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12.4. Biotecnología

Biotecnología

Algunas definiciones sobre biotecnología y microbiología que puede resultar útil repasarlas para preparar la prueba de acceso a la universidad son:

Biotecnología

Se puede definir biotecnología como el conjunto de técnicas que utilizan organismos vivos o sus componentes para la obtención de productos, bienes y servicios útiles para las personas. 

Biorremediación

La biorremediación (o remediación biológica) es cualquier proceso biotecnológico que utiliza microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para recuperar un medio ambiente alterado por contaminantes a su estado natural. La biorremediación es una parte de la biotecnología ambiental que aprovecha la diversidad de los organismos y su potencial metabólico para el tratamiento de residuos o la eliminación de contaminantes orgánicos o inorgánicos.

La biorremediación puede tener muchas utilidades:

  • Uso de microorganismos en la eliminación de mareas negras, herbicidas o pesticidas.
  • Depuración de aguas residuales y compostaje.
  • Lixiviación microbiana o biolixiviación. En menas con baja concentración de metal se utilizan bacterias como Thiobacillus ferrooxidans para solubilizar los metales y que precipiten en otro lugar.
  • Bioacumulación (líquenes, musgos, etc...)
  • Control de plagas.

Microorganismos en la industria

Los microorganismos son utilizados en distintos procesos industriales:

  • Industria farmacéutica:
    • Síntesis de antibióticos. Los antibióticos son sustancias producidas por hongos y bacterias que matan o impiden que crezcan otros microorganismos. Fueron descubiertos cuando en 1929, Alexander Fleming observó que en una placa en la que había un cultivo de la bacteria Staphylococcus aureus que había sido contaminada por un hongo (Penicillium notattum) esas bacterias no crecían.
    • Síntesis de hormonas. Las bacterias Escherichia coli se usan para la producción de insulina.
    • Síntesis de interferón. Los interferones son proteínas que intervienen en el sistema inmunológico y que pueden ser producidas por bacterias a nivel industrial.
    • Síntesis de vacunas y anticuerpos.
    • Síntesis de vitaminas, aminoácidos y enzimas.
      • Vitaminas. Algunas vitaminas, como la vitamina B12, se producen industrialmente a partir de las bacterias Pseudomonas y Propioniobacterium.
      • Aminoácidos. Aminoácidos como el ácido glutámico, la lisina, la glicina, la metionina y la alanina, útiles en la industria alimentaria, son producidos por bacterias de los géneros Corynebacterium y Brevibacterium.
      • Enzimas. Diversos hongos y bacterias producen enzimas como proteasas, amilasas, renina, etc.
  • Industria alimentaria.
  • Industria energética. Síntesis de bioalcoholes, biogás o gas natural y bioaceites.

Ingeniería genética

La ingeniería genética es la manipulación directa de los genes de un organismo usando la biotecnología para modificar los genes, eliminarlos o duplicarlos para alterar la composición genética de un organismo. Se trata de un conjunto de técnicas usadas para cambiar las características de un organismo modificando su material genético, manipulando directamente sus genes, combinando diferentes moléculas de ADN, insertando nuevos genes, eliminándolos o incluyendo varias copias.

Los avances en la manipulación de genes ha permitido obtener microorganismos que produzcan moléculas importantes para los humanos, como hormonas proteicas, proteínas no hormonales, vacunas, interferón, e interleucinas.

La ingeniería genética de microorganismos se basa en introducir el gen encargado de la producción de una determinada molécula que se pretende conseguir, procedente del ADN donante, en el material genético de una bacteria, normalmente plásmidos. Después, las bacterias pueden producir dicha molécula. 

Las enzimas endonucleasas de restricción se encargan de romper el enlace entre los nucleótidos por el sitio específico. Los fragmentos del ADN donante se unen con los plásmidos rotos formando plásmidos recombinantes que contienen el ADN donante.

