo. 3. Es importante porque los mismos agentes biológicos y tox ins tienen un doble uso. Pueden usarse para causar daño, pero también protegen contra amenazas de enfermedades naturales. 14. Las tecnologías de ARN antisentido, ARNi y miARN, son técnicas de silenciamiento génico que podrían utilizarse para inhibir un gen implicado en el proceso de una enfermedad. Consulte la Sección 11.5.

4. Un componente que busca limitar o restringir ciertas actividades en biotecnología sería la restricción de los movimientos transfronterizos de OVM en el Protocolo de Cartagena y uno que juega un papel facilitador en la aplicación de la

15. Una de las principales ventajas de los enfoques de edición del genoma, como CRISPR, es que permiten la eliminación o el reemplazo de una secuencia, como un gen, de una manera muy específica al enfocarse en áreas muy

biotecnología sería la orientación sobre la utilización de nuevos herramientas y técnicas como se ve en el Manual de Pruebas de Diagnóstico y Vacunas para los Animales Terrestres.

específicas del genoma. Estas técnicas también son relativamente más fáciles de usar que otros métodos desarrollados hasta la fecha y pueden usarse in vivo. e in vitro.

5. Sesenta y cuatro cultivos alimentarios y forrajeros que son universalmente dependiente para la seguridad alimentaria.

Machine Translated by Google Apéndice 1 Respuestas a preguntas y actividades

6. El sistema de distribución de beneficios del marco PIP incorpora una reserva centralizada de vacunas, que se distribuyen en las primeras etapas de un brote a los países que de otro modo no podrían acceder a las vacunas durante una pandemia.

7. Algunas de las cuestiones a considerar serían si 'utili ción' sólo se aplica cuando hay actos conjuntos de investigación y

A-11

Capítulo 13 1. Enfoque utilitario y enfoque deontológico (kantiano). El utilitarismo trata de sopesar todos los resultados posibles y producir el mayor bien para el mayor número, de modo que el resultado final justifique los medios. El enfoque deontológico parte de ciertos absolutos que no se pueden traspasar para mantener un resultado éticamente correcto, por mucho bien que se logre.

desarrollo, o si se aplica también a ambos de forma aislada. ¿Se extiende a la investigación básica sin aplicación comercial planificada oa la investigación realizada únicamente con fines taxonómicos u otros fines de conservación?

2. La mayoría de los especialistas en bioética concluyeron que esto era éticamente apropiado

privado porque Adam no sufrió daños físicos al proporcionar sangre de cordón umbilical a su hermana Molly. Además, ninguna evidencia indicó que los padres de

8. Puede ser difícil aplicar los derechos soberanos de los estados a algunas

Adam lo trataron mal o como si hubiera sido concebido solo para salvar a su hermana.

formas de recursos genéticos que no están limitados por fronteras

Sin embargo, ¿qué opinas sobre los padres que seleccionan la descendencia que

geográficas. Por ejemplo, establecer qué país tiene derechos sobre qué

desean en función de la genética (un proceso que no es poco común cuando se

recurso genético viral en particular podría ser muy difícil ya que estos

realiza la fertilización in vitro)?

recursos pueden expandirse y evolucionar rápidamente. 3. Desde una perspectiva ética, se podría argumentar que para el beneficio 9. Las condiciones de los Estados Unidos con respecto a los “delfines el etiquetado de "seguro" en los productos de atún no fue aceptado internacionalmente.

10. Al permitir que los miembros de la OMC expidan licencias para que los medicamentos patentados puedan exportarse a países que carecen de capacidad de fabricación nacional.

11. De conformidad con el Sistema del PCT, si el solicitante presenta la presentación en cualquier Estado miembro, la presentación se produce

general de mejorar la salud humana, las compañías farmacéuticas deberían compartir dicha información para ayudar a facilitar el desarrollo de medicamentos que curan. Sin embargo, no existe ningún requisito legal para que las empresas lo hagan. 4–6. Actividades abiertas; respuestas variables. 7. No, actualmente no existe tal base legal para esta responsabilidad. demanda contra una empresa de alimentos.

8–10. Preguntas de final abierto; respuestas variables.

simultáneamente en cualquier otro Estado miembro que designe el solicitante. 11. Un bioético que siga un proceso de pensamiento utilitarista propondría una 12. El Protocolo de Nagoya requiere que los estados informen a los pueblos indígenas y

respuesta de "el mayor bien para el mayor número".

los involucren en las decisiones sobre el acceso al conocimiento tradicional asociado

Si esta forma de terapia génica puede ayudar a reducir los niveles de colesterol y

con los recursos genéticos.

grasas saturadas en humanos y permitir que la mayoría de las personas disfruten de

13. Establecer presupuestos y programas de trabajo y determinar la política. 14. Un enfoque de salud puede reunir múltiples sectores que se ocupan de la

alimentos grasos, entonces es éticamente correcto asumir el riesgo de que un número menor de personas muera prematuramente debido a esta terapia.

salud humana, animal y vegetal para una comprensión más completa de los riesgos y beneficios de la biotecnología y para lograr mejores resultados

12–14. Pregunta abierta; respuestas variables.

de salud pública.

15. Consulte el Capítulo 13 para obtener una descripción de MRT. Como estudiante, debe decidir si cree que producir niños mediante MRT es ético

15. Es posible que se necesite buena evidencia científica para

y si cree que "bebés con tres padres" es un nombre apropiado. El Consejo

aplicar ciertas normas. Las regulaciones internacionales también pueden tener

de Nuffield tiene su sede en el Reino Unido y, en general, ha declarado que

implicaciones significativas para la práctica científica, por lo que los científicos pueden

la MRT es ética.

ayudar a crear conciencia sobre la naturaleza de estas implicaciones.

Aquí hay una cita sustancial de un informe de Nuffield de 2012 sobre MRT: “Debido a los beneficios sociales y de salud para los individuos y las familias de vivir libres de trastornos mitocondriales, y donde los padres potenciales expresan una preferencia

16. Puede que te encuentres con organismos genéticamente modificados, organismos con valor histórico significativo, muestras de referencia importantes, cepas de vacunas, etc.

17. Pregunta abierta; respuestas variables.

por tener hijos genéticamente relacionados, en general, Creo que si se demuestra adecuadamente que estas técnicas novedosas son aceptablemente seguras y efectivas como tratamientos, sería ético que las familias las usaran, si así lo desean y se les ha ofrecido un nivel adecuado de información y apoyo”.

18. Contar con buenos sistemas de vigilancia y seguimiento para que los brotes se identifiquen en sus primeras etapas, contando con servicios veterinarios bien capacitados y compartiendo información a nivel internacional para que otros estados puedan prepararse de manera efectiva.

16. Pregunta abierta; respuestas variables. 17. Muchos de los problemas éticos asociados con la edición del genoma están enfocados a aplicaciones en humanos, tales como: ¿Es ético modificar el

19. El documento sensibiliza a los científicos sobre

genoma? Si es así, ¿bajo qué circunstancias (es decir, para curar una enfermedad o

cómo las prácticas de trabajo responsable promoverán los beneficios de la

para mejorar genéticamente)? Las ediciones de la línea germinal se transmiten a la

investigación en ciencias de la vida al tiempo que minimizan los riesgos para la

descendencia, por lo que esto también plantea preguntas sobre los bebés diseñados

seguridad de la salud mundial en caso de fallas graves o de seguridad.

y la producción de modificaciones genéticas que pueden heredarse. La edición de

Se cree que el enfoque en la comunidad científica y sus acciones es un complemento

embriones humanos es muy controvertida. Consulte el Capítulo 11 y

útil para la regulación gubernamental 'de arriba hacia abajo'. Capítulo 13 para discusiones detalladas sobre la edición de embriones.

20. Pregunta abierta; respuestas variables.

18–20. Actividades abiertas; respuestas variables.

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APÉNDICE 2 Aminoácidos no polares

CH3

CH3

H3C _

CH H C COOH H2N H

CH

CH3 C H

H2 norte

alanina

Glicina gly

CH2

C COOH

H3C _

COOH H2N H

COOH H2N H

Valina

CH C

C

COOH H2N H isoleucina

leucina

Tierra

valle

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L

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CH2

CH3

H3C _

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CH3 S

hn do = do

CH2 CH2

CH2

CH2

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C

C

COOH

H

H2 norte

Fenilalanina fe F

CH2

H2C _

H

C

COOH H2N H

COOH H2N H

triptófano

metionina De

TRP

En

hn

COOH

H prolina

Pro PAGS

METRO

Aminoácidos polares

CH2

OH NH2O _ C

A

NH2O _ C

CH3 CH2

H

C

OH

C C

COOH H2N H

COOH H2N H Treonina Thr T

serina Ser - estar

S

CH2

CH2

CH2

CH2

C

C

C

C

COOH H2N H tirosina Tyr

H H2 N COOH

H H2 N COOH

asparagina

glutamina gln

como

Y

Cargado negativamente (ácido)

SH

CH2

COOH H2N H cisteína Cis C

q

norte

Aminoácidos polares con carga positiva (básicos)

Aminoácidos polares

H2N + +

NH3 O-

O O-

O C

C CH2

CH2

NH2 C NUEVA HAMPSHIRE

H CH

norte

CH2

CH2

CH2

CH2

HC + CAROLINA DEL NORTE

H

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

C

C

C

C

C

H H2 N COOH

H H2 N COOH

Ácido aspártico

Ácido glutamico

Áspid

D

Glú Y

H H2 N COOH

H H2 N COOH

H H2 N COOH

Lisina Luz k

Arginina

Histidina Su H

Argentina

R

Los 20 aminoácidos de las proteínas Se pueden usar hasta 20 aminoácidos diferentes para sintetizar una proteína. Cada aminoácido tiene una estructura común, pero las cadenas laterales (sombreadas) varían de un aminoácido a otro. Estas cadenas laterales determinan las propiedades químicas de los aminoácidos. Tenga en cuenta que algunos aminoácidos son no polares mientras que otros son polares y también hay aminoácidos cargados positiva y negativamente. También se muestra el código de tres letras y el código de una sola letra de cada aminoácido.

A-13

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Créditos Foto Capítulo 1: Abridor: atic12/123RF. 1.1(a): baibaz/Shutterstock. Gustavo Toledo/Shutterstock. Brian Senic/Shutterstock. 1.1b: Imágenes de dragones/Shutterstock. 1.2a: Profesor John Doebley. 1.2b: topimages/Shutterstock. 1.5b: SIU BioMed/fotografía médica personalizada. 1.7:

ADN, segunda edición por James D. Watson, et al. © 1992 por James D. Watson, Michael Gilman, Jan Witkowski y Mark Zollar, WH Freeman and Company. Estudio de caso: Basado en Sci Transl Med. PMC 2015 Jun 18.Sci Transl Med. 11 de junio de 2014; 6(240): 240ra74. 10.1126/scitranslmed.3008008 PMCID: PMC4471875 NIHMSID: NIHMS697543.

Glynnis Jones/Shutterstock. 1.8: furofelix/123RF. 1.9: Marina Rybaltovskaya/123RF Capítulo 8: Apertura: Laboratorio/Alamy Stock Photo. 1.10: nevodka/123RF. 1.11: Michael A. Palladino. 1.12: acento Alaska.com/ Alamy Stock Photo. 1.13: Paul Darrow/Polaris/ Newscom. 1.18: atic12/123RF. 1.19: Biotech Careers.org UN1.1: S. Harris/Cartoonstock.

8.12: Cortesía de Seminis Vegetable Seeds, Inc. Capítulo 9: Apertura: Maciej Dakowicz / Alamy Stock photo. 9.2: Suzanne L y Joseph T. Collins/Science Source/Getty Images. 9.5: Jennifer Bower y Ralph Mitchell. 9.6: Basado en “Anaerobes to the Rescue”

Capítulo 2: Apertura: alengo/E+/Getty Images. 2.18a: Cheryl Power/Fuente

de Derek R. Lovley, figura en la pág. 1445, Science 293: 1444–1446 (2001)

científica. 2.18b: Cortesía de los Institutos Nacionales de Salud. 2.19: Fotografía

24 de agosto de 2001.

de David Cooney.

9.10: RJH_RF/Foto de stock de Alamy. 9.11: Michael A. Palladino.

Capítulo 3: Apertura: MOLEKUUL/BIBLIOTECA DE FOTOS DE

9.13: Publicaciones MAPE. 9.16: Kelly P. Nevin. 9.18a: Imágenes AP. 9.18b:

CIENCIA/Getty Images. 3.9(b): Institutos Nacionales de Salud (NIH). 3.13:

Cortesía de la Armada de los Estados Unidos. 9.19: acento Alaska.com/Alamy

Foto de Peter M. Lansdorp. 3.14: Foto de Michael A. Palladino. 3.15: Foto de Michael A. Palladino. 3.17a: SAM OGDEN/Fuente científica. 3.17b: Volker

Stock Photo. 9.20a: Maravillas salvajes de Europa/Carwardine//bluegreenpictures/

Steger/ Fuente científica. Capítulo 4: Apertura: Foto de Michael A. Palladino. Michael A Palladino. 4.3:

Biblioteca de imágenes de la naturaleza. 9.20b: Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAA). 9.21: Universidad de Servicios Uniformados. 9.22: Steve Trewhella/ Alamy Stock Photo.

Cortesía de The Protein Data Bank/RCSB.

Capítulo 10: Apertura: Paul Darrow/Polaris/Newscom.

4.10: Basado en Proteínas para PCR por David W. Burden, Figura 5.4, pág. 99. Copyright © 1995 por Springer-Verlag. 4.11: Basado en Proteínas para

10.1: Peggy Greb/USDA/APHIS Servicio de Inspección Sanitaria de Animales y Plantas. 10.2: Michael A. Palladino. 10.3a: Dr. Kevin M.

PCR por David W. Burden, Figura 554, pág. 102.

Fitzsimmons. 10.3b: PhotoStock-Israel/Photo Researchers, Inc. 10.3c: Mark

Copyright © 1995 por Springer-Verlag. 4.15: Jochen Tack/

Burnett/Photo Researchers, Inc. 10.3d: Steven David Miller/Nature Picture Library.

imageBROKER/REX/Shutterstock. 4.16: Basado en "Los anticuerpos detectan la

10.4.1: Dr. Kevin M. Fitzsimmons.

formación de proteínas" Figura 4.17, pág. 44 de Genomics & Proteomics

10.4.2: Ian nolan/Alamy Stock Photo. 10.7a: Dwight Smith/ Shutterstock. 10.7b: Asociación Americana para el Avance

noviembre/diciembre de 2001. Copyright © 2003 Genomics & Proteomic, una publicación de Reed Business Information, una división de Reed Elsevier Inc.

Capítulo 5: Apertura: Gopal Murti/Photo Researchers, Inc./ Fuente de la ciencia. 5.1a: Cortesía de Pincus, Dr. Seth. 5.1b: Jezper/ 123 RF. 5.1c: CNRI/Sciencesource. 5.2a: Investigadores fotográficos, Inc./ Fuente de la ciencia. 5.2b: Kevin Schafer/Documental de Corbis/Getty Images.

de Ciencia. 10.7c: USDA/ARS/Servicio de Investigación Agrícola. 10.8: Michael A. Palladino. 10.11: Cseh Ioan/123RF. 10.12: Corte tesy Louisiana Sea Grant College Program. 13.10: Herbert Waite. 14 de octubre: Chris Willson/Alamy Stock Photo. 10.15: Sede de la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU. 10.16: Débora L. Santavy. 10.UN.1: Jim Zipp/Photo Researchers, Inc.

5.3b: Mulvihill, Charlotte K. 5.6: Basado en Gilmore, R.

Capítulo 11: Apertura: NatUlrich/Shutterstock. 11.1: Kay Chernush/Getty

(2004): ¿Seguridad alimentaria en EE. UU. bajo asedio? Biotecnología de la

Images. 11.4a: Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades. 11.4b: Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades. 11.4c:

naturaleza, 22: 1503–1504. 5.6a: Jurgen Freund/Biblioteca de imágenes de la naturaleza. 5.6b: Martin Shields/Fuente científica. 5.7a.1: SciMAT/Foto

Giuseppe Saglio et al., Un duplicón de 76 kb mapea cerca del gen BCR en el

Investigadores, Inc./Fuente científica. 5.7a.2: Imágenes de Ian O'Leary/DK. 5.7a.3:

cromosoma 22 y el gen ABL en el cromosoma 9: posible participación en la

Michael A. Palladino. 5.14: Basado en Nature Biotechnology, 28(7): 687–689.

génesis de la translocación del cromosoma Phila delphia, Academia Nacional de

5.15a: Ojo de la ciencia/ Photo Researchers, Inc./

Ciencias. 11.10: IL-1ra liberada de microesferas de poli(ácido láctico-co-glicólico)

Fuente de la ciencia. 5.15b: Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades

atenúa la degradación del núcleo pulposo mediada por IL-1b in vitro, Arthritis

ción (CDC). 5.15c: Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades

Research & Therapy, 2012_SSN: 1478-

(CDC). 5.15d: Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC). 5.16a: A Barry Dowsett/Photo Researchers, Inc./Science Source.

6362. 11.11: Basado en "La nanotecnología apunta al cáncer" por RF Service. De

5.16b: TH Chen y SS Elberg. 5.18: Scott J. Ferrell/Congressional Quarterly/

Science 310: 1132–1134, noviembre de 2005.

Alamy Stock Photo.

Kateryna Kon/Shutterstock. 11.22: Xinhua/Alamy Stock Photo. 11.24a: BSIP SA/

Capítulo 6: Apertura: kazoka/Shutterstock. 6.2: Somsak Sudthangtum/

Foto de archivo de Alamy. 11.24b: Sam Ogden/ Fuente de la ciencia. 11.26: Basado en la función cerebral y la plasticidad de la

123RF. 6.5: Laboratorios Bio-Rad, Inc. 6.12: Imágenes de tigre/Shutterstock. UN.06.1(i): África Estudio/

cromatina” por Catherine Dulac, Volumen 465, Is. 7299, 2010, Nature by Nature

Shutterstock. ONU.06.1(ii): Somsak Sudthangtum/123RF.

Publishing Group. 27.11: Michael A. Palladino.

Capítulo 7: Apertura: Ibreakstock/Shutterstock. 7.1b: Nicolás Toh/123RF. 7.5: Arthur Dries/Digital Vision/Getty Images. 7.8: Geoff Tomkinson/Fuente científica. 7.9: Medios Wavebreak Ltd/123RF. UN.FIG.07.01: Asociación Estadounidense para el Avance

11.28: Basado en Cell, Volumen 132, Número 1, Copyright 2008, Elsevier. 11.29: Deco Images/Alamy Stock Photo. Capítulo 12: Apertura: Lukasz Stefanski/Shutterstock. 12.1: Mariuswalter - Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=62766319

de la Ciencia (AAAS). 7.10: Basado en recombinante

C-1

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Créditos

12.2: Jenoche/Shutterstock. 12.3: ANDREY-SHA74/ Shutterstock 12.4: LUPA/Shutterstock.

Figura 9.3: Pearson Education Inc. Figura 9.17: Basado en "Las plantas abordan la contaminación explosiva" por

Capítulo 13: Apertura: Lightspring/Shutterstock 13.1:

Richard B Meagher, Volumen 24, Número 2, 2006, Nature Biotechnology por

Stockphoto Mania/Shutterstock. Thanakorn Boonthawee/ Shutterstock. 13.2a: Servicio Forestal del USDA. 13.2b: Servicio Forestal del

Nature Publishing Company. Figura 10.5: reimpreso con permiso de “Proteínas anticongelantes y sus genes”

USDA. 13.3: Ira Bostic/Shutterstock. 13.4: JcE/Alamy Stock Photo. 13.7: Imágenes

por Garth L. Fletcher, Sally V. Goddary y Yaling Wu, figuras 3 y 10, Chemtech

de Jack Smith/AP. 13.8: S. Harris/Cartoonstock.

1999, 30(6), 17–28. Copyright © 1999 de la Sociedad Química Estadounidense.

Créditos de texto/arte

Usado con permiso. Figura 10.6: reimpreso con permiso de “Proteínas anticongelantes y sus genes”

Figura 1.4: John E. Smith, Biotechnology, Third Edition, 1996, © JE Smith 1981,

por Garth L. Fletcher, Sally V. Goddary y Yaling Wu, figuras 3 y 10, Chemtech

1988, © Cambridge University Press 1996.

1999, 30(6), 17–28. Copyright © 1999 de la Sociedad Química Estadounidense.

Figura 1.6: Nature Biotechnology, volumen 22, diciembre de 2004 por Nature

Usado con permiso.

Publishing Company. Figura 1.19: Carreras en biotecnología.

Figura 10.11b: Departamento de Recursos Naturales de Carolina del Sur. ©Duane Raver.

Figura 1.20: Estructura organizativa de una biotecnología típica de tamaño

Tabla 10.1: Datos de Goldberg, R. y Triplett, T. (2000): Something Fishy.

mediano, Ernst & Young, Beyond Borders: The Global Biotechnology Report,

Defensa Ambiental, www.environ mentaldefense.org.

2011., Ernst & Young LLP. Tabla 1.1: Datos basados en la mayor fuente de recursos disponible en el momento de la publicación: Morrison, C. y Lähteenmäki, R. Public

Tabla 10.2: Basado en Goldberg, R. y Triplett, T. (2000): Something Fishy. Defensa Ambiental, www.environ mentaldefense.org.

biotecnología en 2016: los números. Nature Biotech., 35: 623–629, 2017. Tabla 1.3: Adaptado de Genetic Engineering & Biotechnology News, Ingresos basados en resultados preliminares informados por empresas.

Figura 11.5: Kleinsmith, Lewis J.; Kish, Valerie M., Principios de biología celular y molecular, 2ª ed., (c) 1995, pág. 110. Reimpreso y reproducido electrónicamente con permiso de Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, Nueva Jersey.

Figura 2.20: Basado en “Función cerebral y plasticidad cromática” de Catherine Dulac, Volumen 465, 2010, Nature by Nature Publishing Group.

Figura 11.7: Basado en Fortney K, Dobriban E, Garagnani P, Pirazzini C, Monti

Macmillan Publishers Ltd. Nature Publishing Group en el formato Diario a

D, et al. (2015) Escaneo de todo el genoma informado por enfermedades

través del Centro de autorización de derechos de autor.

relacionadas con la edad identifica loci para una longevidad humana

Figura 3.22: Cortesía de Mikael Haggstrom.

journal.pgen.1005728.

Figura 4.1: Basado en John E. Smith, Biotechnology, Third Edition, 1996,

Figura 11.8: Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales.

excepcional. PLOS Genética 11(12): e1005728. https://doi.org/10.1371/

© JE Smith 1981, 1988, © Cambridge University Press 1996.

Figura 11.11: “La nanotecnología apunta al cáncer” por RF Servicio. De Science 310: 1132–1134, noviembre de 2005.

Figura 4.13: Basado en Proteínas para PCR por David W. Burden, Figura 5.6, pág. 104. Copyright © 1995 por Springer-Verlag. Estudio de caso del capítulo 4: Basado en Int J Alzheimers Dis. 2012; 2012: 707482. Publicado en línea el 15 de agosto de 2012. doi: 10.1155/ 2012/707482PMCID: PMC3426215 Proteína tau: función y patología Hanna

Figura 11.13: Basado en el anticuerpo PDGFRA de Klug, LR y Heinrich, MC para el sarcoma de tejidos blandos. Cell 168, 9 de febrero de 2017. Pág. 555, http:// www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(17)30113-7.pdf. Figura 11.14a: Basado en Vicki Brower. 1 de abril de 2015. The CAR T-Cell Race. The Scientist.

Rosen-mann, David Blum, Rakez Kayed y Lars M. Ittner. Figura 11.14b: Basado en Yadev, M. y Delamarra, L. Figura 5.17: Reimpreso con permiso de Jared Schneidman Design.

Ciencia, 352:1275-1337, 2017. Figura 11.15: Basado en Olweus, J. Nature Biotech, 35: 520–

Figura 6.1: Cortesía del Servicio Internacional para la Adquisición de Aplicaciones de Agrobiotecnología.

521, 2017. Figura 1, panel derecho. Grupo Editorial Naturaleza. Figura 11.17: Klug, William S.; Cummings, Michael R.; Spencer, Charlotte

Estudio de caso del capítulo 6: basado en PLoS One. 2014; 9(10):

A.; Palladino, Michael A., Conceptos de genética, 11.ª edición, ©2015.

e110536. La captación de ARN de doble cadena a través de la aplicación

Reimpreso y reproducido electrónicamente con permiso de Pearson Education,

tópica media el silenciamiento de cinco genes CYP4 y suprime la resistencia

Inc., Nueva York, NY.

a los insecticidas en Diaphorina citri, Nabil Killin, Subhas Hajeri, Siddharth

Figura 11.19: Basado en Wadman, M. Science 354: 1359–1360, 2016; Wan, L.

Tiwari, Siddarame Gowda y Lukasz L. Stelinski1, Immo A. Hansen, Editor.

y Dreyfuss, G. Cell, 170:5, 2017. Figura 11.20: Basado en Klug et al. Conceptos de Genética, 11e.

Figura 7.2: De “Un ratón más poderoso con inmunidad adaptativa humana” por Marie Kosco-Vilbois, Volumen 22, Número 6, 2004, Nature Biotechnology por Nature Publishing Company. Tabla 7.2: www.fda.gov/cder/handbook/develop.htm.

ST-5: Figura de terapia génica ST5-7. Figura 11.26: Basado en "Función cerebral y plasticidad de la cromatina" de Catherine Dulac, Volumen 465, Is. 7299, 2010. Tabla 11.1: Basado en células madre y el futuro de la medicina regenerativa,

Figura 8.2: Reimpreso con permiso del Dr. Kenneth C. Jones.

www.nap.edu/catalog/10195.html.

Figura 8.3: Imagen cortesía del Instituto Nacional de Salud.

Figura 12.5: Basado en el panorama de la propiedad intelectual del genoma

Figura 8.4: Dr. Kenneth C. Jones.

humano, Science 310: 239. Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia.

Estudio de caso del capítulo 8: Basado en Jamie L. Almeida, Carolyn R. Hill y Kenneth D. Cole, Citotecnología. 2014 enero; 66(1): 133–147. Publicado en línea el 22 de febrero de 2013. doi: 10.1007/s10616-13-9545-7.

Pregunta 13.2: RM Kline (2001), ¿De todos modos, de quién es la sangre? Scientific American, 284(4): 42–49.

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Glosario Proyecto 100,000 Genomas: Un proyecto del gobierno del Reino Unido que

células madre derivadas de adultos (ASC): células madre derivadas de

está secuenciando genomas completos de pacientes del Servicio Nacional

tejidos de un adulto, a diferencia de las células madre embrionarias, que

de Salud. El proyecto se centra en enfermedades raras, algunos tipos

se derivan de un blastocisto; pueden diferenciarse para producir otros tipos

comunes de cáncer y enfermedades infecciosas. Los participantes dan su consentimiento para que los datos de su genoma se vinculen con información sobre su condición médica y registros de salud. Los datos médicos y genómicos se comparten con los investigadores para mejorar el conocimiento de las causas, el tratamiento y la atención de las enfermedades.

de células. aerobios: Organismos que utilizan oxígeno para su metabolismo. Condiciones aeróbicas: Condiciones en las que está presente el oxígeno. Metabolismo aeróbico: Metabolismo que requiere oxígeno. cromatografía de afinidad: una técnica de separación, basada en la coincidencia

Bioimpresión 3D: una técnica que permite imprimir (pulverizar) células, factores de crecimiento y otros materiales, a menudo sobre una matriz de soporte sólida, para crear tejidos u órganos. Sitio A (aminoacilo): Porción de un ribosoma en el que se unen las moléculas de ARNt de aminoacilo durante la traducción. número de acceso: letra de identificación única y código numérico asignado a cada secuencia de ADN clonada que está catalogada en bases de datos como GenBank (por ejemplo, BC009971 es el número de acceso de uno de los genes de queratina, que produce una proteína que es un componente

única entre una molécula y su contraparte química unida a la columna (como antígeno/anticuerpo), que involucra el paso de proteínas u otras sustancias en solución sobre un medio que se unirá a (“tiene afinidad por ”) componentes específicos de la solución. Se utiliza para aislar proteínas de fusión de una mezcla de proteínas de células bacterianas.

Electroforesis en gel de agarosa: Ver electroforesis en gel. fermentación de alcohol (etanol): descomposición enzimática de carbohidratos (azúcares) en ausencia de oxígeno; los productos incluyen ATP, CO2 y etanol (alcohol) como productos de desecho; importante tipo de metabolismo

principal de las células de la piel y el cabello). Los científicos de todo el mundo

microbiano utilizado para la producción de ciertos tipos de bebidas que

pueden utilizar el número de acceso de cualquier secuencia para recuperar

contienen alcohol.

información de la base de datos sobre esa secuencia en particular. lluvia ácida: Lluvia con un pH bajo (ácido) creada cuando los vapores de agua

Análisis de oligonucleótidos específicos de alelo (ASO): Genético

en la atmósfera se combinan con contaminantes que crean ácidos que reducen

técnica de prueba que implica el uso de PCR con oligonucleótidos

el pH del agua de lluvia.

específicos de un gen de enfermedad para analizar el ADN de una persona.

síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA): El síndrome de

empalme alternativo: el empalme a veces puede unir ciertos

inmunodeficiencia adquirida (SIDA) es la etapa más avanzada de la infección

exones y eliminar otros exones, esencialmente tratándolos como intrones.

por VIH (virus de inmunodeficiencia humana), el VIH destruye los linfocitos T

Este proceso crea múltiples ARNm de diferentes tamaños a partir del mismo

CD4 (células CD4) del sistema inmunitario, lo que deja al cuerpo vulnerable

gen. Cada ARNm se puede usar para producir diferentes proteínas con

a amenazas que amenazan la vida. infecciones y cánceres.

funciones diferentes, a veces únicas. El empalme alternativo permite producir varios productos proteicos diferentes a partir de la misma secuencia génica.

mutaciones adquiridas: ocurren en el genoma de las células somáticas y no se transmiten a la descendencia; puede causar anormalidades en el crecimiento celular que conducen a la formación de tumores cancerosos, trastornos metabólicos y otras condiciones. Inmunodeficiencia combinada severa ADA (ADA-SCID):

aminoácidos: Bloques de construcción de la estructura de la proteína; combina Las combinaciones de 20 aminoácidos diferentes pueden unirse mediante enlaces covalentes en orden y longitud variable para formar un polipéptido.

Condición genética creada por una mutación en el gen que codifica la enzima adenosina desaminasa. Las personas afectadas no tienen un sistema inmunológico funcional y son propensas a la muerte por infecciones comunes, normalmente menores. Comúnmente conocida como condición de "niño en la

ARN de transferencia de aminoacilo (ARNt): ARN de transferencia (ARNt) molécula con un aminoácido unido. amniocentesis: Técnica para obtener células fetales de una mujer embarazada

burbuja" debido a la necesidad de que las personas con SCID vivan en

para analizar las células fetales y determinar la composición genética de

ambientes libres de gérmenes.

las células, como el número de cromosomas o el sexo del feto.

Adenina (A): abreviada A; base de purina presente en los nucleótidos de ADN y ARN. virus adenoasociado (AAV): Virus que infecta a humanos y algunas otras especies de primates. En los seres humanos, el virus provoca una respuesta

Células madre derivadas del líquido amniótico (AFS): Células madre en el líquido amniótico de mujeres embarazadas que se ha encontrado que tienen muchas de las mismas características que las células madre embrionarias.

inmunitaria muy leve. Los vectores de terapia génica que utilizan AAV pueden

amilasa: Enzima que digiere el almidón.

infectar tanto células en división como no en división y persistir en un estado

Anaerobios: Organismos que no requieren oxígeno para su metabolismo.

extracromosómico sin integrarse en el genoma de la célula huésped. Estas características hacen de AAV un candidato muy atractivo para crear vectores virales para la investigación y la terapia génica.

trifosfato de adenosina (ATP): Un nucleósido-trifosfato que contiene la base nitrogenada adenina. El ATP es la principal forma de energía utilizada por las células vivas. adenovirus: Virus que causa el resfriado común.

Condiciones anaeróbicas: Viviendo, ocurriendo o existiendo en ausencia de oxígeno libre. metabolismo anaeróbico: falta de oxígeno; un organismo, medio ambiente o proceso celular que no requiere oxígeno. inversores ángeles: inversores que salvan a su empresa de la ruina financiera en el último minuto (como un ángel).

G-1

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Glosario

antibiótico: Sustancia producida por microorganismos que inhiben el crecimiento de otros microorganismos; comúnmente utilizado para tratar infecciones bacterianas en humanos, mascotas y animales de granja.

bacterias: Ver dominio Bacterias. cromosomas artificiales bacterianos (BAC): vectores circulares grandes que pueden replicar fragmentos muy grandes de ADN; utilizado para clonar fragmentos de cromosomas humanos para el Proyecto Genoma Humano.

selección de antibióticos: Ver selección. anticuerpos: Proteínas producidas en respuesta a una molécula ajena por el

biopelículas bacterianas: acumulaciones de organismos bacterianos que se forman en superficies vivas o no vivas y pueden ser frecuentes en entornos naturales,

sistema inmunitario; Inmunoglobulinas que se unen a antígenos, producidas por

industriales y hospitalarios. En las biopelículas bacterianas, las células se

las células B, que funcionan como efectoras en una respuesta inmunitaria.

organizan en una comunidad funcional coordinada.

inmunidad mediada por anticuerpos: Porción del sistema inmunológico dedicada a producir anticuerpos que combaten materiales extraños; también conocida como inmunidad humoral. anticodón: secuencia de tres nucleótidos al final de un ARNt

bacteriófagos: Virus que infectan células bacterianas; a menudo simplemente llamados fagos.

baculovirus: virus que atacan las células de los insectos. Herramienta básica de búsqueda de alineación local (BLAST): Internet

molécula. Durante la traducción, el anticodón se une a un codón específico en

basado en el programa del Centro Nacional de Información Biotecnológica de

una molécula de ARNm por apareamiento de bases complementarias.

EE. UU. (NCBI) que se puede utilizar para estudios de comparación

proteínas anticongelantes (AFPs): Categoría de proteínas aisladas de organismos acuáticos que viven en ambientes fríos; estas proteínas tienen la propiedad única de reducir la temperatura de congelación de los fluidos y tejidos corporales. antígenos: Moléculas exclusivas de superficies específicas que pueden estimular la respuesta de anticuerpos; sustancias que desencadenan la producción de anticuerpos cuando se introducen en el cuerpo. Fármacos antimicrobianos: Sustancias químicas que inhiben o destruyen microbios

(alineación) de secuencias de nucleótidos de ADN y para búsquedas de secuencias en GenBank y otras bases de datos. ciencias básicas: disciplinas de investigación que examinan aspectos fundamentales de los procesos biológicos, a menudo sin aplicaciones directas obvias (para curar enfermedades o fabricar un producto). Procesos por lotes (a gran escala o escalados): cultivo de microorganismos, como bacterias o levaduras, y otras células vivas, como células de mamíferos, en grandes cantidades con el fin de aislar productos útiles en un lote.

organismos molécula antisentido: Ver ARN antisentido. ARN antisentido: Una molécula de ARN que es complementaria a un ARN nativo.

big data: Término actual para describir la generación de grandes cantidades de información (datos), como datos de secuencias de ADN, información de atención médica del paciente, datos de ensayos clínicos, archivos informáticos y datos guardados en la nube, etc. Las tecnologías modernas están dando como resultado

Tecnología de ARN antisentido: Ver ARN antisentido.

una expansión espectacular. de información/datos a los que los investigadores

acuacultura: Cultivo de peces, mariscos o plantas para usos comerciales o recreativos.

tienen acceso creando desafíos como el almacenamiento, la protección de datos,

biotecnología acuática: El uso de organismos acuáticos como peces, mariscos,

nuevos conocimientos a partir de grandes conjuntos de datos, como una base de datos).

bacterias marinas y plantas acuáticas para aplicaciones de biotecnología.

la extracción de datos (análisis de datos para resolver un problema o crear

bioacumulación: Concentración o acumulación progresiva de una sustancia, como un contaminante químico, a medida que avanza en la “cadena alimenticia” de un

Archaea: Ver dominio Archaea. genomas artificiales o sintéticos: genoma creado artificialmente (creado

organismo a otro. bioaumentación: adición de bacterias u otros microorganismos

sintéticamente) en un entorno de laboratorio; permite la adición de genes

a un entorno contaminado para ayudar a los microbios nativos (autóctonos) en

personalizados para crear un nuevo genoma o formas de vida con nuevas

los procesos de biorremediación.

propiedades. astaxantina: Un pigmento que le da a los camarones su color rosado. La astaxantina recombinante se utiliza para cambiar el color de las especies acuícolas como el salmón. vacuna atenuada: Vacuna que consiste en microorganismos vivos debilitados.

biocápsulas: Diminutas esferas o tubos llenos de células terapéuticas o una sustancia química como un fármaco; puede implantarse con fines terapéuticos; también conocidas como microcápsulas. Biodiversidad: La gama de diferentes especies presentes en un eco sistema. bioeticista: Persona que estudia bioética.

autoinjerto: El trasplante de los propios tejidos de un paciente de una región del

bioética: El área de la ética (un código de valores para nuestras acciones) sobre las

cuerpo a otra; por ejemplo, injerto de piel o cabello, cirugía de derivación de la

implicaciones de la investigación biológica y biomédica y las aplicaciones

arteria coronaria.

biotecnológicas (particularmente con respecto a la medicina).

autosomas: cromosomas cuyos genes no son principalmente involucrado en la determinación del sexo de un organismo; cromosomas 1-22 en humanos. gripe aviar (H5N1): “Virus de la gripe aviar” se refiere a los virus de la gripe A que se encuentran principalmente en las aves, pero las infecciones con estos virus pueden ocurrir en los seres humanos. Linfocitos B (células B): glóbulos blancos (leucocitos) que se desarrollan en la médula ósea y pueden madurar hasta convertirse en células productoras de anticuerpos llamadas células plasmáticas.

biofilmación: La unión de organismos a las superficies; examen Los ejemplos incluyen la unión de mariscos al casco de un barco y la unión de microorganismos a los dientes. biocombustible: Un producto de organismos biológicos que puede sustituir o mejorar los combustibles existentes. bioinformáticos: Científicos especializados en bioinformática. bioinformática: ciencia interdisciplinaria que involucra el desarrollo y la aplicación de tecnología de la información (hardware y software de computadora) para

bacilos: Bacterias con forma de bastón.

analizar datos biológicos como secuencias de ADN y proteínas; también

Bacillus thuringiensis (Bt): Una bacteria que produce una

incluye el uso de computadoras para el análisis de estructuras moleculares y

Proteína cristalina que disuelve la sustancia cementante entre ciertas células del intestino medio de insectos.

la creación de bases de datos para almacenar y compartir datos biológicos.

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Glosario

biológico: Cualquier preparación médica hecha de organismos vivos o sus productos.

G-3

(ÿ-gal). Cuando se cultivan en un medio específico, las células no recombinantes expresan ÿ-gal y se vuelven azules, las células recombinantes que contienen

Convención sobre Armas Biológicas (BWC): un tratado legalmente vinculante que prohíbe el desarrollo, la producción y el almacenamiento de agentes biológicos y toxinas para fines no pacíficos y las armas, equipos y medios vectores asociados con el uso hostil de tales agentes. y toxinas.

ADN clonado insertado en el gen ÿ-gal no pueden producir ÿ-gal funcional y aparecen de color blanco. extremos romos: extremos de doble cadena de una molécula de ADN creada por la acción de ciertas enzimas de restricción. fibra bisal: hilos ultrafuertes y ricos en proteínas creados por mejillones y otros

bioluminiscencia: La liberación de luz por los organismos vivos.

mariscos. Las fibras de Byssal tienen propiedades adhesivas únicas y pueden

biomarcador proteínas: Un biomarcador de proteína (ver biomarcadores).

soportar una gran tensión de las fuerzas de estiramiento y cizallamiento; adherir

biomarcadores: Sustancias utilizadas como indicadores de un estado biológico. Una característica que se mide y evalúa objetivamente como un indicador de

mariscos a sustratos como rocas. Caja CAAT: Secuencia de nucleótidos corta (CAAT) generalmente ubicada

procesos biológicos normales, procesos patogénicos o respuestas farmacológicas

aproximadamente 80 a 90 pares de bases “aguas arriba” (en la dirección 5') del

a un tratamiento. intervención.

por factores de transcripción utilizados para estimular la ARN polimerasa.

sitio de inicio de muchos genes eucariotas; parte de la secuencia promotora unida

biomasa: El peso seco de materia viva en parte de un organismo, un organismo completo o una población de organismos. biopilas: Grandes montones de suelo contaminado que han sido eliminado del sitio original. Se utilizan sistemas de aire y vacío para ayudar a secar estas pilas y liberar los productos químicos por evaporación. A veces se utilizan aspiradoras para recolectar vapores químicos y atraparlos en filtros.

calcitonina: una hormona tiroidea que estimula el calcio absorción por los órganos digestivos y promueve el endurecimiento de los huesos (calcificación). callo: Una colección suelta de tejido vegetal desdiferenciado. Proyecto Atlas del Genoma del Cáncer (TCGA): proyecto patrocinado por los NIH para identificar y mapear genes importantes y cambios genéticos involucrados

bioprocesamiento: El uso de sistemas biológicos para fabricar (procesar) un producto. bioprospección: Esfuerzos para capitalizar los recursos indígenas conocimiento de los recursos naturales. Sin embargo, la bioprospección

en el cáncer. células madre cancerosas (CSC): células madre que se desarrollan para formar tumores cancerosos. capital: En referencia al negocio de la biotecnología, el capital se refiere a los

también puede describir la búsqueda de compuestos previamente desconocidos

activos financieros (fondos disponibles), o el valor financiero de una empresa

en organismos que nunca se han utilizado en la medicina tradicional.

