GENS I BIOTECNOLOGIA

1.Què és la biotecnologia?

•IOGURT

•PA

•PENICIL.LINA

•VACUNA DE LA MALARIA

•IOGURT:Algunes especies de bacteris dels gèneres Lactobacillus i Streptococcus utilitzen la lactosa (sucre de la llet) com a font d’energia, i produeixen àcid làctic com a producte de rebuig. La coagulació de la llet és degut a la baixada del pH que provoca la precipitació de les proteïnes

•PA:(Louis Pasteur) El llevat Saccharomyces cerevisiae fa una fermentació alcohòlica el resultat de la qual és l'etanol en forma de gas i CO2. El gas alliberat fa que la massa del pa s'infli, augmentant-ne de volum, mentre que l'alcohol etílic s'evapora durant l'enfornat del pa, a causa de les temperatures assolides al seu interior.

•PENICIL.LINA: (Alexander Fleming, 1928) La penicil.lina és un antibiótic que s’utilitza en el tractament d’infeccions. Els antibiòtics són substàncies químiques elaborades per alguns microorganismes, que danyen o maten a uns altres microorganismes

•VACUNA DE LA MALARIA:Aquesta malaltia és causada per diferents sp. del gènere Plasmodium. L’insecte vector són diverses espècies del gènere Anopheles.


L’ORIGEN de la Biotecnologia remunta a l’antiguitat, en què es van desenvolupar els

processos de fermentació tradicional per produir

pa, cervesa, vi o formatge. En el

desenvolupament de l’agricultura i el

cultiu de plantes i en el desenvolupament de

la ramaderia, també s’hi van utilitzar tècniques

biotecnològiques.


DEFINICIÓ: Ús d’organismes vius (plantes, animals o microorganismes) per PRODUIR o MODIFICAR productes o processos destinats a usos específics.

BIOTECNOLOGIA TRADICIONAL: es basa en la generació de noves combinacions genètiques a l’atzar i una selecció posterior. Ex: selecció de varietats vegetals o races d’animals, que s’han fet des de l’antiguitat, per incrementar-ne la resistència davant les condicions ambientals o millorar-ne la producció.

BIOTECNOLOGIA MODERNA: Utilitza l’enginyeria genètica.


2.El desenvolupament de la biotecnologia moderna

Ha estat possible gràcies als avenços en:

2.1 Cultius de microorganismes.

2.2. Cultius cel·lulars.

2.3. Coneixements del material genètic, tècniques de manipulació, modificació i transferència de l’ADN (ENGINYERIA GENÈTICA).


2.1 Avenços en cultius de microorganismes

6000 a.c. Fermentació de cervesa a Babilonia

4000a.C Elaboració de pa per egipcis

1400 Destil.lació de licors a la Xina

1687 Descripció de microorganismes

(Leuweenhoek)

1873 Fermentació (Pasteur)

1883 Primer cultiu pur del llevat de la cervesa (Hansen)

1897 Descobriment dels enzims


2.1 Avenços en cultius de microorganismes

Busquem???:

Com es fa la cervesa i el vi?(substrat, organisme que hi actua, temperatura, temps, productes de la fermentació...)

Es desenvolupen tècniques per: aïllar, identificar i cultivar microorganismes al laboratori.

Alguns microorganismes INNOCUS s’utilitzen com a productors de molècules d’interès. Ex.: Fong Penicillium (Penicil·lina), llevats (pa, vi, etc)


2.1 Avenços en cultius cel·lulars

A. 1951, HeLa: primera línia de cèl·lules humanes. S’obtenen mitjançant una operació quirúrgica a Henrietta Lacks (d'aquí el nom), una dona a la qual s'extreuen cèl·lules d'un carcinoma de l'úter amb la intenció d'avaluar-ne la malignitat.



B. La fecundació in vitro:

mira el blog!!!

Les cèl·lules que formen una persona no són immortals. S’estima que cada dia es desprenen i recanvien uns 100.000 milions de cèl·lules. Les cèl·lules noves es creen mitjançant la divisió de cèl·lules preexistents, (reproducció cel·lular): d’una cèl·lula es generen dues cèl·lules filles iguals a la primera.