Algunos conceptos importantes:

  • ADN recombinante: El ADN recombinante es una molécula de ADN artificial creada en laboratorio por la unión de secuencias de ADN provenientes de dos organismos distintos. Al introducir este ADN recombinante en un organismo, se modifica su información genética y se alteran los rasgos existentes o aparecen nuevas características. La producción de una proteína no presente en un organismo determinado y producidas a partir de ADN recombinante, se llaman proteínas recombinantes.
  • Enzimas de restricción: las enzimas de restricción (o endonucleasa de restricción) son enzimas capaces de reconocer una secuencia determinada de nucleótidos dentro de una molécula de ADN y cortar en ese punto concreto. A este punto de corte se le llama sitio o diana de restricción. El corte se produce por hidrólisis del enlace fosfodiéster entre nucleótidos. Después, las ADN-ligasas son las enzimas que unirán los extremos de los fragmentos de ADN generados por las endonucleasas de restricción.
  • Vectores: Un vector génico es un agente que transfiere información genética, por algún medio, de un organismo a otro, normalmente un virus o un plásmido. En biotecnología, se utiliza un vector de clonación para llevar el ADN recombinante desde una célula donadora hasta otra célula receptora a la que se le inserta el gen que se quiere transferir. Después, se infecta la célula hospedadora con ese vector recombinante obteniéndose la célula transgénica. Por tanto, los vectores de clonación son moléculas de ADN capaces de transportar ADN extraño y replicarse dentro de un organismo hospedador.
  • PCR o Reacción en Cadena de la Polimerasa: mecanismo por el que se consigue obtener gran número de copias de un gen o fragmento de ADN.

OMG, organismos genéticamente modificados

Los organismos a los que se les ha aplicado la ingeniería genética para modificar su material genético se les llama “organismos genéticamente modificados”, conocidos por sus siglas en inglés, OMG. Los organismos transgénicos son OMG pero cuyos genes manipulados proceden de otro organismo.

Los organismos modificados genéticamente tienen unas propiedades que les permiten ser útiles en muchos campos:

  • En medicina (utilización de animales modificados genéticamente como modelos de enfermedades humanas, desarrollo de terapias). También se podrían producir órganos de cerdos para xenotrasplantes.
  • En la industria farmacéutica (utilización de microorganismos recombinantes para la síntesis de antibióticos, hormonas como la insulina o la hormona de crecimiento, vacunas recombinantes). También podrían producir leche que contenga proteínas de interés farmacéutico.
  • En el medio ambiente (bacterias, cianobacterias y plantas modificadas capaces de eliminar hidrocarburos y pesticidas...).
  • En la agricultura (producción de insecticidas biológicos a través de bacterias modificadas genéticamente).
  • En la agricultura (utilización de plantas transgénicas para crear resistencia a insectos, enfermedades microbianas, herbicidas, mejorar el producto final, resistencia a heladas, tomates en los que se detiene la maduración, etc.).
  • En acuicultura, para mejorar la producción de especies piscícolas.

Terapia génica

La terapia génica es el proceso por el que se modifica el material genético de células afectadas para reemplazar genes defectuosos y corregir el daño que causan en el organismo. Trata de eliminar las causas de la enfermedad para eliminar o reducir los síntomas que produce.

Antibióticos

Los antibióticos son sustancias químicas producidas por un ser vivo (hongos y bacterias) o derivado sintético que impiden el crecimiento de bacterias patógenas. El primer antibiótico fue descubierto por Alexander Fleming en 1928 y se llamó penicilina.

Un antibiótico es un agente químico que se utiliza contra bacterias (acción bactericida), con toxicidad selectiva contra ellas y que actúan mediante diferentes mecanismos de acción. Por tanto, actúan de manera específica contras las bacterias, por lo que no tiene sentido tomar antibióticos para terminar con una infección de origen vírico.