(basado en equipos, instalaciones, existencias, etc.); a menudo se utiliza para describir la financiación disponible para una empresa o la financiación obtenida

Biorremediación: El uso de organismos vivos para procesar, degradar y limpiar los contaminantes naturales o creados por el hombre en el medio ambiente. biosensores: Organismos vivos utilizados para detectar o medir bio efectos lógicos de algún factor, como un contaminante químico o una condición.

de los inversores para apoyar a una empresa. CAR-T: Células T receptoras de antígenos quiméricos desarrolladas para reconocer una quimera de antígenos que presentan cáncer. carcinógeno: Una sustancia química que causa cáncer. cancerígeno: Agentes causantes de cáncer como productos químicos y rayos X. carragenina: Polisacárido (azúcar) derivado de algas marinas; Amplia gama de

Medicamentos biosimilares: también llamados productos biológicos de "continuación". subsecuente

nueva versión de un producto de proteína recombinante después de que

usos en productos cotidianos como jarabes, salsas y adhesivos como agente "espesante" o de carga.

haya expirado la patente original. El biosimilar es producido por una empresa diferente a la del innovador titular de la patente inicial. Como resultado, cuando se fabrica un biosimilar, los procesos de producción exactos no son los mismos que los del innovador, por lo que el producto o su fabricación es "similar" pero no idéntico a la proteína original. El equivalente de un genérico para un

ADNc: ADN sintetizado como una copia exacta del ARNm llamado ADN complementario (ADNc). El ARNm se degrada por tratamiento con una solución alcalina o se digiere enzimáticamente; luego se usa ADN polimerasa para sintetizar una segunda hebra para crear ADNc de doble hebra.

medicamento farmacéutico. Líneas celulares: Una línea celular establecida o inmortalizada que ha adquirido biotecnología: Un área amplia de la ciencia que involucra muchas disciplinas diferentes diseñadas para utilizar organismos vivos o sus productos para realizar procesos o aplicaciones industriales o de fabricación valiosos que resolverán problemas. Bioterrorismo: El uso de materiales biológicos (organismos vivos o sus toxinas) como armas para infundir miedo o daño a los civiles.

la capacidad de proliferar indefinidamente, ya sea mediante mutación aleatoria o modificación deliberada. Numerosas líneas celulares bien establecidas son representativas de tipos de células particulares. lisis celular: Ver lisis. respiración celular: proceso metabólico de las células individuales para convertir las moléculas de los alimentos, como los azúcares, en energía (como el ATP)

bioventilación: Bombeo de aire o productos químicos que liberan oxígeno, como el peróxido de hidrógeno, en el suelo o el agua contaminados para estimular la degradación aeróbica por parte de los microorganismos. Armas biológicas: Materiales biológicos utilizados como armas. blastocisto: Grupo hueco de aproximadamente 100 células formadas aproximadamente 1 semana después de la fertilización de un óvulo.

selección azul-blanca: técnica para identificar (seleccionar) células bacterianas que contienen ADN recombinante; Implica insertar ADN para ser clonado en un vector, generalmente un plásmido, que contiene el gen que codifica la enzima ÿgalactosidasa.

que puede impulsar reacciones en las células. terapias celulares: terapias basadas en células. Incluyendo, por ejemplo, células madre y células implantadas. celulasa: Enzima bacteriana que degrada el polisacárido celulosa (un componente principal de la pared celular vegetal). Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC): con sede en Atlanta, el CDC es el instituto nacional de salud pública de los Estados Unidos. El CDC trabaja para proteger la salud y la seguridad públicas a través del monitoreo, el control y la prevención de enfermedades infecciosas en los EE. UU. e internacionalmente.

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Glosario

centrifugación: implica el uso de un instrumento llamado centrífuga para aplicar una fuerza de rotación a las muestras para separar los componentes en función de su peso. Fuerzas de rotación medidas en revoluciones por minuto (rpm) o por gravedad (g). La centrifugación tiene varias aplicaciones importantes relacionadas con la separación de componentes de una mezcla (por ejemplo, la separación de proteínas del ADN, la separación de diferentes tipos de células). centrómero: Región restringida de un cromosoma formada por ADN entrelazado y proteínas que mantienen unidos dos croma tids hermanos. quimioluminiscencia: Reacciones químicas que liberan fotos de luz; a menudo, las enzimas unidas a las sondas de ADN y otras moléculas se pueden usar en reacciones quimioluminiscentes para diferentes propósitos de detección.

experimentos planificados en diferentes números de participantes humanos para probar la eficacia y seguridad de los medicamentos. clones: una copia genéticamente idéntica de una célula o un organismo completo; también describe el proceso de hacer copias de un gen, célula u organismo. Clonación: en biotecnología se refiere a los procesos utilizados para crear copias genéticamente idénticas de fragmentos de ADN (clonación molecular), células (clonación de células) u organismos (clonación de organismos). cocos: Bacterias con forma esférica. Comisión del Codex Alimentarius (CAC): Organismo que desarrolla y mantiene el “Codex Alimentarius”, una colección de normas, directrices y códigos de práctica internacionales que protegen la salud del consumidor y promueven la equidad en el comercio internacional de alimentos.

Quimioterapia: El tratamiento del cáncer y otras enfermedades con agentes químicos o medicamentos específicos que tienen un efecto tóxico sobre las células enfermas o los microorganismos que causan enfermedades. linfocitos T con receptor de antígeno quimérico (CAR): linfocitos T diseñados

CODIS, Sistema combinado de índices de ADN: CODIS permite que los laboratorios criminalísticos federales, estatales y locales intercambien y comparen perfiles de ADN electrónicamente, vinculando así los delitos entre sí y con los delincuentes condenados.

para expresar receptores de proteínas en sus membranas celulares que pueden reconocer moléculas de superficie en células específicas, como las células cancerosas; Las células CAR-T son importantes para los enfoques de inmunoterapia diseñados para atacar las células cancerosas. Quitina: Polímero polisacárido complejo compuesto por unidades repetitivas de un azúcar llamado N-acetilglucosamina. El chi estaño forma la capa externa dura (exoesqueleto) de los cangrejos, langostas, langostas, camarones y otros crustáceos. También se encuentra en insectos y otros organismos. quitosano: Polímero polisacárido derivado de la quitina. Se utiliza en muchas aplicaciones, desde el cuidado de la salud hasta la agricultura, los tintes para telas y los suplementos dietéticos para bajar de peso. cólera: Infección intestinal aguda de los seres humanos causada por la bacteria Vibrio cholerae que causa diarrea severa, que puede resultar en deshidratación y muerte, particularmente en niños pequeños, si no se trata.

codones: Un codón comprende una combinación de tres secuencias de nucleótidos en una molécula de ARNm. Con pocas excepciones, cada codón codifica un solo aminoácido; 64 codones posibles componen el código genético de las moléculas de ARNm. extremos cohesivos: extremos colgantes de una sola hebra de un ADN molécula creada por la acción de ciertas enzimas de restricción. colchicina: Sustancia derivada de las flores del azafrán que bloquea formación de microtúbulos; se utiliza para detener la división celular (por ejemplo, al crear organismos poliploides). colagenasa: Proteasa (enzima digestiva de proteínas) utilizada en un número de aplicaciones de la biotecnología. Sistema de índice de ADN combinado, o CODIS: El Sistema de índice de ADN combinado (CODIS) es la base de datos nacional de ADN de los Estados Unidos creada y mantenida por la Oficina Federal de Investigaciones. CODIS

Se propaga por agua y alimentos contaminados; bacteria que se encuentra

incluye los Sistemas Locales de Índices de ADN (LDIS) donde se originan los

a menudo en los suministros de agua de los países en desarrollo con malas

perfiles de ADN.

condiciones sanitarias. Muestreo de vellosidades coriónicas: técnica para tomar muestras de células fetales de la placenta para determinar la composición genética de estas células, como el número de cromosomas o el sexo del feto.

coroideremia: Una forma rara y hereditaria de ceguera causada por una mutación del gen CHM . cromatina: Cadenas de ADN envueltas alrededor de proteínas; presente en el núcleo de eucariotas y el citoplasma de procariotas; se enrolla estrechamente para formar cromosomas durante la división celular.

Comandante: consta de una docena de proteínas individuales. Commander está presente en todas las células animales, los científicos han alterado sus componentes para revelar la forma en que se colocan las células durante el desarrollo del embrión y las interacciones proteína a proteína. genómica comparativa: estudios que permiten a los investigadores investigar la estructura y la función de los genes en los organismos de maneras diseñadas para comprender la estructura y la función de los genes en otras especies, incluidos los humanos. pares de bases complementarias: se refiere a los nucleótidos adenoína (A) y timina (T) [o uracilo (U) cuando se refiere al ARN], y guanina (G) y citosina

cromatografía: Un método de separación en columna que utiliza perlas de resina con capacidades especiales de separación.

(C); en una molécula de ADN, los nucleótidos A&T y G&C se unen mediante enlaces de hidrógeno para “complementarse” entre sí.

cromosomas: Arreglos altamente plegados de ADN y pro teñidos; empaquetan el ADN para permitir incluso la separación del material genético durante la división celular. leucemia mielógena crónica (LMC): forma de leucemia (cáncer de células

ADN complementario (ADNc): copia de ADN de una molécula de ARNm; El ARNm se puede copiar en ADNc mediante la enzima transcriptasa inversa (por ejemplo, al preparar una biblioteca de ADNc).

sanguíneas) creada por un intercambio de ADN entre los cromosomas 9 y 22; típicamente ocurre en adultos mayores. quimosina: Ver renina. ARN circular (circRNA): categoría recientemente identificada de moléculas de ARN no codificante de cadena sencilla; Se sabe relativamente poco sobre la función de los circRNA. ensayos clínicos: proceso experimental de prueba de productos antes de la aprobación de un fármaco o plan de tratamiento para uso generalizado en humanos; Los ensayos clínicos involucran varias “fases” de cuidadosa

ADN complementario (bibliotecas de ADNc): copias de ADN de todas las moléculas de ARNm expresadas en las células de un organismo; pueden ser "explorados" para aislar genes de interés. compostaje: Mezclar suelo con heno, paja, recortes de césped, astillas de madera u otros materiales similares para "aglutinar" para estimular la biodegradación por parte de los microbios del suelo; también se usa para degradar materiales cotidianos como restos de vegetales, recortes de césped, malezas y hojas.

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Glosario Métodos de secuenciación de ADN de alto rendimiento automatizados por

G-5

científicos o analistas de datos: Posición involucrada en el análisis

computadora: Metodologías asistidas por computadora para la secuenciación

e interpretar datos y comunicar hallazgos relevantes para ayudar a la toma

de ADN. Permita la secuenciación y el análisis de grandes cantidades (alto

de decisiones.

rendimiento) de datos de secuencia en comparación con los métodos de

Deinococcus radiodurans: bacteria extremófila porque puede crecer y

secuenciación manual más antiguos.

prosperar incluso después de la exposición a la radiación; de interés para

contigs (secuencias contiguas): Enzima de restricción–

los científicos de biorremediación porque es extremadamente resistente a la radiación.

las piezas digeridas de cromosomas completos se secuencian por separado y luego se utilizan programas informáticos para alinear los

Enfoque deontológico (kantiano): desarrollado por el filósofo alemán

fragmentos basándose en piezas de secuencia superpuestas llamadas con

Immanuel Kant, este enfoque sugiere que se deben seguir principios

tigs (secuencias contiguas).

absolutos (de conducta moral o ética) para dictar nuestras acciones.

Organizaciones de investigación por contrato (CRO): Organización que prestan servicios para las industrias farmacéutica, biotecnológica y de dispositivos médicos en forma de servicios de investigación (como ensayos

ácido desoxirribonucleico (ADN): ácido nucleico de doble cadena que consta de bases (adeninas, guaninas, citosinas, timinas), azúcares (desoxirribosa)

clínicos, estudios de marketing, pruebas con animales o células, etc.)

y grupos fosfato dispuestos en una molécula helicoidal; material genético

subcontratados mediante contrato; a menudo es más rentable para las

heredado que contiene “genes”, que dirigen la producción de proteínas en

empresas de biotecnología, tanto grandes como pequeñas, contratar a una

una célula.

CRO para que brinde servicios especializados en su área de especialización en lugar de hacer el trabajo dentro de la propia empresa de biotecnología.

despolimerización: proceso de reducción de estructuras multiunitarias a unidades individuales.

Tinción de Coomassie: una tinción sensible que reacciona con las proteínas. número de copias : el número de copias de una molécula de ADN o una secuencia de genes en particular, como un plásmido en una célula bacteriana.

diafiltración: Ver diálisis. diálisis: Una separación de agua y un soluto que involucra una membrana semipermeable.

variaciones del número de copias (CNV): segmentos de ADN de más de 1 kb, como deleciones, inserciones y duplicaciones en el genoma que varían

didesoxirribonucleótido (ddNTP): Nucleótidos utilizados para ciertos tipos de métodos de secuenciación de ADN. Estructuralmente diferentes a los

entre individuos; explica gran parte de la diversidad genómica identificada

nucleótidos porque carecen de átomos de oxígeno en las posiciones 2 y

entre los seres humanos.

3 del azúcar desoxirribosa. Como resultado, los ddNTP se denominan

CRISPR-Cas (Cluster Regularly Interspace Palindromic Repeticiones, o Sistema CRISPR-Cas): CRISPR es una abreviatura de

"nucleótidos que terminan la cadena" porque no pueden formar enlaces

Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas Regularmente

fosfodiéster.

Interespaciadas . Estos son segmentos de ADN que contienen secuencias

diferenciación: Proceso de maduración celular; Implica cambios en los patrones

de bases cortas y repetitivas. En una repetición palindrómica, la secuencia

de expresión génica que afectan la estructura y funciones de las células. Por

de nucleótidos es la misma en ambas direcciones. Cada repetición va

ejemplo, las células madre embrionarias se diferencian para producir células

seguida de segmentos cortos de ADN espaciador de exposiciones previas

maduras como neuronas, células hepáticas, células de la piel y todos los

a ADN extraño (p. ej., un virus o un plásmido). Pequeños grupos de genes

demás tipos de células del cuerpo.

cas (sistema asociado a CRISPR) se encuentran junto a las secuencias de

diploide: se refiere a una célula o un organismo que consta de dos conjuntos

CRISPR. El ARN que alberga la secuencia espaciadora ayuda a las

de cromosomas: por lo general, un conjunto de la madre y otro conjunto

proteínas Cas a reconocer y cortar el ADN exógeno.

del padre. En un estado diploide, el número de haploides se duplica; por lo tanto, esta condición también se conoce como 2n.

ARN derivados de CRISPR (crRNA): las proteínas expresadas a partir de genes asociados a CRISPR (Cas) hacen que se produzca la expresión de

número diploide (2n): dos conjuntos de cromosomas (2n); a menudo se usa

genes de ARN de CRISPR. ARNcr; Los crRNA guían una casnucleasa a

para describir células con dos juegos de cromosomas, típicamente un

regiones específicas del genoma que ayudan al reconocimiento del

juego de cada padre.

complejo CRISPR y a la escisión del ADN objetivo. hiel de la corona: una masa endurecida de protuberancias desdiferenciadas

Pruebas genéticas directas al consumidor (DTC): secuencia de ADN análisis o pruebas genéticas de ADN humano para comparar con secuencias

tejido vegetal generalmente como resultado de un ataque de Agrobacter.

conocidas que se han asociado con condiciones humanas anormales; Los

Microscopía crioelectrónica : reúne imágenes microscópicas de electrones

DTC se pueden comprar directamente sin receta.

en 2D de proteínas para crear imágenes en 3D. especialistas en relaciones con los clientes: a veces trabajan en las

Toma de huellas dactilares de ADN: un análisis de la composición de

divisiones de control de calidad de una empresa. Una función de las

ADN única de un organismo como marcador característico o huella

relaciones con los clientes es investigar las quejas de los consumidores

dactilar con fines de identificación, como análisis forense, identificación

sobre un problema con un producto y hacer un seguimiento con el

de restos y paternidad. La toma de huellas dactilares de ADN también se

consumidor para brindar una respuesta o solución adecuada al problema encontrado. citogenética: El análisis de la estructura cromosómica y las anomalías.

utiliza en la investigación biológica (por ejemplo, para comparar especies relacionadas en función de sus secuencias de ADN).

ADN helicasa: Enzima que separa dos hebras de un ADN citoplasma: El contenido interno de una célula, que consta de líquido (citosol) y orgánulos; sus límites están definidos por la membrana plasmática. Citosina (C): abreviada C; base de pirimidina presente en el ADN y nucleótidos de ARN. citosol: Líquido acuoso (a base de agua) rico en nutrientes, similar a un gel, de el citoplasma

molécula durante la replicación del ADN. Biblioteca de ADN: Ver biblioteca de ADN genómico o complementario (cDNA) biblioteca.

ADN ligasa: Enzima que forma enlaces covalentes entre fragmentos incompletos (Okazaki) de ADN durante la replicación del ADN; se utiliza habitualmente para unir fragmentos de ADN en experimentos de ADN recombinante.

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Glosario

Microarreglo de ADN: Un chip que consiste en un portaobjetos de microscopio de vidrio que contiene miles de piezas de moléculas de ADN monocatenario adheridas

Virus del Ébola: Uno de varios virus de la familia del Ébola; puede producir fiebre hemorrágica fatal (enfermedad por el virus del Ébola) en humanos.

a puntos específicos del portaobjetos; cada mancha de ADN es una secuencia única. ADN polimerasa III: Una forma de ADN polimerasa; la ADN polimerasa primaria que copia el ADN en procariotas. ADN polimerasas: Enzimas clave que copian hebras de ADN durante la replicación del ADN para crear nuevas hebras de nucleótidos; estos tienen aplicaciones importantes para sintetizar ADN en experimentos de biología molecular.

eficacia: La eficacia de un producto en particular, como un fármaco o un procedimiento médico. efluente: Agua que ha sido tratada para eliminar químicos contaminantes o aguas residuales; agua tratada cuando sale de una instalación de tratamiento, como el agua que sale de una planta de tratamiento de aguas residuales.

electroporación: Un proceso para transformar bacterias con ADN que usa descargas eléctricas para mover el ADN a las células; también se

Secuenciación de ADN: Técnica de laboratorio para determinar la “secuencia” de nucleótidos o la disposición de los nucleótidos A, G, T y C en un segmento de ADN. Vacunas basadas en ADN: un enfoque de vacunación que implica la inyección de

puede utilizar para introducir ADN en células animales y vegetales. ELISA: un ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas en el que la enzima convierte un tinte cuando una reacción inmunitaria reconoce la presencia de la proteína objetivo que está siendo capturada por el anticuerpo.

ADN nativo o modificado genéticamente para que las células produzcan directamente moléculas (antígeno) que den como resultado una respuesta inmunitaria que proporcione protección contra una afección en particular.

Hermanamiento de embriones: división de embriones por la mitad en la etapa de desarrollo de dos células para producir dos embriones. células madre embrionarias (ESC): células típicamente derivadas de la masa

Declaración Ministerial de Doha sobre el Acuerdo sobre los ADPIC y la Salud Pública: Adoptada por la Conferencia Ministerial de la OMC de 2001, la declaración respalda los derechos de los estados miembros de la OMC para proteger la salud pública y promover el acceso a los medicamentos.

biotecnología hágalo usted mismo (bricolaje): una biotecnología en crecimiento movimiento social lógico en el que individuos, comunidades y pequeñas organizaciones estudian biología y ciencias biológicas utilizando los mismos métodos que las instituciones de investigación tradicionales. La biología DIY la llevan a cabo principalmente personas con una amplia formación en investigación

celular interna de un blastocisto; las células pueden experimentar diferenciación para formar todos los tipos de células en el cuerpo. Método de células madre embrionarias: Las células madre embrionarias se recolectan de la masa celular interna de los blastocistos. Luego se mezclan con ADN, que generalmente se ha creado utilizando métodos de ADN recombinante. Algunas de las células ES absorberán el ADN y serán transformadas por el nuevo material genético y podrán aislarse para su implantación.

Proyecto Enciclopedia de Elementos de ADN (ENCODE): Proyecto genoma para identificar secuencias reguladoras de ADN.

académica o empresarial, que luego asesoran y supervisan a otros biólogos DIY con poca o ninguna formación formal.

disruptores endocrinos: Compuestos que interfieren o interrumpen las funciones de las hormonas naturales; presentes en el medio ambiente y presentan amenazas para la salud de los seres humanos y los organismos acuáticos.

dominios: Categorías taxonómicas por encima del nivel del reino: Archaea, Bacteria y Eukarya. Ensayo doble ciego: estudio, como un ensayo clínico, en el que ni los pacientes ni los investigadores que administran el tratamiento saben qué pacientes reciben un tratamiento farmacológico y qué pacientes reciben un placebo; los investigadores aprenden el tratamiento de cada paciente una vez finalizado el estudio. Síndrome de Down: Trastorno genético humano descrito por primera vez por John

endotoxinas: Moléculas que son tóxicas para las células; las endotoxinas son parte de la pared celular de ciertas bacterias; las endotoxinas causan la muerte celular. potenciadores: Secuencias de ADN específicas que se unen a proteínas llamadas factores de transcripción para estimular (“mejorar”) la transcripción de un gen.

enucleación: Eliminación del ADN del núcleo de una célula.

Langdon Down. Lo más común es que los individuos tengan tres copias del cromosoma 21 (trisomía 21).

Proyecto Genoma Ambiental: programa de los NIH diseñado para estudiar los

Las características de las personas afectadas incluyen una cara plana; falta;

impactos de los productos químicos ambientales en la genética y las

manos y dedos cortos y anchos; lengua protuberante; y deterioro del

enfermedades humanas.

desarrollo físico, motor y mental mento procesamiento posterior: procesos de purificación involucrados en la producción

EnviroPig: Un cerdo transgénico que expresa la enzima fitasa en su saliva. Se considera respetuoso con el medio ambiente porque produce mucho menos fósforo en la orina y las heces que los cerdos no transgénicos.

de un producto puro, como una proteína recombinante. Vacuna DPT: Vacuna infantil diseñada para brindar protección inmunológica contra las toxinas bacterianas difteria, tos ferina y tétanos (contiene células muertas de

enzimas: Proteínas catalíticas. epigenoma: Modificaciones en las estructuras de la cromatina, que no implican

Bordetella pertussis). Los microbios que producen estas toxinas causan

mutaciones en la secuencia del ADN. Algunas modificaciones se heredan y

infecciones de las vías respiratorias superiores, tos ferina y tétanos (espasmo

pueden persistir en varias generaciones de descendientes.

muscular y parálisis), respectivamente. Células ES o ESC (células madre embrionarias): Células madre derivadas Investigación de interés de doble uso: un subconjunto de “dual-use investigación” que tiene un alto potencial de uso indebido a través del terrorismo biológico o la guerra biológica. Distrofia muscular de Duchenne (DMD): un trastorno genético caracterizado por

de la masa celular interna de un blastocisto, un embrión de preimplantación en etapa temprana. Las células ES se distinguen por su capacidad para diferenciarse en cualquier tipo de célula (pluripotencia) y por su capacidad para replicarse y autorreponerse.

degeneración y debilidad muscular progresiva. La DMD es causada por la ausencia de distrofina, una proteína que ayuda a mantener intactas las células musculares.

ética: Principios morales que guían las acciones individuales y comportamientos

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Glosario Transferencia de células ES (madre embrionaria): Las células madre embrionarias (células ES) se recolectan de la masa celular interna de los

G-7

Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO): Especializados

organismo de las Naciones Unidas que trabaja para reducir la inseguridad

blastocistos. Las células ES transformadas generalmente se inyectan en la

alimentaria y la pobreza rural y para crear sistemas alimentarios y agrícolas

masa celular interna de un blastocisto huésped.

sostenibles.

bromuro de etidio: colorante de seguimiento que penetra (interca lates) entre los pares de bases del ADN. Comúnmente utilizado para teñir ADN en geles porque el bromuro de etidio emite fluorescencia cuando se expone a la luz ultravioleta. eugenesia: La creación de una nueva especie superior de humanos. Células eucariotas: Células que contienen un núcleo, incluidas células vegetales y animales, protistas y hongos. exones: secuencias de codificación de proteínas en genes eucariotas y moléculas de ARNm.

ciencia forense: Aplicación de un amplio espectro de ciencias para responder preguntas de interés para un sistema legal. mutación de cambio de marco: mutación resultante de la adición o eliminación de nucleótidos que provoca un cambio en el marco de lectura del código genético de un gen. hongos: Organismos eucariotas que pertenecen al reino Fungi. Proteínas de fusión: Proteína recombinante “híbrida” que consta de una proteína de un gen de interés conectado (fusionado) a otra proteína conocida que sirve como marcador para aislar proteínas recombinantes.

Biorremediación ex situ: Eliminación de suelos contaminados o agua del sitio de contaminación para limpieza en otro lugar (a diferencia de la

gametos: Las células haploides a menudo llamadas células “sexuales” incluyen

limpieza de contaminantes en el sitio contaminado, un proceso llamado

espermatozoides humanos y óvulos (óvulos). Los gametos se unen durante la

biorremediación in situ).

fertilización para formar un cigoto (ver meiosis).

Terapia génica ex vivo : procedimiento de terapia génica que consiste en extraer las células de una persona (como las células sanguíneas) del cuerpo, introducir genes terapéuticos en estas células y luego volver a introducir las células en una persona. etiquetas de secuencia expresada (EST): pequeñas piezas incompletas

GenBank: reconocida base de datos pública de secuencias de ADN proporcionada por investigadores de todo el mundo; recursos para compartir y analizar información de secuencias de ADN. genes: Una secuencia específica de nucleótidos de ADN que sirve como unidad de herencia. Los genes gobiernan las características visibles e invisibles

(etiquetas) de secuencia génica tales como las derivadas de una biblioteca de

(rasgos) de los organismos vivos en gran parte al dirigir la síntesis de proteínas

ADNc; representan ARNm expresados en un tejido dado.

en una célula.

vectores de expresión: vector de ADN como un plásmido que se puede utilizar para producir (expresar) proteínas en una célula. Cromatografía líquida rápida de proteínas (FPLC): a menudo se utiliza para

chip genético: Ver microarreglo de ADN. clonación de genes: El proceso de producir múltiples copias de un gen. expresión génica: Término generalmente utilizado para describir la síntesis

analizar o purificar mezclas de proteínas. La tasa de flujo del amortiguador está

(“expresión”) de ARN por parte de una célula o tejido en particular. Por

controlada por una bomba de desplazamiento positivo y normalmente se

ejemplo, si se detecta ARNm para el gen korn ficticio en un tejido mediante

mantiene constante, mientras que la composición del amortiguador puede variar

PCR o análisis de transferencia Northern, se dice que ese tejido expresa el

extrayendo fluidos en diferentes proporciones de dos o más depósitos externos.

gen korn.

La fase estacionaria es una resina compuesta de perlas, generalmente de agarosa reticulada, empaquetadas en una columna cilíndrica de vidrio o plástico. El equilibrio correcto de tampón y ligando se unirá a la proteína de interés.

Genentech: empresa de California. Nombre derivado de la tecnología de ingeniería genética. Fundada en 1976 y ampliamente reconocida como la primera empresa de biotecnología del mundo. regulación génica: Término general utilizado para describir los procesos mediante

Fermentación: Un proceso metabólico que produce pequeñas cantidades de ATP a partir de la glucosa en ausencia de oxígeno y también

los cuales las células pueden controlar la actividad o “expresión” de los genes (síntesis de ARN y proteínas).

crea subproductos como el alcohol etílico (etanol) o el ácido láctico (lactato). Los microbios de fermentación (bacterias y levaduras) son importantes para producir una variedad de bebidas y alimentos, como cerveza, vino, panes, yogures y quesos. fertilización: Adición de nutrientes (fertilizantes como nitrógeno y fósforo) a un ambiente contaminado para estimular el crecimiento y la actividad de los microorganismos naturales del suelo que ayudarán a la biorremediación.

pilas de genes: Múltiples genes insertados en plantas transgénicas. terapia génica: El uso de genes terapéuticos para tratar o curar un proceso de enfermedad; también se refiere a la entrega de genes para mejorar la salud de una persona. Medicamentos genéricos: Copias de productos de marca que generalmente tienen la misma eficacia, seguridad y calidad, pero que se producen a un costo más bajo para el consumidor que los medicamentos de marca.

trasplantes de tejido fetal: Células o tejidos trasplantados derivados de un feto. código genético: información contenida en las bases de ADN y ARN que proporciona ensayos de campo: Pruebas fuera del laboratorio requeridas después de que una nueva planta ha sido diseñada en un laboratorio; puede requerir varios años investigar todo sobre la planta, incluida la resistencia a enfermedades, la tolerancia a la sequía y las tasas de reproducción. Extremo 5': El extremo de una hebra de ADN o ARN en el que el último nucleótido no está unido a otro nucleótido por un enlace fosfodiéster que implica el carbono 5' del azúcar pentosa. divisiones financieras: Unidad responsable de la supervisión de la empresa finanzas. hibridación in situ con fluorescencia (FISH): técnica de laboratorio que utiliza

a las células instrucciones para sintetizar proteínas; consisten en combinaciones de tres nucleótidos llamadas codones. dopaje genético: El uso de genes para mejoras genéticas para mejorar el rendimiento atlético. ingeniería genética: El proceso de alterar la estructura de un organismo ADN. Esto suele ser por diseño. mejora genética: El uso de genes para mejoras genéticas con fines de tratamiento no médico (es decir, para mejorar la apariencia).

Ley de No Discriminación por Información Genética (GINA): Esta ley prohíbe la

sondas de ADN o ARN de cadena sencilla marcadas con nucleótidos

discriminación basada en la genética y el uso inapropiado de la información

fluorescentes para identificar secuencias de genes en un cromosoma o célula

genética en el seguro de salud y el empleo.

in situ (en latín, “en su lugar original”).

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Glosario

Registro de Pruebas Genéticas (GTR): Una rama del NCBI proyectada para ser

hemoglobina: Proteína de unión y transporte de oxígeno de los glóbulos rojos

desarrollada a fines de 2011, brindará acceso a información sobre pruebas

de los vertebrados. La mutación de los genes de globina que codifican la

genéticas para variaciones genéticas somáticas y heredadas, incluidos tipos

hemoglobina da como resultado varios trastornos de la sangre humana

más nuevos de pruebas como matrices y paneles multiplex. La información de

diferentes con una base genética, incluida la enfermedad de células falciformes.

GTR sobre las pruebas se basará principalmente en envíos de datos voluntarios por parte de los desarrolladores y fabricantes de pruebas.

hemofilia B: Enfermedad de la coagulación de la sangre, que ocurre predominantemente en hombres, causada por una mutación del gen FIX que

organismos genéticamente modificados (GM): los organismos GM incluyen organismos transgénicos y criados selectivamente. Por ejemplo, se han producido cultivos transgénicos para plantas que pueden resistir plagas, enfermedades o climas severos, lo que permite una mejor producción de cultivos. genoma: Todos los genes en el ADN de un organismo. Plan Genoma 10K: Proyecto para crear un “zoológico” genómico que contenga las secuencias de 10.000 especies de vertebrados. edición del genoma o gen: forma específica de ingeniería genética en la que se inserta, elimina, modifica o reemplaza el ADN en el genoma de un organismo vivo. Por lo general, involucra enzimas de corte de ADN llamadas nucleasas, como el sistema CRISPR/Cas o las nucleasas con dedos de zinc.

codifica una proteína llamada Factor IX esencial para la coagulación. Hepatitis B: Una enfermedad infecciosa que afecta el hígado causada por el virus de la hepatitis B (VHB). Herceptin: Herceptin está aprobado para el tratamiento del oído cáncer de mama en estadio que es positivo para el receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano (HER2+) y se ha diseminado a los ganglios linfáticos, o es HER2+ y no se ha diseminado a los ganglios linfáticos. Si no se ha diseminado a los ganglios linfáticos, el cáncer debe tener un receptor de estrógeno/receptor de progesterona (ER/PR) negativo o tener una característica de alto riesgo. Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC): Separación a alta presión de proteínas similares mediante el uso de perlas incompresibles con propiedades

Estudios de asociación del genoma completo (GWAS): un enfoque para analizar genomas o genes específicos en grandes poblaciones de

especiales. Juramento Hipocrático: Un juramento que encarna las obligaciones y deberes de

individuos con una condición particular, como una enfermedad genética

los médicos; una expectativa del juramento es que los médicos traten a los

humana, en un intento de identificar genes, mutaciones o loci frecuentemente

pacientes con la intención de no empeorar la salud humana (“primero, no hacer

asociados con la condición. bibliotecas de ADN genómico: colección de fragmentos de ADN con contener todas las secuencias de ADN en el genoma de un organismo; pueden ser "explorados" para aislar genes de interés. genómica: El estudio de los genomas. Gleevec: un medicamento que se usa para tratar ciertos tipos de leucemia (cáncer que comienza en los glóbulos blancos) y otros cánceres de los glóbulos. Imatinib (Gleevec) también se usa para tratar tumores del estroma gastrointestinal. Sistema mundial de vigilancia y respuesta a la influenza

daño”). histonas: proteínas de unión al ADN que son importantes para cro estructura mosómica. VIH: Véase Virus de la inmunodeficiencia humana. pares homólogos: Pares de cromosomas o genes que ocurren en organismos con múltiples juegos de cromosomas. homólogos: Genes relacionados en diferentes especies; compartir genes similitud de secuencia debido a un origen evolutivo común. transferencia horizontal de genes: transferencia de ADN, genes o genomas entre diferentes especies (por ejemplo, de una especie de bacteria

(GISRS): Una red global que identifica y responde a los brotes de influenza

a otra, o de una bacteria a una especie animal); claramente diferente de la

a través del monitoreo de virus en tiempo real y el intercambio oportuno de virus.

transmisión de genes de padres a hijos (transferencia vertical de genes).

glucólisis: proceso metabólico en las células para descomponer la glucosa en piruvato; resulta en la producción de dos moléculas de ATP; durante la respiración aeróbica, el piruvato puede metabolizarse aún más para producir moléculas adicionales de ATP. Arroz dorado: El arroz dorado es una variedad de arroz producido mediante ingeniería genética para biosintetizar el betacaroteno, un precursor de la vitamina A, en las partes comestibles del arroz. Tinción de Gram: técnica para teñir la pared celular bacteriana que se puede

Respuesta de anticuerpos humanos anti-ratón (HAMA): los hibridomas de ratón producen suficientes antígenos de "ratón" para provocar una respuesta inmunitaria indeseable en humanos. Células madre embrionarias humanas (hESCs): Las células madre son células inmaduras que pueden crecer y dividirse para producir diferentes tipos de células, como las de la piel, los músculos, el hígado, los riñones y la sangre. La mayoría de las células madre se obtienen de embriones (células madre embrionarias o ESC). Algunas ESC se pueden aislar de la sangre del cordón umbilical de los recién nacidos.

utilizar para dividir las bacterias en diferentes categorías, bacterias grampositivas o gramnegativas. Proteína verde fluorescente (GFP): Proteína producida por la medusa bioluminiscente Aequorea victoria. El fluo proteico desaparece cuando se expone a la luz ultravioleta; el gen GFP se utiliza como gen informador.

Proyecto Epigenoma Humano: Proyecto diseñado para revelar cambios epigenéticos en diferentes tipos de células y tejidos y para evaluar los roles potenciales de la epigenética en enfermedades. Proyecto Genoma Humano (PGH): Un esfuerzo internacional con objetivos científicos generales de identificar todos los genes humanos y

factores de crecimiento: Moléculas que estimulan el crecimiento y la división celular.

determinar (mapear) sus ubicaciones en cada cromosoma humano.

hormona del crecimiento (GH): Una hormona peptídica producida por la glándula pituitaria; acelera el crecimiento de huesos, músculos y otros tejidos.

virus de inmunodeficiencia humana (VIH): El VIH es un lentivirus (un subgrupo de retrovirus) que causa la infección por VIH. El VIH infecta células vitales del sistema inmunitario humano, como las células T colaboradoras (CD4+T), los

Guanina (G): G abreviada; base de purina presente en los nucleótidos de ADN y ARN.

macrófagos y las células dendríticas; la pérdida del número de células T CD4+ disminuye por debajo de un nivel crítico

haploide: Conjunto único de cromosomas no apareados.

da como resultado una pérdida de la inmunidad mediada por células y el

número haploide (n): un solo juego de cromosomas (n); a menudo se usa para

cuerpo se vuelve progresivamente más susceptible a las infecciones

describir células con un solo juego de cromosomas.

oportunistas; El VIH es el virus que causa el SIDA.

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Glosario

Human Microbiome Project (HMP): Proyecto diseñado para identificar los genomas de todos los microorganismos (bacterianos, levaduras, virales) que viven en o sobre el cuerpo humano. virus del papiloma humano (VPH): causa alrededor del 70 % de los cánceres de

G-9

datos ical, generalmente de una combinación de estudios de seguridad de laboratorio in vivo e in vitro, que muestran que el medicamento es lo suficientemente seguro para probarlo en humanos. Microbios autóctonos: Microorganismos naturales que viven en el medio ambiente.

cuello uterino (cepas de VPH 16 y 18) y un gran porcentaje de verrugas genitales (causadas por las cepas de VPH 6 y 11). El cáncer de cuello uterino afecta a 1 de

células madre pluripotentes inducidas (iPSC o células iPS):

cada 130 mujeres, casi medio millón de mujeres en todo el mundo, y aproximadamente

La reprogramación nuclear de células humanas y de ratón se considera una

el 70 % de las mujeres sexualmente activas se infectarán con el VPH.

revolución en la investigación de la biología de células madre. Un enfoque ha implicado el uso de retrovirus para entregar cuatro transgenes, Oct3/4, Sox2,

proteoma humano: Una iniciativa federal propuesta para estudiar el estructuras y funciones de todas las proteínas humanas (el proteoma). Trato humano: Enfoque compasivo y empático, aplicado al tratamiento de seres humanos o animales. anticuerpos humanizados: anticuerpos de especies no humanas cuyas secuencias de proteínas se han modificado para aumentar su similitud con

c-myc y Klf4, en fibroblastos. La expresión de estos cuatro genes, que codifican factores de transcripción implicados en el desarrollo celular, "reprograma" los fibroblastos a una etapa anterior de diferenciación. Las células iPS demuestran muchas propiedades de las hESC, como la autorrenovación y la pluripotencia, y parecen ser indistinguibles de las hESC.

las variantes de anticuerpos producidas naturalmente en humanos. Humulin: La forma recombinante de insulina humana, se convirtió en el primer producto de ADN recombinante aprobado para aplicaciones en humanos por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos.

biotecnología industrial: La aplicación de la biotecnología para fines industriales, incluida la fermentación industrial. Incluye el uso de células, como microorganismos, o componentes de células, como enzimas, para generar productos de utilidad industrial en sectores como los químicos, alimentos y piensos, detergentes, papel y

hibridomas: Células híbridas utilizadas para crear anticuerpos monoclonales; creado

pulpa, textiles y biocombustibles.

al fusionar células B con células cancerosas llamadas células de mieloma que ya no producen un anticuerpo de su propio.

Influenza: Causada por una gran cantidad de virus que pertenecen a la familia de virus de la influenza. La influenza mata aproximadamente de 500 000 a 1 millón de

hidrofílico: amante del agua (porción de la molécula de proteína).

personas en todo el mundo cada año.

hidrofóbico: Que odia el agua (porción de la molécula de proteína).

Debido a que los virus de la gripe mutan tan rápidamente, ninguna vacuna única

cromatografía de interacción hidrofóbica (HIC): Separación cromatográfica

protege contra todas las cepas.

basada en la unión de partes hidrofóbicas de proteínas a la columna.

Mecanismo de Trazabilidad del Virus de la Influenza: Un sistema que rastrea todos los virus de influenza con potencial pandémico

sistemas hidropónicos: una forma de acuicultura en la que se utilizan tanques de agua corriente para cultivar plantas; en algunos casos, el agua de los tanques de acuicultura de peces se usa para proporcionar nutrientes para el crecimiento de las plantas en un enfoque de policultivo. hidroxiapatita (HA): Componente estructural del hueso y cartílago. Inmunoterapia: Enfoque de medicina de precisión que implica el uso del sistema inmunitario de un paciente para atacar y destruir células enfermas, como las células cancerosas. biorremediación in situ: limpieza de contaminantes en el sitio real de contaminación;

aportados por los Estados Miembros de la OMS al Sistema Mundial de Vigilancia y Respuesta a la Influenza. consentimiento informado: Aplica para ensayos clínicos en humanos. Los pacientes son conscientes de los posibles efectos beneficiosos y perjudiciales de un tratamiento en particular para que estén informados de los riesgos de un procedimiento antes de aceptar (dar su consentimiento) para participar. mutaciones heredadas: un cambio en la estructura del ADN o en la secuencia de un gen que se transmite a la descendencia a través de los gametos; puede ser una causa de defectos de nacimiento y enfermedades genéticas. oferta pública inicial (IPO): Primera venta de acciones por parte de una empresa

limpieza “en el lugar” en lugar de eliminar los suelos o el agua contaminados del

anteriormente privada. Puede ser utilizado por empresas pequeñas o grandes para

sitio de limpieza para su remediación en otro lugar, un proceso llamado

recaudar capital de expansión y convertirse en empresas que cotizan en bolsa.

biorremediación ex situ. masa celular interna: capa de células en el blastocisto que se desarrolla para formar Fertilización in vitro (FIV): tecnología de reproducción asistida en la que se extraen

tejidos corporales; una fuente de células madre embrionarias.

espermatozoides y óvulos de los pacientes y se cultivan en una placa (in vitro) para

compuestos inorgánicos: Ver moléculas inorgánicas.

lograr la fertilización.

Moléculas inorgánicas: Moléculas que no contienen carbono.

