Biotecnología. Diplomado Biotecnología ACAC Marzo 5, María Mercedes Zambrano Corporación Corpogen Bogotá

Transcripción

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2 Biotecnología Diplomado Biotecnología ACAC Marzo 5, 2016 María Mercedes Zambrano Corporación Corpogen Bogotá

3 Qué es la biotecnología?

4 Qué es la biotecnología? Se define generalmente como el uso de organismos vivientes para producir productos benéficos a la humanidad. Es la aplicación de organismos biológicos a procesos técnicos e industriales. Involucra el uso de microorganismos "novedosos" que han sido alterados o manipulados por humanos a través de técnicas de ingeniería genética. (U.S. EPA)

5 Qué es la biotecnología? El arte de explotar la biología / Recursos genéticos Incluye organismos y sus compuestos, extractos o ácidos nucléicos

6 Qué es la biotecnología? Recolección material biológico Búsqueda de atributos específicos Selección de candidatos Desarrollo de producto

7 Biotecnología Desarrollo de un producto comercial o Economía o Necesidades del mercado o Políticas nacionales/internacionales ( Colombia?) o Avances científicos y tecnológicos

8 La biotecnología data de hace muchos años Producción de vino y cerveza

9 La biotecnología data de hace muchos años Pan Productos lácteos

10 Algunos hechos en biotecnología AC 1789 Siglo / /6 Domesticación de cultivos y animales Producción de vino y cerveza / queso yogurt / pan Primera vacuna Jenner, viruela Proteínas, enzimas, ácidos nucleicos Introducción del término biotecnología Descubrimiento / Producción de penicilina a escala ind. Aislamiento de 1 a enzima de restricción Tecnología de ADN recombinante (Boyer & Cohen) Anticuerpos monoclonales Producción de insulina humana en E. coli (Genentech) Patente MOs gen. modificados/ animales transgénicos 1a vacuna recomb. (animales) / humanos - HiB

11 Algunos hechos en biotecnología 1983 Plásmido Ti modificado para transformar plantas 1983 Kary Mullis describe metodología de PCR 1988 Patente (US) para ratón modificado susceptible al cáncer 1990 Comienza proyecto genoma humano 1994 Ventas - tomate gen. mod Primer organismo secuenciado (H. influenza) 1997 Clonaje de un mamífero (oveja) Dolly 2003 Versión terminada del genoma humano: 20-25mil genes 2007 Células madres embrionarias a partir de piel Biología sintética: DNA y transplante de un genoma Células madre, secuenciación genómica-medicina

12 Varias disciplinas contribuyen a la biotecnología Bioquímica Biología Molecular Microbiología Biotecnología Biología Celular Ing. Química Genética

13 Historia de la biotecnología 1.Biotecnología tradicional Antes Agricultura, del ADN ganadería, recombinante fermentaciones artesanales 2.Biotecnología moderna (molecular) Después ADN recombinante del ADN recombinante (Ing. genética) Biología molecular

14 Tecnología del ADN recombinante ADN blanco Corte con ER Ligar Vector ADN Recombinante Introducir en organismo

15 Primer experimento en ADN recombinante Introducir un gen en un plásmido Cohen & Boyer, 1973

16 Carátula de revista TIME Científicos "interviniendo" con la vida

17 Nuevas tecnologías Manipulación del ADN Manipulación / expresión de proteínas Clonaje Secuenciación Re-construcción genomas Síntesis / Ensamblaje de genes

18 Debates recientes Biología sintética Células madre Clonaje Manipulación del ADN CRISPR / CAS

19 Biotecnología Biotecnología blanca Biotecnología azul Biotecnología verde Biotecnología roja Industrial Medio ambiente Agrícola Salud Biotecnología del futuro

20 Usos de la Biotecnología Salud - vacunas, diagnósticos, anticuerpos Agricultura - cultivo tejidos, germoplasma, bioinsecticidas Alimentos/bebidas - transgénicos, enzimas Productos químicos - ácidos Energía - etanol/metanol/biodiesel Medio ambiente - biorremediación, biosensores