C. Cèl·lules mare:

Són cèl·lules mares especialitzades. Tots els teixits mantenen una reserva de cèl·lules que encara no s'han especialitzat en una funció concreta (no s'han diferenciat) i que no han perdut la capacitat de reproduir-se. Aquestes cèl·lules són les anomenades cèl·lules mare de teixit i es troben en una quantitat més o menys gran segons els teixits.

Les cèl·lules mare de teixit són indiferenciades, però ja estan determinades, és a dir, només poden convertir-se en cèl·lules adultes del teixit del qual formen part. Són MULTIPOTENTS.

C.1. Cèl·lules mare adultes




C.1.Cèl·lules mare adultes


multipotents

El sisè dia del desenvolupament embrionari, l'embrió humà és com una pilota de cèl·lules. L'embrió, en aquesta fase, rep el nom de blastocist.

Les cèl·lules que formen la massa interna del blastocist estan destinades a generar qualsevol tipus cel·lular del futur individu. Es diu que són cèl·lules indiferenciades PLURIPOTENTS. Són les cèl·lules mare embrionàries.



C.2. Cèl·lules mare embrionàries:


C.2. Cèl·lules mare embrionàries::


Cèl·lules pluripotents


C.2.Cèl·lules mare embrionàries


1998: 1r cultiu de cèl·lules embrionàries humanes. Són PLURIPOTENCIALS. Poden ser induïdes “in vitro” a diferenciar-se en qualsevol tipus cel·lular. Aplicació: regeneració de teixits.

DILEMA ÈTIC: provenen d’embrions (sobrants de processos de reproducció assistida o de clonatge terapèutic)


C.2.Cèl·lules Mare Pluripotents Induïdes (IPS)


Són una alternativa a les cèl·lules mare embrionàries.Les cèl·lules de teixits es transformen en cèl·lules mare pluripotents.S’obtenen inserint, mitjançant un retrovirus, gens que codifiquen factors de transcripció al nucli de les cèl·lules de la pell. D’aquesta manera les cèl·lules es reprogramen i tenen totes les propietats de les cèl·lules mare embrionàries.Riscos: aparició de tumors.

La genètica sorgeix amb els treballs Gregor Mendel (1822-1884). Va demostrar que les característiques heretades són transmeses de generació en generació per factors hereditaris (que més endavant seran anomenats GENS).


2.3 Avenços en material genètic

Mendel va treballar amb diferents espècies de pesoleres



Podem marcar el 1900 com l’any del naixement de la genètica, ja que va ser quan es varen redescobrir les lleis d’en Mendel, i es va modificar, la forma de pensar i d’experimentar dels científics dedicats als problemes de l'herència.

Genetistes famosos com William Bateson (1861-1926) es donaria a conèixer per la introducció i defensa del mendelisme en Anglaterra. Bateson seria també el que donaria solidesa al terme de genètica en 1906.



TEORIA CROMOSÒMICA DE L’HERÈNCIA: La iniciació d’aquesta teoria és deguda a Sutton i BoveriSutton i Boveri, a principis del s. XX, que tracten de relacionar les seves observacions citològiques amb les conclusions derivades del treball de Mendel.



La teoria cromosòmica de l’herència es pot resumir en els següents punts:

Els gens estan situats en els cromosomes.

L’ordenació dels gens sobre els cromosomes, és lineal.

Al fenomen genètic de la recombinació li correspon un fenomen citològic d’intercanvi de segments cromosòmics.




2.3 Avenços en material genètic: ADNL’ADN és la biomolècula encarregada d’emmegatzemar la informació genètica de la cèl·lula.Es troba al nucli de totes les cèl·lules eucariotes i forma part dels cromosomes.Pertany al grup dels àcids nuclèicsEstà format per la unió de petites unitats anomenades nucleòtids.Els nucleòtids es formen per la unió de 3 molècules:

- Monosacàrid (sucre)- Base nitrogenada- Àcid fosfòric


2.3 Avenços en material genètic: ADN



I com sabem que l’ADN conté informació genètica?

A finals del s.XIX s’aconseguí aïllar el compost que forma els cromosomes i va resultar ser una substància desconeguda fins al moment que es va anomenar ADN.

Les investigacions sobre l’estructura del ADN varen culminar en 1953 amb la publicació del model de doble hèlice de Watson i Crick


2.3 Avenços en material genètic: ADN La doble hèlix d’ADN es

considera el major descobriment biològic del s. XX fet pels científics James Watson i Francis Crick en Abril de 1953.