Antiviral

Un antiviral o antivírico (no antivirus), es un medicamento utilizado para el tratamiento de las infecciones causadas por virus. Igual que los antibióticos son específicos para bacterias, los antivirales son específicos para los distintos tipos de virus.

No hay que confundirlos con los viricidas, que son sustancias químicas que destruyen las partículas víricas presentes en las superficies y en el ambiente y que se utilizan en limpieza como desinfectantes.

Bacteriófagos o fagos

Los bacteriófagos o fagos son virus que infectan exclusivamente a bacterias.

Cápside o cápsida

La cápside es una estructura proteica que rodea y protege al ácido nucleico. Está formada por la unión de capsómeros (proteínas globulares). Aunque su principal función es la de protección del ácido nucleico, en los virus que no están envueltos por una membrana, también se encarga del reconocimiento de las células a las que va a parasitar.

Microbiología

La microbiología es la ciencia que se encarga del estudio y análisis de los microorganismos, seres vivos pequeños no visibles al ojo humano, también conocidos como microbios. Se consideran microbios aquellos organismos que son sólo visibles a través del microscopio: organismos procariotas y eucariotas simples.

Nucleoide

Las células eucariotas tienen el ADN envuelto por una doble membrana nuclear, formando un orgánulo llamado núcleo. Las células procariotas, en cambio, tienen el ADN (molécula circular) en una zona de la célula llamada nucleoide ("parecido al núcleo").

El nucleoide es la región de las células procariotas que contiene el ADN, sin que esté envuelto por una membrana nuclear.

Plásmido

Los plásmidos son pequeñas moléculas de ADN bicatenario y circular que presentan muchas bacterias. Estos pequeños anillos de ADN no forman parte del cromosoma bacteriano, y se duplican de forma independiente.

Algunos plásmidos permiten que la célula tenga la capacidad de conjugación o que puedan ser resistentes a los antibióticos.

Profago

Un profago es en fragmento del cromosoma de un fago que se ha insertado en el cromosoma de la bacteria que ha infectado. por tanto, el profago pasa a formar parte del cromosoma de la bacteria.

El profago es el genoma de un fago atenuado, que no tiene capacidad inmediata de replicación.

Durante el ciclo lisogénico, no se produce la replicación vírica, aunque esta información genética sí se sigue transmitiendo a las células hija, transmitiéndose la infección aunque no se exprese.

Cuando se induzca el ciclo lítico, se separará del ADN bacteriano y comenzará la infección, replicándose el virus.

Virión

Un virión es la partícula vírica morfológicamente completa e infecciosa, formada por:

Por tanto, un virión es un virus, aunque se utiliza el término virión cuando está fuera de la célula huésped. Es decir, fuera de un organismo que pueda contagiar.

Retrovirus

Los retrovirus son virus que tienen ARN como material genético.

Priones

Los priones son proteínas alteradas, mal plegadas, que pueden transmitir esa alteración a otras variedades de la misma proteína. Son las causantes de encefalopatías espongiformes transmisibles como la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob y la encefalopatía espongiforme bovina.

Provirus o virus atemperado

Un provirus se produce cuando el ADN vírico se incorpora al cromosoma de la célula hospedadora. 

En los retrovirus, como el VIH (virus de inmunodeficiencia humana) el ADN vírico se incorpora al ADN celular con la ayuda de la enzima integrasa del virus.

Viroides

Los viroides son los agentes patógenos más pequeños. Están formados por pequeñas moléculas de ARN monocatenario y circular, sin cápside. Su forma extracelular consiste en un ARN desnudo. El ARN adopta una estructura secundaria que parece un ADN bicatenario. Su ARN no funciona como ARN mensajero ni tampoco contiene información para traducirlo a enzimas que participen en su replicación. Por tanto, los viroides dependen totalmente del metabolismo de la célula hospedadora para su replicación.

Son los causantes de importantes enfermedades en plantas, como la exocortis de los cítricos o el cadang-cadang en el coco.