Terapia génica in vivo : procedimiento de terapia génica que consiste en introducir

insulina: Hormona proteica producida por las células del páncreas; involucrado en el

genes terapéuticos directamente en el tejido u órganos de una persona sin

metabolismo de la glucosa por parte de las células; las deficiencias en la

eliminarlos del cuerpo.

producción de insulina o en la producción de receptores de insulina pueden causar diferentes formas de diabetes.

vacunas inactivadas (muertas): Vacuna que consiste en microorganismos muertos.

interactoma: Término colectivo que se refiere a todas las interacciones moleculares Hallazgos incidentales: Afecciones médicas o de salud mental no diagnosticadas o no detectadas previamente descubiertas de manera no intencional (por ejemplo, cuando se realiza una prueba para una afección diferente).

en una célula (es decir, proteína-proteína, proteína-ADN, etc.). ARN de interferencia (siRNA; ARN de interferencia cortos o ARN de silenciamiento): ARN no codificantes utilizados en la técnica molecular denominada ARN de interferencia (ARNi); cuando se administran en las células, los

cuerpos de inclusión: Proteínas extrañas que se concentran en células transformadas.

siRNA pueden bloquear o degradar secuencias diana específicas de mRNA para silenciar esas secuencias y evitar que se traduzcan.

IND: Para probar legalmente un fármaco en sujetos humanos en los EE. UU., el

Proyecto Internacional HapMap: Esfuerzo internacional para desarrollar

fabricante primero debe obtener una designación de nuevo fármaco en investigación

mapas de haplotipos de la variación genética humana; incluye análisis SNP

(IND) de la FDA. Esta aplicación se basa en no clínicas.

del genoma.

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Glosario

intrones: Secuencias que no codifican proteínas en genes eucarióticos y transcritos primarios que se eliminan durante el corte y empalme del ARN.

lentivirus: Género de retrovirus caracterizado por largos períodos de incubación; infecta a humanos y otras especies de mamíferos; el VIH, que causa el SIDA, es un lentivirus; utilizados como vectores para administrar genes terapéuticos

cromatografía de intercambio iónico (IonX): la unión de proteínas a una columna en función de sus grupos laterales cargados. Enfoque isoeléctrico: Migración de una proteína hasta su carga coincide con el pH del medio. punto isoeléctrico (IEP): El pH en el que la carga de las proteínas coincide con la del medio circundante. cariotipo: Técnica para analizar el número y la apariencia de los cromosomas en el núcleo de una célula eucariota. cariotipo: procedimiento de laboratorio para analizar el número y la estructura de los cromosomas en una célula. Reino Fungi: Reino de diversos organismos distintos de las células vegetales, animales y bacterianas'; incluye levaduras, hongos, mohos, hongos y otros organismos. animales knockout: Un animal knockout es un animal modificado genéticamente en el que los investigadores han inactivado, o “noqueado”, un gen o genes existentes.

para la terapia génica. leucocito: glóbulos blancos; células importantes del sistema inmunológico; incluyen linfocitos B y T y macrófagos. ligandos: Componentes de unión. Prueba de lisado de amebocitos de limulus (LAL): un procedimiento que involucra células sanguíneas (amebocitos) del cangrejo herradura (Limulus polyphemus); una prueba importante utilizada para detectar endotoxinas y contaminación bacteriana de alimentos, instrumentos médicos y otras aplicaciones.

Lipasas: Enzimas digestivas de grasas. liposomas: Pequeñas esferas huecas o partículas hechas de lípidos; pueden envasarse para contener moléculas como ADN y medicamentos para su uso en procedimientos terapéuticos (por ejemplo, terapia génica). Organismos vivos modificados (LMO): un subconjunto de organismos GM, estos son organismos vivos que tienen una combinación única de material genético derivado a través de la biotecnología moderna.

Kymriah (CTL019): Nombre comercial de la primera terapia de células CAR-T aprobada por la FDA para tratar la leucemia linfoblástica aguda de células B.

ARN no codificantes largos (lncRNA): ARN no codificantes de más de 200 nucleótidos de largo; involucrado en la regulación postranscripcional, empalme

técnicos de laboratorio: trabajos de laboratorio de nivel inicial con una variedad

de ARN, inactivación del cromosoma X y otras funciones.

de responsabilidades, como preparar soluciones y medios, solicitar suministros de laboratorio, limpieza y mantenimiento de equipos; a veces puede implicar investigación de banco. operón lac: Un operón bacteriano bien caracterizado que Contiene una serie de genes (lacZ,Y,Z) responsables del metabolismo del azúcar lactosa. represor lac: Proteína inhibidora codificada por el gen lacI del operón lactosa

luciferasa: una enzima liberadora de luz presente en bioluminiscentes organismos liofilización: El proceso de liofilización. M-Vac: un dispositivo que crea un vacío para eliminar las huellas dactilares ADN. macrófago: Término que literalmente significa grandes comedores; Los

(lac) en bacterias; en ausencia de lactosa, el represor bloquea la transcripción

macrófagos son glóbulos blancos fagocíticos que engullen y destruyen las

del operón lac.

células muertas y los materiales extraños, como las bacterias.

Fermentación de ácido láctico: Ver fermentación. hebra rezagada: durante la replicación del ADN, la hebra de ADN recién sintetizado que la ADN polimerasa copia de manera discontinua (interrumpida), a una distancia de 5' a 3' de la horquilla de replicación como una serie de fragmentos cortos de ADN llamados fragmentos Oka zaki.

macroplásticos: Partículas de plástico mayores de ~5 mm, presentes en ambientes acuáticos en particular. complejo mayor de histocompatibilidad (MHC): tipificación de tejidos proteínas presentes en todas las células y tejidos; reconocido por el sistema inmunitario de una persona para determinar si las células son normales o extrañas; Los MHC deben ser "emparejados" para un trasplante de órganos

agricultura en tierra: proceso mediante el cual se extrae tierra contaminada de un sitio y se esparce en capas delgadas sobre una almohadilla que permite que

exitoso. malaria: causada por el parásito protozoario Plasmodium falci

los líquidos contaminados (generalmente agua) se filtren de la tierra.

parum y transmitida por insectos. En todo el mundo, las cepas de Plasmodium

Los productos químicos también se vaporizan del suelo esparcido a medida que el suelo se seca.

están desarrollando resistencia a los fármacos antipalúdicos más utilizados.

lixiviado: Agua u otros líquidos que se mueven (lixivian) a través del suelo desde la superficie o cerca de la superficie hacia capas más profundas.

maricultura: El cultivo o “cría” de organismos acuáticos (animales o plantas).

hebra principal: Durante la replicación del ADN, la hebra de ADN recién sintetizado que la ADN polimerasa copia de manera continua, de 5' a 3' en la horquilla de replicación. Técnica de fragmentos de hojas: método de clonación de plantas a partir de tejido vegetal asexual. Amaurosis congénita de Leber (LCA): enfermedad degenerativa de la retina que afecta a 1 de cada 50.000 a 100.000 bebés cada año y causa ceguera severa; causada por defectos en el gen RPE65 .

Selección asistida por marcadores (MAS): Un proceso mediante el cual se utiliza un marcador para la selección indirecta de un rasgo genético de interés (p. ej., productividad, resistencia a enfermedades, tolerancia al estrés y calidad). especialistas en marketing: puesto de marketing y ventas en empresas de biotecnología; Los especialistas en marketing a menudo participan en el diseño de campañas publicitarias y materiales promocionales para comercializar de manera efectiva los productos de una empresa. Sistema de identificación de víctimas mortales en masa (M-FISys): M-FISys

especialistas legales: en las empresas de biotecnología, generalmente trabajan

se construyó esencialmente en respuesta a la tragedia del 11 de septiembre.

en cuestiones legales asociadas con el desarrollo y la comercialización de

Gene Codes no tuvo que escribir un software completamente nuevo y pudo

productos, como los derechos de autor, los derechos de denominación y la

personalizar M-FISys según fuera necesario. Además de analizar el ADN

obtención de patentes. El personal de esta área también aborda las circunstancias

mitocondrial, M-FISys incorporó variaciones específicas masculinas en el

legales que pueden surgir si se encuentran problemas con un producto o un

cromosoma Y llamadas Y-STR para ayudar en la identificación de individuos.

litigio por parte de un usuario de un producto.

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Glosario espectrometría de masas (mass spec): Separación para la identificación de sustancias químicas (p. ej., proteínas) en función de la relación carga-masa.

G-11

microARN (miARN): una nueva clase de moléculas de ARN que no codifican proteínas. Los microARN son parte de una familia en rápido crecimiento de pequeñas moléculas de ARN de aproximadamente 20 a 25 nucleótidos de

cromosomas maternos: Los 23 cromosomas heredados de tu madre biotecnología médica: una disciplina diversa de la biotecnología dedicada a mejorar

tamaño que desempeñan funciones novedosas en la regulación de la expresión génica. microsatélites: también conocidos como repeticiones cortas en tándem (STR), los microsatélites son secuencias cortas repetitivas de ADN que generalmente

la salud humana; incluye un espectro de temas en medicina humana desde el

consisten en secuencias de una, dos o tres bases (por ejemplo, CACACACACA);

diagnóstico de enfermedades hasta el descubrimiento de fármacos, el tratamiento

Los microsatélites son marcadores importantes para el análisis forense de ADN.

de enfermedades y la ingeniería de tejidos. meiosis: Un proceso de división nuclear que ocurre durante la formación de gametos. La meiosis implica una serie de pasos que reducen la cantidad de ADN en las células recién divididas a la mitad en comparación con las de la célula original. Filtración por membrana: Utilizando una fina lámina de membrana con pequeños orificios (poros) para filtrar materiales (como proteínas grandes o células enteras) fuera de una solución. ARN mensajero (ARNm): una plantilla para la síntesis de proteínas, es una copia exacta de un gen, contiene secuencias de nucleótidos copiadas del ADN que sirven como un código genético para sintetizar una proteína, y luego los ribosomas lo unen y “leen” para producir proteinas

metagenómica: la secuenciación de genomas para comunidades enteras de microbios en muestras ambientales de agua, aire y suelos de océanos de

microesferas: Partículas diminutas que pueden llenarse con medicamentos u otras sustancias y usarse en aplicaciones terapéuticas. microtúbulos: Componente del citoesqueleto de las células; com preciado de varillas largas que consisten en subunidades de proteínas llamadas tubulinas; proporcionar fuerza y estabilidad a la estructura celular; utilizado para el movimiento de orgánulos con células y para el movimiento celular. mutación sin sentido: una mutación que cambia un codón por otro codón que codifica un aminoácido diferente. mitocondrias: orgánulos de doble membrana en las células; sitio de síntesis de ATP; potencia de la célula. ADN mitocondrial (ADNmt): ADN circular pequeño que se encuentra en las mitocondrias y es responsable de las proteínas exclusivas de las mitocondrias. Las mutaciones en este ADN se pueden seguir de madre a descendencia, porque el óvulo es la fuente predominante de mitocondrias.

todo el mundo, glaciares, minas, prácticamente todos los rincones del mundo. terapia de reemplazo mitocondrial (MRT): forma de fertilización in vitro que se metalotioneínas: Proteínas de unión a metales.

usa cuando la madre porta genes para enfermedades mitocondriales; implica

metástasis: generalmente se refiere a la propagación de células cancerosas desde

la transferencia de mitocondrias y ADN mitocondrial (ADNmt) de una donante de

el sitio de origen en el cuerpo a diferentes (sitios secundarios). Microbios: Organismos diminutos que son demasiado pequeños para ser vistos individualmente a simple vista y deben ser vistos con la ayuda de un

óvulos para reemplazar los presentes en un óvulo receptor con un genoma nuclear. mitosis: Un proceso de división nuclear que ocurre durante la

microscopio. Aunque los microorganismos más abundantes son las bacterias,

división en células somáticas eucariotas y procariotas; Se divide en cuatro etapas

los microbios también incluyen virus, hongos como levaduras y mohos, algas y

principales (profase, metafase, anafase y telofase). La mitosis da como resultado

organismos unicelulares llamados protozoos.

la separación uniforme del ADN en células en división.

diagnóstico microbiano: métodos para identificar microbios para diferentes propósitos, como el diagnóstico clínico de infecciones bacterianas, la detección de microbios que causan brotes alimentarios y la detección de armas biológicas; muchas de estas técnicas se basan en el análisis molecular del ADN.

MMR: Vacuna contra el sarampión, las paperas y la rubéola (sarampión alemán) diseñada para brindar protección inmunitaria contra enfermedades infantiles comunes. organismos modelo: Organismos no humanos que los científicos usan para estudiar procesos biológicos en condiciones experimentales de laboratorio; los ejemplos

celdas de combustible microbianas: El uso de microorganismos para generar

comunes incluyen ratones, ratas, moscas de la fruta, gusanos y bacterias.

corrientes eléctricas para fuentes de energía tales como baterías mediante la conversión de sustancias químicas en energía eléctrica. Programa del Genoma Microbiano (MGP): Departamento de Programa de energía para mapear y secuenciar genomas de una amplia gama de microorganismos. microcosmos: Entornos de prueba diseñados para imitar condiciones ambientales; puede consistir en biorreactores o simplemente en una cubeta de suelo contaminado; permite a los científicos probar estrategias de limpieza a pequeña escala en condiciones controladas antes de intentar un enfoque de limpieza particular en el medio ambiente. microfiltración: Eliminación de partículas de 40 ÿm o menos. microorganismos: Organismos que son demasiado pequeños para ser vistos individualmente a simple vista; organismo microscópico (visualizado a través de un microscopio) como bacterias, virus, levaduras. microplásticos: Partículas de plástico de menos de ~5 mm, presentes en ambientes acuáticos en particular. microorganismos (microbios): Organismos que no pueden verse individualmente a simple vista; incluyen bacterias, levaduras, hongos, protozoos y virus.

anticuerpos monoclonales (mAbs): Proteínas de anticuerpos pro producido a partir de clones de una única célula (“mono”); estas proteínas son altamente específicas para un antígeno en particular. moratoria: En lo que se refiere a la ciencia, una moratoria temporal pero com paralización total de cualquier investigación.

morula: Término latino que significa “pequeña morera”; bola sólida de Células que se forman durante el desarrollo embrionario en animales, creadas por la división celular repetida del cigoto. MRSA (Staphylococcus aureus resistente a la meticilina): Cepa potencialmente mortal de S. aureus resistente a la mayoría de los antibióticos, incluida la meticilina, uno de los más efectivos para tratar las infecciones por estafilococos, por lo que las infecciones por SARM pueden ser difíciles de tratar. mutágenos: Agentes físicos o químicos que provocan mutaciones. reproducción por mutación: la reproducción por mutación es el proceso de exponer semillas a sustancias químicas o radiación para generar mutantes con características deseables para ser cruzadas con otros cultivares.

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Glosario

mutaciones: Un cambio en la estructura o secuencia del ADN de un gen. mielomas: Tumores secretores de anticuerpos. Protocolo Suplementario de Nagoya-Kuala Lumpur sobre

ácidos nucleicos: Moléculas compuestas de bloques de construcción de nucleótidos; dos tipos principales son el ADN y el ARN. nucleótido: bloque de construcción de ácidos nucleicos; consta de una molécula de

Responsabilidad y Reparación: Un acuerdo legalmente vinculante que

azúcar (ribosa o desoxirribosa) de cinco carbonos (pentosa), un grupo fosfato y

establece marcos internacionales de responsabilidad y reparación por cualquier

las bases adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) o uracilo (U).

daño a la diversidad biológica causado por movimientos transfronterizos de organismos vivos modificados. nanomedicina: aplicación de la nanotecnología para mejorar la salud; por ejemplo, microsensores que se pueden implantar en humanos para monitorear valores vitales como la presión arterial. nanotecnología: Ingeniería y estructuras y tecnologías a escala nanométrica.

núcleo: orgánulo encerrado en una membrana que contiene el ADN de una célula eucariota. enriquecimiento de nutrientes: Ver fertilización. nutrigenómica: un nuevo campo de la ciencia nutricional centrado en comprender las interacciones entre la dieta y los genes. objetivismo: se refiere a los enfoques filosóficos de la ética y la moral que se cree

Institutos Nacionales de Salud (NIH): agencia gubernamental que es el punto

que existen independientemente del conocimiento o la percepción.

focal para la investigación médica en los Estados Unidos; alberga centros y agencias de investigación de renombre mundial que son una fuente esencial de financiación para la investigación biomédica en los Estados Unidos.

neoantígenos: antígenos cancerosos específicos del paciente (como pro teins) de una persona individual; pueden ser el objetivo de diferentes terapias para tratar el cáncer.

virus oncolíticos: una forma de terapia génica que involucra genes virus creados de manera inteligente diseñados para atacar y destruir las células cancerosas. operador: Región de ADN, como la que se encuentra en un operón, que se une a una proteína represora específica para controlar la expresión de un gen o grupo de genes, como un operón.

mapa de red: una representación esquemática de proteínas, genes y otras moléculas que interactúan en las células; permitir el análisis de interacciones clave en condiciones complejas como el metabolismo y la enfermedad.

operones: Unidades de genes comunes en bacterias; por lo general consiste en una serie de genes, ubicados en regiones adyacentes de un cromosoma y regulados de manera coordinada. Muchos operones están implicados en el metabolismo celular bacteriano de nutrientes como los azúcares. Consulte el operón lac como

secuenciación de próxima generación (NGS): próxima generación

un operón bacteriano bien caracterizado.

la secuenciación se refiere a tecnologías de secuenciación de ADN de alto rendimiento no basadas en Sanger. Se pueden secuenciar millones o miles de millones de hebras de ADN en paralelo, lo que produce un rendimiento sustancialmente mayor y minimiza la necesidad de los métodos de clonación de fragmentos que se utilizan a menudo en la secuenciación de genomas de Sanger.

OPV (vacuna oral contra la poliomielitis): una vacuna atenuada para proteger ción contra el virus de la poliomielitis, por vía oral. Órgano en chip: sistemas miméticos biológicos de microingeniería compuestos de tejidos relevantes de órganos en funcionamiento utilizados para probar la eficacia

base nitrogenada: componente importante del ADN y el ARN nucleótidos; a menudo llamado simplemente una "base". Las estructuras que contienen nitrógeno incluyen purinas de doble anillo (que incluyen las bases adenina y guanina) y pirimidinas de un solo anillo (que incluyen las bases citosina, timina y uracilo). ARN no codificante (ncRNA): moléculas de ARN que no codifican proteínas; incluyen ARN de transferencia (ARNt), ARN ribosomal (ARNr), microARN (miARN) y muchos otros. Diagnóstico genético prenatal no invasivo (NIPD): Pruebas basado en fragmentos de ADN fetal de células que han muerto y han sido digeridas por enzimas. Los fragmentos de ADN que flotan libremente terminan en el torrente sanguíneo de la madre y se pueden analizar con una muestra de

de los medicamentos. orgánulos: Pequeñas estructuras en el citoplasma de las células eucariotas que realizan funciones específicas. Moléculas orgánicas: Moléculas que contienen carbono e hidrógeno. organoides: un organoide es una versión miniaturizada y simplificada sión de un órgano producido in vitro en tres dimensiones con microanatomía realista. Los organoides son una excelente herramienta para estudiar procesos biológicos básicos. orígenes de la replicación: ubicaciones específicas en una molécula de ADN donde comienza la replicación del ADN. Medicamento huérfano: Medicamentos producidos para un pequeño número de beneficiarios (lo que permite una aprobación más rápida por parte de la FDA).

sangre de la madre. Osteoporosis: Categoría de trastornos óseos que generalmente implican una mutaciones sin sentido: mutaciones que cambian un codón en un codón de parada; estos generalmente producen una proteína acortada, de funcionamiento deficiente o no funcional.

pérdida progresiva de masa ósea. Oxidación: La eliminación de uno o más electrones de un átomo o molécula.

Northern blot: técnica de laboratorio para separar el ARN moléculas por electroforesis en gel y transferencia (transferencia) ARN en una transferencia de papel de filtro para su uso en estudios de hibridación. Transferencia Northern: Ver análisis de transferencia Northern. envoltura nuclear: Una membrana de doble capa, es típicamente la estructura más grande en una célula animal. reprogramación nuclear de células somáticas: se utiliza para aislar células madre sin crear un embrión. El concepto básico de este enfoque es usar genes involucrados en el desarrollo celular para hacer retroceder una célula somática a una etapa anterior de desarrollo y afectar la expresión génica, para reprogramar genéticamente la célula somática para que regrese a un estado pluripotente característico de las células madre de del que se derivó.

agentes oxidantes: Átomos o moléculas que aceptan electrones durante una reacción redox y provocan la oxidación de otros átomos o moléculas; conocidos como aceptores de electrones, los agentes oxidantes se reducen cuando aceptan un electrón. Sitio P (peptidilo): Porción de un ribosoma en el que se Las moléculas de ARNt se unen durante la traducción. brazo p: “Petit” o brazo pequeño/corto de un cromosoma. Evolución continua asistida por fagos PACE: el uso de mutar fagos para estudiar la efectividad de nuevas proteínas debido a su rápido ciclo de reproducción. paleogenómica: el análisis del ADN antiguo, como el ADN de los fósiles; también llamada “genómica de la edad de piedra”.

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Glosario papaína: Enzima digestiva de proteínas. Párrafo 6 Mecanismo: Un mecanismo para establecer un marco para las licencias obligatorias que permitan la exportación de medicamentos patentados a los miembros de la OMC que no tienen

G-13

placebos: un tratamiento en blanco o ineficaz. Se utiliza en la práctica científica de tener un grupo de control en un experimento, como un ensayo de medicamentos, que recibe una pastilla o tratamiento ineficaz, como una pastilla de azúcar o una inyección de agua, en lugar del medicamento que se está probando.

adecuada capacidad de producción nacional. patente: Reconocimiento legal que otorga a un inventor o investigador derechos

Transformación de plantas: La transformación de plantas produce plantas

exclusivos sobre un producto y prohíbe que otros fabriquen, usen o vendan el

modificadas genéticamente, en las que el ADN se ha modificado utilizando

producto durante un cierto número de años (20 años a partir de la fecha de

métodos de ingeniería genética. En la mayoría de los casos, el objetivo es

presentación).

introducir un nuevo rasgo en la planta que no ocurre naturalmente en la especie.

patentar: El proceso de recibir una patente (ver patente). Cromosomas paternos: Copias de los cromosomas heredados del padre.

Membrana plasmática (celular): Estructura de doble capa, compuesta de lípidos, proteínas y carbohidratos, que define los límites de una célula; desempeña papeles importantes en la forma de la célula y en la regulación del transporte

Patógenos: Organismos causantes de enfermedades.

de moléculas dentro y fuera de la célula.

azúcar de pentosa: un azúcar de cinco carbonos; componentes importantes de la estructura de nucleótidos de ADN y ARN. La pentosa azúcar desoxirribosa está contenida en los nucleótidos de ADN; la ribosa del azúcar pentosa está contenida en los nucleótidos de ARN. peptidoglicano: Estructura en las paredes celulares bacterianas que consta de azúcares especializados y polipéptidos interconectados cortos. peptidil transferasa: La enzima ARNr que forma parte del subunidad ribosómica grande; cataliza la formación de enlaces peptídicos entre aminoácidos durante la traducción. Proyecto del Genoma Personal (PGP): Un proyecto internacional para desarrollar tecnologías y prácticas de genómica personal con varios objetivos, como la gestión eficaz, informativa y responsable de los datos del genoma personal, el análisis y el intercambio abierto de secuencias del genoma personal, y el

células plasmáticas: Células productoras de anticuerpos que se desarrollan a partir de linfocitos B después de que las células B se exponen a materiales extraños (antígenos). plásmidos (ADN de plásmido): Moléculas de ADN de doble cadena pequeñas, circulares y autorreplicantes que se encuentran principalmente en las células bacterianas. Los plásmidos a menudo contienen genes que codifican proteínas de resistencia a los antibióticos y se utilizan habitualmente para experimentos de clonación de ADN. pluripotente: Término utilizado para describir células, como embrionarias células madre, con el potencial de convertirse en otros tipos de células. mutaciones puntuales: Un cambio de una sola base en la secuencia de ADN. polaridad: se refiere a los extremos 5' y 3' de las moléculas de ADN y ARN.

establecimiento de cómo personal. los genomas pueden usarse para mejorar la salud humana y combatir enfermedades.

poliadenilación: Adición de una secuencia corta o “cola” de nucleótidos de adenina (A) al extremo 3' de una molécula de ARNm; ocurre durante el empalme del ARN en eucariotas; La cola poli(A) es importante para la estabilidad

genomas personalizados: secuenciación de un genoma para un individuo individuo

del ARNm en el citoplasma. policultivo: Cría de más de una especie acuática en el mismo ambiente. Por

genómica personalizada: Una rama de la genómica donde indi

ejemplo, el cultivo de peces junto con la vegetación acuática.

los genomas individuales se secuencian y analizan utilizando herramientas bioinformáticas que pueden conducir a medicamentos personalizados. Medicina personalizada o de precisión: La personalización de atención médica, con decisiones médicas, tratamientos, prácticas o productos que se adaptan al paciente individual. Las herramientas empleadas en la medicina de precisión pueden incluir diagnósticos moleculares, imágenes y análisis.

personalidad: Un término popular en bioética que define una entidad que califica para la protección basada en ciertos atributos que no son valores intrínsecos (incorporados) o automáticos. Terapia con fagos: El uso de bacteriófagos (virus que infectan bacterias) para tratar

poligalacturonasa: una enzima producida naturalmente por las plantas que digiere el tejido, provocando su descomposición.

reacción en cadena de la polimerasa (PCR): técnica de laboratorio para amplificar y clonar ADN; implica múltiples ciclos de desnaturalización, hibridación de cebadores y síntesis de ADN polimerasa de nuevas hebras.

polipéptido: Una cadena de aminoácidos unidos por enlaces covalentes (péptidos); por lo general mayor de 50 aminoácidos de longitud. Poliploide: Organismos con un mayor número de células completas .

conjuntos de cromosomas.

enfermedades humanas. compañías farmacéuticas: Compañías que crean medicamentos para el tratamiento de condiciones de salud humana. farmacogenética: Ver genética personalizada. farmacogenómica: Una forma de medicina personalizada en la que se diseñan estrategias de tratamiento de enfermedades basadas en la información genética de una persona (para una condición de salud particular). prueba de fase: Se requiere una cantidad estadísticamente significativa de

modificaciones postraduccionales: Modificaciones de proteínas que ocurren naturalmente después de la síntesis inicial. precipitado: Combina debido a la atracción mutua. medicina de precisión, la Iniciativa de Medicina de Precisión (PMI): (Véase también medicina personalizada). Un enfoque emergente para la prevención y el tratamiento de enfermedades que tiene en cuenta las variaciones individuales de las personas en los genes, el medio ambiente y el estilo de vida; destinado a conducir a la creación de enfoques de tratamiento

pruebas en cultivos celulares, en animales vivos y en sujetos humanos en los

individualizados específicos (precisos) para mejorar la salud de las poblaciones

procesos de prueba de tres fases especificados por la Administración de Alimentos

humanas.

y Medicamentos. enlaces fosfodiéster: enlaces covalentes entre los azúcares de un nucleótido y el grupo fosfato de un nucleótido adyacente; unir nucleótidos dentro de cadenas de ADN y ARN.

diagnóstico genético preimplantacional (PGD o PIGD): el análisis genético de embriones u ovocitos, antes de la implantación o antes de la fertilización; permite la selección de embriones como un esfuerzo por minimizar la probabilidad de que un embrión tenga una enfermedad genética hereditaria; también se utiliza para seleccionar embriones de un determinado sexo.

fitorremediación: uso de plantas para la biorremediación.

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Glosario

Prialt: conotoxina peptídica aprobada por la FDA purificada a partir de caracol cono marino Conus magus por la Corporación Elan de Irlanda. Los péptidos de conotoxinas son neurotoxinas naturales que bloquean las vías neuronales que transmiten mensajes de dolor al cerebro. Prialt es un analgésico que se utiliza para tratar formas crónicas y graves de dolor, como el dolor de espalda. transcripción primaria (pre-ARNm): molécula de ARNm inicial copiada de un gen en el núcleo de las células eucariotas; sufre modificaciones (procesamiento) para producir moléculas de ARNm maduras que ingresan al citoplasma. primasa: Enzima que agrega pequeños segmentos de ARN a una sola hebra de ADN como un paso temprano y necesario para la replicación del ADN.

proteómica: Estudio de las familias de proteínas. Fusión de protoplastos: fusión de células vegetales que carecen de paredes celulares para producir una célula fusionada que puede convertirse en un clon.

protoplasto: Célula vegetal desnuda (sin pared celular). PulseNet: asociación de laboratorios de toma de huellas dactilares de ADN bacteriano, desarrollada por los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) de EE. UU. y el Departamento de Agricultura de EE. UU., diseñada para proporcionar un análisis rápido de alimentos contaminados, con el propósito de identificar microbios contaminantes y prevenir brotes de enfermedades transmitidas por alimentos. brazo q: Brazo largo de un cromosoma. Recursos genéticos brutos: El material genético en su forma natural estado.

cebadores: oligonucleótidos complementarios a específicos secuencias de interés; Se utiliza en reacciones de PCR para amplificar ADN y reacciones de secuenciación de ADN. director/científicos sénior: posición de liderazgo científico en empresas de biotecnología; los científicos senior suelen ser Ph.D. o personas capacitadas en MD que planifican y dirigen las prioridades de investigación de una empresa. Consentimiento informado previo: Permiso del estado proveedor que se requiere previo al acceso a los recursos genéticos. sonda: Molécula de ADN o ARN de cadena sencilla (marcada, por ejemplo, con nucleótidos radiactivos o fluorescentes) que puede unirse a otras secuencias de ADN o ARN mediante emparejamiento de bases complementarias y detectarse mediante un proceso como la autorradiografía; importante técnica de laboratorio para aplicaciones como la identificación de genes y el estudio de la actividad de los genes.

PCR cuantitativa o en tiempo real (qPCR): las nuevas aplicaciones de la tecnología de PCR permiten determinar la cantidad de producto de PCR producido durante un experimento. Utiliza cebadores elaborados con tintes fluorescentes y termocicladores especializados que permiten a los investigadores cuantificar las reacciones de amplificación a medida que ocurren. Comité asesor de ADN recombinante (RAC): NIH panel responsable de establecer y supervisar las pautas para la investigación del ADN recombinante y temas relacionados. Tecnología de ADN recombinante (ADNr): Técnica que permite combinar ADN de diferentes fuentes; también llamado empalme de genes o ADN. El ADN recombinante es una técnica importante para muchas aplicaciones de clonación de genes. Proteínas recombinantes: Proteínas comercialmente valiosas creadas

Las sondas de proteínas suelen ser anticuerpos que se unen a estructuras

mediante tecnología de ADN recombinante y técnicas de clonación de

con gran afinidad (p. ej., antígenos) y pueden detectarse mediante etiquetas

genes; los ejemplos incluyen la insulina y la hormona del crecimiento.

fluorescentes. especialistas en reclamos de productos: un especialista en control de calidad

Reacciones redox: Combinación de oxidación y reducción .

reacciones

(QC) que certifica que un producto cumple con los criterios especificados

reducción: La adición de uno o más electrones a una molécula.

en el prospecto u otras especificaciones enviadas a las agencias reguladoras.

medicina regenerativa: una disciplina de la biotecnología médica ogía que consiste en reparar o reemplazar tejidos y órganos dañados mediante

Células procarióticas: Células que carecen de núcleo y organelos cerrados

el uso de tejidos y órganos cultivados a través de enfoques biotecnológicos.

membranosos; los únicos ejemplos son las bacterias y Archae. promotor: secuencias específicas de ADN adyacentes a un gen que dirige

renina: Enzima degradadora de proteínas derivada del estómago de animales

la transcripción (síntesis de ARN); sitio de unión de la ARN polimerasa

productores de leche como vacas y cabras; utilizado en la producción de

para comenzar la transcripción.

queso; forma recombinante llamada quimosina.

microinyección pronuclear: este método introduce la ADN transgénico en la etapa más temprana posible de desarrollo del cigoto (óvulo fertilizado). Antígeno prostático específico (PSA): Una proteína liberada en el torrente

gen reportero: Genes (como los genes lux) que se pueden usar para rastrear o monitorear (informar sobre) la expresión de otros genes. clonación reproductiva: Proceso de clonación que crea un nuevo individuo; El proceso generalmente involucra el uso del material genético de una

sanguíneo cuando la próstata está inflamada, y los niveles elevados pueden

sola célula para crear un individuo con la composición genética única de su

ser un marcador de inflamación de la próstata e incluso de cáncer de próstata.

célula creadora. investigación y desarrollo (I+D): Todos los procesos implicados en la

proteasas: Enzimas digestivas de proteínas. proteínas: Macromoléculas que consisten en aminoácidos unidos por enlaces peptídicos; principales moléculas estructurales y funcionales de las células.

investigación básica (por ejemplo, investigación preclínica) y el desarrollo de un producto potencial. La sangre vital de una empresa de biotecnología, I+D es cómo las empresas identifican nuevas tecnologías, medicamentos, etc. para su comercialización.

chip de proteína: Ver microarreglo de proteína. microarreglo de proteínas: Un “chip” similar a un microarreglo de ADN; consiste en un portaobjetos de vidrio que contiene miles de proteínas individuales adheridas a puntos específicos del portaobjetos; cada “mancha” contiene una proteína única. proteolítico: característica de lisis de proteínas.

asistentes/asociados de investigación: Puestos de laboratorio en qué individuos están principalmente involucrados en la realización de experimentos bajo la supervisión de otros científicos, como científicos principales o senior. enzimas de restricción: Proteínas que cortan el ADN que se encuentran principalmente en las bacterias. Las enzimas escinden (cortan) el esqueleto de fosfodiéster del ADN de doble cadena en secuencias específicas de

proteoma: El complemento completo de proteínas en un organismo.

nucleótidos (sitios de restricción). Las enzimas de restricción disponibles

proteomas: Familias de proteínas.

comercialmente son esenciales para los experimentos de biología molecular.

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Glosario

mapa de restricción: Disposición o “mapa” del número, orden y tipos de sitios de corte de enzimas de restricción en una molécula de ADN.

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representantes de ventas: Vendedores en empresas de biotecnología; Los representantes de ventas son “personas sociables” que trabajan en estrecha colaboración con médicos, hospitales y proveedores de atención médica para

sitios de restricción: Secuencias específicas de nucleótidos de ADN rec reconocido y cortado por enzimas de restricción. retrovirus: virus que contienen un genoma de ARN y utilizan transcriptasa inversa para copiar el ARN en ADN durante el ciclo de replicación en las células huésped. transgénicos mediados por retrovirus: infección de embriones con un retrovirus

promocionar los productos de una empresa. Procesos de escalado: La implementación industrial de procesos en los que tiene lugar la conversión química o microbiológica de materiales que se comportan de manera diferente a pequeña escala (en laboratorios o plantas piloto) y a gran escala (en producción). SDS-PAGE: La electroforesis en gel de poliacrilamida con dodecilsulfato de sodio es

(generalmente modificado genéticamente) antes de que se implanten los

un proceso en el que las proteínas se hierven en presencia de SDS para

embriones. El retrovirus actúa como vector para el nuevo ADN.

desnaturalizarlas y unir grupos sulfato (cargados negativamente) a cada enlace amida de una proteína para que puedan separarse por sus número de cargas

transcriptasa inversa (RT): enzima polimerasa viral que copia el ARN en ADN

por electroforesis en un gel de poliacrilimida.

monocatenario. Esta enzima disponible comercialmente se utiliza para muchos experimentos de biología molecular, como la creación de ADNc.

Secretaría del Convenio sobre la Diversidad Biológica (SCBD): Oficina administrativa, con sede en Canadá, que apoya los objetivos del Convenio

PCR de transcripción inversa (RT-PCR): técnica de laboratorio que implica el uso

sobre la Diversidad Biológica.

luego amplificar el ADNc mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR);

secretoma: La expresión de proteínas y la maquinaria de secreción en bacterias

una técnica valiosa para estudiar la expresión génica.

siembra: Ver bioaumentación.

de la enzima transcriptasa inversa para copiar el ARN de una célula en ADNc y

selección: Técnica de laboratorio utilizada para identificar bacterias que contienen RFLP: resultado de polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción de mutaciones que impiden que las enzimas de restricción del ADN corten el ADN, y pueden usarse como un tipo de 'huella digital de ADN'. Ácido ribonucleico (ARN): Cadenas sencillas de nucleótidos producidas a partir del ADN. Diferentes tipos de ARN tienen funciones importantes en la síntesis de proteínas. ARN ribosómico (ARNr): Pequeñas moléculas de ARN que son componentes esenciales de los ribosomas. ribosomas: orgánulos compuestos de ácido ribonucleico ribosómico (ARNr) y proteínas ensambladas en paquetes llamados subunidades. Los ribosomas se unen a las moléculas de mRNA y tRNA

ADN recombinante de interés; implica el cultivo de bacterias en medios con antibióticos u otras moléculas de selección. Cría selectiva: Apareamiento de organismos con las características deseadas para producir descendencia con las mismas características. autorrenovación: se refiere a las células, como las células madre, que pueden replicarse para producir más células indefinidamente. replicación semiconservativa: Proceso por el cual se copia el ADN; una molécula de ADN original (padre) da lugar a dos moléculas, cada una de las cuales tiene una hebra original y una hebra nueva.

senescencia: Proceso de envejecimiento celular.

y son el sitio de síntesis de proteínas en procariotas y eucariotas. síndrome respiratorio agudo severo (SARS): forma grave de neumonía causada por el virus del SARS; puede provocar la muerte por insuficiencia respiratoria. evaluaciones de riesgos: Análisis de los riesgos y beneficios potenciales de un procedimiento, medicamento, tecnología, etc. cromosomas sexuales: contienen la mayoría de los genes que determinan el sexo Complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC): RISC desenrolla los

de un organismo; los cromosomas X (femenino) e Y (masculino) en humanos.

siRNA de doble cadena, liberando siRNA de una sola cadena que se unen a secuencias complementarias en moléculas de ARNm. La unión de los siRNA al mRNA da como resultado la degradación del mRNA (por la enzima dicer) o bloquea la traducción al interferir con la unión al ribosoma.

ARN de interferencia corto (siRNA): Pequeño (21 o 22 nt) fragmentos de doble cadena de ARN que no codifican proteínas, llamados así porque se demostró que se unen al ARNm y posteriormente bloquean o interfieren con la traducción de los ARNm unidos.

ARN de interferencia (ARNi): mecanismos de silenciamiento génico basados en ARN. Estos siRNA están unidos por un complejo proteína-ARN llamado complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC).

Repetición corta en tándem (STR): de una a seis repeticiones de nucleótidos que se dispersan a lo largo de los cromosomas. Debido a que estas regiones repetidas pueden ocurrir en muchos lugares dentro del ADN, las sondas utilizadas

ARN polimerasa: copia el ARN de una plantilla de ADN; diferentes formas de ARN polimerasa sintetizan diferentes tipos de ARN. Cebadores de ARN: secuencia corta de ARN monocatenario que se une al ADN y se utiliza para iniciar la replicación del ADN por la ADN polimerasa. Secuenciación de ARN (RNA-seq): Técnica molecular para determinar la secuencia

para identificarlas complementan las regiones de ADN que rodean el microsatélite específico que se analiza. anemia de células falciformes: trastornos genéticos hereditarios de los glóbulos rojos; causada por una mutación en el gen de la hemoglobina que codifica la proteína hemoglobina que transporta oxígeno; produce células falciformes que transportan pobremente el oxígeno y causan problemas circulatorios.

de nucleótidos de las moléculas de ARN en las células (a diferencia de la secuenciación de ADN). ARN o silenciamiento génico: Término general para las técnicas que se utilizan para inhibir que un gen o una molécula de ARN expresen la proteína que codifica.

Mutación silenciosa: Sustitución de pares de bases que no tiene efecto sobre la secuencia de aminoácidos de una proteína. secuenciación de ARN unicelular (scRNA-seq): tecnología actual ogía que puede proporcionar información de la secuencia de ARN de una sola

Empalme de ARN: la eliminación de secuencias codificantes no proteicas (intrones)

célula en lugar de secuenciar el ARN de una colección de células; permite un

del transcrito primario (pre-ARNm) y la unión de secuencias codificantes de

examen de la diversidad de la expresión génica (transcritos) dentro de poblaciones

proteínas (exones).

de células en el mismo tejido.