El descobriment de la seva estructura molecular va marcar l’inici d’una nova revolució científic: LA REVOLUCIÓ GENÈTICA O DE L’ADN.

La doble hèlix es va convertir ràpidament en el focus de la ciència moderna i va desenvolupar en tota una sèrie de descobriments científics que varen venir acompanyats del descobriment de noves tecnologies.



Watson i Crick varen descobrir que l’ADN estava format per dues cadenes de nucleòtids amb les bases nitrogenades disposades cap a l’interior. Les bases de cada cadena estaven aparellades, unides, amb les de l’altra. L’adenina (A)- timina(T) guanina(G) - citosina(C). Així, la seqüència de bases d’una cadena estaria determinada per l’altre. Ambdues cadenes serien complementàries i antiparal·leles.


2.3 Avenços en material genètic: En el moment en què es va identificar el material

genètic, era necessari definir les "unitats hereditàries" de les que va parlar Mendel.

Actualment s’anomenen gens i es poden definir com:

Segments d’ADN que contenen la informació necessària per a, mitjançant la transcripció i traducció, sintetitzar una proteïna.

Son las unitats estructurals i funcionals de l'herència, transmeses de pares a fills a través dels gàmetes i regulen la manifestació dels caràcters heretables.


2.3 Avenços en material genètic:

Gen. És una part del cromosoma que conté informació per a un caràcter.

Exemples de caràcters hereditaris: miopia hereditària, grups sanguinis, factor Rh, el color de la pell dels pèsols, dels ulls,...



Al·lel. Les diferents variants que pot tenir un

gen d’un caràcter.

Exemple: El gen que regula el color de la llavor del pèsol,

presenta dos al·lels: Un que determina color groc (A)

L’altre que determina color verd. (a)



Genotip. És el conjunt de gens que conte un organisme heretat dels seus progenitors. En organismes diploides, la meitat dels gens s'hereten del pare i l’altra meitat de la mare.

Fenotip. Es la manifestació externa del genotip, es a

dir, la suma dels caràcters observables en un individu. El fenotip és el resultat de la interacció entre el genotip i l’ambient.

L’ambient d’un gen el formen els altres gens, el citoplasma cel·lular i el medi extern on es desenvolupa l’individu.

Locus. És el lloc que ocupa cada gen al llarg d’un cromosoma (el plural es loci).



Un gen s'expressa quan es descodifica, es a dir, quan es transcriu i es tradueix i origina la proteïna que codifica.

Dogma de la biologia molecular.

EXPRESSIÓ GENÈTICA La informació de l’ADN,

continguda en els gens, s’expressa en forma de proteïnes utilitzant com intermediari l’ARNm.

El llenguatge de nucleòtids (ADN) es converteix en els aminoàcids que constitueixen les proteïnes de tots els organismes.

Codi genètic

La vida s’escriu amb 64 paraules de tres lletres (i n’hi ha quatre lletres diferents).

EL CODI GENÈTIC ÉS UNIVERSAL.

Què és el genoma?

El genoma és el conjunt del material hereditari d’un organisme, la seqüència de nucleòtids que especifiquen les instruccions genètiques per al seu desenvolupament i funcionament i que són transmeses de generació en generació, de pares a fills.A més dels gens pròpiament dits, s’hi inclouen regions espaiadores, regions reguladores i moltes seqüències més de funció o paper encara desconegut, si és que en tenen cap. De fet, en el genoma humà només l’1,5% del material hereditari té una funció codificant (correspon als gens).

El Projecte Genoma Humà (PGH) és un projecte Internacional, que té per objectiu desxifrar la seqüència de tot el genoma humà i obtenir-ne uns descripció completa.

El projecte genoma humà

Elaborar mapes detallats dels cromosomes humans per facilitar l’estudi del gens.

Desenvolupar noves tècniques per accelerar i abaratir el cost del projecte.

Desenvolupar eines informàtiques per poder emmagatzemar i analitzar totes les dades obtingudes.

Objectius del PGH

El PGH va néixer en 1990 com a Consorci públic, liderat per organismes públics dels Estats Units i sota la direcció de James Watson (descobridor de la doble hèlix d’ADN)..