21 Síntesis de productos Agentes terapéuticos Hormonas, insulina, interleukinas Biopolímeros Adhesivo (de mejillones) Polihidroxialcanoatos (plásticos) Antibióticos Tradicionales, modificados Industria Quimiosina / lactasa

22 Quimosina recombinante ADN Copia del gen para la quimosina Células de ternero Gen para quimosina insertado en plásmido Quimosina de levaduras modificadas Ternero Plásmido en levaduras

23 Plásticos biodegradables Polihidroxialcanoatos polímero sintetizado por bacterias

24 Diagnósticos moleculares Anticuerpos monoclonales Detección de hormonas, tumores, Enfermedades infecciosas Diagnósticos de enfermedades Infecciosas Hereditarias (Anemia falciforme)

25 Diagnósticos moleculares Infecciones hospitalarias Cáncer

26 Plantas Transgénicas Introducir genes para nuevas características (ej., resistencias)

27 Plantas Transgénicas Resistencia a patógenos Resistencia a herbicidas Tolerancia a estrés salinidad senescencia (Tomate FlavrSavr) Pigmentación de flores Modificación de contenido nutricional Plantas como biorreactores

28 Plantas Transgénicas o Tomate Flavr Savr (1994) Retarda la maduración Almacenamiento y duración Elevados costos / Falta de experiencia: no perduró

29 o Arroz dorado (1999) Suizos y Alemanes: Contiene b-caroteno (vitamina A)

30 o Flores transgénicas Clavel azul (gen de la petunia)

31 Microorganismos - Agricultura o Promueven crecimiento de plantas Rhizobium fijación de nitrógeno o Biocontrol P. fluorescens Trichoderma - Fusarium oxysporum

32 Microorganismos - Agricultura o Producción de pesticidas B. thuringiensis Cristales insecticidas (Cry) Plantas resistentes

33 Bioprospección / biotecnología Qué es la bioprospección?

34 Qué es la bioprospección? Búsqueda sistemática de genes, compuestos, diseños y organismos que pueden tener un potencial uso económico y llevar al desarrollo de un producto. El proceso de descubrir y comercializar nuevos productos con base en recursos biológicos.

35 Qué es la bioprospección? Búsqueda sistemática de genes, compuestos, diseños y organismos que pueden tener un potencial uso económico y llevar al desarrollo de un producto. El proceso de descubrir y comercializar nuevos productos con base en recursos biológicos.

36 Convenio sobre Diversidad Biológica CDB (1992) 1. Conservar la diversidad biológica 2. Utilizar sosteniblemente los recursos 3. Garantizar la participación justa y equitativa de los beneficios que se deriven de la utilización de los recursos biológicos y genéticos Reglamenta el acceso a los recursos genéticos y establece que los Estados poseen derechos soberanos sobre sus recursos naturales Melgarejo 2013

37 Qué es la bioprospección? Prospección de la biodiversidad Biodiversidad: todos los seres vivientes (plantas, animales, insectos, microorganismos, etc) Aspectos importantes: Conservación vs. explotación Desconfianza y biopiratería Claridad legal y respeto: Origen del material Conocimiento tradicional Regulaciones y cumplimiento

38 Bioprospección Dónde buscar nuevos productos?

39 Bioprospección Dónde buscar nuevos productos? o o o o Producto final Alta biodiversidad Sitios poco explorados Condiciones extremas

40 Microorganismos Bioprospección / biotecnología Diversidad microbiana Búsqueda de nuevos productos

41 Enzimas - biotecnología o Catalizadores de alta especificidad o Mejoran eficiencia y productividad o Mercado global 3.6 mil millones USD (2010) Alimentos y bebidas Agricultura Detergentes y aseo Farmacéutica Aplicaciones biotecnológicas