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Glosario

secuenciación de una sola célula (SCS): tecnología actual que puede proporcionar información de secuencias de ADN o ARN de una sola célula en lugar de secuenciar los genomas de una colección de células; permite un examen de la diversidad genética dentro de las poblaciones de células en el mismo tejido.

transferencia mediada por espermatozoides: el ADN se inyecta o se une directamente al núcleo del espermatozoide antes de la fertilización. atrofia muscular espinal (SMA): una enfermedad caracterizada por la pérdida de neuronas motoras en la médula espinal, lo que resulta en una debilidad muscular progresiva. Una de las principales causas genéticas de muerte en los bebés.

secuenciación de una sola molécula en tiempo real (SMRT): un enfoque de secuenciación de tercera generación que implica la secuenciación de una sola molécula de ADN monocatenario. polimorfismos de un solo nucleótido (SNP): variaciones de un solo nucleótido en la secuencia del gen o un tipo de mutación del ADN; la base de la variación genética entre los seres humanos. cromátidas hermanas: Copias exactas de moléculas de ADN de doble cadena y proteínas (cromatina) unidas para formar un cromosoma. Mutagénesis dirigida al sitio: con esta técnica, se pueden crear mutaciones en nucleótidos específicos de un gen clonado contenido en un vector. Luego, el gen

Causado por una mutación en el gen SMN1 que impide la producción de la proteína SMN funcional necesaria para el desarrollo normal de las neuronas motoras. Spinraza (nusinersen): nombre comercial de la terapia basada en ARN antisentido para tratar la atrofia muscular espinal (AME). Espiral: se refiere a la categoría de células bacterianas con forma de sacacorchos. empresas emergentes: formadas por un pequeño equipo de científicos que creen que pueden tener un producto prometedor para fabricar (como una proteína recombinante para tratar enfermedades). Por lo general, el equipo debe buscar inversionistas para financiar su empresa de modo que puedan comprar o alquilar

se puede expresar en las células, lo que da como resultado la traducción de una

instalaciones de laboratorio, comprar equipos y suministros, y continuar con la

proteína mutada. Esto permite a los investigadores estudiar los efectos de

investigación y el desarrollo necesarios para fabricar su producto.

mutaciones particulares en la estructura y funciones de las proteínas como una forma de determinar qué nucleótidos son importantes para funciones específicas de la proteína. cromatografía de exclusión por tamaño (SEC): Separación basada en tamaño molecular lodo: Un material semisólido producido a partir de desechos de aguas residuales tratadas; consiste en gran parte de pequeñas partículas de heces, papeles de desecho y microorganismos. biorremediación en fase de lechada: proceso en el que se contamina El suelo natural se extrae de un sitio y se mezcla con agua y fertilizantes (ya menudo con oxígeno) en grandes tambores o biorreactores para crear una mezcla (lechada) que estimula la biorremediación por parte de los

probabilidad estadística: uso de medidas estadísticas para calcular la posibilidad (probabilidad) de que suceda un evento en particular. Células madre: Células inmaduras (indiferenciadas) que son capaces de formando todos los tipos de células maduras en animales y que pueden derivarse de embriones de varios días de edad o de tejidos adultos. genómica de la edad de piedra: varios laboratorios de todo el mundo mundo están involucrados en el análisis de ADN "antiguo". Estos estudios están generando datos fascinantes a partir de cantidades minúsculas de ADN antiguo de huesos y otros tejidos y muestras fósiles que tienen decenas de miles de años. Sustratos: Molécula o moléculas sobre las que una enzima realiza una reacción.

microorganismos del suelo. pequeños ARN de interferencia (siRNA): ARN de doble cadena

subtilisina: Proteasa derivada de Bacillus subtilis, un valioso

moléculas, generalmente de 20 a 25 pb de longitud, que pueden usarse para

componente de muchos detergentes para ropa, donde funciona para degradar

experimentos de interferencia (silenciamiento) de ARN. Ocurre naturalmente

y eliminar las manchas de proteína de la ropa. Varias enzimas bacterianas

en muchas especies y contribuye a la regulación de la expresión génica a

también se usan para fabricar alimentos, como las enzimas digestivas de

través del silenciamiento del ARN.

carbohidratos llamadas amilasas que se usan para degradar los almidones.

ARN pequeños no codificantes (sncRNA): moléculas de ARN que no se traducen en una proteína. Estos incluyen ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosomal (ARNr), microARN (miARN) y otros.

vacunas de subunidades: Vacuna creada a partir de componentes de un patógeno, como proteínas virales o moléculas de lípidos. Programa Superfund: Programa establecido por el Congreso de los EE. UU.

biorremediación en fase sólida: estrategias de limpieza de suelos ex situ que involucran principalmente compostaje, cultivo de tierras o biopilas. transferencia nuclear de células somáticas (SCNT): proceso de transferencia de ADN que se puede utilizar con fines reproductivos o de clonación terapéutica;

en 1980 a través de la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU., diseñado para identificar y limpiar sitios de desechos peligrosos y proteger a los ciudadanos de los efectos nocivos de los sitios de desechos. gripe porcina (H1N1): causada por un virus que infecta principalmente

consiste en extraer el ADN de una célula e insertarlo en un óvulo al que se le

cerdos, pero también se producen infecciones en humanos. H1N1 es una cepa

ha extraído el ADN (enucleado).

que infectó a personas en varios brotes en 2009 y años posteriores.

Células somáticas: Todos los tipos de células en organismos multicelulares excepto de gametos (espermatozoides y óvulos). Análisis de transferencia Southern: técnica de laboratorio inventada por Ed Southern que implica la transferencia (transferencia) de fragmentos de ADN a una transferencia de papel de filtro para su uso en estudios de hibridación de sondas. Transferencia de Southern: Ver análisis de transferencia de Southern.

integridad de la especie: Generalmente se refiere al mantenimiento de las

biología sintética: el uso de secuencias de ADN hechas por el hombre para crear células u organismos modificados. genoma sintético: Ver biología sintética. biología de sistemas: implica combinar datos genómicos con información sobre la estructura, función, regulación e interacciones de diferentes vías (como una vía metabólica) para proporcionar una comprensión más completa de las

funciones naturales, habilidades y constitución genética de una especie en

interacciones entre diferentes "sistemas" en una célula (más bien que solo

particular; por ejemplo, la creación de animales o plantas recombinantes, como

estudiar genomas o enzimas, por ejemplo).

organismos transgénicos o poliploides, puede cambiar la "integridad de la especie" al hacer que una especie se adapte menos a la vida en la naturaleza.

Receptores de células T (TCR): moléculas presentes en la superficie de los linfocitos T (células T), responsables de reconocer fragmentos de antígenos

cariotipo espectral: una técnica que involucra sondas específicas para cada cromosoma que emiten fluorescencia de diferentes colores para identificar los cromosomas de acuerdo con su patrón de color.

(materiales extraños) como péptidos unidos a moléculas del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC); involucrados en la ingeniería de células T para inmunoterapia.

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Glosario Linfocitos T (células T): Tipo de glóbulo blanco (leuco cito); Los linfocitos T, también llamados "células T", desempeñan un papel esencial para ayudar al sistema inmunitario a reconocer y responder a materiales extraños (antígenos). ADN polimerasa Taq (o Taq): enzima sintetizadora de ADN aislada de Thermus aquaticus, un Archae termofílico que vive en aguas termales; su capacidad para soportar altas temperaturas (termoestable) sin desnaturalización lo hace valioso para su uso en experimentos de PCR.

G-17

en el núcleo de las células eucariotas y en el citoplasma de las células procariotas. factores de transcripción: proteínas de unión al ADN que se unen a las regiones promotoras de un gen y estimulan la transcripción de un gen por la ARN polimerasa. regulación transcripcional: Forma de regulación de la expresión génica que implica controlar el proceso de transcripción mediante el control de la cantidad de ARN producido por una célula. transcriptoma: Todas las moléculas de ARN (codificantes y no codificantes) en

Caja TATA: Secuencia de nucleótidos corta (TATA) generalmente ubicada aproximadamente de 20 a 30 pares de bases “aguas arriba” (en la dirección 5') del sitio de inicio de muchos genes eucariotas; parte de la secuencia promotora unida por factores de transcripción utilizados para estimular la ARN polimerasa. telómero: Las estructuras finales de un cromosoma eucariótico; en humanos,

una célula o una población de células. transfección: Introducción de ADN en células animales o vegetales. ARN de transferencia (ARNt): Pequeñas moléculas de ARN que transportan aminoácidos a un ribosoma durante la síntesis de proteínas. El ARNt se une a codones específicos en secuencias de ARNm durante la traducción.

consiste en secuencias repetitivas específicas de ADN (TTAGGG). transformación: El proceso por el cual las bacterias toman el ADN del entorno. hebra plantilla: después de que la ARN polimerasa se une a un promotor,

El término también se usa para definir los cambios que hacen que una célula normal se convierta en una célula cancerosa.

desenrolla una región del ADN para separar las dos hebras. Solo una de las cadenas, llamada cadena molde (la cadena opuesta se llama cadena codificante), es copiada por la ARN polimerasa.

transgén: Gen de un organismo introducido en otro organismo para crear un transgénico; término generalmente se aplica a los genes utilizados para crear animales y plantas transgénicos.

teratogénico: Una sustancia que crea efectos anormales en el desarrollo de un embrión. talidomida: Compuesto utilizado inicialmente para combatir la mañana enfermedad en mujeres embarazadas; ciertas formas químicas de talidomida causaron defectos de nacimiento graves; los derivados de la talidomida todavía se están investigando para su uso en el tratamiento del cáncer, el VIH y otras enfermedades. El Proyecto Atlas del Genoma del Cáncer (TCGA): iniciado en 2005 y

animales transgénicos: Animales que contienen genes de otra fuente. Por ejemplo, los genes humanos para proteínas de coagulación pueden introducirse en vacas para la producción de estas proteínas en su leche.

Organismos transgénicos: Un organismo que recibió un ADN secuencia (generalmente un gen o genes; llamado transgén) de otro organismo o célula; el transgén permite la expresión de rasgos específicos que normalmente no están presentes en el organismo transgénico.

completado en 2017, TCGA involucró una colaboración entre agencias de investigación de EE. UU. para catalogar las mutaciones genéticas responsables de diferentes tipos de cáncer, utilizando la secuenciación del genoma y la bioinformática para mejorar nuestra capacidad de diagnosticar, tratar, y prevenir el cáncer a través de una mejor comprensión de la base genética del cáncer.

traducción: La síntesis de proteínas a partir de información genética ción en moléculas mensajeras (ARNm). La traducción ocurre en el citoplasma de todas las células. triploides: tres conjuntos de cromosomas (3n); se usa para describir organismos con tres conjuntos de cromosomas. tuberculosis (TB): Enfermedad causada por la bacteria

clonación terapéutica: uso del ADN de un paciente para crear (clonar) un embrión como fuente de células madre que podrían usarse en aplicaciones

Mycobacterium tuberculosis, que crece lentamente y puede existir en un ser humano durante varios años antes de que el individuo desarrolle TB.

terapéuticas para tratar al paciente. Termófilos: Organismos con altas temperaturas óptimas de crecimiento. Por ejemplo, las bacterias que viven en las aguas termales son termófilas.

Electroforesis bidimensional: Separación basada en carga en dos direcciones. Diabetes mellitus tipo I, o insulinodependiente: Enfermedad causada por la

Enzima termoestable: Una enzima que es capaz de soportar altas temperaturas y se aísla de los termófilos. Por ejemplo, la ADN polimerasa Taq es una enzima termoestable. secuenciación de tercera generación (TGS): el enfoque más nuevo para la tecnología de secuenciación de ADN; implica la lectura de secuencias de nucleótidos en moléculas individuales de ADN; permite leer secuencias largas de ADN porque TGS no requiere dividir el ADN en pedazos más pequeños, como suele ser necesario para otros enfoques de secuenciación.

falta de la hormona pancreática insulina, que es necesaria para el metabolismo de los carbohidratos. Crea niveles elevados de azúcar en la sangre (hiperglucemia). ultrafiltración: Separación de partículas menores de 20 ÿm. procesamiento aguas arriba: ajustes en el proceso de purificación basados en cambios en el proceso biológico, lo que hace que el procesamiento sea más eficiente. Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA): Agencia creada en 1862 que tiene muchas funciones relacionadas con el fomento y regulación

Timina (T): T abreviada; base de pirimidina presente en los nucleótidos de ADN.

de la agricultura. Algunas de esas funciones incluyen la regulación de plagas de plantas, plantas y productos biológicos veterinarios.

ingeniería de tejidos: diseño y cultivo de tejidos para su uso en aplicaciones de medicina regenerativa.

Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA): Agencia cuyo propósito principal es proteger la salud humana y salvaguardar el

ADN táctil: ADN que queda de una huella dactilar.

medio ambiente natural (aire, agua y tierra) trabajando con otras agencias

rasgos: Características heredadas de un organismo, como el color de la piel y la

federales en los Estados Unidos y los gobiernos estatales y locales para

forma del cuerpo. Transcripción: La síntesis de ARN a partir de ADN, que ocurre

desarrollar y hacer cumplir las regulaciones bajo las leyes ambientales existentes.

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Glosario

Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA):

Organización Mundial de Sanidad Animal (OIE): Organización

una agencia federal del Departamento de Salud y Servicios Humanos de

intergubernamental dedicada a compartir y mejorar el conocimiento sobre

los Estados Unidos. La FDA es responsable de proteger y promover la

la sanidad animal mundial, recopilar y analizar información científica veterinaria

salud pública mediante el control y la supervisión de la seguridad de los

y fortalecer la estructura de los sistemas de sanidad animal de sus países

alimentos, los productos del tabaco, los suplementos dietéticos, los

miembros.

medicamentos de prescripción y de venta libre, las vacunas, los productos biofarmacéuticos, las transfusiones de sangre, los dispositivos médicos, los

Organización Mundial del Comercio (OMC): Organización internacional que

dispositivos emisores de radiación electromagnética. , cosméticos, alimentos y

regula el comercio entre naciones. La OMC proporciona un marco para negociar

piensos para animales y productos veterinarios.

acuerdos comerciales y resolver disputas relacionadas con el comercio.

Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO): Organismo especializado de las Naciones Unidas

Secuenciación del exoma completo (WES): una técnica para

que promueve la paz y fomenta el desarrollo sostenible a través de la educación,

secuenciar todas las regiones codificantes de proteínas (exones) en un

las ciencias, la cultura, la comunicación y la información.

genoma. Secuenciación de “escopeta” del genoma completo: enfoques de

Enfoque utilitarista: Línea de pensamiento ético que establece que

secuenciación de ADN en los que se puede fragmentar un genoma completo

las acciones son morales si el resultado produce el mayor bien para el mayor

y determinar su secuencia. Luego se utilizan métodos bioinformáticos para

número de humanos; también conocida como ética consecuente porque se

ensamblar los fragmentos secuenciados de un genoma para ensamblar la

enfoca en los resultados o consecuencias, no en las intenciones.

secuencia del genoma completo. Organización Mundial de la Salud (OMS): Una agencia de las Naciones

utilitarismo: Principio al que se refiere la ética que una acción es ética, correcta o

Unidas que se enfoca en temas de salud pública a nivel mundial.

justificada si proporciona el mayor beneficio para el mayor número de personas. xenotrasplante: El trasplante de células vivas, tejidos u órganos de una especie Vacunación: El proceso de administrar una vacuna para proporcionar inmunidad a un organismo contra un microorganismo infeccioso. vacunas: Una preparación de un microorganismo o sus componentes que se utiliza para estimular la producción de anticuerpos (inmunidad mediada por anticuerpos) en un organismo. repeticiones en tándem de número variable (VNTR): el reconocimiento de que se pueden encontrar números variables de nucleótidos repetidos en el ADN y se pueden usar para la identificación de individuos. vectores: ADN (o virus) que se puede utilizar para transportar y replicar

a otra. XNAzimas: Catalizadores cuya secuencia genética incluye (en lugar de ADN o ARN), se utilizan análogos de ácidos nucleicos sintéticos, denominados ácido xenonucleico (XNA), como portadores de información. La traducción de proteínas puede entonces incluir la incorporación de aminoácidos no proteinogénicos a las proteínas.

levaduras: Un hongo unicelular. cromosomas artificiales de levadura (YAC): vectores de plásmidos

clasificar otras piezas de ADN en experimentos de biología molecular; por

crecido en células de levadura que pueden replicar piezas muy grandes de

ejemplo, ADN plasmídico, virus utilizados para terapia génica; también se refiere

ADN; utilizado para clonar fragmentos de cromosomas humanos para el

a los organismos que transmiten enfermedades. capital de riesgo (VC): Financiamiento para una empresa proporcionada por financistas que ven promesa en la empresa y esperan un beneficio financiero sustancial por el alto riesgo (o esperan asumir una pérdida).

Proyecto Genoma Humano. sistema de dos híbridos de levadura: técnica de laboratorio que involucra el uso de levadura para unir diferentes proteínas (creando una proteína híbrida) como una forma de estudiar la función de la proteína. Virus Zika (ZIKV): miembro de la familia de virus Flavivirida;

Partículas similares a virus (VLP): proteínas de la cubierta de virus que pueden producir las plantas mediante la inserción de genes que pueden prevenir la infección por virus de plantas. Análisis de transferencia Western: técnica de laboratorio para separar moléculas de proteína mediante electroforesis en gel y transferir (transferencia) proteínas

propagado por los mosquitos Aedes , como A. aegypti y A. albopictus. Entre 2007 y 2016, el virus se propagó hacia el este, a través del Océano Pacífico hacia las Américas, lo que provocó la epidemia del virus del Zika en 2015–16. Los fetos en desarrollo en mujeres embarazadas son particularmente susceptibles a los efectos del ZIKV, que puede causar una

a una transferencia de papel de filtro que generalmente se prueba con

variedad de defectos de nacimiento, incluida la microcefalia (desarrollo

anticuerpos para estudiar la estructura y función de la proteína.

anormal del cerebro, lo que resulta en un tamaño de cabeza más pequeño

Western blot: Ver análisis de Western blot. Recursos genéticos trabajados: El material genético que ha sido objeto de cierta cantidad de investigación y desarrollo. Organización Mundial de la Propiedad Intelectual (OMPI): organismo especializado de las Naciones Unidas que promueve la protección de la propiedad intelectual en todo el mundo.

de lo normal). Nucleasas con dedos de zinc (ZFN): enzimas de restricción artificiales generadas al fusionar un dominio de unión al ADN con dedos de zinc con un dominio de escisión del ADN. cigoto: Célula diploide que se forma cuando se unen gametos haploides, como un espermatozoide y un óvulo.

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Índice Nota: números de página seguidos de f

Agilent Technologies Inc., 274–275

aplicaciones de biomasa y

cifras indicadas; los seguidos de t indican

Envejecimiento, 335, 374

tablas.

Estudio de Sanidad Agrícola, 200

bioprocesamiento, 291 biorremediación, 245

Agricultura Abulón, 271t, 282t, 283t

estructuras celulares, 50

biotecnología animal, 31–33, 33f, 34f

métodos de limpieza de metales pesados, 256

Habilidad, 37 Número de acceso, 112

suplementos animales y uso de antibióticos, 371

productos de, 291 depuradores, 293–294

Accumulibacter phosphatis, 247t

acuicultura, 35, 35f

Floraciones de algas, 277

Ácido acético, 159–160, 159f

gripe aviar (H5N1), 170

Fosfatasa alcalina, 143, 143f

Acetona, 138, 159–160, 159f

aplicaciones de biotecnología, 27–31, 28f, 29t, 31f

Alelos, análisis STR, 225, 225f

AbbVie, 22

Acetilación, 76–77, 77f Lluvia ácida, 242

Ver también biotecnología microbiana

ataques con armas biológicas a las fuentes de alimentos,

182t

Acné, 171

Análisis de oligonucleótidos específicos de alelo (ASO), 304–305, 305f Alergias, 169, 198

Ver SIDA (síndrome de

Estudio de caso, plaga de cítricos, 202 carne cultivada, 33, 34f

Caimanes, péptidos antimicrobianos de, 290

inmunodeficiencia adquirida)

Síndrome de inmunodeficiencia adquirida.

vacunas basadas en ADN, 168

Alfa-galactosidasa, 127t

Mutaciones adquiridas, 73, 74f

efectos de la prohibición de cultivos transgénicos, 370

Hélice alfa, estructura de proteína, 129–131, 130f

Activadores, regulación transcripcional, 69–70, 69f

energía de los residuos, 254, 254f, 255f contaminación de los peces y riesgos de contaminación

Sitio activo, evolución molecular dirigida, 132–134, 133f, 134f Leucemia linfoblástica aguda (LLA), 318 Deficiencia de ADA, 301f, 326, 327f Conducta adictiva y tratamiento, 306, 306f, 317

genética, 276;

animales genéticamente modificados en, 212–214, 213f

Adenosina desaminasa (ADA), 326, 327f Síndrome de inmunodeficiencia combinada grave de

definición de organismo modificado

enfermedad de Alzheimer, 131, 301f

plantas y animales genéticamente modificados, éticos y, 32, 368–372, 369f, 370f, 372f pesticidas genéticos, 195–196, 196f

detección de enfermedades, 300

análisis de micromatrices de ADN, 306, 306f trasplantes de tejido fetal, 329–330 terapia génica, 321 plegamiento incorrecto de proteínas, 132

(ADA-SCID), 326, 327f, 380

terapias humanas para mascotas, 213 Monsanto y control de semillas, 371

Adhesivos, bioprospección acuática y, 287–288, 288f

Estudio de caso, proteína tau-tau, 148– 149, 148f, 149f

estrategias de limpieza de aguas subterráneas, 252–254, 253f resistencia a herbicidas, 196, 197f

Adhesión, 51, 51f, 52t

Tejido alveolar, 206–207, 207f

capacidad global para, 188, 188f

adenosina desaminasa Adenovirus, vectores de terapia génica, 320– 321, 320f, 328, 380

Empalme alternativo, 63–64, 64f Aluminio , 83t

Adenina (A), 54–55, 54f Virus adenoasociado (AAV), 320–321, 320f

Energía alternativa, biocombustibles, 183–184, 184f, 291

alimentos genéticamente modificados, etiquetado de, 199, 199f genéticamente, 199

Aditivos, proteínas estabilizadoras en solución, 137

Alfa-L-iduronidasa, 127t

Tecnología rDNA (ADN recombinante), 25–26, 25f microbios recombinantes, impacto ambiental, 165

aplicaciones de células madre, 338t vacuna para, 169 Ginseng americano, 232–233, 233f Sociedad Estadounidense de Laboratorios Criminalísticos

Directores (ASCLD), 229 Amgen, 22, 217 Aminoácidos Estudio de caso, aminoácidos sintéticos, 186

Adipocitos, 299, 299f

Roundup, toxicidad de, 200

Tejido adiposo, células madre derivadas de adultos, 335–336

cría selectiva, 24, 24f

código genético, 65–68, 65t, 66f

encefalopatías espongiformes, priones y, 132–134, 134f

etiquetas peptídicas, 157

Células madre derivadas de adultos (ASC), 335–336

Véase también Biotecnología vegetal

modificaciones postraduccionales (PTM), 131, 132f

Aedes aegypti, 369

Agrobacterium tumefaciens, 90, 190, 192f

plegamiento de proteínas, 131

Victoria de Aequorean, 279–281, 280f

Agrostis stolonifera, 256

precipitación de proteínas, 137–138

Tanques de aireación, 251, 251f Aerobios y metabolismo aeróbico, 153, 159, 244–

SIDA (síndrome de inmunodeficiencia

245, 244f, 246f Cromatografía de afinidad, 139–140, 140f, 143, 157

adquirida), 167, 167f, 170 Contaminación del aire, fitorremediación, 248, 248f Contaminación del aire, fuentes de, 242

estructura de proteínas, 129–131, 130f ARN de transferencia de aminoacilo (ARNt), 66–67, 66f amonio, 252

Proteína A/F, Inc., 278–279, 279f, 284

Alanina (Ala), 65t

Sulfato de amonio, precipitación de proteínas, 137– 138

AFP (proteínas anticongelantes), 278–279, 279f, 284

Alaska, derrame de petróleo del Exxon Valdez , 257–

Amniocentesis, 102, 102f, 302–303, 303f

Rana africana con garras (Xenopus laevis), 289t Peste porcina africana, 182t

Alcanivorax borkumensis, 247 t

De modo que

medios de selección bacterianos, 86–87, 87f Transferencias del sur, del norte y del oeste, 103–104, 103f Agaricus bisporus, 31, 31f Electroforesis en gel de agarosa, 94–96, 97f Degeneración macular relacionada con la edad, 337

259, 258f, 259f

Alcohol (etanol) biocombustibles, 183–184, 184f fermentación, 23–24, 159–160, 159f

Células madre derivadas de líquido amniótico, 336 Amebocitos, 294 AMPA, 196, 197f Anfibios, disruptores endocrinos y, 242–243, 243t, 244f

ALD (adrenoleucodistrofia), 301f Alfalfa, 191t, 247–248, 248f

Ampicilina, 86–87, 87f, 89

Algas

Amycolatopsis orientalis, 162t

biopelícula (bioincrustación), 292, 292f, 293f

gen ampR , 86–87, 87f Amilasa, 127, 250, 251f Pliegue amiloide, 132–134, 134f

I-1

Machine Translated by Google I-2

Índice

Amiloidosis, 301f

desechos plásticos en la vida silvestre, 263–264

Placas de amiloide, 148–149, 148f, 149f

cría selectiva, 24, 24f

Esclerosis lateral amiotrófica (ELA), 301f, 322

suplementos y uso de antibióticos, 371 xenotrasplante, 330–331, 331f, 371

Anaerobios y metabolismo anaeróbico, 159–160, 159f, 244–245, 244f, 245f Condiciones anaeróbicas, 153 Digestor anaeróbico, 251–252, 251f, 252f

Tecnología de ARN antisentido, 321–323, 322f Tecnología antisentido, 193–194, 194f Medicamentos antivirales, 170

Gen APOE , 309–310, 309f Ley de Bienestar Animal, 207–208

Manzanas, 193, 199

Ántrax, 168, 179–183, 180 pies, 182t, 183f

aptámeros, 313

Compuestos antiangiogénicos, 290 antibióticos

Tecnologías AquaBounty, 282 Acuicultura barreras y límites, 275–277

Fármacos analgésicos, 288, 289t, 290 Anamox, 252

microbios resistentes a antibióticos, 163

Anderson, Pintura, 230 Anderson, W. francés, 326

productos de biotecnología microbiana, 161– 164, 162t, 163f

Elemento de respuesta a andrógenos, 69–70, 69f

terapia con fagos, 164–165, 164f

economía de, 269–271, 269f

Inversores ángeles, 43

producción de, 24

muestreo de ADN ambiental (eDNA), 270

angiogénesis, 290

resistencia, plantas modificadas genéticamente

Servicio de Inspección Sanitaria de Animales y Plantas (APHIS), 192–193 Biotecnología animal industria agrícola, animales GM para, 212–214, 213f alternativas a la investigación con animales, 206–207, 207f

animales transgénicos en la agricultura, 214

prácticas de piscicultura, 271–274, 271t, 272f, 273f, 274f

86–87, 87f, 89, 154–155, 155f anticuerpos

contaminación de los peces y riesgos de contaminación

sistemas de producción de biorreactores animales, 136 biotecnología animal, 31–33, 33f, 34f

genética, 276;

sistemas hidropónicos, 273–274, 274f secuenciación de genes de patógenos marinos, 281 resumen de, 35, 35f, 268–271, 269f

biofarmacia, 198

regulaciones de investigación animal, 206, 207t

productos biotecnológicos, 29t

biorreactores, animales transgénicos como, 214–215, 214f

inmunoabsorbente ligado a enzimas), 143 anticuerpos humanizados, 316

Estudio de caso, modelo de enfermedad cardíaca

terapias humanas para mascotas, 213

del pez cebra, 219

ganado reproductor libre de enfermedades, 278

y, 198 Selección de antibióticos, células bacterianas,

sistemas de producción de biorreactores animales, 136

Estudio de caso, 295 definido, 269

ELISA (ensayo

policultivo (acuicultura integrada), 273 calidad y seguridad de los mariscos, 274–275 cepas para, 274 organismos transgénicos y polipoides, 267f, 282–286, 282t, 283t, 285f, 286f, 287f

clones, ética de, 376–377, 376f

descripción general del sistema inmunitario, 166– 167, 166f, 167f

clonación, límites a, 209–210

inmunoterapia y, 308f, 314–319, 316f, 317f

AquAdvantage salmón, 267f, 268, 282, 284

producción de anticuerpos monoclonales, 216–217, 216f

Biotecnología acuática

Cerdos ambientales, 211, 211f, 213 tecnologías de edición de genes, 210, 216

micromatrices de proteínas, 145, 145f

clonación, de Dolly, 208–209, 209f carne cultivada, 33, 34f

animales genéticamente modificados, debates sobre, 32, 371–372, 372f desarrollo de órganos humanos, 210–211

Transferencia Western, 142–143, 143f Inmunidad mediada por anticuerpos, 166–167, 166f, 167f

pruebas de humanos a mascotas a humanos, 217

Kits de prueba de anticuerpos, calidad y seguridad de pescados

terapias humanas para mascotas, 213

Medicamentos contra el cáncer, 288, 289t

riñón en un chip, 215, 215f

Anticodón, 66–67, 66f

producción de anticuerpos monoclonales, 216–217, 216f

Agentes antiincrustantes, 292, 292f, 293f

resumen de, 31–33, 33f, 34f, 204 reglamentos, investigación con animales, 207–208 animales transgénicos, 108, 109f, 211– 216, 211f, 212f, 213f, 214f, 215f

y mariscos, 275

Proteínas anticongelantes (AFP), 278–279, 279f, 284

Ver también Biotecnología acuática Investigación con animales, 204–208, 205 pies, 206f, 207 pies

animales knockout, 108, 109f cultivo de células de mamífero, 136 animales modelos animales de enfermedades humanas, 298–299, 299f

proteínas anticongelantes (AFP), 278–279, 279f aplicaciones de biomasa y bioprocesamiento, 291 aplicaciones ambientales de, 291–294, 292f, 293f, 294f muestreo de ADN ambiental (eDNA), 270 genómica y organismos acuáticos, 281–282 proteína verde fluorescente (GFP), 279– 281, 280f

Agentes antifúngicos, 290

sistemas hidropónicos, 273–274, 274f

antígenos

secuenciación de genes de patógenos marinos, 281, 281f

sistemas de producción de biorreactores animales, 136 ELISA (ensayo

medicina veterinaria, beneficios de, 208

Ver también Biotecnología acuática

inmunoabsorbente ligado a enzimas), 143 descripción general del sistema inmunitario, 166– 167, 166f, 167f

aplicaciones médicas, 286–290, 288f, 289ft productos no médicos de, 290–291 nuevos genes de especies acuáticas, 277– 282

neoantígenos, 317–318, 318f

resumen de, 35, 35f, 268

micromatrices de proteínas, 145, 145f

Ver también Acuicultura

Transferencia Western, 142–143, 143f

Helechos acuáticos, 248, 248f

Medicamentos antiinflamatorios, 288, 289t antimicrobianos caimanes, péptidos antimicrobianos de, 290

Acuíferos, 252–254, 253f Arber, Werner, 81 Arqueas, 50, 151 Manzanas árticas, 191t, 193, 199

acuicultura, 35, 35f ataques con armas biológicas a fuentes de alimentos, 182t

productos de biotecnología microbiana, 161– 164, 162t, 163f

Arginina (Arg), 65t

estructuras celulares, 50–51, 50t, 51f,

terapia con fagos, 164–165, 164f resistencia a, 163

Miocardiopatía arritmogénica

52t, 53t cromosomas, 57–58, 57f, 58f genómica comparativa, 115–118, 117t

proteínas estabilizadoras en solución, 137 Ver también Antibióticos antiparalelo, 56

Matriz, 105–107, 106f (ACM), 219 Arsénico, 243t, 247–248, 248f artritis, 217 Arthrobacter luteus, 83t

Machine Translated by Google Índice

células artificiales, 50 Genomas artificiales, 26 amianto, 246 Insecto psílido asiático de los cítricos, 202

Ginseng asiático, 232–233, 233f Conferencia de Asilomar (1975), 367 Sitio A (aminoacilo), 66–67, 66f

producción de proteínas por, 134–135, 135ft rDNA (ADN recombinante) tecnología, 25–26, transformación 25f y selección de antibióticos ción, 86–87, 87f, 154–156, 155f Véase también Biorremediación; Biotecnología

Biodiversidad, 270, 276, 368 Conservación de la biodiversidad, 351t, 354 Convenio sobre Biodiversidad (CDB), 351, 354, 355, 358 Bioeticista, 365, 366 Bioética, definida, 364. Véase también Ética

Ácido aspártico (Asp), 65t

microbiana Bacterias, dominio de, 151

Proteinasa aspártica, 135t

Cromosomas artificiales bacterianos (BAC), 89–90, 89t

biotecnología y biopelículas acuáticas, 292, 292f, 293f bacterianas, 163, 256

Aspergillus niger, 135t, 154, 158

Biobaterías bacterianas, 254, 254f

Incrustaciones biológicas, 292, 292f, 293f

Aspergillus oryzae, 135t astaxantina, 274

Biopelículas bacterianas, 163

Biocombustibles, 183–184, 184f

Bacteriocinas, 160

Salmón del Atlántico, 271t, 276, 282

bacteriófagos

Bioinformáticos, 44 Ejemplos de

Asparragina (Asn), 65t, 193

I-3

Aspergillus nidulans, 135t

ATP (trifosfato de adenosina), 51, 51f, 52t, 158–160, 159f Atrazina, 243t

Tipos de vectores de ADN, 89–90, 89t PACE (evolución continua asistida por fagos), 132–134, 133f terapia con fagos, 164–

A Tryn, 136

165, 164f vectores de ADN plasmídico, 81–86,

Gen Atryn , 214–215 Vacunas atenuadas, 168

82f, 83t, 85f

aplicaciones de bioinformática, 111–112 definidos, 109 bibliotecas de ADN, 91 Enciclopedia de elementos de ADN (ENCODE), 119 muestreo de ADN ambiental (eDNA), 270

Autoanticuerpos, detección de enfermedades, 300

Baculovirus, 136

Autoinjerto, 330 Enfermedad autoinmune, aplicaciones de

Pescado de carnada, 271t, 275

GenBank, 111–112, 111f

Panadero, David, 132

Fuentes de Internet, genes y

células madre, 338t

cromosomas humanos, 302 trabajos en

Levadura de panadería, 23–24

Secuenciadores de ADN automatizados, 98

Bam Hola, 83t

biotecnología, 44 diagnóstico microbiano, 177–

Autorradiografía, 98, 99f, 103–104, 103f Autosomas, 57–58, 57f, 58f

Plátanos, 192–193, 197, 198

179, 178f, 179f descripción general de, 26–27, 27f, 110–111 biología sintética, 120–

Auxina, 90

Vendas, inteligente, 129 Percebes, 292, 292f, 293f

Avastin, 29t

Herramienta básica de búsqueda de alineación local

Gripe aviar (H5N1), 170, 175t, 177–179, 178f, 179f, 181, 210

(RÁPIDO), 111, 111f Ciencias básicas, 26–27, 27f

Factor azoospérmico, 301f

Procesos por lotes, 153

Convención de Armas Biológicas

Hada bebé, 330–331

Procesos por lotes (a gran escala), 24 Baterías, bacterianas, 254, 254f

Materiales biológicos, derechos del paciente, 378.

Bacilli (bacilo), 152, 152f

Células B (linfocitos B) terapia

Terapias

Bacilo amyloliquefaciens, 83t Bacillus anthracis, 172t, 179–183, 180 pies, 182t, 183f Bacillus subtilis, 90, 134–135, 135 pies, 154, 157, 162

122, 121f biología de sistemas, 120–122 , 121f

Véase también Proyecto Genoma Humano (PGH) (CAB), 350, 359–360

génica, riesgos de, 328 sistema

biológicas humanas para mascotas, 213

inmunitario, descripción general de, 166– 167, 166f, 167f producción de

pruebas de drogas de humano a mascota

anticuerpos monoclonales, 316–317, 316f, 317f

201

t

a humano, 217 producción de, 200– Ver también biotecnología médica Bioluminiscencia, 157–158, 157f, 254 biosensores,

Bacillus thuringiensis (Bt), 195–196, 196f, 269f, 368– 369

vacuna BCG, 171 Proteína de fusión BCR-ABL, 312

256–257, 292–293 proteína fluorescente verde

Bacitracina, 162t Fármacos

Cerveza, elaboración de, 126, 158–160, 159f Científicos de banco, 43–44

(GFP), 279–281, 280f

antimicrobianos bacterianos, producción de, 24, 161–164, 162t, 163f biocombustibles,

Bentham, Jeremy, 365 Benceno, 243t

183–184, 184f tamaño y estructura celular, 151–

Berg, Paul, 84, 85–86, 85f. Betacaroteno, 197

153, 152f, 153f cromosomas, 57–58, 57f, 58f

crecimiento de, 152, 153f Human Microbiome Project (HMP), 118, 174–175 secuenciación de genes de patógenos

para enfermedades humanas, 299–300

Células beta, 160–161, 161f, 331, 331f b-

detección de proteínas, micromatrices, 146 Biomasa, 245, 291

galactosidasa (b-gal), 86–87, 87f, 157

Biofarmacia, 197–198 Biopilas, 249f, 250, 250f

replicación de ADN, 60, 60f Tipos de vectores de ADN, 89–90, 89t Tinción de Gram, 152

Empleos de biofabricación, 44–45 Biomarcadores, 128

Betaproteobacteria, 245

Bioimpresión, 23D, 333

Láminas beta, estructura proteica, 129–131, pliegue amiloide 130f, priones, 132–134, 134f b-

Bioprocesamiento, 291 Bioprospección, 35, 154, 268, 286–290, 288f, 289ft

talasemia, 321, 324 Biopsia, líquido, 34 Biorreactores, 128, 135, 135 pies

microbiano, 177–179, 178f, 179f

Grandes datos, 44, 112 Fundación Bill y Melinda Gates, 171, 197

Microbial Genome Program (MGP), 171–173, 172t operones, 71–72, 72f reacciones de

Proteínas de unión, 61 Bioacumulación, 255–256, 261, 263–264

oxidación, 244, 244f bacterias que comen petróleo, 255 transformación de plantas con, 190–

Bioadhesivos, 286–288, 288f

limpieza de aguas subterráneas, 252–254, 253f

Bioaumentación (siembra), 247 Biobaterías, bacterianas, 254, 254f

microcosmos, 253 animales transgénicos como, 214– 215 , 214f

marinos, 281 metagenómica, 173–174 diagnóstico

sistemas de producción de biorreactores animales, 136

192, 192f plásmidos, 84 (Ver también vectores de plásmidos,

biotecnología animal, 31–33, 33f, 34f organismos acuáticos en, 293–294 centrifugación, 138, 138f energía de desechos, 254, 254f, 255f estrategias de

Biocápsulas, 331, 331f biocatalizadores, 37 ADN)

Bioquímica, 26–27, 27f.