L’any 1996 un dels fundadors del PGH; Craig Venter, va fundar Celera Genomics. Aquesta empresa, financiada amb capital privats, va iniciar en 1999 la seqüènciació del genoma utilitzant una estratègia diferent i amb potents ordinadors. Així va poder concluir el seu esborrany tan sols un any més tard, i va provovar accelerar els treballs al consorci públic.


El 14 d’Abril del 2003, el Consorci Internacional per a la Seqüènciació del Genoma Humà va anunciar que havia aconseguit desxifrar 99% del genoma humà.

La presentació de la seqüència del genoma es va publicar de manera simultània en les revistes científiques Science i Nature.


Què cal fer amb tota aquesta informació?

- Ordenar-la - Agrupar-la per cromosomes - Interpretar-ne el missatge: Identificar els gens i concretar per a què serveixen.


El genoma Humà conté uns 3200 milions de parelles de bases.

Només el 2% del Genoma conté gens, és a dir, información per fabricar proteïnes.

Un percentatge molt alt és “ADN brossa” (no es coneix amb exactitud quina és la seva funció).

És pràcticament el mateix per a totes les persones. Només el 0.1% ens diferencia d’unes persones a unes altres.

Conté uns 25000 gens, un nombre semblant al que tenen un ximpancé o un ratolí, i es desconeix la funció de quasi la meitat d’ells.

Característiques del Genoma humà

El PGH crea debat:

I la protecció de la intimitat genètica?

La difusió de dades delicades en àmbit familiar, educatiu…

Les proves genètiques poden “marcar a les persones”

Les indústries poden seleccionar al seu personal amb base a la seva “salut genètica”.

Les companyies d’assegurances poden utilitzar les dades genètiques per al seu profit, i causar l’aparició del concepte de “malalt potencial”.

Problemes ètics i jurídics entorn del PGH

Tècniques d’enginyeria genètica

ENGINYERIA GENÈTICA: Manipulació de l’ADN d’un organisme per aconseguir un objectiu pràctic.

Aquesta tecnologia es duu a terme per mitjà de la transferència d’un o més gens d’un organisme a un altre, que pot ser de la mateixa espècie o d’una altra.

ORGANISME TRANSGÈNIC: aquell al qual s’ha modificat el genoma amb gens procedents d’altres organismes.

ADN RECOMBINANT: ADN sintetitzat de manera artificial amb la unió d’ADN d’orígens diferents.


Eines necessàries per a la manipulació de gens:

• Enzim de restricció: Proteïnes bacterianes que tallen en punts concrets.

•Vector de transferència: Agent que transfereix un segment d’ADN d’un organisme a un altre. Ex. Virus, plasmidis, agrobacterium.

•ADN ligases: enzims encarregats d’unir gragments d’ADN.

•PCR: (Polimerase Chain Reaction). Permet amplificar (fer moltes còpies) d'un fragment d'ADN ADN RECOMBINANT

Síntesi artificial d’ADN


1. Localització i aïllament del gen que es vol transferir.

3. Unió de l’ADN triat a l’ADN del vector.

2. Selecció del vector.

4. Inserció del vector amb el gen transferit en la cèl·lula hoste.

5. Multiplicació de l’organisme transgènic.

Quina utilitat té l’enginyeria genètica i el

PGH ?

1. Avenç en els diagnòstics:

Permet accelerar la identificació dels gens causants de les malalties (desenvolupament d’eines per al diagnòstic de persones portadores del gens defectuosos).

* Les malalties que tenen l’origen en els gens defectuosos que ha heretat un individu s’anomenen Malalties gèniques o hereditàries (Hemofília, Fibrosi quística o la síndrome de Down); en alguns casos, la presència d’alguns d’aquests gens predisposa a patir unes malalties determinades com el Càncer o la Diabetes.


PGH?

1. Avenç en els diagnòstics:

Ex: La síndrome de Down és un trastorn genètic heretable produït per una trisomia al cromosoma 21 (diagnòstic prenatal).

Cariotip d’una persona normal Cariotip d’una persona amb la síndrome de Down


PGH?

2.1.Disseny d’organismes per fabricar insulina

2. Desenvolupament de la teràpia farmacològica:


PGH?