42 Enzimas - biotecnología - Enzimas para biotecnología: Lipasas, esterasas, quitinasas.. - Bioproductos: Antibióticos, drogas

43 La PCR y la Taq polimerasa Mushroom spring en Yellowstone Microorganismos capaces de sobrevivir altas temperaturas

44 La PCR y la Taq polimerasa Thermus aquaticus Enzimas termoestables

45 La PCR y la Taq polimerasa Primeros intentos - DNA polimerasa de E. coli - Añadir polimerasa en cada ciclo! Taq polimerasa - Termoestable (Thermus aquaticus) Patente Hoffmann-LaRoche ( > $300 millones): Derechos sobre la Taq polimerasa y sobre la técnica de PCR (Gelfand, Mullis)

46 Trabajo en Parque Yellowstone Thomas D. Brock Diversidad microbiana en ambientes extremos Termófilos / Extremófilos Bioprospección microbiana Truly, one does not know where a research study will lead! En realidad uno no sabe a donde puede conducir la investigación Brock, Genetics, 1997

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48 Biotecnología Bases de la vida

49 Biotecnología Bases de la vida Células Material genético

50 La célula Unidad estructural Funciones: crecimiento, reproducción o Replicación del material genético o Funcionamiento síntesis de macromoléculas o Traducir información (genes proteínas) Información: ADN (material genético) Flujo de información: ADN a proteínas

51 Qué es una célula? Separación del ambiente membrana Funciones asociadas con vida

52 Qué es una célula? Separación del ambiente membrana Funciones asociadas con vida Diferentes tipos de células Organismos, tejidos, etc Unicelulares - organismos compuestos por una célula Multicelulares - organismos compuestos por muchas células

53 Células Cuál es su función? Cómo crecen y se multiplican? Cómo consiguen y utilizan energía? Cómo se desarrollan? Cómo responden a cambios ambientales?

54 Células ambiente Separación del ambiente Necesario para la vida Membranas

55 Células - organización Membranas Organización interna organelos Organización multicelular

56 Células - organización Diferentes tipos de células Multicelulares Unicelulares (Microorganismos)

57 Células - organización Funciones necesarias para vida Energía Crecimiento Desarrollo Reproducción Nutrientes Interacción con el ambiente - células, organismos - condiciones ambientales

58 Células Unidad estructural Funciones vida: crecimiento, reproducción o Crecimiento o Desarrollo o Respuestas Información: ADN (material genético) Flujo de información: ADN a proteínas

59 ADN es el material genético

60 ADN es el material genético Células eucariotas Células procariotas

61 Nucleótidos

62 Bases nitrogenadas

63 Azúcares

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66 Enlace s

67 Enlace s 5 3

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69 Direccionalidad 5 3

70 Flujo de información Gen Acidos nucléicos Aminoácidos Proteína

71 Flujo de información Gen Código genético Acidos nucléicos Aminoácidos Proteína Función

72 Dogma central de la biología molecular Transcripción Traducción Replicación ADN ARN Proteína Transcripción Reversa Procesos de regulación (en diferentes pasos)

73 Flujo de información Replicación DNA mrna Traducción (Síntesis de proteínas) Transcripción (Síntesis de RNA) Ribosom a Proteína

74 1. Replicación del ADN Mantiene la información Molécula estable Proceso regulado (ciclo celular)

75 5' 3' Estructura del ADN Mecanismo de replicación 3' 5'

76 Replicación - resumen o Origen de replicación Sitio de inicio (reconocimiento) Ori o Horquillas de replicación Se abre el ADN para inciar replicación Enzima helicasa o Polimerización Síntesis de nueva cadena o Terminación Horquilla replicación

77 Esquema general

78 Replicación proceso regulado o Inicio de la replicación Iniciación en momento indicado o Segregación de cromosomas Coordinación con división o Coordinación con ciclo celular Exito del proceso