Biorrefinerías, 183–184, 184f

Machine Translated by Google I-4

Índice

Biorremediación, 34–35, 35f

biotecnología industrial, 37 empleos, principales regiones para, 41–42, 41f empleos, tipos de, 43–46 biotecnología médica (consulte Biotecnología médica) biotecnología microbiana (consulte

aplicaciones de, 241–242, 242f biotecnología acuática, 293–294 beneficios de, 240–241 biopilas, 249f, 250, 250f biosensores, 256–257

biotecnología microbiana) productos de, descripción general, 27–29, 28f, 29t reglamentos sobre (Ver reglamentos) salarios, 46 ciencia de muchas disciplinas, 26–27, 27f

Estudio de caso, 266 contaminantes químicos, tipos y fuentes, 242–243, 243t, 244f reacciones de limpieza, fundamentos de, 244– 245, 244f, 245f compostaje, 249f, 250 definido, 240 energía de residuos, 254, 254f, 255f programas de genómica, 246–248, 247ft, 248f agua subterránea limpieza, 252–254, 253f limpieza de metales pesados, 255–256

producción de anticuerpos monoclonales, 316–317, 316f, 317f Grupo de tecnología Bode, 227–228 Roscas de pernos, 214–215, 214f Trastornos óseos, tratamientos para, 287 Células madre de médula ósea, terapia génica y, 323 Trasplante de médula ósea, 307, 345 Proteínas morfogenéticas óseas (BMP), 335 Vacunas de refuerzo, vacunas, 168 boro, 262

Empresas de biotecnología, tipos y financiación, 42–43, 42t, 44t Bioterrorismo, 179– 183, 180ft, 182t, 183f Bioventing, 249 Bioarmas,

Borrelia burgdorferi, 172t Botulismo, 179–183, 180ft, 182t, 183f

180–183, 180ft, 182t, 183f Biowires, 254 Bipolaris maydis, 182t Birds. Ver gripe aviar (H5N1)

Quimosina bovina, 135t Boyer, Herbert, 84, 85–86, 85f, 88 Nueces de Brasil, 198

Genes BRCA1 y BRCA2 , 144–145, 208, 315 Río Hudson, contaminación con PCB y, 261 agricultura terrestre, 249f, 250

Defectos congénitos disruptores endocrinos y, 242–243, 243t, 244f talidomida, 367 Véase también Enfermedades genéticas Moras, crianza selectiva, 189 Álamo negro, 248, 248f Muerte

vertederos, 239f degradación de macro y microplásticos, 263–264, 263f metabolización de microbios, 245–246, 246f metales, recuperación de, 262 estrategia de microcosmos, 253 desastres relacionados con el petróleo, 255, 257– 261, 258f, 259f, 260f fitorremediación, 247– 248, 248f plantas, fitorremediación y, 256 proteínas como productos, 129 desechos radiactivos, 262–263, 262f simulación de, 246– 247, 247f biorremediación in situ, 241 biorremediación en fase líquida, 249, 249f estrategias de limpieza del suelo, 249–250, 249f, 250f biorremediación en fase sólida, 249f, 250

Carolina del Sur, derrame de queroseno, 264 consideraciones de estrategias, 248–249 tratamiento de aguas residuales (aguas residuales), 250–252, 251f, 252f

consumidor, 315 mapas genéticos, 301f terapia génica, ética de, 380 cribado genético para, 226

Mapa de genes de enfermedades, 301f Terapia génica para, 323, 326–327 Arroz dorado, 197 Amaurosis congénita de Leber (LCA), 325, 327

Halaven, 288–289

degeneración macular, 217, 323, 326–327, 337 tratamientos con células madre, 337 Btalasemia en sangre, 321, 324 hemoderivados, biofarmacia y, 198 niveles de glucosa, diabetes mellitus, 88, 160–161, 161f diagnóstico en el punto de atención, 220f,

Medicamentos biosimilares, 22, 45

221

Bioacero, 214–215, 214f

Ver también Enfermedad de células falciformes (anemia)

Tecnología, 236–238 Biotecnología biotecnología agrícola (Ver agricultura) biotecnología animal (ver biotecnología animal) biotecnología acuática (ver biotecnología acuática) biorremediación (ver biorremediación) negocios de biotecnología, 40–41, 41f definido, 22 hágalo usted mismo (bricolaje) biotecnología, 26 ética y (ver ética) tendencias de contratación de biotecnología forense (consulte Biotecnología forense), 46–47 historia de, 22–26, 24f, 25f

Proyecto Genoma Humano, beneficios potenciales de, 38–40, 39f, 40f

Genes BRCA1 y BRCA2 , 144–145, 208, 315 pruebas genéticas directas al

negra, 179–183, 180ft, 182t, 183f Blaese, R. Michael , 326 BLAST (Herramienta básica de búsqueda de alineación local), 111, 111f Blastocisto, 334–335, 334f Coroideremia por ceguera, 327

Bioseguridad, Protocolo de Cartagena el, 354 Biosensores, 256–257, 292–293

División de Ciencias de Biosistemas y Biomateriales, Instituto Nacional de Estándares y

Pan, 23–24, 158–160, 159f Besugo, 271t, 282t Cáncer de mama

Factores de coagulación sanguínea, 327 biorreactores, animales transgénicos como, 214–215 productos biotecnológicos, 128t, 162t trasplantes de médula ósea, 345 Factor VIII, productos biotecnológicos, 29t Tecnología de ADNr (ADN recombinante), 25–26, 25f Vasos sanguíneos, formación de, 290

Herceptin, 317 farmacogenómica, 311–312 terapias para, 144–145 secuenciación del exoma completo, 307–308 Cría, selectiva, 24, 24f clonación, límites a, 209 organismo modificado genéticamente definición de, 199 Animales GM en la agricultura, 214 selección asistida por marcadores, 189 reproducción por mutación, 189 fusión de protoplastos, 189–190, 190f British Petroleum, Derrame de Deepwater Horizon , 259–261, 260f Luisa Marrón, 334 Brucella melitensis, 182t brucelosis, 182t Enfermedad del “niño burbuja”, 326, 327f Peste bubónica, 179–183, 180ft, 182t, 183f tampones

cromatografía, tipos de, 138–142, 139f, 140f, 141f, 142f diálisis, 138, 139f Búgula neritina, 289 Burbank, Lutero, 189 Negocios de biotecnología, 40–41, 41f butanol, 184 Mariposas, toxina Bt y, 368–369, 369f

Secado, 103–104, 103f Pez globo, 289–290, 289f

Fibra bisal, 288, 288f

cangrejos azules, 278

Repollo, 159–160, 159f Cadmio, 243t, 255–256, 293

Algas verdeazuladas, 50 Ver también Algas Selección azul-blanco, 86–87, 87f, 89 Puntas romas, 82, 82f, 83t Terapia génica de linfocitos B (células B), riesgos de, 328 sistema inmunitario, descripción general de, 166–167, 166f, 167f

Caenorhabditis elegans, 71, 107–108, 108f Calcitonina, 287, 289t California, prohibición de microplásticos, 264 Instituto de California para el Regenerativo Medicina (CIRM), 343 Niebla elongatus, 275 Callo, 189–190, 190f

Machine Translated by Google Índice

Carreras

Modelos

expresión de proteínas, aguas arriba

animales de cáncer de enfermedades humanas, 299

empresas de biotecnología, tipos y financiamiento,

organismos acuáticos, medicamentos de, 288, 289t biomarcadores, 299–300 análisis de sangre

42–43, 42t, 44t negocios de biotecnología, 40–41, 41f investigación clínica, 45–46 tendencias

para, 220f, 221 trasplantes de médula ósea, 345

de contratación, 46–47 marketing, ventas, finanzas

cáncer de mama (consulte Cáncer de mama)

y legal, 46 operaciones, biofabricación y producción,

procesamiento, 134–136, fusión de protoplastos de 135 pies, 189–190, telómeros 190f, efecto sobre, 210 Líneas celulares, 335

44–45 garantía/control de calidad, 45 asuntos

Estudio de caso, contaminación de línea celular, 236–238 derechos del paciente y, 378

regulatorios, 45–46 investigación y desarrollo, 43–44

clonación terapéutica, 340–345, 341t, 342f

salarios, 46 regiones principales para puestos

El Proyecto Atlas del Genoma del Cáncer (TCGA), 120, 300

I-5

de trabajo, 41–42, 41f Lisis celular, 136–137, 137f, 167, 167f membrana celular, 50

carcinógeno, fuentes de, 242–243, 243t detección de carcinógeno, 157–158, 157f cáncer colorrectal, 217, 301f, 306, 306f, 307–308 diagnóstico proteómico, 146 pruebas genéticas directas al consumidor , 315

Carpa, 271t, 282t, 283t, 285–286, 285f, 286f

Bibliotecas de ADN, 91–93, 92f

carragenano, 291 Cas9, 323–324, 324f

Células células artificiales (programables), 50 tamaños de células bacterianas, 151 división celular, crecimiento bacteriano, 152, 153f

Análisis de micromatrices de ADN, 306, 306f datos de desarrollo de fármacos, 41 terapia génica, 28–

Véase también CRISPR-Cas (Clustered Regularly Interspaced Palindromic

29, 28f, 29t, 323, 324 marcadores genéticos, 34, 34f, 226 histona metiltransferasas (HMT), 76–77, 77f inmunoterapia para, 317– 319, 318f cáncer de pulmón, 324 organismos modelo, 24 producción

Repeticiones-Cas) caseína, 158

Estudio de

centrifugación, 138, 138f métodos de filtración, 138, 138f, 139f estructuras de células procarióticas, 151– 153, 152f, 153f estructuras de, 50 –53, 50t, 51f, 52t, 53t Terapéutica celular, 331, 331f Celulasa, 127t, 154, 250, 251f

de anticuerpos monoclonales, 216–217, 216f

caso escape de peces de acuicultura,

celulosa, 290

nanomedicina, administración de fármacos, 313–314,

Biomasa celulósica, 183–184, 184f

313f, 314f cáncer de ovario, 307–308, 315

295 ARN circular (circRNA) y función cerebral, 79 microbios de diseño y aminoácidos

farmacogenómica, 310–313, 311f, 312f próstata cáncer, 300, 315

sintéticos, 186 ética, Proyecto GTEx y derechos de la familia, 385 contaminación de

Pared celular, 51f

líneas celulares de ratones, análisis forense de ADN, 236–238

Celulosa, biocombustibles, 183–184, 184f productos antimicrobianos, mecanismo de acción, 163, 163f células bacterianas, 152 lisis celular, 136–137, 137f Tinción de Gram, 152

base de datos PANTHER, 124

Centro de Seguridad Alimentaria, 200

genómica personal, 347 proteína

Centro de Medicina Regenerativa, 339 Centros para el Control de Enfermedades y

secuenciación unicelular (SCS), 308

tau-tau y enfermedad de Alzheimer, 148– 149, 148f, 149f convertir letrinas en

aplicaciones de células madre, 338t

faros,

Roundup, toxicidad de, 200

quimioterapia dirigida, 131 vacuna para, 168, 169, 314–315 medicina veterinaria, beneficios de, 208 secuenciación del exoma completo, 307– 308 Proyecto Atlas del Genoma del Cáncer (TCGA), 120, 300 Células madre cancerosas (CSC), 336 Candidatus Brocadia anammoxidans, 252 Dermatitis atópica canina, 217

266 Casper el pez cebra, 24, 24f Yuca, 197 Cultivo de bagre, 270, 271t, 274, 282t, 283t Gatos, 205t, 206, 213, 217

clonación, límites a, 209 fiebre aftosa, 212–214

Dióxido de carbono, 244–245, 244f

(ADN complementario), 91

fitorremediación, 248, 248f

decisiones éticas sobre productos, 367 miocitos cardíacos, 219 Modelos animales de

producción de proteínas bacterianas, 134– 135, 135 pies

Estudio de caso, modelo de pez cebra, 219 análisis de micromatrices de ADN, 306, terapia

Inhibidores de puntos de control, 213 Queso, 127, 127f, 158, 160

Contaminantes químicos, tipos y fuentes, 242–243, 243t, 244f, 261 Véase también Biorremediación; Contaminación

Quimioluminiscencia, 103–104, 103f

de micromatrices de genes 92f, 105–107, PCR de transcripción inversa 106f, 104, 104f

Medicamentos de quimioterapia, 131, 311–313, 311f, 312f Chernóbil, 247–248, 248f

Celera Genomics, 112–113, 227–228 Cultivo de células

Estudio de caso, contaminación de líneas celulares, 236–238 líneas celulares, 335 cultivos de

génica 306f, 325 tratamientos con anticuerpos

células de mamíferos, 136 producción de

monoclonales, 217

anticuerpos monoclonales, 316–317, 316f, 317f

aplicaciones de células madre, 338, 338t, 339f

Chakrabarty, Ananda, 255 Chalfie, Martín, 280

Bibliotecas de ADN, 91–93, análisis

enfermedades cardiovasculares de enfermedades humanas, 299.Enfermedad celíaca, 368

insuficiencia cardiaca congestiva, 332

Cerezyme (imiglucerasa), 201 Cesio, 247–248, 248f, 262–263, 262f

Carpintero, Emmanuelle, 382 Véase también Ganadería

Gen CCR5 , 323, 325 ADNc

Carcinógenos, 242–243, 243t biosensores, 157–158, 157f

Centrifugación, 138, 138f Centríolos, 51f, 52t

Chargaff, Erwin, 54–55, 56

Carbón, tratamiento de aguas residuales, 252 fermentación, 159–160, 159f

Vacuola central, 51f, 53t

Cadena de pruebas, 229. Animales GM en agricultura, 212–214, 213f ganado sin cuernos, 372 mastitis, 213

Fermentación de carbohidratos, 158–160, 159f Metabolismo de, 160–161, 161f

Pautas para la vacuna contra el VPH, 169 diagnóstico microbiano, 178–179, 178f, 179f

Centrómero, 58 Productos de biotecnología animal bovino, 33, 33f

Gel capilar, 98 Capital, financiera, 43 Carbamatos, 243t

Regulaciones de investigación animal de prevención (CDC), 208

Varicela, vacuna para, 168 Pollos productos de biotecnología animal, 32 gripe aviar (H5N1), 170 biorreactores, animales transgénicos as, 215 edición de genes en pollos para prevenir la gripe aviar, 210 dientes, 372

Machine Translated by Google I-6

Índice

virus chikungunya, 32

Almejas, 271t, 282t, 292, 292f, 293f

Hospital de Niños de Filadelfia, 327 Quimeras, 211, 217

Ley de Agua Limpia, 277 Ensayos clínicos, 45–46, 298–299, 299f

Células T con receptor de antígeno quimérico (CAR), 317–318, 318f

acceso a datos, 373

Chimpancés, 205t, 206 Quitina, usos médicos para, 290

consentimiento informado, 373

Chitosan, usos médicos para, 290 Chlamydia trachomatis, 169, 172t Clordano, 243t Clorofenoles, 243t Cloroplasto, 51f, 53t Ingeniería de cloroplastos, 191–192, 194f gen CHM , 327 Cólera, 168, 172, 172t, 275 Colesterol, vectores de terapia génica, 323 Colesterolemia, 322 Muestreo de vellosidades coriónicas, 102, 102f, 302–303, 303f Coroideremia, 327 Cromatina, 51f, 53t, 57–58, 57f, 58f, 76–77, 77f

cuestiones éticas, 372–373

Maíz, 24, 24f, 191t, 192–193, 196, 368–369, 369f Universidad de Cornell, 195, 197–198 Coronavirus, 175t, 178–179, 178f, 179f Corynebacterium variable, 259 Cósmido, 89–90, 89t

placebos, uso de, 373 Clon, definido, 81

Algodón, 191t, 196

Clonación. Ver Clonación de genes; Tecnología de

Cotiledones, 191

ADN recombinante (ADNr) Clostridium botulinum, bioterrorismo, 179–

Viruela bovina, 165–166 vacas

183, 180ft, 182t, 183f gen c-MYC , 336 cobalto, 293 Cocos (cocos), 152, 152f Cócteles, medicamentos antivirales, 170

Aceite de semilla de algodón, 191t

productos de biotecnología animal, 33, 33f clonación, límites a, 209 fiebre aftosa, 212–214 animales transgénicos en la agricultura, 212–214, 213f

Comisión del Codex Alimentarius (CAC), 353

ganado sin cuernos, 372

Cadena de codificación, 62f, 63

mastitis, 213 Véase también Ganadería

CODIS (Sistema de índice de ADN combinado), 223, 223f

Conchas de cangrejo, 290

Codones, 65–68, 65t, 66f

Cangrejo de río, 271t

Cromatografía, 138–142, 139f, 140f, 141f, 142f, 157

Cohen, Stanley, 84, 85–86, 85f. Extremos cohesivos, 82, 82f, 83t

Bentgrass rastrero, 256 Creosota, 243t, 245

Cromo, 243t, 255–256

Salmón coho (Oncorhynchus kisutch), 289t

Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (CJD), 132–134, 134f

Colchicina, 285

Crick, Francisco, 54–55, 56, 81

amniocentesis, 302–303, 303f

Laboratorio de Cold Spring Harbor, 198, 198f

Delito. Ver Biotecnología forense CRISPR, 108, 109f, 198, 198f

células bacterianas, 151, 152

Colagenasa, 290–291

CRISPR-Cas (Cas de repeticiones

muestreo de vellosidades coriónicas, 302–303, 303f

Colegio de Patólogos Americanos

Sustrato cromogénico, 86–87, 87f edad cromosómica, 209 cromosomas, 49f

diploide, 284

(PAC), 229 Collins, Francisco, 113

hibridación in situ fluorescente

Productos biotecnológicos de factores estimulantes de

(PESCADO), 102, 102f pruebas genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f haploide, 284 Proyecto Genoma Humano, 25–26, 25f Recursos de Internet para información cromosómica humana, 302 análisis de cariotipo, 58–59, 58f, 303–304, 304f

colonias, 128t Cáncer colorrectal, 217, 301f, 306, 306f, 307–308

ELISA (ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas), 143 micromatrices de proteínas, 145, 145f Ver también Reacciones fluorométricas Sistema de índice de ADN combinado (CODIS), 223, 223f

estructura y replicación, 56–61, 57f, 58f, 59f, 60f telómeros, 209 triploides, 285

unido al ADN, 80 Distrofia muscular de Duchenne (DMD), 204

sondas, 93

mitosis y meiosis, 59–60, 59f, 60f

(SNP), 305

tecnologías de edición de genes animales, 216 modelos animales de enfermedad humana, 299 aplicaciones antimicrobianas, 164–165, 164f

Columna, cromatografía, 157

polimorfismos de un sólo nucleótido

interespaciadas), 26 biotecnología agrícola, 30–31, 31f

Reacciones colorimétricas

microsatélites, 223, 223f especies poliploides, 284–286, 285f, 286f, 287f

palindrómicas agrupadas regularmente

comandante, 131 Comunicación, integridad de, 383 Genómica comparativa, 115–118, 117t

edición de genes y, 77–78, 78f definición de organismo modificado genéticamente, 199 edición del genoma, 108, 109f edición del genoma, terapia génica y, 323–326, 324f edición del genoma y gen de la línea germinal modificación, ética de, 380–381

células competentes, 154

impacto en la investigación, 218

pares de bases complementarias, 56

biotecnología médica, descripción general de, 36– 37, 36f

ADN complementario (ADNc). Ver ADNc (ADN complementario)

transformación de plantas, eliminación de genes, 192–193

secuenciación del genoma completo, 109–110, 110f

Compostaje, 249f, 250 Caracol cono, 288, 289t

ARN derivado de CRISPR. Ver crRNA (ARN

Ver también Genómica Hepatopatía crónica, 132

Insuficiencia cardiaca congestiva, 332 Conotoxinas, 288, 289t

Cultivos

Leucemia mielógena crónica (LMC), 304, 304f, 312

Consentimiento, informado, 373, 378, 385

biotecnología agrícola, 30–31, 31f

Iglesia, Jorge, 186

Contaminación, muestras de ADN, 229–230

Agrobacterium tumefaciens, uso de, 190– 191, 192f

Quimosina, 127, 127f, 158 cilios, 52t

Contigs (secuencias contiguas), 109– 110, 110f

efectos de la prohibición de cultivos transgénicos, 370

circRNA (ARN circular), 79 ADN circulante (ctDNA), 300

Conus magnus, 288, 289t Tinción de Coomassie, 142–143, 143f

Ácido cítrico, fermentación, 159–160, 159f

Cobre, contaminantes, 243t, 255–256, 262

Cancro de los cítricos, 182t

Copa estándar, 229

Plaga de los cítricos, 202

Número de copia, 88–89

ECJ (enfermedad de Creutzfeldt-Jakob), 132–134, 134f

Variaciones del número de copia (CNV), 114 arrecifes de coral, 287

derivado de CRISPR)

Estudio de caso, plaga de cítricos, 202

armas de genes, 191, 193f alimentos transgénicos, 32, 199, 199f, 368 debates éticos sobre organismos modificados genéticamente, 32, 368–370, 369f, 370f ingeniería genética, descripción general de, 190

Machine Translated by Google Índice

pesticidas genéticos, 195–196, 196f resistencia a herbicidas, 196, 197f

Dengue, 32, 169, 369 Denim, tratamiento de, 154

Diferenciación, células madre, 334–335, 334f,

técnica de fragmentos de hojas, 190–191, 192f Monsanto y control de semillas, 371

Salud bucodental, 163

Dinoflagelados, 289 Dioxina, 243t

Toma de decisiones con enfoque deontológico (kantiano), 365;

I-7

335

Vacuna contra la difteria, 166, 168

biotecnología vegetal, preocupaciones sobre, 198–200

Trifosfato de desoxiadenosina (dATP), 326, 327f

técnicas de protección contra virus de plantas, 195, 195f

Número diploide, 57–58, 57f, 58f, 284 diferenciación dirigida, 335

Azúcares desoxirribosa, 54–56, 54f, 55f, 98, 99f

Evolución molecular dirigida, 132–134, 133f, 134f

Departamento de Agricultura, EE. UU. (USDA) Unidad de Investigación en Genética del Bagre, 274

Pruebas genéticas directas al consumidor, 315, 379

Roundup, toxicidad de, 200 Cruzamiento, 24, 24f Enfermedad de la agalla de la corona, 90, 190–192, 192f

Enfermedad

modelos animales de enfermedades humanas,

crRNA (ARN derivado de CRISPR), 70–71, 70t, 71f, 77, 78f

contaminación de los peces y riesgos de contaminación

Cry (proteínas cristalizadas), 195–196, 196f

edición genética de cultivos, 31, 31f

en animales, animales GM en

Cryo-EM (microscopía crioelectrónica), 144

eliminación del promotor del gen, regulación de, 198, 198f

agricultura, 212–214 microbios resistentes a antibióticos, 163

Proteínas de crioprotección, 278–279, 279f

regulaciones de biotecnología vegetal, 199, 200

en acuicultura, 275–277, 278

Cristalografía, purificación de proteínas, 144 ADNc (ADN circulante), 300 Carne cultivada, 33, 34f

genética, 276;

marco regulatorio, rol en, 37 Ver también Reglamento

298–299, 299f

deficiencia de antitrombina, 215 productos biotecnológicos, 27–29, 28f, 29t, 127– 129, 128t clonación, límites a, 209

Medios de cultivo, crecimiento bacteriano, 152, 153f Culturas. Véase Cultivo celular; Cultivo de tejidos

Departamento de Energía, EE. UU. sitios de desechos radiactivos, 262–263, 262f

Culver, Kenneth, 326 Cuajada, 158

Despolimerización, 127 Dermo, 281

Especialistas en relación con el cliente, 45

Suelo del desierto, biorremediación en, 259

ganado reproductor libre de enfermedades, 278

Ántrax cutáneo, 182t

Bebés de diseño, 309, 377, 380–381 Desmosomas, 219

Toma de huellas dactilares de ADN, 33–34, 34f

Cianuro, 243t Cianobacterias, 50, 184, 256

Predicciones de destino, pruebas genéticas y, 309

305f, 306f

disruptores endocrinos y, 242–243, 243t, 244f terapia génica, 28–29, 28f, 29t

Cisteína (Cys), 65t, 130–131, 130f Fibrosis quística, 301f modelos animales de enfermedad humana, 299

detección y diagnóstico de enfermedades humanas, 299–306, 301f, 303f, 304f,

Desulfovibrio desulfuricans, 263 Desulfuromonas acetoxidans, 254

pruebas genéticas para, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f

biofarmacia, tratamientos de, 198

Enzimas resistentes a detergentes, 290

Proyecto Genoma Humano, 25–26, 25f

análisis de micromatrices de ADN, 306, 306f

Detergentes, 243t

terapias humanas para mascotas, 213

lisis celular y, 136–137, 137f

pruebas genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f

biotecnología microbiana, 154

terapia con fagos, 164–165, 164f

SDS-PAGE (gel de poliacrilamida

plegamiento incorrecto de proteínas, 132

tratamientos para, 172, 172t Citarabina (Cytosar-U), 288, 289t Citocromo P450 monooxigenasa, 202, 256

electroforesis), 142–143, 143f Genes de desintoxicación, 241 Diabetes mellitus, 82, 122–123 terapias celulares, 331, 331f análisis de micromatrices de ADN, 306, 306f

secuenciación de genes de patógenos marinos, 281, 281f biotecnología médica, descripción general de, 35– 37, 36f diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f Programa del Genoma Microbiano (MGP), 171– 173, 172t

Citogenética, 58–59, 58f.

terapia génica, 323

tratamientos con anticuerpos monoclonales, 217

Citoquinas, 198, 217

insulina, producción bacteriana de, 160– 161, 161f

genomas de patógenos en bases de datos públicas, 173

Citosina (C), 54–55, 54f, 76–77, 77f

aplicaciones de células madre, 338t

orar, 132–134, 134f

Citoesqueleto, 51f

clonación terapéutica, 343 vacuna para, 169

plegamiento incorrecto de proteínas, 132

Citoplasma, 50, 51f, 52t

Citosol, 51, 51f, 52t

Diafiltración, 138, 139f Danio rerio, 205–206, 205ft, 206f

Proteómica diagnóstica, 146

Da Silva, Ashanti, 326

Pruebas de diagnóstico

analistas de datos, 44 Científicos de datos, 44 dATP (trifosfato de desoxiadenosina), 326, 327f

detección y diagnóstico de enfermedades humanas, 299–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f prueba diagnóstica, definida, 300

Daubert estándar, 229

pruebas genéticas, aspectos a considerar, 307

Davis, Isabel, 347

estudios de asociación del genoma completo

proteómica, 144–145, 145f polimorfismos de un sólo nucleótido (SNP), 305 sistemas y biología sintética, 120–122, 121f objetivos para el desarrollo de vacunas, 169– 171 Red de Enfermedades No Diagnosticadas (enfermedades huérfanas), 308 Ver también Enfermedades genéticas

242–243, 243t Decloromonas aromatica, 247t

pruebas de anticuerpos monoclonales, 317

Enlaces disulfuro, estructuras proteicas, 130– 131, 130f

pruebas en el punto de atención, 220f, 221, 275

gen Dmd , 324

Derrame de petróleo de Deepwater Horizon ,

calidad y seguridad de los productos del mar, 275

ADN (ácido desoxirribonucleico), 49f, 50

DDT (diclorodifeniltricloroetano),

35, 240, 259–261, 260f

Dehalobacter restrictus, 247t Dehalococcoides ethenogenes, 247t Deinococcus radiodurans, 245, 247t, 262– 263, 262f

(GWAS), 308–310, 309f

Diálisis, 138, 139f

electroforesis en gel de agarosa, 94–96, 97f

Diaphorina citri, 202 Dicamba, 196

células bacterianas, 151, 152

Dicloro-difenil-tricloroetano

transformación bacteriana, 154–156, 155f

(DDT), 242–243, 243t

De Luca, Michele, 339

Ácido diclorosalicílico, 196

Desnaturalización, reacción en cadena de la polimerasa

Didesoxirribonucleótido (ddNTP), 98, 99f

ADNc (ADN complementario), 91–93, 92f, 104, 104f, 105–107, 106f, 134–135, 135ft

(RCP), 93–94, 94f células dendríticas, 315

Éter dietílico, precipitación de proteínas, 138

núcleo celular y, 53, 53t

Machine Translated by Google I-8

Índice

ADN (ácido desoxirribonucleico) (Continuación) cromosomas y replicación del ADN, 56–61, 57f, 58f, 59f, 60f Encuadernación CRISPR-Cas, 80 CRISPR, 108, 109f ADNc (ADN circulante), 300

ADN ligasa, 60, 60f, 84–86, 85f

prueba de drogas de humano a mascota a humano, 217

Análisis de micromatrices de ADN, 105–107, 106f aplicaciones de biotecnología médica, 305, 305f

riñón en un chip, dosificación de drogas, 215, 215f

inspecciones de mariscos, 275

biotecnología médica, descripción general de, 35– 37, 36f

ADN polimerasa, 60, 60f

nanopartículas y suministro de fármacos, 145, 313– 314, 313f, 314f

eDNA (ADN ambiental), 270

enzimas microbianas, 153–154

epigenoma, 76–77, 77f

reacción en cadena de la polimerasa (PCR), 93–94, 94f

farmacogenómica, 310–313, 311f, 312f

papel en la biotecnología, 62

prueba de fase, 206, 207t

secuenciación de tercera generación (TGS), 100– 102, 101f

proteínas como productos, 127–129, 128t

hibridación in situ fluorescente (PESCADO), 102, 102f clonación de genes, descripción general de, 25–26, 25f

pruebas genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f insertar ADN, 88 análisis de cariotipo, 58–59, 58f mitosis y meiosis, 59–60, 59f, 60f ADNmt (ADN mitocondrial), 231, 232f, 377–378, 377t

proteínas terapéuticas, 160–161, 161f, 162t

ADNasa, 162t secuenciación de ADN, 61 GenBank, 111–112 métodos de secuenciación de ADN de alto rendimiento, 98 diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

ADN desnudo, 321

pruebas de toxicidad, 206 Investigación de interés de uso dual, 360 Distrofia muscular de Duchenne (DMD), 204, 301f, 322, 324 pruebas genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f

vectores de ADN plasmídico, 81–86, 82f, 83t, 85f

secuenciación de próxima generación (NGS), 98, 100

Instituto del Cáncer de Duke, 208

plásmidos, definidos, 84

descripción general de, 97–98, 99f

Arión oscuro, 288

reacción en cadena de la polimerasa (PCR), 93–94, 94f

Transferencias del sur, del norte y del oeste,

Ética del deber, 365; Enanismo, 67

mapeo de restricciones, 96–97, 97f estructura de, 53–56, 54f, 55f

secuenciación de tercera generación (TGS), 100– 102, 101f Ver también Genómica

102–104, 103f

genomas sintéticos, 30 Tools of the Trade, enzimas de restricción, 84

Secuenciación de ADN (ácido

Véase también Tecnología de ADN recombinante

secuencias de cebadores de secuenciación de ADN, 89

Pionero de DuPont, 191

Tintes Tinción de Coomassie, 142–143, 143f electroforesis en gel, 94, 95f Tinción de Gram, 152

desoxirribonucleico), 84 virus del ébola

Proyecto Shoah ADN, 228 ADN-VISTA, 227–228

bioterrorismo, 180–183, 180 pies, 182t,

reacción en cadena de la polimerasa (PCR), 93–94, 94f

tiburones cazón, 290

diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

PCR de transcripción inversa, 104, 104f

Biotecnología de bricolaje, 26

amplificación del genoma completo (WGA), 120

Dolly, clonación de, 208–209, 209f dominios, 151

genomas virales, 175, 175t Equinodermos, 281–282

Ver también reacción en cadena de la polimerasa

(ADNr) amplificación de ADN

183f

Perros, 205t, 206, 208, 213, 217 vacuna para, 169, 170

Donantes, derechos del paciente, 378.

Economía, preocupaciones éticas, 381–383, 383f

(PCR) vacunas basadas en ADN, 168

Dopamina, 78, 329–330, 347 Ensayo doble ciego, 373

EcoRI, 82, 82f, 83t, 84–86, 85f

huella de ADN evidencia de ADN animal, 234, 234f

Hélice de doble cadena, 55–56, 55f

Ver también Enzimas de restricción

Doudna, Jennifer, 382

Ecteinascidia turbinata (chorro de mar), 289t

Estudio de caso, contaminación de línea celular de ratón, 236–238

Procesamiento aguas abajo, producción de

Universidad de Edimburgo, 210

proteínas, 134

análisis de grupo final de Edmond, 141

contaminación, importancia de, 226 definido, 221

Síndrome de Down, 301f, 302, 303 vacuna DPT, 166, 168

síndrome de Edward (trisomía 18), 303

extracción de ADN, 224

Drogodependencia, vacuna para, 169

hierba marina, 292

relaciones familiares, perfiles de ADN y, 230– 231, 231f, 232f

drogas

eficacia, 367 Efluente, 250–251, 251f, 277

eDNA (ADN ambiental), 270

fraude alimentario, 234–235

productos de biotecnología animal, 31–33, 33f, 34f

ciencia forense, resumen, 221

antibióticos, producción de, 24

Berenjena, 191t

pruebas de organismos genéticamente modificados

fármacos antimicrobianos, producción de, 161– 164, 162t, 163f

Huevos

(OGM), 235 error humano y contaminación, 229–230 verificación de identidad, Rey Ricardo III, 233 Caso de asesinato de Narborough Village, 225–226, 226f, 227f descripción general de, 33–34, 34f

proceso para, 221–223, 222f, 223f reglas de evidencia, 228–230 Tsunami del sur de Asia (2004), 228 colección de especímenes, 223 tocar ADN, 230 Desastre del World Trade Center, uso en, 227– 228

bioprospección acuática para, 286–290, 288f, 289ft

eGénesis, 211, 331

sistemas de producción de biorreactores animales, 136 biorreactores, animales transgénicos como, 215

células artificiales (programables), 50 biológicos, productos proteicos, 126, 200–201

clonación, creación de Dolly, 208–209, 209f

biofarmacia, 197–198

células germinales embrionarias, 335

productos biotecnológicos, 27–29, 28f, 29t

relaciones familiares, perfiles de ADN y, 230– 231, 231f, 232f

ventas bioterapéuticas, 41 preocupaciones de costos, 318, 319, 328 proteómica de diagnóstico, 146 ensayos de fármacos, cuestiones éticas, 372–373

prácticas de piscicultura, 271–272, 272f embrión humano y edición de genes de línea germinal, 325 terapia de reemplazo mitocondrial, 377–378, 377t

medicamentos biotecnológicos genéricos, 45 histona metiltransferasas (HMT), 76–77, 77f

especies poliploides, 284–286, 285f, 286f, 287f

terapias humanas para mascotas, 213

transferencia mediada por espermatozoides, 212

ADN helicasa, 60, 60f Bibliotecas de ADN, 91–93, 92f

Machine Translated by Google Índice

Propio, Manfred, 134

aplicaciones de biomasa y

métodos de limpieza de metales pesados, 256

Corporación Elan, 288

bioprocesamiento, 291 reacciones de biorremediación, 244–245, 244f

diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

Microbios electrogénicos (electrógenos), 254, 254f, 255f Aceptores y donantes de electrones, 244, 244f, 254, 254f, 255f

terapia con fagos, 164–165, 164f fermentación, 23–24, 158–160, 159f de residuos, biorremediación, 254, 254f, 255f

Osciladores electrónicos, 254

vectores de expresión de proteínas, 90 enzimas de restricción de, 82, 82f, 83t Estrógeno

Transporte de electrones, fermentación, 158– 160, 159f

Potenciadores, transcripción, 63, 69–70, 69f Enterobacter cloacae, 256

estrógeno sintético, disruptores

electroforesis

Enucleación, 208, 209f

regulación transcripcional, 69–70, 69f

gel de agarosa, 94–96, 97f SDS-PAGE (electroforesis en gel de poliacrilamida), 142–143, 143f Transferencias del sur, del norte y del oeste, 103–104, 103f electroforesis bidimensional, 141

Medio ambiente, preocupaciones sobre

endocrinos, 242–243, 243t, 244f Etano, derrame de petróleo de Deepwater Horizon , 261

Organismos genéticamente modificados debates éticos sobre, 368–370, 369f, 370f

Etanol

microcosmos, 253

precipitación de proteínas, 183–184, 184f Ética, 29–30

biocombustibles, 138

fermentación, alcohol, 159–160, 159f Aplicaciones ambientales

Electroporación, 86–87, 87f, 155–156, 155f, 321

biotecnología acuática, 291–294, 292f, 293f, 294f

aceptación de órganos animales, 371

Eleliso, 201

biorremediación, descripción general de, 34–35,

bioeticistas, papel de, 366

35f, 129

ELISA (ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas), 143, 145, 145f Elongación, 66f, 67–68 reacción en cadena de la polimerasa (PCR), 93–94, 94f

resistencia a herbicidas, 196, 197f desastre relacionado con el petróleo, biorremediación de, 257–261, 258f, 259f, 260f

definido, 364–365

microbios recombinantes, impacto de, 165

método de células madre embrionarias (ES), 212

Roundup, toxicidad de, 200 Ver también Biorremediación

prácticas de piscicultura, 271–272, 272f

de clonación, 376–377, 376f

Tecnología rDNA (ADN recombinante), 25–26,

clonación, ética de, 376–377, 376f

investigación, 374–375, 374f

Estudio de caso, 385 ejemplo de células y productos, 367 ensayos clínicos y, 328 enfoques de toma de decisiones, 365– 366

25f

preocupaciones éticas sobre el uso de la

investigación con animales, 207–208

biotecnología vegetal, preocupaciones sobre, 200

Embrión, 59–60, 59f, 60f clonación, creación de Dolly, 208–209, 209f

costos de desarrollo de fármacos, 129 ensayos de drogas, edición en, 372–373 economía, ciencia y comunicación, 381–383, 383f

ADN ambiental (eDNA), 270

terapia génica, 380

Proyecto Genoma Ambiental, 241

animales genéticamente modificados, debates sobre, 371–372, 372f

Agencia de Protección Ambiental, EE. UU. función reguladora, 37

cultivos genéticamente modificados, debates sobre, 368–370, 369f, 370f

animales transgénicos en la agricultura, 214

Programa Superfund, 241, 248

información genética y privacidad, 378–380

embrión humano y edición de genes de línea

Ver también Reglamento

pruebas genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f

I-9

regulaciones de biotecnología vegetal, 200

Cerdos ambientales, 211, 211f, 213

pruebas genéticas, aspectos a considerar, 307

Enzimas biocatalizadores, 37

edición del genoma y modificación genética de la línea germinal, 380–381

trasplantes de tejido fetal humano, 329– 330

biofarmacia, 198 evolución molecular dirigida, 132–134,

terapia de reemplazo mitocondrial, 377–378, 377t

desarrollo de órganos humanos en animales, 210–211

para la replicación del ADN, papel en la investigación, 62

terapia de reemplazo mitocondrial, 377–378, 377t

reacciones enzimáticas como sondas, 93

germinal, 325 células madre embrionarias humanas (hESCs) ES cells), 334–335, 334f

Proyecto Microbioma Humano, 174–175

133f, 134f patentamiento de secuencias de genes y productos, 116

personalidad, 375

funciones de proteínas, 61

derechos de los pacientes, materiales biológicos y, 378

diagnostico de preimplantación genética

proteínas como productos, 127

personalidad, debate sobre, 375

enzimas de restricción, 81–86, 82f, 83t, 85f

placebos, uso de, 373 microbios recombinantes, impacto ambiental, 165

enzimas microbianas, 153–154

(PGD), o pruebas (PGT), 305 clonación reproductiva, 340–345, 341t, 342f

XNAzimas, 126 clonación terapéutica, 340–345, 341t, 342f Embriogénesis, 206

Toma de huellas dactilares de ADN, 33–34, 34f

medicina regenerativa y células madre, 373–375, 374f

diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

clonación reproductiva, 343

Epidemiología

genomas sintéticos y biología sintética, 372

Método de células madre embrionarias (ES), 212 Células madre embrionarias, 40, 40f

Factor de crecimiento epidérmico, 29t, 128t

Hermanamiento de embriones, 208

Epigenoma, 76, 77f, 309

Enfisema, mal plegamiento de proteínas, 132 Enbrel, 29t

enzima EPSPS, 196, 197f Eritromicina, 162t

Bromuro de etidio, 94, 95f

ENCODE (Enciclopedia del ADN

Eritropoyetina, 128t, 162t, 213

Elementos) Proyecto, 119 Trastornos endocrinos, 301f

Escherichia coli (E.coli), 150f

Etinilestradiol, 243t Eubacterias, estructuras celulares, 50

disruptores endocrinos, 242–243, 243t, 244f Endonucleasas, 81–82 Ver también Enzimas de restricción Retículo endoplásmico, 51, 51f, 53t Endotoxinas, 294 Energía biocombustibles, 183–184, 184f

producción de proteínas bacterianas, 134– 135, 135 pies biocombustibles, 184

aplicaciones de biorremediación, 245 celulasa, 154

clonación terapéutica, 343–345 Véase también Tú decides

Eugenesia, 309, 380–381 Células eucariotas estructuras celulares, 50–51, 50t, 51f, 52t, 53t regulación transcripcional, 68–72, 68f, 69f, 71f, 72f

endotoxinas, 294 proteínas de fusión, 157 proyectos genoma, 172t

Agencia Europea para la Evaluación de Medicamentos (EMEA), 328

Machine Translated by Google I 10

Índice

Unión Europea (UE) regulación de plantas modificadas genéticamente, 192–193 Aprobación y retiro de Glybera, 328 Evolución evolución molecular dirigida, 132–134, 133f, 134f genómica de organismos acuáticos, 281– 282 PANTHER (Análisis de proteínas a través de Relaciones evolutivas), 113–114, 124 microbios recombinantes,

Eritropoyetina felina, 213 gato salvaje libio, 210 Fermentación, 23–24

Exones, 63–64, 64f, 91–93, 92f Exonucleasas, 81–82 Ver también Enzimas de restricción Diagnóstico de exosomas, 34, 220f

microbios en fermentación, 158–160, 159f

calidad y seguridad de los mariscos, 274–275

productos alimenticios microbianos, 158–160, 159f

salmón transgénico, 267f PEZ. Ver Hibridación fluorescente in

proteínas como productos, descripción general de, 126, 135, 135ft

Contaminación por peces, 276.

situ (FISH)

Fermentadores, medios de crecimiento bacteriano, 152, 153f

Fitbits, 300

Helechos, acuáticos, 248, 248f Fertilización, simulaciones de biorremediación, 246–

gen FIX , 327

247, 247f

tapa de 5', 64

Flagelos, 50, 52t Peces planos, 271t

Fertilizantes, 252–254, 253f

Tomate Flavr Savr, 193–194, 194f, 321–323,

El desarrollo fetal amniocentesis, 302–303, 303f

Flemming, Alejandro, 161

322f

muestreo de vellosidades coriónicas, 302–303, 303f

Fletcher, José, 365 Flores, 198, 198f

hibridación in situ fluorescente

Gripe. Ver Influenza

(PESCADO), 102, 102f

Explosivos, biorremediación de residuos, 256 Etiquetas de secuencia expresada (EST), 116

policultivo (acuicultura integrada), 273

biocombustibles, 183–184, 184f

impacto ambiental, 165 genómica de la edad de piedra (paleogenómica), 118

detección de caza furtiva y recolección ilegal, 278;

pruebas genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f

Hibridación fluorescente in situ (FISH), 59, 102, 102f, 214, 304, 304f Reacciones fluorométricas

Expresión de proteínas, 88

pruebas genéticas, aspectos a considerar, 307

biosensores, 292–293

Vectores de expresión, 90, 156–157, 156f Biorremediación ex situ, 249–250, 249f, 250f

diagnóstico genético prenatal no invasivo

análisis de micromatriz de genes, 105–107, 106f, 305, 305f

Extensión, reacción en cadena de la polimerasa (RCP), 93–94, 94f ADN extracromosómico, 84

(NIPD), 303 virus Zika, efectos de, 170 Tejido fetal, células madre embrionarias, 334– 335, 334f

Extracto, 157

Trasplantes de tejido fetal, 329–330 Fibroblastos, 336

Exubera, 314

Proteína de unión a fibronectina (FbaB), 133f Filtración cromatografía, tipos de, 138–142, 139f, 140f, 141f, 142f

Ojos coroideremia, 327

separación de proteínas, tipos de, 138, 138f, 139f

mapa genético de la enfermedad, 301f

divisiones financieras, 46

terapia génica para, 323, 326–327 Arroz Dorado, 197

Finasterida (Propecia), 204–205

degeneración macular, 217, 323, 326–327, 337

Organización para la Agricultura y la Alimentación (FAO), ONU, 269, 351 Administración de Alimentos y Medicamentos, EE. UU.