2.2. Creació de vacunes recombinants

2. Desenvolupament de la teràpia farmacològica:


PGH?

Tractament biomèdic mitjançant la qual s’insereix un gen funcional en les cèl·lules del pacient, amb la finalitat de corregir malalties causades per alteracions genètiques (~3.000)

Hi ha 2 vies per a introduir els gens: - “in vivo”: Inoculació directa dels gens modificats

en el teixit del pacient.- “ex vivo”: Es realitza al laboratori. Extracció de

cèl·lules del pacient, tractament, cultiu i trasplantament.


PGH?3. Desenvolupament de la teràpia gènica:

Teràpia gènica “in vivo”: Inoculació directa dels gens modificats en el teixit del pacient.

3. Desenvolupament de la teràpia gènica:


PGH?

Teràpia gènica “ex vivo”

Un malalt té problemes en la fabricació d’una determinada substància codificada per un gen incorrecte.S’usen virus modificats als quals s’ha inserit el gen correcte per introduir-lo a les cèl·lules del pacient.Un cop s’ha aconseguit un cultiu de cèl·lules modificades, es tornen al pacient, on el gen començarà a treballar correctament.



2002, París. Teràpia gènica per a corregir la immunodeficiència combinada greu (malaltia dels “nens bombolla”). Aquests nens tenen un gen implicat en la producció de limfòcits defectuós (enzim ADA). Mitjançant un virus se’ls va introduir el gen que els faltava. Tècnica ex vivo.Risc: aparició de tumors (activació d’oncogens)


PGH?




PGH?

Avantatges: El pacient deixa de necessitar tractament. Només cal introduir el gen normal a algunes

cèl·lulesInconvenients:

Molt difícil a la pràctica (èxit amb cèl·lules sanguínies i epitelials)

Les cèl·lules poden ser difícils d'obtenir o de reproduir (diferenciades).

El pacient pot transmetre la malaltia als fills.


Clonatge

CLONACIÓ: Obtenció de còpies genèticament idèntiques d’un fragment d’ADN, un grup de cèl·lules o un individu.

Clonatge

1. Clonatge reproductiu per divisió de l’embrió:

Tècnicament permetria conservar cèl·lules mare pròpies.

Problemes: cal fer FIV (Fecundació in vitro)

Avantatges: font de cèl·lules genèticament i immunològicament compatibles amb la persona adulta.

S’extreu el nucli d’una cèl·lula adulta amb la informació que volem clonar, i s’inserta en un òvul sense nucli. L’òvul amb el nou nucli s’implanta en la mare per a la gestació

Clonatge

2. Clonatge reproductiu per transferència nuclear:

2.1 Dolly:(1996)

Clonatge

L’any 2004 s’obté el primer embrió humà per transferència nuclear. Aquest tipus de clonació està prohibit en majoria de països per respecte a la dignitat

2.1 Clonatge humà

2. Clonatge reproductiu per transferència nuclear:

Clonatge

Aplicacions:

1 i 2. Clonatge reproductiu:

Estudi de malalties humanes (transgènesi) Xenotransplantaments (supressió gens HLA) Medicaments: llet amb factor de coagulació Ramaderia i agricultura: introducció gens

resistència. Problema: disminució de la biodiversitat.

Conservació d'espècies en perill d'extinció Clonatge d'animals de companyia: “Genetic

Savings & Clone”, 2004, 50.000$ gat.

Clonatge

2. Clonatge terapèutic:

Consisteix en combinar la tècnica de clonació amb la d’obtenció de cèl·lules mare embrionàries, per a curar a adults que tinguin una malaltia que es pugui curar mitjançant trasplantament cel·lular.

Clonatge


Aquesta tècnica permetria tractar patologies diverses:Malaltia d’Alzheimer, Parkinson, diabetes, medul·la espinal danyada, …

Clonatge


Avantatges:-No hi ha risc de rebuig, ja que les cèl·lules (embrió) provenen del propi pacient.-Font il·limitada de teixits, ja que els cultius cel·lulars es poden mantenir congelats.

Inconvenients.-Dilemes ètics (ús embrions)-Tècnica encara no operativa (dificultats tècniques). Èxit en ratolins (2008)

GENS I BIOTECNOLOGIA

Documents

Transcript of GENS I BIOTECNOLOGIA