79 Replicación proceso regulado o Inicio de la replicación Iniciación en momento indicado o Segregación de cromosomas Coordinación con división o Coordinación con ciclo celular Exito del proceso Las cadenas de ADN son complementarias Cada una sirve para síntesis de su complementaria: replicación

80 2. Transcripción Comienza el flujo de información ADN (Gen) ARN (ARNm)

81 Diferentes tipos de RNA: RNA mensajero mrna Transcripción RNA ribosomal rrna RNA de transferencia Síntesis de proteínas trna

82 Genes en el genoma (ADN) de un organismo Thierry Garnier et al. PNAS 2003;100:

83 Genes en el genoma (ADN) de un organismo

84 Genes contienen información de un organismo Cuales escoger? Dónde comenzar?

85 Expresión regulada Genoma Gen Región intergénica Gen Regiones y señales para expresión adecuada

86 Expresión regulada (Requerido para expresar un gen/información) ADN Sitio de inicio (Promotor) Terminador

87 Expresión regulada (Requerido para expresar un gen/información) ADN Sitio de inicio (Promotor) Terminador mrna Corriente arriba Corriente abajo

88 ADN ADN Cadena codificante Cadena templado mrna ATTACGACCTACGCATTACGAATGC TAATGCTGGATGCGTAATGCTTACG AUUACGACCUACGCAUUACGAAUGC 3

89 ADN ADN Cadena codificante Cadena templado mrna ATTACGACCTACGCATTACGAATGC TAATGCTGGATGCGTAATGCTTACG AUUACGACCUACGCAUUACGAAUGC 3 Las cadenas de ADN tienen información (genes) Información se transfiere del ADN a ARNm (intermediario)

90 Reconocimiento inicio Tx (Requerido para expresar un gen/información) ADN RNA polimerasa Reconocimiento específico Promotor mrna Terminador

91 Reconocimiento inicio Tx (Requerido para expresar un gen/información) ADN RNA polimerasa Reconocimiento específico Promotor mrna Terminador RNA polimerasa + factores adicionales (proteínas) - inicio Proceso regulado

92 Síntesis del mrna Iniciación RNA polimerasa Elongación Cadena creciente Terminación Cadena mrna

93 Síntesis y procesamiento del mrna Procariotes Eucariotes Diferentes tipos células

94 Splicing en eucariotes Intrones DNA Exones maduro

95 3. Traducción mrna Proteína

96 3. Traducción mrna Ribosoma Codones (mrna) Proteína naciente Proteína

97 Elementos importantes en la traducción o mrna Región codificante (marco abierto de lectura) 5' Inicio Fin 3' o Ribosomas Fábricas de producción o trnas Moléculas adaptadoras (introducen aa)

98 Inicio de la traducción mrna RBS Unión del ribosoma Iniciación en el primer codón

99 El mrna se lee en codones (tripletas) ACG GGA GTT ATG AAC CTC CCT ACC TGC CCA CAA TAC TTG GAG GGA TGG DNA ACG GGA GUU AUG AAC CUC CCU ACC RNA T G V M N L P T Proteína

100 El código genético es (casi) universal

101 trna

102 Reconocimiento codón - anticodón

103 Terminación de la transcripción RBS RBS mrna

104 Esquema de la traducción

105 Regulación de la expresión NUCLEO CITOSOL DNA RNA transcrito mrna RNA Control transporte mrna Control Traducción Proteína Actividad proteíca Proteína inactiva Control Transcripcional RNA Control procesamiento Poro nuclear Envoltura nuclear Ocurre a diferentes niveles

106 Dogma central de la biología molecular Transcripción Traducción Replicación ADN ARN Proteína Transcripción Reversa

107 Biotecnología Introducción Tecnologías Bioprospección Procesos celulares Conocimiento para aprovechamiento

108 María Mercedes Zambrano Corporación Corpogen - Bogotá mzambrano@corpogen.org

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