(FDA)

Campos de tiro, biorremediación de, 256 Pez

reglamentos de investigacion animal, 208

proteínas anticongelantes (AFP), 278–279, 279f

acuicultura, 35, 35f salmón AquAdvantage, aprobación de, 282, 284

acuicultura, 35, 35f acuicultura, barreras y límites, 275–277

medicamentos biotecnológicos, 22

vacunas contra el cáncer, 314–315 acuicultura, economía de, 269–271, 269f

pruebas genéticas directas al consumidor, 315

acuicultura, cepas para, 274

contaminación de los peces y riesgos de contaminación

prueba de fase de drogas, 206, 207t

gen FAH , 324 Ley de Acceso Justo a los Ensayos Clínicos (FACT), 373

Ley de Alimentos, Medicamentos y Cosméticos, 277

productos de biotecnología animal, 33, 33f

Factor IX, 215, 324, 327 Factor VIII, 162t, 215

secuenciación de tercera generación (TGS), 100– 102, 101f

Alevines, piscicultura, 271–272, 272f Fuego, Andrew, 71, 107–108, 108f

fotorreceptores, 173 aplicaciones de células madre, 337, 338t

genes informadores, bioluminiscencia y, 157–158, 157f cariotipo espectral, 304

Derrame de petróleo de Exxon Valdez , 34– 35, 35f, 257–259, 258f, 259f

Amaurosis congénita de Leber (LCA), 325, 327

secuenciación de próxima generación (NGS), 100 sondas, 93

secuenciación de ARN (RNA-seq), 107

Terapia génica ex vivo , 319–320, 319f Ver también Terapia génica

proteína verde fluorescente (GFP), 154–155, 155f, 279–281, 280f

genética, 276;

Colesterolemia familiar, 322

bioacumulación, metales pesados, 255–256

Cáncer de colon familiar, 301f

bioluminiscencia, 157–158, 157f

Hipercolesterolemia familiar, 301f

disruptores endocrinos, efectos de, 242– 243, 243t, 244f

Reglamento de organismos modificados

Hiperquilomicronemia familiar, 328 Poliposis familiar del colon, 301f

muestreo de ADN ambiental (eDNA),

clonación de genes humanos, aplicaciones de, 88

Relaciones familiares, perfiles de ADN y, 230–231, 231f, 232f Cromatografía líquida rápida de proteínas (FPLC), 141–142

270 prácticas de piscicultura, 271–274, 271t, 272f, 273f, 274f Pez Glo, 284

FDA. Ver Administración de Alimentos y Medicamentos,

proteína verde fluorescente (GFP), 279–281, 280f

EE. UU. (FDA)

regulación de la inmunoterapia, 317–318 insulina, aprobación de la versión inhalable, 314 regulación de anticuerpos monoclonales, 217, 317

Río Hudson, contaminación con PCB y, 261

regulaciones de biotecnología vegetal, 199, 200

sistemas hidropónicos, 273–274, 274f

ensayos de secuenciación del exoma completo, 307

desechos plásticos y, 263

Ver también Reglamento

función reguladora, 37

Ver Biotecnología forense Ley Federal de Insecticidas, Fungicidas y Rodenticidas, 277

genéticamente, 193.

fraude alimentario, 234–235

Ácidos grasos, vectores de terapia génica, 323

Oficina Federal de Investigaciones (FBI).

regulación de la terapia génica, 322, 324, 327, 328

Machine Translated by Google Índice

Cadena alimentaria, 255–256, 278

resumen de, 221

Fraude alimentario, 234–235

Análisis PCR y STR, 224–225, 224f, 225f

Microbiología de los alimentos, 158–160, 159f La producción de alimentos

clonación de genes

aplicaciones de, 94, 95f transformación bacteriana, 154–156, 155f

identificación de plantas, 232–233, 233f análisis de proteínas, 233–234 reglas de evidencia, ADN y, 228–230

clonación de productos PCR, 94, 95f definido, 81

proteínas anticongelantes (AFP), 279

Tsunami del sur de Asia (2004), 228

Bibliotecas de ADN, 91–93, 92f

acuicultura, barreras y límites, 275–277

colección de muestras, ADN, 223 tocar ADN, 230

Secuenciación de ADN, 97–98, 99f

acuicultura, economía de, 269–271, 269f

Desastre del World Trade Center, uso en, 227–228

biotecnología agrícola, 30–31, 31f

I-11

Dolly, creación de, 208–209, 209f ética de, 376–377, 376f hibridación in situ fluorescente

acuicultura, cepas para, 274

Ciencias forenses, definición, 221

biotecnología acuática, inversiones en, 268

Centro de Ciencias Forenses, Lawrence

pescados y mariscos, manipulaciones genéticas, 282–286, 282t, 283t, 285f, 286f, 287f

fósiles, 118

Laboratorio Nacional de Livermore, 233–234

prácticas de piscicultura, 271–274, 271t, 272f, 273f, 274f

Fundación Medicina, 307

(PESCADO), 102, 102f GenBank, 111–112 aplicaciones de clonación de genes humanos, 88 identificación y clonación de genes, proceso para, 90–95, 92f, 94f, 95f

Cortadores de cuatro pares de bases, 82, 82f, 83t

límites a, 209–210

454 Ciencias de la vida, 100

aplicaciones de biotecnología médica, 340–345, 341t, 342f

FPLC (cromatografía líquida rápida de proteínas), 141–142 Mutaciones de cambio de marco, 73, 74f

clonación y expresión microbiana

proteínas como productos, descripción general de, 126

Véase también Agricultura; Administración de

Francisella tularensis, 180–183, 180 pies, 182t,

secuenciación de próxima generación (NGS), 98, 100

sistemas hidropónicos, 273–274, 274f

183f

técnicas, 156–158, 156f, 157f

Alimentos y Medicamentos, EE. UU. (FDA) Asociación de Productos Alimenticios, 200

Franklin, Rosalinda, 54

descripción general de, 25–26, 25f

Seguridad alimenticia

Secado por congelación, conservación de proteínas, 143

mapeo de restricciones, 96–97, 97f

ataques con armas biológicas, 182t

Congelación/descongelación, lisis celular, 136–137, 137f

clonación de escopeta, 90–91

animales transgénicos en la agricultura, 214

Ranas, efectos disruptores endocrinos, 242– 243, 243t, 244f

secuenciación de tercera generación (TGS), 100– 102, 101f

Moscas de la fruta, 205t, 299

Véase también Biotecnología vegetal; Tecnología

diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f calidad y seguridad de los mariscos, 274–275

Estándar de Frye, 228–229

salmón transgénico, seguridad alimentaria y, 284

Piscicultura de alevines, 271–272, 272f

de ADN recombinante (ADNr) Códigos genéticos forenses, 227–228

Pilas de combustible, 291

Dopaje genético, 380

Fiebre aftosa, 182t, 212–214

Rubíes de fugu, 289–290, 289f

impulsores genéticos, 349

Pronosticando el Futuro

Fumarilacetoacetasa, 324

Edición de genes, 77, 78f en animales, 216

biotecnología acuática, bioprospección, 268 células artificiales, 50 aplicaciones de biorremediación, 240 biotecnología, productos biológicos, 126

Financiamiento, empresas de biotecnología, 42– 43, 42t, 44t, 381–383, 383f hongos biorremediación, 245 Reino de, 152–153

Distrofia muscular de Duchenne

producción de proteínas, procesamiento

(DMD), 204 preocupaciones éticas, 364

previo, 135, 135t Véase también Biorremediación; Biotecnología microbiana

tendencias en biotecnología médica, 298

Fusarium oxysporum, 246

biotecnología microbiana, 151

Proteína de fusión, 135, 156–157, 156f

microfluidos, pruebas en el punto de atención, 220f, 221 vacunas a base de plantas, 188–189 Biotecnología forense, 33–34, 34f evidencia de ADN animal, 234, 234f Estudio de caso, línea celular de ratón contaminación, 236–238 contaminación, importancia de, 226 extracción de ADN, 224

terapia génica y, 323–326, 324f Expresión génica, 68–72, 68f, 69f, 70t, 71f, 72f

ataques con armas biológicas a fuentes de alimentos, 182t

medicamentos biotecnológicos, 22

proyectos genoma, usos de, 81

cultivos editados genéticamente, 30–31, 31f

transformación bacteriana y selección de antibióticos, 86–87, 87f definido, 68 Bibliotecas de ADN, 91–93, 92f epigenoma, 76–77, 77f herramientas de análisis de funciones genéticas, 107–108, 109f

edición del genoma, 108, 109f Experimentos de ganancia de función, 181 Galería mellonella, 264

clonación de genes humanos, aplicaciones de, 88

Gametos, 57–58, 57f, 58f

insulina, producción bacteriana de, 160–161, 161f

mutaciones de la línea germinal, 308 meiosis, 59–60, 59f, 60f especies poliploides, 284–286, 285f, 286f, 287f

mutagénesis dirigida al sitio, 107 Transferencias del sur, del norte y del oeste, 102–104, 103f

Basura, biorremediación, 239f, 240 Gardasil, 169, 314–315

herramientas para estudiar, 104–107, 104f, 105f, 106f

Toma de huellas dactilares de ADN, proceso para, 221–223, 222f, 223f

enfermedad de Gaucher, 128, 132, 201, 301f

en levaduras, 153 Véase también Genómica; proteómica

relaciones familiares, perfiles de ADN y, 230–231, 231f, 232f

gen GCH1 , 347 Gearhart, Juan, 335

Pistolas de genes, 191, 193f Nocaut genético, 299

fraude alimentario, 234–235

Electroforesis en gel, 94–96, 97f

Análisis de micromatrices de genes, 105–107, 106f, 305, 305f

Toma de huellas dactilares de ADN, definida, 221

Banda G, 58–59, 58f

pruebas de organismos genéticamente modificados

SDS-PAGE (gel de poliacrilamida

(OGM), 235 error humano y contaminación, 229–230

electroforesis), 142–143, 143f Transferencias del sur, del norte y del oeste,

verificación de identidad, Rey Ricardo III, 233 Caso de asesinato de Narborough Village, 225– 226, 226f, 227f

Genentech, 27–29, 28f, 29t, 40–41, 41f, 88, 144–145, 160–161, 161f, 311–312

103–104, 103f electroforesis bidimensional, 141 Gelsinger, Jesse, 328 GenBank, 111–112, 214–215, 214f Chips genéticos, 105–107, 106f, 107

GenePeeks, 309 Píldoras de genes, 321

Eliminaciones de promotores de genes, plantas, 198, 198f

Machine Translated by Google I-12

Índice

General Electric, 255, 261

decisiones éticas sobre, 371–372, 372f

Medicamentos biotecnológicos genéricos, 45

Genes, 49f análisis de oligonucleótidos específicos de alelo (ASO), 304–305, 305f modelos animales de enfermedades humanas, 298–299, 299f estructuras celulares, 50–53, 50t, 51f, 52t, 53t cromosomas y replicación del ADN, 56–61, 57f, 58f, 59f, 60f CRISPR-Cas, edición de genes y, 77–78, 78f definido, 50, 56 ADN, resumen de, 53–56, 54f, 55f el epigenoma, 76, 77f expresión, regulación de, 68–72, 68f, 69f, 70t, 71f, 72f pruebas genéticas, enfermedades humanas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f

pescados y mariscos, 282–286, 282t, 283t, 285f, 286f, 287f pescados y mariscos, transgénicos y polipoides, 282–286, 283t, 285f, 286f, 287f contaminación de los peces y riesgos de contaminación genética, 276;

Proyecto Genoma Humano, 25–26, 25f Recursos de Internet para genes humanos, 302.

clonación, límites a, 209 Distrofia muscular de Duchenne (DMD), 204, 301f, 322, 324 disruptores endocrinos y, 242–243, 243t, 244f ética de la edición del genoma y modificación genética de la línea germinal,

380–381

edición de genes en pollos para prevenir la gripe aviar, 210

hibridación in situ fluorescente

edición del genoma y CRISPR-Cas, 108, 109f, 216

(PESCADO), 102, 102f Enfermedad de Gaucher, 128, 132, 201

cabras, 31–32, 136, 214–215, 214f ganado sin cuernos, 372

terapia génica, 28–29, 28f, 29t, 326–327, 327f, 380

desarrollo de órganos humanos en animales GM, 210–211

información genética y privacidad, 378–380

salmón, 267f, 278, 282, 284

estudios de asociación del genoma completo

tecnicas para, 212, 212f xenómica, 217

Proyecto Genotype-Tissue Expression (GTex),

Bacterias genéticamente modificadas (GM) impacto ambiental, 165

homólogos, 298–299

cáncer, 208 coroideremia, 327

Regulación génica, definida, 68

(GWAS), 308–310, 309f 385 Proyecto Genoma Humano, 25–26, 25f, 300

bacterias que comen petróleo, 255 Alimentos genéticamente modificados (GM) cultivos, lista de, 191t debate sobre, 32, 368–370, 369f, 370f

mutaciones en, 72–76, 74f, 75f, 76f

terapia de reemplazo mitocondrial, 377–378, 377t mutaciones y, 74–76, 75f, 76f genómica personal, 119–120

denominación de, 111–112, 111f

efectos de la prohibición de cultivos transgénicos, 370

plegamiento incorrecto de proteínas, 132

operones, 71–72, 72f

Arroz Dorado, 197

estructura proteica y, 129–131, 130f

patentes para, 116

etiquetado de, 199, 199f tomates, 191t, 193–194, 194f, 196, 197–198, 198f

proteómica, 144–145, 145f

Síntesis de ARN y proteínas, 61–68, 61f, 62f, 64f, 65t, 66f

secuenciación unicelular (SCS), 308

Empalme de ARN, exones e intrones, 63– 64, 64f

salmón transgénico, 267f, 278, 282, 284

polimorfismos de un sólo nucleótido

cromosomas sexuales, 57–58, 57f, 58f

Véase también Agricultura; Acuicultura

atrofia muscular espinal (SMA), 63, 322, 322f

polimorfismos de un sólo nucleótido (SNP), 305 transcripción, 61–64, 61f, 64f traducción, 61, 61f Silenciamiento de genes, 321–323, 322f Apilamiento de genes, 194–195, 194f Terapia génica, 28–29, 28f, 29t, 39–40, 76 ADA-inmunodeficiencia combinada severa (ADASCID), 326, 327f tecnología de ARN antisentido, 321–323, 322f

Insectos genéticamente modificados (GM), 32, 369

pruebas, cuestiones a considerar, 307

Organismo genéticamente modificado (OGM), 192– 193, 349

clonación terapéutica, ética de, 376– 377, 376f

definición de, 199 debates éticos sobre, 368–370, 369f, 370f prueba de, 235 Plantas genéticamente modificadas (GM) biofarmacia, 197–198 efectos de la prohibición de cultivos transgénicos, 370

preocupaciones de costos, 328

debates éticos sobre, 368–370, 369f, 370f

preocupaciones éticas, 380 direcciones futuras, 328–329 enfoques de edición del genoma, 323–326, 324f

organismo modificado genéticamente, definición de, 199

Proyecto Genoma Humano, beneficios potenciales, 38–40, 39f, 40f

Trigo transgénico, aprobación de, 368 Arroz Dorado, 197

inmunoterapia para el cáncer, 317–318, 318f

métodos de limpieza de metales pesados, 256 resistencia a herbicidas en, 196, 197f

biotecnología médica, descripción general de, 36– 37, 36f

Monsanto y control de semillas, 371

riesgos de, 328

fitorremediación y, 256 tomates, 191t, 193–194, 194f, 196, 197–198, 198f Véase también Biotecnología vegetal;

Mosquitos modificados genéticamente (GE), 32, 369

Transformación, plantas Código genético, 64–68, 65–66, 65t, 66f

Animales genéticamente modificados (GM)

Enfermedades genéticas

objetivos para, 326–327, 327f

mutaciones, tipos de, 73, 74f en agricultura, 211, 211f, 212–214, 213f sistemas de producción de biorreactores animales, 136, 214–215, 214f biotecnología animal, 31–33, 33f, 34f, 211– 212, 211f, 212f

X-SCID (síndrome de inmunodeficiencia combinada severa ligada al cromosoma X), 328 Ver también Pruebas genéticas

Ingeniería genética definido, 81 edición del genoma, 108, 109f descripción general de, 25–26, 25f

animales transgénicos, 108, 109f

pesticidas genéticos, 195–196, 196f

microesferas, 313–314, 313f, 314f resumen de, 319–323, 319f, 320f, 322f

(SNP), 305

ADA-inmunodeficiencia combinada severa (ADASCID), 326, 327f, 380 deficiencia de antitrombina, 215 detección de cáncer de mama, 226

Véase también Tecnología de ADN recombinante (ADNr) Mejora genética, 380 Información genética No discriminación Ley (GINA), 379 Marcadores genéticos, 305 Pesticidas genéticos, 195–196, 196f Recursos genéticos, gestión de, 354–355 Pruebas genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f predicciones del destino de, 309 pruebas genéticas directas al consumidor, 315 relaciones familiares, perfiles de ADN y, 230– 231, 231f, 232f estudios de asociación del genoma completo (GWAS), 308–310, 309f cuestiones a considerar, 307 biotecnología médica, descripción general de, 35– 37, 36f

Machine Translated by Google Índice

genómica personal, 306–307

bacterias que comen petróleo, 260–261

armas de genes, 191, 193f

secuenciación de ARN, 308

secuenciación de ARN (RNA-seq), 308

vectores de terapia génica, 321

secuenciación unicelular, 308

scRNA-seq (secuenciación de ARN de

drogas inteligentes, sistemas de entrega, 314, 314f

secuenciación del exoma completo, 307–308 secuenciación del genoma completo, 306 Registro de pruebas genéticas (GTR), NIH, 315 Transferencia de genes, horizontal, 165 Genoma, 25–26, 25f

una sola célula), 308 secuenciación unicelular (SCS), 308

Arroz Dorado, 197

genómica de la edad de piedra, 118

Pez dorado, 271t, 282t, 283t

biología de sistemas y biología sintética,

Aparato de Golgi, 51, 51f, 52t Vacuna contra la gonorrea, 169

120–122, 121f

células artificiales (programables), 50

genómica viral, 175, 175t

Gordon, Juan, 336

genomas de organismos de biorremediación, 247t

secuenciación del genoma completo, 109–110, 110f

Tinción de Gram, 152

El Proyecto Atlas del Genoma del Cáncer

Véase también Genoma; Genoma humano

I-13

Factor estimulante de colonias de granulocitos, 162t (TCGA), 300 definido, 60–61 Bibliotecas de ADN, 91–93, 92f, 302 Enciclopedia de elementos de ADN (ENCODE) Proyecto, 119

Proyecto (HGP) Proyecto Genotype-Tissue Expression (GTex), 385 Genzima, 201 Geobacter, 262

epigenoma, 76–77, 77f

Geobacter metallireducens, 247t, 254

Fugu rubíes, 290

vacuna alemana contra el sarampión, 166, 168

información genética y privacidad, 378–380

Células germinales, embrionarias, 335

proyectos genoma, usos de, 81

Edición de genes de línea germinal, 325, 380–381 Mutaciones de línea germinal, 120, 308

secuenciación de genes de patógenos marinos, 281, 281f diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

Géiseres, microbios en, 154 GFP (proteína fluorescente verde), 279– 281, 280f Tinción de Giemsa, 58–59, 58f

Carpa herbívora, 285–286, 285f, 286f Hierbas, fitorremediación, 247–248, 248f Polilla de cera mayor, 264 Grandes Lagos, mejillones cebra en, 276 Gran Parche de Basura del Pacífico, 263–264, 263f Proteína fluorescente verde (GFP), 154–155, 155f, 279–281, 280f ARNg (ARN guía), 108, 109f Asociación de Fabricantes de Comestibles, 200 Contaminación de aguas subterráneas, 241–242, 242f estrategias de limpieza, 252–254, 253f Carolina del Sur, derrame de queroseno, 264 Ver también Biorremediación

genes retrovirales, eliminación de, 211

Gilbert, Walter, 84

Saccharomyces cerevisiae, 153

Ciencias de Galaad, 318

Factores de crecimiento, 198, 335

genoma sintético, 175–177, 176f, 372

Gill, Pedro, 225–226, 226f, 227f

secuenciación del genoma completo, 91, 109–110, 110f

GINA (Información Genética

Hormona de crecimiento (GH), 29t, 162t, 278, 282–284, 283 t

Véase también Genómica; Genoma humano

Becerro de guar, 210

Proyecto (HGP); recombinante

Ginseng, 232–233, 233f Glaucoma, 301f

Tecnología de ADN (ADNr)

GlaxoSmithKline, 171

Golfo de México, derrame de petróleo de

Ley contra la discriminación), 379

Genoma plan 10K, 118

Gleevec, 312

Edición del genoma, 26, 77, 78f, 108, 109f modelos animales de enfermedad humana, 299

Gliadina, 368 Vigilancia mundial de la influenza y

preocupaciones éticas, 380–381

Guanina (G), 54–55, 54f Guardián de la Salud, 34, 220f Deepwater Horizon , 259–261, 260f

GWAS (estudios de asociación del genoma completo), 308–310, 309f

Sistema de Respuesta (GISRS), 356 Muestreo mundial de océanos (GOS)

H1N1 (gripe porcina), 170, 175t

Sitio web de Genomas y Mapas, 302 Estudios de asociación del genoma completo

expedición, 173 Pez Glo, 284

H5N1 (gripe aviar), 170, 175t, 177–179, 178f, 179f, 181, 210

(GWAS), 308–310, 309f Bibliotecas de ADN genómico, 91–93, 92f

Glucocerebrosidasa, 201 Glucosa

Bandera III, 83t

terapia génica y, 323–326, 324f

Genómica, 25–26, 25f, 93 organismos acuáticos, 281–282 especies acuáticas, nuevos genes de, 277–282

biocombustibles, 183–184, 184f fermentación, 158–160, 159f Glucosa isomerasa, 127t

Haemophilus aegyptius, 83t Haemophilus influenzae, 81, 83t, 172t Halaven, 288 Halichondria okadai (esponja de mar), 289t

Glufosinato, 196

Halófilos, 151

células artificiales (programables), 50

Ácido glutámico (Glu), 65t

Halposporidium costale (SSO), 281

bioinformática, aplicaciones de, 110–112

Glutamina (Gln), 65t, 196 Glutatión S-transferasa, 157

Tiburón martillo (Sphyrna lewini), 289t

programas de biorremediación, 246–248, 247ft, 248f

gluten, 368

Número haploide, 57–58, 57f, 58f, 284

Glybera (alipógeno tiparvovec), 328

Haplosporidium nelsoni (MSX), 281

Proyecto Atlas del Genoma del Cáncer

Glicina (Gly), 65t

Universidad de Harvard, 300, 321 CosechaPlus, 197

(TCGA), 120 genómica comparativa, 115–118, 117t

Glucólisis, 158–160, 159f Glicómica, 114 Glicofosato, 196, 197f, 200

definido, 60–61, 109 Proyecto Genoma Ambiental, 241 estudios de asociación del genoma completo (GWAS), 308–310, 309f Proyecto Epigenoma Humano, 118–119

Glicoproteínas, tratamientos de enfermedades con, 131, 132f Glicosilación, modificaciones postraduccionales, 131, 132f Cabras

Proyecto Microbioma Humano, 174–175

investigación con animales, 205t

metagenómica, 173–174

sistemas de producción de biorreactores, 136, 214–215, 214f

Programa del Genoma Microbiano (MGP), 171– 173, 172t genomas de patógenos en bases de datos públicas, 173 genómica personal, 119–120, 306–307

fiebre aftosa, 212–214 como sistema animal modelo, 215 leche de seda, 31–32 Oro biorremediación para, 262

Harvoni, 29t Materiales peligrosos contaminantes químicos, tipos y fuentes, 242–243, 243t, 244f, 261 Véase también Biorremediación; Contaminación

gen HBB , 324, 325 Cuidado de la salud. Ver Biotecnología médica Ley de Portabilidad y Responsabilidad del Seguro Médico (HIPAA), 379 Hipoacusia, formas genéticas, 325 ratones con infarto, 299 Reparación de tejido cardíaco, 338–339, 338t, 339f Ver también Enfermedad cardiovascular Mapas de calor, 105–107, 106f Choque térmico, 154, 155f

Machine Translated by Google I-14

Índice

Metales pesados bioacumulación, 255–256, 261, 263–264 biorremediación, 129, 246, 255–256

Historia de la biotecnología, 22–26, 24f, 25f VIH (virus de la inmunodeficiencia humana)

biotecnología médica, descripción general de, 35– 37, 36f

terapia génica, 323

revolución “ómica”, 114–118, 117f beneficios potenciales de, 38–40, 39f, 40f usos de, 81

contaminantes químicos comunes, 243t

sistema inmunitario, resumen de, 167, 167f retrovirus, 91–93

organismos marinos, 293–294

esfuerzos de vacunación, 168, 170

Edición de línea germinal humana, 325

recuperación de, 262 Ver también Biorremediación

genomas virales, 175t

Hormona de crecimiento humana, 25–26, 25f, 29t, 67, 128t

cultivo de tejidos HeLa, 379 Helicobacter pylori, 172t Hemaglutinina (HA), influenza A y, 170 Células madre hematopoyéticas (HSC), 323 Hemicelulasa, 127t Hemocromatosis, 301f Hemoglobina

HLA (antígenos leucocitarios humanos), 330 HMP (Proyecto Microbioma Humano), 174–175 Pares homólogos (homólogos), 57–58, 57f, 58f, 298– 299 técnica de Honolulu, 208, 209f Transferencia horizontal de genes, 165 hormonas

terapia génica, 324

acceso a productos biotecnológicos, 67

estructura de proteínas, descripción general, 130– 131, 130f

biotecnología acuática y, 278 auxina, 90

b-talasemia, 321, 324

biofarmacia, 198

Ver también Enfermedad de células falciformes (anemia)

productos biotecnológicos, 128 transporte celular, 51, 51f, 52t

Hemofilia factores de coagulación, producción de, 215

disruptores endocrinos, 242–243, 243t, 244f

terapia génica, 324

aplicaciones de clonación de genes humanos, 88

pruebas genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f

insulina, producción bacteriana de, 160– 161, 161f

Fiebre hemorrágica, 170, 180–183, 180ft, 182t, 183f

leptina, 111, 111f ganado, uso en, 371 hormona inhibidora de la muda (MIH), 278

Véase también el virus del Ébola

la inmunodeficiencia humana) Anticuerpos humanizados, 316 Antígenos leucocitarios humanos (HLA), 330 Proyecto Microbioma Humano (HMP), 118, 163, 174– 175 Desarrollo de órganos humanos, 210–211 Virus del papiloma humano (VPH), 169, 175t proteoma humano, 126 Restos humanos, biotecnología forense, 227–228 Sujetos humanos, 373, 378, 385 Ver también Ensayos clínicos Proyecto de vacunas humanas, 383–384

mapa genético, 301f

Hemofilia B, 327

Virus de inmunodeficiencia humana. Ver VIH (virus de

funciones de proteínas, 61

Humira (adalimumab), 22, 29t Humulina, 88, 122–123, 160–161, 161f enfermedad de Huntington, 301f terapia génica, 322 pruebas genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f plegamiento incorrecto de proteínas, 132

Henderson, Ricardo, 144

Tecnología rDNA (ADN

Hibridación, reacción en cadena de la polimerasa

Isla Henderson, 263

recombinante), 25–26, 25f diferenciación de células madre, 335

Hibridomas, 216–217, 216f, 316–317, 316f, 317f

Hepatitis biofarmacia, tratamientos de, 198 vacuna para, 168, 169 genomas virales, 175t

(RCP), 93–94, 94f

Caballos, 168, 209 Cangrejos herradura, prueba de lisado de amebocitos de limulus (LAL), 294

Apilamiento híbrido, 194–195, 194f Lubina rayada híbrida, 271t

proteína HER-2, 312

Instituto Médico Howard Hughes, 312

hidrocodona, 177

receptor HER2 , 144–145 Herbicidas, 243t

HPLC (cromatografía líquida de alta

Puentes de hidrógeno, estructuras de proteínas, 130–131, 130f

organismos genéticamente modificados, debates éticos sobre, 269f, 368–369

resolución), 141, 142f VPH (virus del papiloma humano), 169, 175t Río Hudson, contaminación con PCB y, 261

resistencia a herbicidas, 196, 197f Herceptina, 29t, 144–145, 311–312, 317 Herencia. Ver Herencia Herman, toro transgénico, 212–214, 213f Herpesvirus, 169, 175t, 321 Arenque, 278–279, 279f Hexahidro-1,3,4-trinitro-1,3,5-triazina (RDX), 256 HIC (cromatografía de interacción hidrofóbica), 140, 141f Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), 141, 142f Métodos de secuenciación de ADN de alto rendimiento, 98 Enzima HindIII , 81–82, 83t electroforesis en gel, 94, 95f vectores de plásmidos, creación de, 85–86, 85f HIPAA (Portabilidad de Seguros de Salud y Ley de Rendición de Cuentas), 379

Juramento hipocrático, 365 Hirudin, 289t

Hidrofílico, 129–131, 130f Hidrofóbico, 129–131, 130f

Salud humana, animal y vegetal, protección de, 352–353, 352f materiales biológicos, 352–353 control, vigilancia y respuesta a enfermedades, 352;

Cromatografía de interacción hidrofóbica (AQUÍ), 140, 141f Sistemas hidropónicos, 273–274, 274f Hidroxiapatita (HA), 287 hipertensión, vacuna para, 169

seguridad alimentaria, 353

Tejido alveolar humano, 206–207, 207f

Ideonella sakaiensis, 264

Respuesta de anticuerpos humanos anti-ratón

IEP (punto isoeléctrico), 140

(HAMA), 217 Clones humanos, ética de, 376–377, 376f

Biotecnología genética, 274

Células madre embrionarias humanas (hESCs, ES

Illumina HiSeq,

celdas), 334–335, 334f Embriones humanos, ética de la investigación sobre, 374–375, 374f

Ilumina, 34, 220f, 235 Sistema inmunitario ADA-inmunodeficiencia combinada severa (ADASCID), 326, 327f

Proyecto Epigenoma Humano, 118–119 Trato humanitario a los animales, 367;

sistemas de producción de biorreactores

Aplicaciones de clonación de genes humanos, 88

trasplantes de médula ósea, 345

Proyecto Genoma Humano (PGH), 25–26, 25f, 61, 110, 112–113, 112f

CRISPR-Cas, edición de genes y, 77–78, 78f

Sanguijuela medicinalis (sanguijuela), 289t

acceder a datos, 114, 115f modelos animales de enfermedad humana, 299

Histidina (His), 65t, 157

secuenciadores de ADN automatizados, 98

Histona metiltransferasas (HMT), 76–77, 77f

Peróxido de hidrógeno, 248

animales, 136

proteómica de diagnóstico, 146 desarrollo de órganos humanos en animales, 211

información genética y privacidad, 378–380

producción de anticuerpos monoclonales, 216– 217, 216f

células bacterianas, 151

fuentes de internet, 302

rechazo de trasplante de órganos, 330 descripción general de, 166–167, 166f, 167f

epigenoma, 76–77, 77f

aprendizajes de, 113–114

protección contra virus de plantas, 195, 195f

mapeo de genes de enfermedades, 300

Histonas, 57–58, 57f, 58f

Machine Translated by Google Índice

funciones de proteínas, 61

drogas inhalables, 314

Isoleucina (Ile), 65t

X-SCID (combinación grave ligada al cromosoma X)

producción de, 200–201 rDNA

Isopropanol, precipitación de proteínas, 138

síndrome de inmunodeficiencia), 328 Fármacos inmunosupresores, 330 inmunoterapia tratamiento del cáncer, 317–319, 318f

(ADN recombinante) tecnología, 25–26, 25f clonación terapéutica, 343

Encefalitis japonesa, 182t Pez globo japonés, 289–290, 289f J. Craig Venter

Diabetes mellitus insulinodependiente, 88

Institute (JCVI), 173 JCVI-syn1.0, genoma

definido, 37, 317 biotecnología médica,

factor de crecimiento similar a la insulina, 128t

descripción general de, 35–37, 36f anticuerpos monoclonales, 316–317, 316f, 317f

acuicultura integrada, 273

sintético, 175–176, 176f Jefferies, Alex, 225– 226, 226f, 227f Medusa, verde

Integración, terapia génica, 321

proteína fluorescente (GFP), 154–155, 155f,

descripción general de, 308f, 314–319, 316f, 317f

Derechos de propiedad intelectual, 350, 351t, 355, 357

279–281, 280f

Interactoma, 121–122, 121f

Jenner, Eduardo, 165–166

Campo interdisciplinario, biotecnología como, 26– 27, 27f

Empleos empresas de biotecnología, tipos y

Vacunas inactivadas (muertas), 168 Hallazgos incidentales, definidos, 378 Órganos de inclusión, 135

I-15

Interferón, 29t, 128t, 135t, 162t

financiación, 42–43, 42t, 44t negocios de biotecnología, 40–41, 41f investigación clínica,

microbios autóctonos, 245

Interleucina, 29t, 128t, 162t, 213

Células madre pluripotentes inducidas (iPSC, iPS

Filamentos intermedios, 52t

45–46 tendencias de contratación, 46–47 trabajos

Regulaciones internacionales de biotecnología

de marketing, ventas, finanzas y legales, 46

celdas), 336–337, 336f Biotecnología industrial, 37, 154

organizaciones asociadas, 351t conservación de

operaciones, biofabricación, y producción, 44–45

Necrosis hematopoyética infecciosa

la biodiversidad, 354 leyes duras, 350 recursos genéticos, gestión de, 354–355 salud humana,

regulatorios, 45–46 investigación y desarrollo,

(ÉL), 275 Anemia infecciosa del salmón, 275 Enfermedad inflamatoria, tratamientos con anticuerpos monoclonales, 217 Experimentos

garantía/control de calidad, 45 asuntos

animal y vegetal, protección de, 352–353, 352f derechos humanos, 358–359 descripción

43–44 salarios, 46

general, 350–352 papel de los científicos, 360 soft law, 350

de ganancia de función de la influenza, 181 edición de genes en pollos para prevenir la gripe aviar, 210 diagnósticos microbianos, 177–179, 178f, 179f pandemias, 170 vacunas para, 168, 169 genomas virales, 175t

Universidad Johns Hopkins, 126, 335, 339 Epidermólisis ampollosa de la unión, 339 Ingeniería genética internacional

Toma de decisiones con enfoque kantiano

Competición de máquinas, 353 Proyecto Internacional HapMap, 119 Genoma Humano Internacional Mecanismo de trazabilidad del virus de la influenza, 356 Consentimiento informado, 373, 378, 385 Cromosomas

Consorcio de secuenciación, 113 Tratado Internacional sobre Fitogenética Recursos para la Alimentación y la

(deontológico), 365; Mismo, Cariotipo, 58–59, 58f Cariotipo, 303–304, 304f queroseno, 264 Riñón en un chip, 215, 215f

heredados, 57–58, 57f, 58f mutaciones

Agricultura (ITPGR), 355 fístula intestinal, 307

Riñones, desarrollo de órganos humanos en animales, 210–211

heredadas, 73, 74f

Intrones, 63–64, 64f, 91–93, 92f, 290

Análisis STR, 225, 225f Véase también Enfermedades genéticas;

Especies invasoras, 270, 285–286, 285f, 286f

Vacunas muertas (inactivadas), 168 Killis, 282t

Crianza selectiva

oferta pública inicial (IPO), 43 Factores de iniciación, 67

Compañía biológica afín, 213

inversores, 43

Rey, Turi, 233

Fertilización in vitro, 175 bebés de diseño, 309 exceso de

gen KLF4 , 336 animales noqueados, 108, 109f

Iniciación de la traducción, 67;

embriones, uso en investigación, 375 pruebas

desastre del campo petrolero de Kuwait, 259

Masa celular interna, 335

genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f edición de genes de línea germinal y

Cimarías, 318

embriones humanos, 325 terapia de reemplazo

Técnicos de laboratorio, trabajos para, 43–44 Falta, Henrietta, operón lac

Compuestos inorgánicos, 245 Insectos baculovirus, 136 Estudio de caso, plaga de cítricos,

mitocondrial, 377–378, 377t diagnostico de preimplantación genética

202 mosquitos genéticamente modificados, 32, 369 pesticidas genéticos, 195–196, 196f sistemas de producción de proteínas, 136 Insertar ADN, 88

72f , 72, 72f Lactasa, 127t, 158 (PGD) o pruebas (PGT), 305 células madre, 334–335, 334f

Biorremediación in situ, 241, 249–250

Pruebas in vitro , 204 In vivo, definido, 24

Instituto de Investigaciones Genómicas, 110,

Terapia génica in vivo , 319–320, 319f

112, 116, 171–173, 172t Instituto de Bioinformática, 126 Instituto de Investigaciones del Cáncer, 226 Instituto de Evolución, Israel, 374 Producción bacteriana de insulina de, 160–161, 161f, 162t productos biotecnológicos, 27–29, 28f, 29t, 128 terapias celulares, 331, 331f aplicaciones de clonación de genes humanos, 88 Humulina, 122-123

379 , 71–72, represor lac

Ver también Terapia génica

bacterias del ácido láctico, 158 Fermentación de ácido láctico, 158–160, 159f Lactobacillus acidophilus, 158 Lactobacillus bulgaricus, 160 Lactobacillus delbrueckii, 160 Lactobacillus sakei, 160

Cromatografía de intercambio iónico (IonX), 139, 140f

Lactococcus lactis, 158, 160, 172–173, 172t

Productos farmacéuticos iónicos, 322 Hierro

Lactosa, 71–72, 72f, 86–87, 87f gen

biorremediación bacteriana, 293

Lactoferrina, 135t, 212–214, 213f lacZ , 86–87, 87f insulina, producción

cultivos transgénicos, nutrición y, 197

bacteriana de, 160–161, 161f genes marcadores seleccionables,

lactoferrina, animal transgénico

vectores de clonación, 89

producción de, 212–214, 213f reacciones redox, 244, 244f

Hebra rezagada, 60, 60f

Enfoque isoeléctrico, 140

gen LAMB3 , 339

Punto isoeléctrico (PEI), 140

Cultivo de tierra, 249f, 250

Machine Translated by Google I-16

Índice

Vertederos, biorremediación y, 239f, 240, 254, 254f, 255f Lantus, 29t Procesos a gran escala (por lotes), 24 Lartruvo, 317, 317f detergente para ropa, 37 Cumplimiento de la ley. Ver Biotecnología forense Laboratorio Nacional Lawrence Livermore Centro de Ciencias Forenses, 233–234

animales genéticamente modificados, debates sobre, 371–372, 372f animales transgénicos en la agricultura, 212–214, 213f estrategias de limpieza de aguas subterráneas, 252–254, 253f ganado sin cuernos, 372 terapias humanas para mascotas, 213 cría selectiva, 24, 24f Organismos vivos modificados (OVM), 354

barreras y límites, 275–277 Estudio de caso, 295 definido, 269 ganado reproductor libre de enfermedades, 278

economía de, 269–271, 269f muestreo de ADN ambiental (eDNA), 270 prácticas de piscicultura, 271–274, 271t, 272f, 273f, 274f contaminación de los peces y riesgos de contaminación

Lixiviado, 242, 242f

gen LM02 , 328

Plomo, 243t, 255–256

lncRNA (ARN largo no codificante), 70–71, 70t, 71f

secuenciación de genes de patógenos marinos, 281

Amaurosis congénita de Leber (LCA), 325, 327

Locha, 282t

policultivo (acuicultura integrada), 273

Sanguijuela (Leech medicinalis), 289t

Centro Médico de la Universidad de Loma Linda, 330–331

calidad y seguridad de los mariscos, 274–275

Longevidad, marcadores genéticos para, 309–310, 309f, 374

organismos transgénicos y polipoides, 282–286, 282t, 283t, 285f, 286f, 287f

Hilo principal, 60, 60f

Aplicaciones legales. Ver Biotecnología forense

genética, 276;

Especialistas jurídicos, trabajos biotecnológicos, 46

Enfermedad de Lou Gehrig (ELA), 301f, 322

Lentivirus, vectores de terapia génica, 320– 321, 320f, 323

Luisiana, derrame de petróleo de Deepwater Horizon , 259–261, 260f

Caracol cono marino, 288, 289t

Gen lep , 111, 111f, 299, 299f

Lipoproteína de baja densidad (LDL), 325

Hierba marina marina, 292

Leptina, 111, 111f, 299, 299f

gen LPL , 328 Luciferasa, 157, 158, 257, 293

Selección asistida por marcadores (MAS), 189

Cáncer de pulmón, 306, 306f, 313–314, 313f, 314f, 324

Especialistas en marketing, trabajos biotecnología,

Leucina (Leu), 65t Leucemia leucemia linfoblástica aguda (LLA), 318

Trastornos pulmonares, sistemas de administración de

trasplantes de médula ósea, 345

fármacos, 313–314, 313f, 314f

Ley de Protección de Mamíferos Marinos, 277

Genes marcadores, vectores de clonación, 89 46 Titíes, 205t Norma de Marx, 229.

leucemia mielógena crónica, 304, 304f

Pulmón en un sistema de chip, 206–207, 207f

Instituto de Tecnología de Massachusetts

leucemia mielógena crónica (LMC), 312

gen lux , 158, 257, 293 Luxturn, 327

Sistema de Identificación de Fatalidades Masivas

Linfoma, 131, 198, 317

(MIT), 129, 300, 324, 382 (M-FISys), 228

farmacogenómica, 312–313, 312f

Liofilización, 143

Espectrometría de masas (espectrometría de masas), 141

aplicaciones de células madre, 338, 338t

Lisina (Lys), 65t

mastitis, 213

Lisosoma, 51, 51f, 52t, 167, 167f

Cromosomas maternos, 57–58, 57f, 58f

Leucocitos, descripción general del sistema inmunitario, 166–167, 166f, 167f Ver también células B (linfocitos B)

MaternIT 21 PLUS, 303 Macacos, 205t

Instituto Max Planck para la Evolución Antropología, 118

Levodopa, 78, 347

Macrófagos, 167, 167f

Proyección de biblioteca, 93

Macroplásticos, 263–264, 263f

Vacuna contra el sarampión, 166, 168

ligandos

Degeneración macular, 217, 323, 326–327, 337

Carne, cultivada, 33, 34f

Enfermedad de las vacas locas, 132–134, 134f

Medaka, 282t

Maaginins, 289t

Medios, cultura, 152, 153f

Ligasa, 84–86, 85f

Tratamiento mágico, 216–217, 216f

Prueba de lisado de amebocitos de Limulus (LAL), 294 Lindow, Steven, 165

Complejo mayor de histocompatibilidad

Biotecnología médica modelos animales de enfermedades humanas,

Proteínas enlazadoras, 212

Marcando la diferencia, 47

cromatografía de afinidad, 139–140, 140f drogas inteligentes, sistemas de entrega, 314

(CMH), 330

Secuencias enlazadoras, 91–93

biológicos, producción de, 200–201

Lipasas, 127, 250, 251f

trasplantes de médula ósea, 345

Lipopolisacáridos, 294

CRISPR-Cas, impacto de, 218

Ablandadores de carne, 136

298–299, 299f anticuerpos e inmunoterapia, 308f, 314–319, 316f, 317f productos médicos acuáticos, 286–290, 288f, 289ft

Deficiencia de lipoproteína lipasa (LPLD), 328

análisis forense de ADN, 235

Estudio de caso, 347

Liposomas, 313–314, 313f, 314f, 321, 323

cangrejos herradura, prueba de lisado de amebocitos

clonación, 340–345, 341t, 342f

Biopsia líquida, 34, 220f, 221

de limulus (LAL), 294

preocupaciones de costos, 328

Listeria, diagnóstico microbiano, 178–179, 178f, 179f

Proyecto de vacunas humanas, 383–384 Humulina, 122-123

detección y diagnóstico de enfermedades, 299– 306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f

Listeria monocytogenes, 172t Hígado

nanopartículas y administración de fármacos, 145

terapia de genes direcciones futuras, 328–329

enfermedad hepática crónica, 132 terapia génica, 328 hepatitis, 168, 169, 175t, 198 Ganado

RPE (células epiteliales pigmentadas de la retina), 78 Derrame de queroseno en Carolina del Sur, 264 Vacuna contra la malaria, 171

Malasia, liberación de mosquitos transgénicos, 369

enfoques de edición del genoma, 323– 326, 324f descripción general de, 319–323, 319f, 320f, 322f

gripe aviar (H5N1), 170

Melanoma maligno, 301f

riesgos de, 328

ataques con armas biológicas a fuentes de alimentos, 182t

proteína de unión a maltosa, 157 cultivo de células de mamíferos, 136

objetivos para, 326–327, 327f pruebas genéticas, aspectos a considerar, 307

clonación, límites a, 209

manganeso, 293

aplicaciones de clonación de genes humanos, 88

energía de los residuos, 254, 254f, 255f

Parcela de Manhattan, 309–310, 309f

Cerdos ambientales, 211, 211f, 213

Virus de Marburg, 180–183, 180ft, 182t, 183f maricultura

Proyecto Genoma Humano, beneficios potenciales, 38–40, 39f, 40f

prácticas de piscicultura, 271–274, 271t, 272f, 273f, 274f

acuicultura, cepas para, 35, 35f, 274

anticuerpos monoclonales, 316–317, 316f, 317f

Machine Translated by Google Índice

nanotecnología y nanomedicina, 313–314, 313f, 314f resumen de, 27–29, 28f, 29t, 35–37, 36f, 298 genómica personal, 306–307

estudios de obesidad, gen Lep , 299, 299f xenómica, 217 Análisis de micromatrices, ADN, 105–107, 106f detección de patógenos de armas biológicas, 182, 183f

metagenómica, 173–174 Programa del Genoma Microbiano (MGP), 171– 173, 172t resumen de, 151 estructura de, 151–153, 152f, 153f

farmacogenómica, 310–313, 311f, 312f

detección de enfermedades, 300

medicina de precisión, 310–314, 311f, 312f, 313f, 314f

aplicaciones de biotecnología médica, 305, 305f

Microplásticos, 263–264, 263f

proteínas como productos, 127–129, 128t

diagnóstico microbiano, 178–179, 178f, 179f

MicroARN. Ver miARN (microARN) Microsatélites, 223, 223f

Control de calidad de micromatrices (MAQC), 305

Microesferas, 313–314, 313f, 314f Microtúbulos, 52t, 58

medicina regenerativa, resumen, 329 secuenciación unicelular (SCS), 308 células madre, 333–340, 334f, 336f, 338t, 339f, 340f bioimpresión 3D, 333 ingeniería de tejidos, 332–333, 332f factores de transcripción, uso de, 70 preocupaciones sobre el costo del tratamiento, 318, 319

Microarrays, proteína, 145, 145f, 146 Microbios, definidos, 151 microorganismos Biotecnología microbiana, 30 medicamentos antimicrobianos, 161–164, 162t, 163f transformación bacteriana, 154–156, 155f

Ver también Administración de

biocombustibles, 183–184, 184f

Drogas y Alimentos, EE. UU. (FDA)

levaduras, 152–153

Síndrome respiratorio de Oriente Medio (MERS), 177–179, 178f, 179f, 181

Véase también Biotecnología microbiana;

secuenciación del exoma completo (WES), 307–308

Facultad de Medicina de Wisconsin, 307 Turismo médico, 343, 345

I-17

bioterrorismo, 179–183, 180 pies, 182t, 183f

Miescher, Federico, 53 Ley del Tratado de Aves Migratorias, 277 Leche, 158 sistemas de producción de biorreactores animales, 136 lactoferrina, producción animal transgénica de, 212– 214, 213f diagnóstico microbiano, 178–179, 178f, 179f

Estudio de caso, 186 leche de seda, 214–215, 214f

técnicas de clonación y expresión, 156–158, 156f, 157f

Molino, Juan Estuardo, 365

Melanomas, 307–308

preocupaciones ambientales, 165

miARN (microARN), 70–71, 70t, 71f, 107, 323

Mello, Craig, 71, 107–108, 108f Filtración por membrana, 138

productos alimenticios, 158–160, 159f

Células de memoria, sistema inmunológico, 166f, 167, 167f

Proyecto Microbioma Humano (HMP), 174–175

Vacuna contra la enfermedad meningocócica, 168

metagenómica, 173–174

Enfermedad mitocondrial, 209

Merck & Co. Inc., 169

diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

ADN mitocondrial (ADNmt), 231, 232f, 377–378, 377t

Productos biológicos de MediVet, 217

Meiosis, 59–60, 59f, 60f

Mercurio, 243t, 255–256 Metabolismo

experimentos de ganancia de función, 181

MiSeqDx, Illumina, 235 Mutaciones sin sentido, 73, 74f Mitocondrias, 51, 51f, 52t

enzimas microbianas, 153–154

Terapia de reemplazo mitocondrial

aeróbico y anaeróbico, 244–245, 244f

Programa del Genoma Microbiano (MGP), 171– 173, 172t

(MRT), 377–378, 377t Mitosis, 59–60, 59f, 60f

microbios en biorremediación,

aplicaciones de terapia de fagos y CRISPR-

Vacuna MMR (sarampión, paperas, rubéola), 166, 168

245–246, 246f

Cas, 164–165, 164f

Metabolómica, 114

proteínas como reporteros, 157–158, 157f

Metagenómica, 114, 118, 173–174 Metalotioneínas, 129, 256, 293

genomas sintéticos, 175–177, 176f

Modelar sistemas de animales, 205–206, 205ft, 206f

proteínas terapéuticas, 160–161, 161f, 162t

Organismos modelo, 24, 24f, 112, 298–299, 299f

Ver también Metales pesados Metástasis, 24

producción de vacunas, 165–171, 166f, 167f

Biología molecular, 26–27, 27f Máquinas moleculares, 131

Cáncer de pulmón de células no pequeñas metastásico, 324

genómica viral, 175, 175t Ver también Biorremediación

Apilamiento molecular, 195 Moluscos, 288, 289t

Aplicaciones de recuperación de metales, 262

Metano, 244–245, 244f Derrame de petróleo de Deepwater Horizon , 261

consorcios microbianos, 253

Hormona inhibidora de la muda (MIH), 278

energía de los residuos, 254, 254f, 255f

Diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

Monos, 205t, 206

tratamiento de aguas residuales (aguas residuales), 251–252, 251f, 252f

Pilas de combustible microbianas, 254, 254f

Anticuerpos monoclonales (mAb)

Metanol, 159–160, 159f Methanopyrus kandleri, 154 Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (MRSA), 163, 169, 290

Programa del Genoma Microbiano (MGP), 171– 173, 172t

sistemas de producción de biorreactores

Microbiología, 26–29, 27f, 28f, 29t Microbioma, 163

productos biotecnológicos, 29t, 128t

Proyecto Microbioma Humano, 118, 174–175

animales, 136 Herceptina, 311–312 modelos de sistemas animales, 206, 206f

Metilación, 76–77, 77f, 82, 82f, 83t

Microcápsulas, 331, 331f

producción de, 216–217, 216f, 316–317, 316f, 317f

Metilmercurio, 255–256

Microchips, diagnóstico en el punto de atención, 220f, 221

pruebas de calidad y seguridad de mariscos, 275

Metionina (Met), 65, 65t, 67

Metil t-butil éter (MTBE), 243t MGP (Programa del Genoma Microbiano), 171– 173, 172t

Microcosmos, 253 Microfilamentos, 52t

Monsanto, 200, 371

Ratones, 205t

Microfiltración, 138

Moorella termoacética, 184, 184f

Microfluídica, 220f, 221

Ley de Moore, 101–102, 101f

microorganismos

Moratoria, 367

uso de animales en investigación, 204–208, 205ft, 206f, 207ft

monocotiledóneas, 191

Estudio de caso, línea celular de ratón contaminación, 236–238

crecimiento bacteriano, 152, 153f

Morfina, 177

tamaño de celda, 151

ratones de infarto, 299

definido, 151

Mortierella hialina, 246 Mórula, 334–335, 334f.

producción de anticuerpos monoclonales, 136, 216–217, 216f, 316–317, 316f, 317f

Tinción de Gram, 152 Proyecto Microbioma Humano (HMP), 118, 174– 175

Mosquitos, modificados genéticamente, 32, 369 Fundación Moxie, 210

Machine Translated by Google I-18

Índice

tejido miocárdico, 219

Neurotoxinas, 288

tecnología antisentido, 193–194, vectores de

Distrofia miotónica, 301f

Neurotransmisores, trasplantes de

expresión 194f, hibridación in situ con fluorescencia

Myriad Genetics, Inc., 227–228, 315

ARNm (ARN mensajero), 61, 61f

157 (FISH), 102, análisis

NADH/NAD+ (nicotinamida adenina dinucleótido),

de micromatrices de genes 102f, 105–107,

fermentación, 158–160, 159f

procesamiento de 106f, 63–64, vectores de expresión de proteínas 64f, 90 PCR de transcripción inversa, 104, regulación transcripcional 104f, 68–

Protocolo de Nagoya, 355 ADN desnudo, 321

72, 68f, 69f, 71f, 72f traducción, 64–68, 65t, 66f

Rata topo desnuda, 374

tejido fetal, 329–330 New England Journal of Medicine, 198 New York v. Castro, 229 Secuenciación de próxima generación (NGS), 98, 100 Análisis forense de ADN y, 235 Diagnóstico microbiano, 177–179, 178f , 179f NexVet, 217 Níquel, 262, 293 NIH. Ver Institutos Nacionales de Salud (NIH)

NANOG, factor de crecimiento, 335 Nanomedicina, 313–314, 313f, 314f MRSA (Staphylococcus resistente a la meticilina ) aureus), 163, 169, 290 MRT (terapia de reemplazo mitocondrial), 377–378, 377t MSX (Haplosporidium nelsoni), 281

Nanómetro, 313 Administración de fármacos con nanopartículas y, 131, 145,

NIPD (diagnóstico genético prenatal no

164 vectores de terapia génica, 323

invasivo), 303 Nitrato, reacciones redox, 244, 244f Nitrilos, 243t Reacciones

MTBE (metil t-butil éter), 243t ADNmt (ADN

Tecnologías de secuenciación de nanoporos, 100–102, 101f

mitocondrial), 231, 232f, 377–378, 377t

Nanotecnología, 39, 39f, 50, 313–314, 313f, 314f

Mullins, Kary, 93–94, 94f.

Naftaleno, 243t, 255

Resistencia a múltiples fármacos, 163, 164–165, 164f Múltiples sitios de clonación (MCS), 89

Caso de asesinato de Narborough Village, 225–226, 226f, 227f

Neoplasia endocrina múltiple, tipo, 22, 301f

Academia Nacional de Medicina, 325 Academia Nacional de Ciencias, 208, 325 Instituto Nacional del Cáncer, 217

Nomenclatura, genes humanos, 111, 111f

Exostosis múltiples, 301f

Centro Nacional de Biotecnología

Diagnóstico genético prenatal no invasivo

Esclerosis múltiple (EM), 169, 217, 308– 309, 323

Información (NCBI), 111, 114, 115f, 302

Vacuna contra las paperas, 166, 168

Tratamiento de aguas residuales municipales, 250–252, 251f, 252f Mapa genético de la distrofia muscular, cirugía genética 301f,

redox de nitrógeno, 244, 244f del tratamiento de aguas residuales, 252

Bases nitrogenadas, 54–55, 54f Nitrosomonas europaea, 252 Noé, clones, 210 Linfoma no Hodgkin, 198, 318 (NIPD), 303 Mutaciones sin sentido, 73, 74f

Tecnología Nacional de Ciencias Forenses

Tumores de pulmón de células no pequeñas, 307–308

Centro (NFSTC), 229 Instituto Nacional de Medio Ambiente

Norepinefrina, 213 Nori, 291

Ciencias de la Salud, 241 Instituto Nacional de Normas y

Universidad Estatal de Carolina del Norte, 208

terapia génica 204, 322,

Tecnología, 236–238

Transferencia Northern, 102–104, 103f virus norwalk, 198

Institutos Nacionales de Salud (NIH), 208

Noruega, acuicultura en, 269, 276, 282 Novartis, 318

Champiñones, 31, 31f, 191t, 192–193

registro de ensayos clínicos, 373

Envolvente nuclear, 51f, 53, 53t

Mejillones, 271t, 276

Proyecto Genoma Ambiental, 241 ética de la

Poro nuclear, 51f Transferencias nucleares, 209–210 nucleasas

pruebas genéticas 324, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f

Regulaciones de investigación animal de los

adhesivos de, 287–288, 288f biopelícula

clonación, 343 investigación de terapia génica,

(bioincrustación), 292, 292f, 293f

326

Plantas mutagénicas, 189.

Registro de pruebas genéticas (GTR), 315

Mutágenos, 73, 74f

genes humanos, denominación de, 111, 111f

Proteínas asociadas a CRISPR (Cas), 108, 109f

Proyecto Microbioma Humano, 174–175

TALEN (nucleasas efectoras similares a

contaminantes químicos, tipos y fuentes, 242–243, 243t, 244f Cría de mutaciones, 189 Mutaciones, 39, 39f modelos animales de enfermedades humanas, 299 cepas bacterianas, 152 definidas, 72 evolución

Iniciativa de Estructura de Proteínas (PSI), 126 Aviso de ADN recombinante Comité (RAC), 86 Red de Enfermedades No Diagnosticadas, 308

molecular dirigida, 132, 133f en expresión génica,

Desastres naturales, huellas dactilares de ADN y, 228

72–76, 74f, 75f, 76f

Gas natural, derrame de petróleo de Deepwater Horizon , 261

NCBI (Centro Nacional de Biotecnología) Information), 111, 114, 115f ncRNA

activadores de transcripción), 216 Ácidos nucleicos, 54–55, 54f Nucleína, 53–54 Nucléolos, 53t Nucléolo, 51f Nucleótidos, 54–55, 54f Estructura del ADN, 53–56, 54f, 55f XNA, 126 Ver también Enzimas de restricción Núcleo, 51f, 53t

enfermedades genéticas y, 74–76, 75f, 76f

(RNA no codificante), 63, 107

estructura de proteínas, cambios en, 129–131, 130f secuenciación unicelular, 120

genomas neandertales, 118

cromosomas, 56–58, 57f, 58f células

Neisseria meingitidis, 172t

procarióticas, 50 síntesis de proteínas,

mutagénesis dirigida al sitio, 107 tipos de, 73, 74f

Terapéutica Nektar, 314

61–68, 61f, 62f, 64f, 65t, 66f

Neoantígenos, 317–318, 318f Ver también Polimorfismos de un

Neomicina, 162t

Enriquecimiento de nutrientes, 246–247, 247f

Neovastato (AE-961), 289t

Nutrigenómica, 115 Nutrición, 197, 198

solo nucleótido (SNP) M-Vac, 230

Mapa de red, 121–122, 121f Neulasta, 29t

gen MYBPC3 , 325

Neuraminidasa (NA), 170

Gen de la obesidad, 111, 111f, 299, 299f

Mycobacterium tuberculosis, 158, 170–171, 172t

Enfermedades neurodegenerativas

Objetivismo, 365

trasplantes de tejido fetal, 329–330 Mycoplasma mycoides, 175–176, 176f

aplicaciones de células madre, 338t

Mielomas, 216–217, 216f

Véase también enfermedad de Alzheimer;

Producción de anticuerpos monoclonales, 316–317, 316f, 317f

Enfermedad de Parkinson (EP) Neurofibromatosis, tipo 2, 301f

Faneca oceánica, 278–279, 279f, 282 Biodiversidad de los océanos en, 268 aplicaciones médicas, bioprospección, 286–290, 288f, 289ft

Machine Translated by Google Índice

entrada de plástico, 263–264, 263f

Analgésicos, 288, 289t, 290 Paleogenómica,

Penicillium notatum, 161, 162t

Véase también Acuicultura; Biotecnología

118 Palíndromo, sitios de restricción, 82, 82f, 83t Paladio, 262 Páncreas, 160–161, 161f

Pentaclorofenol, 245

células beta, terapia celular, 331, 331f desarrollo de

Péptidos, productos biotecnológicos, 29t

órganos humanos en animales, 210–211 humanos

Etiquetas peptídicas, 157

acuática gen OCT3/4 , 336 octano, 255

Azúcares de pentosa, 54–55, 54f

Oenococcus oeni, 160

páncreas desarrollado en cerdos, 208–209, 209f

Peptidoglicano, 152 Peptidil transferasa, 66f, 67

Biorremediación de derrames de petróleo, 34–35, 35f, 240

Pancreatitis, 328 Marco de preparación para una influenza pandémica (Marco PIP), 351t, 352,

Exxon Valdez, 257–259, 258f, 259f Yacimientos petrolíferos de Kuwait, Guerra del Golfo (1990-1991), 259 bacterias que comen petróleo, 255

Carolina del Sur, derrame de queroseno, 264 Fragmentos de Okazaki, 60, 60f Anticuerpo monoclonal OKT3, 317 Olaratumab, 317, 317f

356, 356f Pandemias, 170, 181 bioterrorismo, 179– 183, 180ft, 182t, 183f Panicum virgatum, 256

Percloroetileno / tetracloroetileno (PCE), 243t

Panitumumab, 217 PANTHER (Análisis de proteínas

Perfluoroquímicos (PFC), 243t Perkinsus marinus, 281

a través de relaciones evolutivas), 113–114, 124

Peroxisoma, 51f, 52t

Papaína, 136 Papaya, 191t, 195 Virus de la mancha anular de la papaya, 195 Paracoccus denitrificans, 247t Parásitos, 171, 281 Enfermedad de Parkinson (EP)

Revolución “ómica”, 114–118, 117f

I-19

Genómica personal, 38–39, 119–120, 306–307 Estudio de caso, 347 preocupaciones éticas, 378–380 Medicina personalizada de precisión, 39 Persona, definida, 375

OMIM (Herencia mendeliana en línea en

Vacuna contra la tos ferina, 166, 168 Resumen

Hombre), 302 Oncorhynchus kisutch (salmón coho), 289t

de contaminantes químicos de pesticidas,

Proyecto 100.000 Genomas, 119–120 Herencia mendeliana en línea en el hombre

pesticidas genéticos 243t, 195–196, biotecnología vegetal 196f, preocupaciones sobre, 200

(OMMI), 302 Trabajos de operaciones, 44–45

Roundup, toxicidad de, 200

Operador, operón lac , 72, 72f Operones, 71–72, 72f

Especies de plagas, acuicultura, 277

Opiáceos, 177

PET (tereftalato de polietileno), 264 Bacterias que se alimentan de petróleo, 255 Derrame de petróleo

OPV (vacuna oral contra la poliomielitis), 166

Estudio de caso, 347

de Deepwater Horizon , 259–261, 260f Derrame de petróleo de Exxon Valdez , 257–259,

oragénicos, 163 Orchid Genescreen, 227–228

trasplantes de tejido fetal, 329–330 mapa

Universidad de Ciencias y Salud de Oregón, 325

de genes, 301f terapia génica, 321

Organelos, 50, 51, 51f, 52t, 152

plegamiento incorrecto de proteínas, 132

Moléculas orgánicas, 244, 244f

células RPE y 78 aplicaciones de células madre, 338t p arm, 58 Síndrome de Patau

154 PGD (diagnóstico genético preimplantacional), 305 PGT (prueba genética preimplantacional), 305

(Trisomía 13), 303 Oficina de Patentes y

pH, proteínas estabilizadoras en solución, 137 Tipos

organoides, 333 Órganos de animales modificados genéticamente, 210– 211 sistemas de órganos en un chip, 206–207, 207f, 333 trasplante de órganos, 330– 331, 331f rechazo de trasplante de órganos, 317 ingeniería de tejidos, 332–333, 332f

Marcas, EE. UU., 116, 255 Patentes, 116, 349, 357 Cuestiones éticas de las patentes, 382– 383 Medicamentos biotecnológicos genéricos, 45 Sistema de Tratados de Cooperación en materia de Patentes (Sistema PCT), 358

258f, 259f PFC ( perfluoroquímicos), 243t Pfizer, Inc., 213, 217, 314 Pfu ADN polimerasa,

de vector de ADN de fagos, 89– 90, 89t PACE (evolución continua asistida por fagos), 132– 134, 133f terapia con fagos, 164–165, 164f vectores de ADN plasmídico, 81–86, 82f, 83t, 85f Terapia con fagos, 164–165, 164f Fagocitosis, sistema inmunitario , 167, 167f Phanerochaete chrysoporium, 245 Phanerochaete sordida, 245 Compañías farmacéuticas, 42–43, 42t, 44t, 126 Véase

Origen de la replicación (ori), 60, 60f, 88–89 Enfermedades huérfanas, 308;

Cromosomas paternos, 57–58, 57f, 58f Paternidad,

también Farmacogenómica de fármacos, 39, 114,

Ósmosis, diálisis, 138, 139f Artrosis, 217

230–231, 231f Patógenos, 163 aguas residuales

310–313, 311f, 312f Pruebas de fase, 206, 207t Fenol, 243t, 245 Fenilalanina (Phe), 65t

de acuicultura, 277 experimentos de ganancia de

osteoclastos, 287

función, 181 genomas en bases de datos

Osteoporosis, tratamientos para, 287, 338t

públicas, 173 secuenciación de genes de

fosfato, 37 EnviroPigs, 211, 211f, 213 de aguas

Gen OTC (ornitina transcarbamilasa) , 328 Cáncer de ovario, 307–308, 315

patógenos marinos, 281, 281f diagnóstico

residuales tratamiento, 252 enlaces fosfodiéster, 55– 56, 55f, 82, 82f vectores de plásmidos, creación de,

Tecnologías de nanoporos de Oxford, 101 Reacciones de oxidación, 244, 244f Agentes oxidantes, 244, 244f Oxitec, 32, 369 Oxígeno, reacciones redox, 244, 244f Ostras, 271t, 282t, 283t secuenciación de genes de patógenos marinos,

microbiano, 177–179, 178f, 179f Microbial Genome Program (MGP), 171–173, 172t

Fenilcetonuria (PKU), 301f, 338t Contaminación por

84–86, 85f

objetivos para el desarrollo de vacunas, 169–171 Derechos de los pacientes, 373, 378 PCB (bifenilos policlorados), 242–243, 243t, 261, 277 PCE ( percloroetileno/tetracloroetileno), 243t PCR. Ver reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

281 especies triploides, 285–286, 285f, 286f, 287f

Pääbo, Svante, 118 PacBio, 100–102, 101f PACE (evolución continua asistida por fagos), 132–134, 133f Biociencias del Pacífico, 100–102, 101f

Gen PCSK9 , 325 Gen PD-1 (muerte celular programada 1), 324 Gen

Fosforilación, 76–77, 77f, 148–149, 148f, 149f

Salmón del Pacífico, 271t, 276, 282

Pdxli , 210–211 Pectinasas, 127t, 194, 194f Penicilina, 162t Penicilina acilasa, 127t

Fotodegradación, 264

Vórtice de basura del Pacífico, 263–264, 263f HAP (hidrocarburos aromáticos policíclicos), 243t, 257, 258–259

Fotorreceptores, 173 Fotosíntesis, biomasa acuática, 291

Machine Translated by Google I-20

Índice

Paneles solares fotosintéticos, 184, 184f

técnica de fragmentos de hojas, 190–191, 192f

células madre pluripotentes inducidas (iPSCs

aplicaciones de recuperación de metales, 262

células iPS), 336–337, 336f Plutonio, 262–263, 262f

Phytophthora infestans, 182t

plantas mutagénicas, 189

Enfermedad neumocócica, vacuna para, 169

Fitoplancton, 278

fitorremediación, 247–248, 248f, 256

Mutaciones puntuales, 73, 74f

Fitasa, 213 Fitoquelatinas, 256

Diagnóstico en el punto de atención, 220f, 221, 317

Fitorremediación, 247–248, 248f, 256 Pichia pastoris, 153

vacunas a base de plantas, 188–189

polaridad, 56

cerdos

identificación de plantas con ADN, 232– 233, 233f

Policía. Ver Biotecnología forense Polio, vacuna, 166, 168

ataques con armas biológicas a fuentes de alimentos, 182t

Tecnología rDNA (ADN

Poliovirus, genoma viral, 175t

Cerdos ambientales, 211, 211f, 213

regulación de productos, 192–193, 200

fuentes agrícolas de, 188

animales transgénicos en la agricultura, 214

Roundup, toxicidad de, 200

desarrollo de órganos humanos en, 210– 211

técnicas de cría selectiva, 189–190, 190f

aguas residuales de acuicultura, 277 biorremediación, 129

retrovirus endógenos porcinos

Ti vectores, 90

investigación con animales, 205t

(PERV), 211 gripe porcina (H1N1), 170, 175t xenotrasplante, 330–331, 331f, 371

recombinante), 25–26, 25f

Contaminación

detección de carcinógenos, 157–158, 157f para protección antivirus, 195, 195f

contaminantes químicos, tipos y fuentes, 242–243, 243t, 244f

Ver también Plantas

Cerdos ambientales, 211, 211f, 213

Plantas

contaminación de los peces y riesgos de contaminación

biocombustibles, 183–184, 184f

genética, 276;

Lucio (pescado), 282t

estructuras celulares, 50–51, 50t, 51f, 52t, 53t

Relacionado, 152

genómica comparativa, 115–118, 117t

piRNA (ARN que interactúa con piwi), 70–71, 70t, 71f

electroporación, 86–87, 87f

herbicidas, 196, 197f

sistemas hidropónicos, 273–274, 274f

fosfatos, 37

policultivo (acuicultura integrada), 273

Roundup, toxicidad de, 200 fuentes de, 241–242, 242f, 243t

producción de proteínas, procesamiento

Programa Superfund, EPA, 241 Ver también Biorremediación

Piscirickettsia salmonis, 281 PKU (fenilcetonuria), 301f, 338t Placebos, 373 Peste, bubónica, 179–183, 180ft, 182t, 183f placoglobina, 219 Plancton, 289, 291 Biotecnología vegetal, 188, 188f Agrobacterium tumefaciens, uso de, 190, 192f

aguas arriba, 135–136 cría selectiva, 24, 24f Véase también Biorremediación; Biotecnología vegetal Transformación de plantas, 190 tecnología antisentido, 193–194, 194f ingeniería de cloroplastos, 191–192, 194f

tecnología antisentido, 193–194, 194f

Supresión del gen CRISPR-Cas, 192–193

biológicos, producción de, 201

armas de genes, 191, 193f

aplicaciones de biomasa y bioprocesamiento, 291

apilamiento de genes, 194–195, 194f problemas de salud humana, 198

biofarmacia, 197–198

técnica de fragmentos de hojas, 190–191, 192f

hidrocarburos policlorados, 243t Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), 243t, 257, 258–259 Enfermedad renal poliquística, 301f Polímeros peptídicos de polietilenglicol (PEG), 145 Poligalacturonasa, 194, 194f

Membrana plasmática (celular), 50, 51, 51f, 52t plásmidos, 84

Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)

transformación bacteriana, 154–156, 155f

Supresión del gen CRISPR-Cas, 192–193

plásmidos de genes informadores, 280, 280f Vectores de plásmidos, ADN, 81–86, 82f, 83t, 85f transformación bacteriana y selección

preocupaciones ambientales, 200

Bifenilos policlorados (PCB), 242–243, 243t, 261, 277

Células plasmáticas, sistema inmunitario, 166–167, 166f, 167f

ingeniería de cloroplastos, 191–192, 194f

Tipos de vectores de ADN, 89–90, 89t nutrición mejorada, 197

poliadenilación, 64

Tereftalato de polietileno (PET), 264

productos biotecnológicos, 27–31, 28f, 29t, 31f

Estudio de caso, plaga de cítricos, 202

Señal de adición poli(A), 90

Policultivo, piscicultura, 273

proteínas anticongelantes (AFP), 279, 279f

ataques con armas biológicas a fuentes de alimentos, 182t

bacterias modificadas genéticamente, 25– 26, 25f

de antibióticos, 86–87, 87f, 154–156, 155f

Puntuación de riesgo poligénico, 226

clonación de productos PCR, 94, 95f Toma de huellas dactilares de ADN y, 221–225, 223f, 224f, 225f detección de fraude alimentario, 234–235 secuenciación de genes de patógenos marinos, 281, 281f diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

armas de genes, 191, 193f enzimas microbianas, uso de, 154 descripción general de, 91, 93–94, 94f

apilamiento de genes, 194–195, 194f

características deseables y prácticas, 88–89

cultivos genéticamente modificados, lista de, 191t

Secuenciación de ADN, 97–98, 99f

PCR de transcripción inversa, 104, 104f

alimentos genéticamente modificados, debate sobre, 32

vectores de expresión, 156–157, 156f

amplificación del genoma completo (WGA), 120

proteínas de fusión, 156–157, 156f

alimentos genéticamente modificados, etiquetado de, 199, 199f

insulina, producción bacteriana de, 160– 161, 161f

Polímeros, 184

definición de organismo modificado

retrovirus y, 91–93

Polifenol oxidasa (PPO), 192–193

deleciones de promotores de genes, 198, 198f

genéticamente, 199 ingeniería genética, descripción general de, 190 pesticidas genéticos, 195–196, 196f carpa herbívora y control de malezas, 285–286, 285f, 286f métodos de limpieza de metales pesados, 256 resistencia a herbicidas, 196, 197f problemas de salud humana, 198

Polipéptidos, código genético, 65–68, 65t, 66f

tipos de vectores, 89–90, 89t Plasmodesmos, 51f

Organismos poliploides, 282–286, 282t, 283t, 285f, 286f, 287f

Plasmodium falciparum, 171 Plásticos, 184, 263–264, 263f

Cloruro de polivinilo, 243t

platino, 262

Populus trichocarpa, 247t

Células madre pluripotentes, 209, 334–335, 334f

Retrovirus endógenos porcinos (PERV), 211

desarrollo de órganos humanos en animales, 210–211

Álamo, 247–248, 247t, 248f

Regulación postranscripcional, 68–72, 68f, 69f, 71f, 72f

Machine Translated by Google Índice

I-21

Vacunas profilácticas, 168–169

purificación, procesamiento posterior, 136–142, 137f, 138f, 139f, 140f, 141f, 142f

Tizón de la patata, 182t Patatas, 191t, 193

Propionibacterium acnes, 171 cáncer de próstata, 315

ampliación de la purificación de proteínas, 143–144

Aves de corral. Ver gripe aviar (H5N1); pollos

Antígeno prostático específico (PSA), 300

proteínas estabilizadoras en solución, 137

Metales preciosos, recuperación de, 262

Fosfatasa ácida prostática (PAP), 315 Protalix, 201

proteínas terapéuticas, 160–161, 161f, 162t

Proteasas, 54, 127

procesamiento aguas arriba, 134–136, 135 pies verificación, 142–143, 143f Véase también Proteómica

Modificaciones postraduccionales (PTM), 131, 132f

Precipitación, 137–138 Medicina de precisión, 310–314, 311f, 312f, 313f, 314f

Propecia (finasterida), 204–205

colagenasa, 290–291 Iniciativa de Medicina de Precisión (PMI), 310

enzimas resistentes a los detergentes, 290

Embarazo, ética de clones humanos, 376–377, 376f

tratamiento de fosas sépticas, 250, 251f

Secuenciación de proteínas, 141, 144

proteínas estabilizadoras en solución, 137

Iniciativa de Estructura de Proteínas (PSI), 126

Ver también desarrollo fetal; in vitro fertilización Diagnóstico genético preimplantacional (DGP), 305 Pruebas genéticas preimplantacionales (PGT), 305

Análisis de proteínas, 233–234 Expresión de proteínas, herramientas de análisis de funciones génicas, 107–108, 109f Véase también Proteómica

vectores de expresión de proteínas, 90 Mapa de interacción de proteínas, 131

pre-ARNm (ARN transcrito primario), 63–64, 64f Conservación de proteínas, 143.

Micromatrices de proteínas, 145, 145f, 146, 300 Proteínas

Síntesis de proteínas productos antimicrobianos, mecanismo de acción, 163, 163f mutaciones genéticas, tipos de, 73, 74f clonación de genes humanos, aplicaciones de, 88 vectores de expresión de proteínas, 90 ARN y, 61–68, 61f, 62f, 64f, 65t, 66f

definido, 126

transcripción, 61–64, 61f, 64f regulación transcripcional, 68–72, 68f, 69f, 71f, 72f

Prenar 13, 29t

expresión de proteínas, 88 funciones de, 61

Prialto, 288, 289t

modificaciones postraduccionales, 131, 132f

Conservantes, carragenina, 291 Vacunas preventivas, 168–169

traducción, 61, 61f, 64–68, 65t, 66f

orar, 132–134, 134f

Enzimas proteolíticas, 136 proteoma, 38

Estructura primaria, proteínas, 129–131, 130f Primasa, 60, 60f

proteasas, 54

Proteomas, 144–145, 145f

plegamiento de proteínas, 131

Proteómica, 115, 144–145, 145f, 146

Primates, 205t, 206

mutagénesis dirigida al sitio, 107 Transferencias del sur, del norte y del oeste,

Protoplasto, 189–190, 190f

Respuesta primaria, sistema inmunitario, 166– 167, 166f, 167f

imprimaciones

PCR para análisis de ADN, 224–225, 224f, 225f

102–104, 103f estructura de, 129–131, 130f, 144

reacción en cadena de la polimerasa (PCR), 93–94, 94f

Ver también Síntesis de proteínas

Prince William Sound, derrame de petróleo de Exxon

Proteínas como productos. proteínas anticongelantes (AFP), 278–279, 279f

Valdez , 257–259, 258f, 259f

Fusión de protoplastos, 189–190, 190f Protozoos, 171 Provenge (Sipuleucel-T), 314–315 vector pSC101, 85–86, 85f Pseudomonas biorremediación, 35, 35f, 245, 255 Derrame de petróleo de Exxon Valdez , 258–259

Pseudomonas aeruginosa biopelículas, 163

Científico principal, trabajo de, 43–44 Orar, 132–134, 134f

fuentes de biotecnología acuática, 290–291

Inquietudes sobre la privacidad, 306–307, 378–380

biológicos, producción de, 200–201

genoma de, 171–172, 172t

gen PRNP , 134 sondas, 93

biofarmacia, 197–198

terapia con fagos, 164–165, 164f

hibridación in situ fluorescente (PESCADO), 102, 102f pruebas de calidad y seguridad de mariscos, 275 Transferencias del sur, del norte y del oeste,

biorreactores, animales transgénicos como, 214–215, 214f

Pseudomonas fluorescens, 257

biorremediación, 129

Pseudomonas putida, 245 Pseudomonas stutzeri, 151

medicamentos biotecnológicos y otras aplicaciones médicas, 127–129, 128t

103–104, 103f Probióticos, 174–175

cromatografía, tipos de, 138–142, 139f, 140f, 141f, 142f

Proclorococo, 184, 291

proteómica de diagnóstico, 146 evolución molecular dirigida, 132–134,

Especialista en reclamos de productos, trabajo de, 45

Trabajos de producción, 44–45 Test pronóstico, 300 Células programables, 50 Células procariotas producción de proteínas bacterianas, 135

133f, 134f

Pseudomonas maltophilia, 196

Pseudomonas syringae, 165 PSI (Iniciativa de estructura proteica), 126 Sitio P (peptidilo), 66–67, 66f PTM. Ver Modificaciones postraduccionales (PTM) Puccinia, 182t

costos de desarrollo de fármacos, 129 decisiones éticas sobre, 367

Pez globo, japonés, 289–290, 289f PulseNet, 178–179, 178f, 179f

métodos de separación por filtración, 138, 138f, 139f

Universidad de Purdue, 199, 370 Purificación de proteínas

CRISPR-Cas, edición de genes y, 77–78, 78f

proteínas de fusión, 156–157, 156f

proteínas de fusión, 156–157, 156f, 157

terapias humanas para mascotas, 213

estructuras de, 50, 50t, 51f, 151–153, 152f, 153f

productos marinos, bioprocesamiento y, 291

insulina, producción bacteriana de, 160– 161, 161f

regulación transcripcional, 68–72, 68f, 69f, 71f, 72f

desarrollo de nuevos medicamentos, 126 descripción general de, 126–127, 127f, 128t

métodos para, 136–142, 137f, 138f, 139f, 140f,

Prolina (Pro), 65t Promotor, 63 deleciones de promotores de genes, plantas, 198, 198f regulación transcripcional, 68–72, 68f, 69f, 71f, 72f Microinyección pronuclear, 212, 212f Propano, derrame de petróleo de Deepwater Horizon , 261

PACE (evolución continua asistida por fagos), 132–134, 133f

141f, 142f análisis de postpurificación, 144 ampliando, 143–144 Purinas, 54–55, 54f

análisis de postpurificación, 144

Pesquerías de tomar y tomar, 271

modificaciones postraduccionales

Pyococcus furiosus, 154

(PTM), 131, 132f

Pyricularia grisea, 182t

precipitación, 137–138

Pirimidinas, 54–55, 54f

conservación de proteínas, 143 Iniciativa de estructura de proteínas, 126

Pirosecuenciación, 100 Piruvato, fermentación, 158–160, 159f

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Índice

qPCR (PCR cuantitativa), 235

enzimas de restricción y vectores de plásmidos, 81–86, 82f, 83t, 85f

vectores de clonación, características prácticas de, 88–89

Quahogs, 271t

mapeo de restricciones, 96–97, 97f

Garantía de calidad/control de calidad, 45, 315

PCR de transcripción inversa, 104, 104f

enzimas microbianas, 153–154 Herramientas del oficio, 84

PCR cuantitativa (qPCR), 94, 94f, 104–105, 105f, 235

ARN de interferencia (ARNi), 107–108, 108f

Polimorfismo de fragmentos de restricción

puntos cuánticos, 313

secuenciación de ARN (RNA-seq), 107

Estructura cuaternaria, proteínas, 129–131, 130f

clonación de escopeta, 90–91 Transferencias del sur, del norte y del oeste,

Mapeo de restricciones, 96–97, 97f Sitios de restricción, 82, 82f, 83t, 91–93

q brazo, 58

(RFLP), 221–222, 222f

102–104, 103f Rabia, 168, 198 RAC (Aviso de ADN recombinante) Comité), 86 Raceways, piscicultura, 272, 272f, 273f Compensación de biotecnología de Radford Informe, 46 Compuestos radiactivos biorremediación de, 262–263, 262f contaminación de, 243t, 247–248, 248f

Enfermedad de la retina, aplicaciones de células madre, 338t

secuenciación de tercera generación (TGS), 100– 102, 101f

Células epiteliales pigmentadas de la retina (RPE), 78, 327

Herramientas del oficio, 84

Retinosis pigmentaria, 301f Retinoblastoma, 301f

tipos de vectores, 89–90, 89t Véase también Genómica; Genoma humano Proyecto (HGP); Proteínas como

Retinol, 327 retrovirus

productos. Recombinética, 372

vectores de terapia génica, 320–321, 320f, 328

Reacciones redox, 244, 244f

retrovirus endógenos porcinos

Etiquetas radiactivas, secuenciación de ADN, 97–98, 99f

Algas rojas, productos de, 291 Reacciones de reducción, 244, 244f

Papaya arcoíris, 195

Secuencia de referencia, 113

Ramsey, Pablo, 365

medicina regenerativa, 40, 40f

(PERV), 211 transcriptasa inversa, 91–93 Véase también Virus Transgénicos mediados por retrovirus, 212

bioimpresión 3D, 333

Transcriptasa inversa (RT), 91–93

terapias celulares, 331, 331f costos de, 374

PCR con transcriptasa inversa (RT-PCR), 104, 104f

definido, 329 preocupaciones éticas, 373–375, 374f

PCR de transcripción inversa, 104, 104f Revlimid, 29t

RDX (explosivo de demolición real), 256 PCR en tiempo real, 94, 94f, 104–105, 105f

trasplantes de tejido fetal, 329–330

RFLP (polimorfismo de fragmentos

trasplantes de órganos, 330–331, 331f

ZORRO, 84

ingeniería de tejidos, 332–333, 332f

de restricción), 221–222, 222f Artritis reumatoide, 217

Colza, 191t Ratas, 205t producción de anticuerpos monoclonales, 216– 217, 216f, 316–317, 316f, 317f rata topo desnuda, 374

Proteínas receptoras, 61 Comité Asesor de ADN recombinante (RAC), 86 Tecnología de ADN recombinante (ADNr), 25–26, 25f, 81 electroforesis en gel de agarosa, 94–96, 97f aplicaciones de, 94, 95f transformación bacteriana y selección de antibióticos, 86–87, 87f clonación de productos PCR, 94, 95f Bibliotecas de ADN, 91–93, 92f

Reglamento, 37 investigación con animales, 207–208

Rinovirus, genomas virales, 175t Rhizobium radiobacteria, 90, 190, 192f

pruebas genéticas directas al consumidor, 315

Rhodoferax ferrireducens, 254

prueba de fase de drogas, 206, 207t

rodofita, 291

Organismos genéticamente modificados

diagramas de cinta, 144

(OGM), 349 productos de biotecnología vegetal, 200

Azúcares de ribosa, 54–56, 54f, 55f, 61 ARN ribosomal. Ver ARNr (ARN ribosómico)

aseguramiento/control de calidad, 45 asuntos regulatorios, 45–46 Véase también Departamento de Agricultura A NOSOTROS; Agencia de Protección

Ribosomas, 51f, 52t aplicaciones de biotecnología para, 66– 67, 66f

Secuenciación de ADN, 97–98, 99f

Ambiental, EE.UU.; Administración de

estructuras celulares, 50

enzimas utilizadas en, 62

Alimentos y Medicamentos, EE. UU. (FDA)

síntesis de proteínas, 64–68, 65t, 66f

hibridación in situ fluorescente (PESCADO), 102, 102f expresión génica, herramientas para estudiar, 104–107, 104f, 105f, 106f herramientas de análisis de funciones genéticas, 107–108, 109f

análisis de micromatriz de genes, 105–107, 106f alimentos genéticamente modificados, debate sobre, 32

Factores de liberación, 66f, 68

RISC (complejo de silenciamiento

Prueba de relevancia, 228 Rennin, 158

inducido por ARN), 107–108, 108f ARNt y, 66–67, 66f

Genes informadores, 158, 280, 280f

Arroz, 182t, 191t, 197

Grupo de reporteros, 143, 143f

Ricardo III, Rey, 233 Rickettsia, bioterrorismo, 180–183, 180ft, 182t, 183f

Informe sobre el estado mundial de la pesca y la acuicultura (2016), 269 Represor, 72, 72f Clonación reproductiva, 340–345, 341t, 342f

código genético y, 66 edición del genoma, 108, 109f, 359 métodos de secuenciación de ADN de alto rendimiento, 98

Reptiles, disruptores endocrinos y, 242–243, 243t, 244f Investigación y desarrollo

Rickettsia conorii, 172t Síndrome rickettsial, 281 Rickettsia prowazekii, 172t Rid-X, 250, 251f RISC (complejo de silenciamiento inducido por ARN), 71, 107–108, 108f, 323

aplicaciones de clonación de genes humanos, 88

prueba de fase de drogas, 206, 207t

Evaluaciones de riesgos, 366

identificación y clonación de genes, proceso para, 90–95, 92f, 94f, 95f

trabajos en, 43–44

Rituxan, 29t, 317

modelos de sistemas animales, 205–206, 205ft, 206f

ARN (ácido ribonucleico), 54

secuenciación de próxima generación (NGS), 98, 100

circRNA (ARN circular), 79

revolución “ómica”, 114–118, 117f regiones superiores para, 41–42, 41f problemas de patentes, 116

reacción en cadena de la polimerasa (PCR), 93–94, 94f PCR en tiempo real (cuantitativa), 104– 105, 105f

tecnología de ARN antisentido, 321–323, 322f

órganos en sistemas de un chip, 206–207, 207f crRNA (ARN derivado de CRISPR), 70– 71, 70t, 71f, 77, 78f

Asistente de investigación y asociado, trabajos de, 43–44

replicación de ADN, 60, 60f

Endonucleasas de restricción, 81, 216

hibridación in situ fluorescente

Ver también Enzimas de restricción Enzimas de restricción, 81–86, 82f, 83t, 85f

(PESCADO), 102, 102f genes, definido, 56

Machine Translated by Google Índice

ARNg (ARN guía), 108, 109f

Saccharomyces cerevisiae, 23–24

lncRNA (ARN largo no codificante), 70–71, 70t, 71f

Tipos de vectores de ADN, 89–90, 89t fermentación, 158–160, 159f

miARN (microARN), 70–71, 70t, 71f, 107, 323

secuenciación del genoma de, 153 Problemas de seguridad

Respuesta secundaria, sistema inmunitario, 166– 167, 166f, 167f Estructura secundaria, proteínas, 129–131, 130f Secretaría de la Convención sobre

ncRNA (ARN no codificante), 63, 70–71, 70t, 71f, 107

pruebas de drogas, regulaciones para, 206, 207t

Diversidad Biológica (SCBD), 351 Secreción, membranas celulares, 51, 51f, 52t

piRNA (ARN que interactúa con piwi), 70– 71, 70t, 71f

Aviso de ADN recombinante

Secretoma, 134–135, 135 pies

Comité (RAC), 86

Siembra (bioaumento), 247

pre-ARNm (ARN transcrito primario), 63–64, 64f

Salarios, empleos en biotecnología, 46

Siembra, ingeniería de tejidos, 333

vectores de expresión de proteínas, 90

Representantes de ventas, 46 Salk, Jonas, 166

Genes marcadores seleccionables, 89 Selección, bacterias recombinantes, 86–87, 87f

síntesis de proteínas, 61–68, 61f, 62f, 64f, 65t, 66f

Instituto Salk, 209

PCR de transcripción inversa, 104, 104f

Salmón, 282t, 283t

siRNA (pequeño o corto de interferencia

Salmofán, 274

Cría selectiva, 24, 24f clonación, límites a, 209

proteínas anticongelantes (AFP), 278–279, 279f

definición de organismo modificado

acuicultura, 35, 35f, 269, 270, 271t, 272–273, 272f, 273f

animales transgénicos en la agricultura, 214 selección asistida por marcador, 189

genéticamente, 199

ARN), 70–71, 70t, 71f, 107–108, 108f, 323 snRNA (ARN nuclear pequeño), 70–71, 70t, 71f

acuicultura, barreras y limitaciones, 275; Transferencias del sur, del norte y del oeste,

cría de mutaciones, 189

astaxantina, 274

fusión de protoplastos, 189–190, 190f Autorrenovación, 334–335, 334f

empalme, 63–64, 64f

calcitonina de, 287

Replicación semiconservadora, 59–60, 59f, 60f

transcripción, 61–64, 61f, 64f traducción, 64–68, 65t, 66f

Estudio de caso, escape de peces de acuicultura, 295

Membranas semipermeables, diálisis, 138, 139f

Véase también ARNm (ARN mensajero);

contaminación de los peces y riesgos de contaminación

102–104, 103f

ARNt (ARN de transferencia) complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC), 107–108, 108f, 323 ARN de interferencia (ARNi), 71, 71f, 107– 108, 108f, 202, 216, 322–323 ARN polimerasa, 61–63, 62f, 63 secuencias promotoras, vectores de clonación, 89 vectores de expresión de proteínas, 90 regulación transcripcional, 68–72, 68f, 69f, 71f, 72f Cebadores de ARN, 60, 60f Secuenciación de ARN (RNA-seq), 107, 308 scRNA-seq (secuenciación de ARN de

genética, 276;

síndrome rickettsial, 281 salmón transgénico, 267f, 278, 282, 284

Senescencia, 58 Científico sénior, trabajo de, 43–44 Medicamentos integrados en sensores, 37 Ataques del 11 de septiembre de 2001,

Salmonela

biotecnología forense y, 227–228

endotoxinas, 294

Sistemas sépticos, 250–252, 251f, 252f

diagnóstico microbiano, 178–179, 178f, 179f

Secuenciación por síntesis, 100 Metodologías de secuenciación

Enzimas resistentes a la sal, 290 Sales

Secuenciación de ADN, descripción general, 97– 98, 99f

diálisis, 138, 139f

espectrometría de masas, 141

precipitación de proteínas, 137–138

secuenciación de proteínas, 144

Universidad Católica San Antonio, Murcia España, 210 Gusano castillo de arena, 288

secuenciación del genoma completo, 91 Secuencia, 303

Silenciamiento de ARN (gen), 321–323, 322f

Terapéutica Sangamo, 323

Serina (Ser), 65t Serratia marcescens, 83t

Empalme de ARN, 63–64, 64f vacunas de ARN, 168

Sanger, Federico, 84, 97–98, 99f

Coronavirus respiratorio agudo grave

Grupo Roche, 40–41, 41f, 100

SAP (polimorfismos de un solo aminoácido), 233–234

una sola célula), 308

Roche Holding AG, 274 Fiebre maculosa de las Montañas Rocosas, 180–183, 180ft, 182t, 183f

(SARS-CoV), 175t, 178–179, 178f, 179f

Secuenciación de Sanger, 97–98, 99f

Inmunodeficiencia combinada severa (SCID), 338t, 380

SARS-CoV (coronavirus respiratorio agudo

vacuna contra el rotavirus, 169

Chucrut, 159–160, 159f

Tratamiento de aguas residuales, 246, 250–252, 251f, 252f, 262, 277 Ver también Biorremediación

Retículo endoplásmico rugoso, 51f, 53t

Procesos de ampliación, 44–45, 143–144

Cromosomas sexuales, 57–58, 57f, 58f

Ciencia, papel en la sociedad, 383;

Agresión sexual, huellas dactilares de ADN, 225–226, 226f, 227f

grave), 175t, 178–179, 178f, 179f, 181

Rosetta, 129, 132

Resumen, 196, 197f, 200 Soja Roundup-Ready, 368, 371 Lombrices intestinales, 205t, 299 Explosivo de demolición real (RDX), 256

La tembladera, 132–134, 134f Instituto de Investigación Scripps, 131 scRNA-seq (secuenciación de ARN de una sola célula), 308

Enfermedades de transmisión sexual, vacunas para, 169 sgRNA (ARN "guiado" monocatenario), 323

RPE (células epiteliales pigmentadas de la retina), 78

Depuradores, esteras de algas, 293–294 Sculpin, 278–279, 279f

Tiburones, medicamentos de, 290

gen RPE65 , 327

SDS-PAGE (electroforesis en gel de

Oveja

ARNr (ARN ribosómico), 63 papel de, 70–71, 70t, 71f traducción, 64–68, 65t, 66f

poliacrilamida), 142–143, 143f Anémona de mar (Stichodactyla helianthus), 289t

investigación con animales, 205t

clonación, Dolly, 208–209, 209f fiebre aftosa, 212–214 Mariscos

vacuna RTS,S, 171

Lubina, 271t

Vacuna contra la rubéola, 166, 168

Rostro de mar, 275

adhesivos de, 287–288, 288f

Segunda vuelta, 241–242, 242f, 277

Esponjas de mar, 288, 289t

biopelícula (bioincrustación), 292, 292f, 293f

Universidad Rutgers, 245

Chorros de mar, 288–289, 289t Erizos de mar, 281–282

biorremediación con, 293–294

Sabín, Alberto, 166

Algas, productos de, 291

quitina y quitosano, usos médicos para, 290

vacuna Sabin, 168

Selibase alfa, 32

I-23

Machine Translated by Google I-24

Índice

Granjas de mariscos, 269, 270, 272, 272f, 273f

Vendas inteligentes, 129

Spinraza (nusinersen), 322, 322f

secuenciación de genes de patógenos marinos, 281

Drogas inteligentes, 314, 314f Etiqueta inteligente, 199, 199f

Empalme, ARN, 63–64, 64f

molt-inhibiting hormone, 278

Tatuajes inteligentes, 300

policultivo (acuicultura integrada), 273

Fundido, 278–279, 279f

Proteína espía, 132–134, 133f

Smith, Hamilton, 81

Etiqueta espía, 133f

calidad y seguridad de los mariscos, 274–275

Genes SMN1 y SMN2 , 322, 322f

Escualamina, 290

especies transgénicas y poliploides, 282–286, 282t, 283t, 285f, 286f, 287f

Smolts, piscicultura, 272, 272f, 273f

Squalus acanthias, 290

Retículo endoplásmico liso, 51f, 53t

Monos ardilla, 205t

Mordeduras de serpientes, 169

SSO (Halposporidio costale), 281 Acero inoxidable, 137–138

Shigella, diagnóstico microbiano, 178–179, 178f, 179f

SNP. Ver Polimorfismos de un solo

Shimomura, Osamu, 280

snRNA (ARN nuclear pequeño), 70–71, 70t, 71f

ARN de interferencia corto o pequeño (siRNA), 70–71, 70t, 71f, 107–108, 108f, 323

Canales de sodio, toxina TTX y, 290

nucleótido (SNP)

Camarones, 271t, 274, 282t Enfermedad de células falciformes (anemia), 74–76, 75f, 76f, 301f análisis de oligonucleótidos específicos de alelo (ASO), 304–305, 305f terapia génica, 324 pruebas genéticas, 300–306, 301f, 303f, 304f, 305f, 306f aplicaciones de células madre, 338t, 339, 340f Moléculas de señalización, 61, 134–135, 135ft Mutaciones silenciosas, 73, 74f

Tinción de Coomassie, 142–143, 143f Tinción de Gram, 152

Dodecilsulfato de sodio (SDS), 142–143, 143f Contaminación del suelo, 241–242, 242f

Simulación de estafilococos, 213 Codones de inicio, 65, 65t, 67

estrategias de limpieza, 249–250, 249f, 250f

Empresas emergentes, 42–43, 42t, 44t Derechos soberanos del Estado, 355;

relaciones familiares, perfiles de ADN y, 231 Clonación de escopetas, 90–91

manchas

Staphylococcus aureus, 161, 163, 164–165, 164f, 213, 290

Repetición corta en tándem (STR), 223, 223f Toma de huellas dactilares de ADN, análisis, 224–225, 224f, 225f

Encefalopatías espongiformes, 132–134, 134f

Desastre del campo petrolífero de Kuwait,

probabilidad estadística, 366

biorremediación de, 259 Ver también Biorremediación

Células madre

Paneles solares, 184, 184f

células madre derivadas de adultos (ASC), 335–336

Biorremediación en fase sólida, 249f, 250

desafíos de usar, 339–340

Disolventes, diálisis, 138, 139f

clonación, límites a, 209 definido, 37

Transferencia nuclear de células somáticas (SCNT), 342–343, 342f

método de células madre embrionarias (ES), 212

Células somáticas, 57–58, 57f, 58f mutaciones, 120, 308

preocupaciones éticas, 373–375, 374f

reprogramación nuclear de, 336–337, 336f

trasplantes de tejido fetal, 329–330 terapia génica y, 323

Terapia génica somática, 380 Hechicero II, 173

desarrollo de órganos humanos en animales, 210–211

sorgo, 197 Crema agria, 160

biotecnología médica, descripción general de, 36– 37, 36f

Carolina del Sur, derrame de queroseno, 264 Sur, Ed., 103

organismos modelo, 24

Simpson, DO, 229 Polimorfismos de un solo aminoácido (SAP),

Análisis de transferencia Southern, 102–104, 103f

Sileo, 213 Leche de seda, 31–32, 214–215, 214f Plata, 243t, 262 Virus simio 40 (SV40), 84, 90

233–234 Secuenciación de ARN unicelular (scRNA-seq), 308

reprogramación nuclear de células somáticas, 336–337, 336f

Tizón de la hoja del maíz del sur, 182t

descripción general de, 333–335, 334f

gen SOX2 , 336

aplicaciones potenciales de, 337–340, 338t, 339f

Soja, 191t, 198, 368 Secuenciación unicelular (SCS), 120, 308

Terapéutica de chispas, 327

medicina regenerativa, 40, 40f

Molécula única en tiempo real (SMRT), 100–102, 101f

Integridad de las especies, 368, 371.

genes informadores, 280, 280f prohibición de investigar, 343–345

Polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), 38–39, 39f, 73, 74f, 241, 305

Espectrometría, 141

cuadro resumen, 341t

Esperma

clonación terapéutica, 340–345, 341t, 342f

Cariotipo espectral, 59, 304

Proteínas de unión monocatenarias, 60, 60f

factor azoospérmico, 301f

ARN "guiado" monocatenario (sgRNA), 323

Toma de huellas dactilares de ADN, 225–226, 226f, 227f

Sipuleucel-T (Provenge), 314–315

células germinales embrionarias, 335

esteroides, 70, 290

siRNA (ARN de interferencia pequeño o corto), 70–71, 70t, 71f, 107–108, 108f, 323

relaciones familiares, perfiles de ADN y, 230–231, 231f

Stichodactyla helianthus (anémona de mar), 289t

Cromátides hermanas, 58

animales transgénicos en la agricultura, 214

genómica de la edad de piedra, 118

Mutagénesis dirigida al sitio, 107

embrión humano y edición de genes de línea

Universidad Stony Brook, 176

Gen Six2 , 210–211 Cortadores de seis pares de bases, 82, 82f, 83t

germinal, 325 especies poliploides, 284–286, 285f, 286f, 287f

Turistas de células madre, 343, 345

Óxido de tallo, 182t

Extremos adhesivos, 82, 82f, 83t

Codones de terminación, 65–66, 65t, 66f, 68 STR (repetición corta en tándem), 223, 223f

Cromatografía de exclusión por tamaño (SEC), 139, 139f

Transferencia mediada por esperma, 212

Toma de huellas dactilares de ADN, análisis, 224–225, 224f, 225f

Lodo, 250–251, 251f, 254

Sphyrna lewini (tiburón martillo), 289t

relaciones familiares, perfiles de ADN y, 231

Babosas, adhesivos de, 288

Monos araña, 205t

Biorremediación en fase de suspensión, 249, 249f

Proteína de seda de araña, 214–215, 214f

Streptococcus mutans, 163

ARN nuclear pequeño (snRNA), 70–71, 70t, 71f

Lesión de la médula espinal, trasplantes

Streptococcus pneumoniae, 172, 172t

de tejido fetal, 330 ARN de interferencia pequeño o corto (siRNA), 70–71, 70t, 71f, 107–108, 108f, 323

Lesión de la médula espinal, aplicaciones de células madre,

339 Atrofia muscular espinal (SMA), 63, 322, 322f

Streptococcus pyogenes, 133f Streptococcus thermophilus, 160 Streptomyces, 196 Streptomyces aureofaciens, 162t Streptomyces erythraeus, 162t

Viruela, 165–166, 179–183, 180 pies, 182t, 183f Ataxia espinocerebelosa, 301f

Streptomyces fradiae, 162t

Machine Translated by Google Índice

Streptomyces griseus, 162t Estreptomicina, 162t Estroncio, 247–248, 248f Esturión, 271t Estireno, 245 Sustancia negra, 329–330 Sustratos, enzimas de restricción y, 82, 82f, 83t Subtilisina, 154 Vacunas de subunidades, 168–169 Remolacha azucarera, 191t Caña de azúcar, 191t Sulfato, reacciones redox, 244, 244f Azufre, reacciones redox, 244, 244f Plantas de

Cadena de plantilla, 62f, 63 Teosinte, 24, 24f Teratógenos, 367 Terminación, traducción, 66f, 68 Secuencia de terminación, 62f, 63 Código Sanitario para los Animales Terrestres, 350 Terrorismo bioterrorismo, 179– 183, 180ft, 182t, 183f Desastre del World Trade Center, biotecnología forense y, 227–228 Estructura terciaria, proteínas, 129–131, 130f Testosterona, regulación transcripcional, 69–70, 69f Vacuna

girasol, 247–248, 248f Programa Superfund, EPA,

contra el tétanos, 166, 168 Tetraciclina, 89, 162t

241, 248 Superóxido dismutasa, 162t Supermalezas, 200 Corte Suprema, EE. UU., 116 Surfactantes,

Tetrodotoxina (TTX), 289–290, 289f TGS ( secuenciación de tercera generación), 100–102, 101f

243t Swanson, Robert, 88 Pimientos dulces, 191t

Talidomida, 367 The Cancer Genome Atlas Project

Gripe porcina (H1N1), 170, 175t Switchgrass, 256

(TCGA), 300 The Guide for the Care and Use of

Biología sintética, 120–122, 121f, 175,

Laboratory Animals, 208 Terapéutico, definido, 168 Clonación terapéutica, 340–345, 341t, 342f ética de, 376–377, 376f Proteínas terapéuticas, 128, 128t, 160–161, 161f, 162t Consulte también Proteínas

I-25

biofarmacia, 197–198 Cry gene, como pesticida, 196 Flavr Savr, 191t, 193–194, 194f, 321–323, deleciones del promotor del gen 322f, 198, 198f Gen TOMM40 , 309–310, 309f Tonoplasto, 51f Tools of the Trade bioéticos, papel de, 366 proteómica de diagnóstico, 146 muestreo de ADN ambiental (eDNA), 270 enzimas en la replicación del ADN, 62 ciencia forense del ADN, 233 terapias humanas para mascotas, 213 Fuentes de Internet, genes y cromosomas humanos, 302 estrategia de biorremediación de microcosmos, 253 enzimas de restricción, 84

como productos Termociclador, 93–94, 94f, 224–225, 224f, 225f Termófilos, 151, 154 Termoestable enzimas, 154 Thermus aquaticus, 83t, 94, 94f, 154, 290 Agentes espesantes, 291 Secuenciación

176–177, 372 Estrógenos sintéticos, 242–243, 243t, 244f Genomas sintéticos, 26, 30, 118, 122, 372 Biología de sistemas, 120–122, 121f TALEN (nucleasas efectoras similares a activadores de transcripción), 216, 323–326, 324f ADN polimerasa Taq , 94, 94f, 154, 224–225, 224f, 225f, 290 Taqi, 82, 83t Terapia génica dirigida, 321 Ver también Terapia génica Caja TATA, 69–70, 69f Tatuajes, inteligente, 300

Véase también Tecnología de ADN recombinante (ADNr)

de tercera generación (TGS), 100–1 02, 101f

Caries, 163 ADN táctil, 230

diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f Thlaspi goingingense, 262 Thomson, James, 335

Toxicogenómica, 115 toxinas

bioimpresión 3D, 333 las tres R de la investigación animal, 208 treonina (Thr), 65t

organismos acuáticos, biorremediación y, 293– 294 bioacumulación, metales pesados,

tromboembolismo, 215 timina (T), 54–55 , 54f 255–256

Tilapia, 271t, 276, 282, 282t, 283t Plásmido Ti (inductor de tumores), 190–192, 192f Cultivo de tejidos

biosensores, 256–257

colagenasa, fuentes acuáticas de, 290–291 órganos

bioterrorismo, 179–183, 180 pies, 182t, 183f

en sistemas de chip, 206–207, 207f derechos del

toxinas Bt, 195–196, 196f, 368–369, 369f

paciente y, 378 Ingeniería de tejidos, 332–333, 332f

contaminantes químicos, tipos y fuentes, 242–243, 243t, 244f cólera,

Activador de plasminógeno tisular, 29t, 162t Factor de plasminógeno tisular, 128t Trasplantes de tejido, 329– 331, 331f Autoinjerto, 330 Terapéutica

172, 172t conotoxinas, 288, 289t pruebas de toxicidad de drogas, 206 endotoxinas, 294

celular, 331, 331f Xenotrasplante, 330–331, 331f Tipificación de tejido, 330 vectores Ti, 89– 90, linfocitos T 89t. Ver células T (linfocitos T)

Proteína tau-tau, enfermedad de Alzheimer y, 148–149, 148f, 149f

animales transgénicos en la agricultura, 214 Río Hudson, contaminación con PCB y, 261

riñón en un chip, dosificación de

Enfermedad de Tay-Sachs, 301f

fármacos, 215, 215f toxina del pez globo, TTX, 289–

TCA (tricloroetano), 243t

290, 289f calidad y seguridad de los productos del mar, 275 stichodactyla, 289t

TCE (tricloroetileno), 243t Receptores de células T (TCR), 317–318, 318f Células T (linfocitos T) ADA-inmunodeficiencia combinada severa (ADA-

Programa Superfund, EPA, 241 Ver también Biorremediación

SCID), 326, 327f receptor de antígeno quimérico (CAR)-células T, 317–318, 318f terapia génica, riesgos de, 328 edición

Trabectedina, 289t

del genoma, terapia génica y, 324–326

Colorantes de seguimiento, electroforesis en gel, 94, 95f

Trazas de metales, 243t Derechos comerciales y de propiedad intelectual, 356–358

sistema inmunitario, descripción general de, 166–167, 166f, 167f respuesta

Acuerdo sobre Obstáculos Técnicos a la

tumoral, 324

Aplicación de Sanidad y

Comercio (Acuerdo OTC), 356–357 Medidas Fitosanitarias (SPS

T-DNA (inductor de tumores), 90, 190–192, 192f

Acuerdo), 353, 356–357 productos Dientes, en pollos, 372

biotecnológicos, 356–357 derechos de

Teleósteos, 278–279, 279f

obtenciones vegetales (PVR), 358 normas técnicas, 356, 357

telomerasa, 210

Rasgos, 56, 57–58, 57f, 58f

Telómeros, 58, 209 Proteínas anticongelantes de temperatura (AFP), 278–279, 279f lisis celular, congelación/

TNT (trinitrotolueno), 243t, 256 Virus del

Transcripción, 61–64, 61f, 64f

mosaico del tabaco (TMV), 195, 195f Plantas de

Nucleasas efectoras similares a activadores

tabaco, 188–189, 196, 256 Tolueno, 243t, 262, 263 Tolueno dioxigenasa, 263 Tomates

de transcripción (TALEN), 216

competentes, almacenamiento de, 154 proteínas

Regulación transcripcional, 68–72, 68f, 69f, 71f, 72f

estabilizadoras en solución, 137

factores de transcripción, 63

descongelación, 136–137, 137f células

Machine Translated by Google I-26

Índice

Transcriptoma, 105–107, 106f

trasplante de órganos, 330–331, 331f

Transcriptómica, 115 Transfección, 319

xenotrasplante, 330–331, 331f, 371

Universidad de California, San Francisco, 133f Universidad de Cambridge, 132, 210, 226

Trastuzumab, 144–145

Universidad de Carolina, Chapel Hill, 347

Tricloroetano (TCA), 243t

Universidad de Dublín, 245

Tricloroetileno (TCE), 243t Trichoderma reesei, 154

Universidad de Guelph, 211, 211f, 213

Lipasa de triglicéridos, 135t

Universidad de Leicester, 233

Triglicéridos, Glybera y, 328

Universidad de Minnesota, 263

Agrobacterium, inserción de genes con, 190– 192, 192f

Trinitrotolueno (TNT), 243t, 256

Universidad de Módena y Reggio Emilia, 339

tecnología antisentido, 193–194, 194f

Trisomía 13 (síndrome de Patau), 303

Universidad de París, 321

ingeniería de cloroplastos, 191–192, 192f

Trisomía 18 (síndrome de Edward), 303

Universidad de Pensilvania, 327, 328

Trisomía 21 (síndrome de Down), 302

Centro Médico del Suroeste de la Universidad de Texas, 204

Transferir ARN. Ver tRNA (ARN de transferencia) Transformación, células bacterianas, 86–87, 87f, 154–156, 155f insulina, producción bacteriana de, 160– 161, 161f Transformación, plantas, 190

apilamiento de genes, 194–195, 194f técnica de fragmento de hoja, 190–191, 194f Factor de crecimiento transformante-ß, 335

Universidad de Hawái, 195

Triploides, 284, 285

ARNt (ARN de transferencia), 63 ribosomas y, 66–67, 66f

Universidad de Washington, 132, 256

papel de, 70–71, 70t, 71f

Universidad de Wisconsin, Madison, 335

traducción, 65–68, 65t, 66f

Universidad de York, 256

Transgén, 212

Trofoblasto, 335

Universidad de Zúrich, 208

animales transgénicos

Trucha, acuicultura, 35, 35f, 271–274, 271t, 272f, 273f, 274f, 282t, 283t

Procesamiento aguas arriba, producción de proteínas, 134–136, 135 pies

Triptófano (Trp), 65t Diez, Roger, 280

Uracilo (U), 54–55, 54f, 61 Uranio, 245, 262–263, 262f

en agricultura, 211, 211f, 212–214, 213f producción de biorreactores animales

Tsunami, huellas dactilares de ADN y, 228

Erizos, 281–282

biotecnología animal, 31–33, 33f, 34f, 211– 212, 211f, 212f

TTX (tetrodotoxina), 289–290, 289f Tubérculos, 170–171

Vejiga urinaria, ingeniería de tejidos, 332f, 333

debates éticos sobre, 371–372

Tuberculosis (TB), 158, 168, 170–171 Tularemia, 180–183, 180ft, 182t, 183f

orina, 252

sistemas, 136, 214–215, 214f

pescados y mariscos, 282–286, 282t, 283t, 285f, 286f, 287f pescados y mariscos, transgénicos y polipoides, 282–286, 283t, 285f, 286f, 287f contaminación de los peces y riesgos de contaminación genética, 276;

factor de necrosis tumoral, 128t

USDA. Ver Departamento de Agricultura, EE. UU. (USDA)

Tungsteno, pistolas genéticas, 191, 193f tunicados, 288, 289t

Departamento de Agricultura de los Estados

23 y yo, 309, 315

Departamento de Energía de EE. UU., 262–263, 262f

Electroforesis bidimensional, 141

Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos.

Quizalofop 2-4D, 196

Unidos (USDA), 351

Ver Agencia de Protección Ambiental,

edición del genoma y CRISPR-Cas, 108, 109f, 216

análisis de micromatrices de ADN, 306, 306f

EE. UU. Pesca y Vida Silvestre de EE. UU., 285–286, 285f, 286f

terapia génica, 323

Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos.

cabras, 31–32, 136, 214–215, 214f ganado sin cuernos, 372

insulina, producción bacteriana de, 160– 161, 161f

desarrollo de órganos humanos en animales GM, 210–211

aplicaciones de células madre, 338t

Servicio Geológico de EE. UU. (USGS), 264

clonación terapéutica, 343 vacuna para, 169

Marina de los EE. UU., 254

edición de genes en pollos para prevenir la gripe aviar, 210

salmón, 267f, 278, 282, 284 tecnicas para, 212, 212f xenómica, 217

Diabetes mellitus tipo 1, 88, 122–123 terapias celulares, 331, 331f

Enfermedad de Gaucher tipo 1, 201

Ver Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA)

Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU. (USPTO), 116, 255

Diabetes mellitus tipo 2, 306, 306f

Corte Suprema de EE. UU., 116

tirosinemia tipo I, 324

Universidad Estatal de Utah, 254

biofarmacia, 197–198

Tifus, 180–183, 180 pies, 182t, 183f

Enfoque utilitario, toma de decisiones, 365

efectos de la prohibición de cultivos transgénicos, 370

Tirosinasa, 168

debates éticos sobre, 368–370, 369f, 370f

Tirosina (Tyr), 65t, 324

plantas transgénicas

Utilitarismo, 365.

Tirosinemia, tipo I, 324 Vacante, Carlos, 332

definición de organismo modificado genéticamente, 199

Ultrafiltración, 138

pesticidas genéticos, 195–196, 196f

Luz ultravioleta, mutaciones, 73, 74f

Trigo transgénico, aprobación de, 368 Arroz Dorado, 197

Red de enfermedades no diagnosticadas, NIH, 308 uniQure BV, 328 Naciones Unidas

métodos de limpieza de metales pesados, 256 resistencia a herbicidas en, 196, 197f Monsanto y control de semillas, 371 fitorremediación y, 256 tomates, 191t, 193–194, 194f, 196, 197–198, 198f Véase también Biotecnología vegetal; transformación, plantas Traducción, 61, 61f, 64–68, 65t, 66f

Organización de Comida y Agricultura (FAO), 269 Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y Organización Cultural (UNESCO), 351, 351t, 358 Kit Universal, Ilumina, 235

trasplantes de tejido fetal, 329–330

biofarmacia, 197–198 productos biotecnológicos, 29t, 128t tiros de refuerzo, 168 para el cáncer, 314–315 definido, 168 vacuna DPT, 166 edición de genes en pollos para prevenir la gripe aviar, 210

Universidad de California, Berkeley, 184, 382

VPH (virus del papiloma humano), 169

Universidad de California, Davis, 144–145, 145f

sistema inmunitario, descripción general de, 166–167, 166f, 167f

Universidad de California, Los Ángeles, 163– 164, 171

biotecnología médica, descripción general de, 35–37, 36f

Proyecto de vacunas humanas, 383–384

Trasplantes trasplante de médula ósea, 345

para las poblaciones de peces de acuicultura, 275 vacuna BCG, 171

Universidad de Alabama-Birmingham, 278

Translocación, 66f, 67, 304, 304f Rechazo de trasplante, 217, 317

Vacunación, definida, 166 Vacunas

Machine Translated by Google Índice

productos de biotecnología microbiana, 162t, 165–171, 166f, 167f MMR (sarampión, paperas, rubéola) vacuna, 166

virus de la mancha anular de la papaya, 195

Champiñones blancos, 191t, 192–193

plantas, técnicas de protección antivirus, 195, 195f

Secuenciación del exoma completo (WES), 120, 307– 308

retrovirus endógenos porcinos

Amplificación del genoma completo (WGA), 120

(PERV), 211

OPV (vacuna oral contra la poliomielitis), 166

vacunas a base de plantas, 188–189 protección contra virus de plantas, 195, 195f vacuna RTS,S, paludismo, 171

vectores de expresión de proteínas, 90 retrovirus, 91–93

Secuenciación del genoma completo (WGS), 91, 109– 110, 110f, 306–307 diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

transgénicos mediados por retrovirus, 212

objetivos para el desarrollo de vacunas, 169–171

virus del mosaico del tabaco (TMV), 195, 195f

Secuenciación del transcriptoma completo, 107 Wilkins, Maurice, 54, 55

tipos de, 168–169

vacunas para, 168

Vinificación, 126, 158–160, 159f Platija de invierno, 278–279, 279f

partículas similares a virus, 133f Vacunas, 115

objetivos de vacunas para el desarrollo, 169– 171

Vacuola, 51f, 52t, 53t

genómica viral, 175, 175t

Valina (Val), 65t Vanadio, 262

Ver también biotecnología microbiana

Vancomicina, 162t

I-27

Partículas similares a virus (VLP), 133f Visión

Vacuna WNV (Virus del Nilo Occidental), 168, 169 Instituto Oceanográfico Woods Hole, 259–261 Mano de obra de la biotecnología negocio de la biotecnología, 40–41, 41f

Repeticiones en tándem de número variable

coroideremia, 327

investigación clínica, 45–46

(VNTR), 222–223, 223f vacuna contra la varicela, 168

mapa genético de la enfermedad, 301f

tipos de empresas y financiación, 42–43, 42t, 44t

Virus de la viruela, 175t, 180–183, 180ft, 182t, 183f

Amaurosis congénita de Leber (LCA), 325, 327

Arroz Dorado, 197 tendencias de contratación, 46–47

marketing, ventas, finanzas y legal Vectores definido, 84

degeneración macular, 217, 323, 326–327, 337

Tipos de vectores de ADN, 89–90, 89t

fotorreceptores, 173

células madre, terapia génica y, 323

aplicaciones de células madre, 337, 338t Vitamina A, 197, 327

Véase también fagos; Vectores plásmidos, ADN

VLP (partículas similares a virus), 133f

para terapia génica, 320–321, 320f, 328

trabajos, 46

operaciones, biofabricación y producción, 44–45 aseguramiento/control de calidad, 45 asuntos regulatorios, 45–46

pepsina vegetal, 136

VNTR (repeticiones en tándem de número

trabajos de investigación y desarrollo, 43– 44

Venter, J. Craig, 112, 113, 116, 122, 173, 176

variable), 222–223, 223f Volmer, Nicolás, 307

principales regiones para empleos, 41–42, 41f

Organización Mundial de la Salud (OMS)

Capital riesgo (VC), 43 en verdad, 369 Vesículas, 53t

Medicina veterinaria, beneficios de, 208 Vibrión biosensores, 292–293 colagenasa de, 290–291 Vibrio cólera genoma, 172, 172t

salarios, 46

Lucioperca, 282t

influenza, seguimiento de, 169, 356

Era polilla, mayor, 264 Residuos, biorremediación, 239f, 240

vacunas a base de plantas, 188–189

Manual de bioseguridad en el laboratorio, 352

organismos acuáticos en, 293–294

Organización Mundial de la Propiedad Intelectual

degradación de macro y microplásticos, 263–264, 263f

Organización Mundial de Sanidad Animal

aplicaciones de recuperación de metales, 262 compuestos radiactivos, 262–263, 262f

(OMPI), 357 (OIE), 351 Desastre del World Trade Center, biotecnología forense y, 227–228

calidad y seguridad de los productos del mar, 275

secuenciación de tercera generación (TGS), 100– 102, 101f Vibrio fisheri, 157–158, 157f, 256–257, 292–293

Tratamiento de aguas residuales, 250–252, 251f, 252f, 262, 273, 277 Agua

Vibrio harveyi, 158

Derrame de petróleo de Exxon Valdez , 257–259, 258f, 259f

Vinagre, 159–160, 159f virus

Gran Parche de Basura del Pacífico, 263–264, 263f

en poblaciones de peces de acuicultura, 275 bacteriófagos, vectores de ADN, 81–86, 82f, 83t, 85f baculovirus, 136

Organización Mundial del Comercio (OMC), 351

limpieza de aguas subterráneas, 252–254, 253f Río Hudson, contaminación con PCB y, 261

Xanthomonas axonopodis, 182t Repeticiones cortas en tándem del cromosoma X (X-STR), 231 Xenómica, 217 Xenopus laevis, 85–86, 85f Xenopus laevis (rana africana con garras), 289t Xenotrasplante, 330–331, 331f, 371 galón X, 86–87, 87f

bioterrorismo, 180–183, 180 pies, 182t, 183f

contaminación, resumen de, 241–242, 242f tratamiento de aguas residuales, 250–252,

Inhibidor de la apoptosis ligado al cromosoma X (XIAP), 307

251f, 252f Ver también Biorremediación

XNA, 126

Tecnología CRISPR-Cas, 108, 109f experimentos de ganancia de función, 181 edición de genes en pollos para prevenir la gripe aviar, 210 vectores de terapia génica, 320–321, 320f, 328, 380

gen xplA , 256

ADN cortador web, 84

rayos X, mutaciones, 73, 74f

Malas hierbas, 196, 197f, 200

X-SCID (síndrome de inmunodeficiencia combinada

Werrett, Dave, 225–226, 226f, 227f cultivos genéticamente modificados, 191t

XNAzimas, 126

Jacintos de agua, 247–248, 248f, 294 Watson, James, 54–55, 56, 81

cristalografía de rayos X, 144

severa ligada al cromosoma X), 328

WES (secuenciación del exoma completo), 307–308

X-STR (repeticiones cortas en tándem del cromosoma Xileno, 255

metagenómica, 173–174

Transferencia Western, 102–104, 103f, 142– 143, 143f

diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

Vacuna contra el virus del Nilo Occidental (WNV), 168, 169

Universidad de Yale, 186 Yamanaka, Shinya, 336

PACE (evolución continua asistida por fagos),

WGS. Ver Secuenciación del genoma completo (WGS) Trigo, 191t, 368 suero, 158

Cromosomas artificiales de levadura (YAC), 89– 90, 89t

Proyecto Microbioma Humano, 174–175 secuenciación de genes de patógenos marinos, 281

132–134, 133f pandemias, 170

Células blancas de la sangre. Ver células B (linfocitos B)

X), 231

Análisis del cromosoma Y, 231

Machine Translated by Google I-28

Índice

levaduras

etiquetas de alimentos genéticamente

fermentación, 23–24, 158–160, 159f

modificados, 199, 199f

vida sintética creación, 175; salmón transgénico, seguridad alimentaria y, 284

alimentos genéticamente modificados, 32 comparaciones de genes humanos, 299

cribado genético del cáncer de mama, 226

Zea canina, 24, 24f

pruebas genéticas, predicciones del destino, 309

Zea mays, 24, 24f Pez cebra, 24, 24f, 200, 282t, 284

Proyecto Microbioma Humano, 174–175 descripción general de, 152–153

Ver también biotecnología microbiana fiebre amarilla, 32 Cola amarilla, 271t

como modelo de cardiopatía, 219 pruebas genéticas, tema a considerar, 307

modelos de sistemas animales, 205–206, 205ft, 206f

edición del genoma, reparación de enfermedades genéticas, 381

mejillones cebra, 276

insectos transgénicos, liberación de, 369

Zhang, Feng, 382

Yescarta, 318

aprobación de trigo transgénico, 368

Virus Zika (ZIKV), 32, 369

Yogur, 158–160, 159f, 160 Yondelis, 288–289, 289t

embrión humano y edición de genes de línea

Tecnologías de Yorktown, 284 Yoshida, Shosuke, 264 Tú decides

pruebas de humanos a mascotas a humanos, 217

Yersinia pestis, bioterrorismo, 179–183, 180ft, 182t, 183f

acceso a productos biotecnológicos, 67 aceptación de órganos animales, 371

diagnóstico microbiano, 177–179, 178f, 179f

germinal, 325

Monsanto y control de semillas, 371 patentes de secuencias de genes y productos, 116

vacuna para, 168, 169, 170 cinc, 197 Nucleasas con dedos de zinc (ZFN), 108, 109f, 216, 323–326, 324f Zoetis, 213 Zoonosis, ataques con armas biológicas a los alimentos

datos de ensayos clínicos, acceso a, 373

genomas de patógenos en bases de datos públicas, 173

pruebas genéticas directas al consumidor, 315

PCB dilema del río Hudson, 261

Zooplancton, 278

prohibición de cultivos transgénicos, efecto de, 370

costos de desarrollo de fármacos, 129 ética en las decisiones empresariales, 367; contaminación de los peces y riesgos de contaminación

Puerto deportivo de Zostera, 292

secuenciación del genoma personal, 120 microbios recombinantes, impacto ambiental, 165

genética, 276;

Calabacín, 191t Cigoto, 59–60, 59f, 60f células madre embrionarias humanas (hESCs)

experimentos de “ganancia de función”, 181

medicina regenerativa, costos de, 374

edición de genes en pollos para prevenir la gripe aviar, 210

Roundup, toxicidad de, 200

medicamentos biotecnológicos genéricos, 45

fuentes, 182t

debates sobre células madre y clonación, 344–345

ES cells), 334–335, 334f microinyección pronuclear, 212, 212f Zymomonas mobilis, 183–184