Preguntas que han salido en exámenes de acceso a la Universidad (Selectividad, EBAU, EvAU)

Aragón, Junio de 2022, pregunta 7

El anticuerpo monoclonal denominado Trastuzumab se utiliza para tratar a pacientes que padecen un cierto tipo de cáncer de mama. Se obtiene a partir de la introducción de la secuencia del ADN que codifica el anticuerpo en una línea celular de ovario de hámster chino (CHO) mediante técnicas de recombinación e ingeniería genética: (2 puntos)

a) Defina enzima de restricción, ADN recombinante, vector y terapia génica. (1,2 puntos)
b) Cite cuatro ejemplos de aplicaciones de organismos modificados genéticamente. (0,8 puntos)

Aragón, Julio de 2020, cuestión 5

5. Responda las siguientes cuestiones: (2 puntos)

a) Defina biorremediación. Ponga dos ejemplos. (0,8 puntos)
b) Defina enzima de restricción, organismo modificado genéticamente (OMG) y terapia génica (1,2 puntos)

La Rioja, Julio de 2020, pregunta 18

Explique qué es el ADN recombinante. Indique qué función tienen los enzimas de restricción. ¿Qué es una PCR? ¿y una célula madre?

País Vasco, Julio de 2020, pregunta 1B

La Ingeniería Genética.

a) (0,5 puntos) Explica qué es un ADN recombinante.

b) (1 punto) Explica cómo se clona un gen y cómo se obtiene un ADN recombinante.

c) (1 punto) ¿Qué son y qué función tienen las enzimas de restricción en la ingeniería genética?

Cantabria, Junio de 2022, pregunta 6

¿En qué consiste la ingeniería genética? Comente la relación existente entre Biotecnología e Ingeniería genética. Cite un ejemplo de producto biotecnológico obtenido utilizando la ingeniería genética.

Madrid, Junio de 2022, pregunta B5

En relación con la Biotecnología, indique:

a) Tres aplicaciones en la industria agropecuaria (0,75 puntos).

b) Tres aplicaciones en la industria farmacéutica (0,75 puntos).

c) Dos aplicaciones en la industria alimentaria (0,5 puntos).

Murcia, Junio de 2022, pregunta 4.5.

En relación con la biotecnología:

A) Defina ingeniería genética (0,2 puntos).
B) Explique dos aplicaciones médicas (0,4 puntos) y dos aplicaciones industriales (0,4 puntos) de la ingeniería genética.

Aragón, Julio de 2022, pregunta 4

En 1989 se produjo la liberación de unas 37.000 toneladas de petróleo al encallar el petrolero Exxon Valdez cerca de las cosas de Alaska, lo que supuso un gran desastre ecológico en la zona. Para la limpieza del vertido se utilizaron diferentes estrategias, siendo una de ellas la biorremediación. (2 puntos)

a) Defina biorremediación. (0,5 puntos)
b) Cite otro ejemplo (distinto al del enunciado) de biorremediación. (0,5 puntos)
c) Algunas líneas de investigación buscan optimizar la eficiencia de la biorremediación a partir de la modificación genética de organismos. Defina organismo modificado genéticamente e ingeniería genética. (1 punto)

Cantabria, Julio de 2022, pregunta 6

Defina el concepto de Biotecnología ¿Qué utilidad tienen los microorganismos en Biotecnología? Cite ejemplos de productos biotecnológicos de utilidad en medicina y alimentación respectivamente que utilicen microorganismos en su elaboración, indicando en cada caso el tipo y papel de dichos microorganismos en la misma.

Andalucía, Junio de 2022, pregunta B3

Tras un viaje a África Central dos amigos tienen que acudir a urgencias por encontrarse enfermos. A uno de ellos se le diagnostica cólera, provocado por la bacteria Vibrio cholerae, mientras que al otro sujeto se diagnostica malaria, provocada por el protozoo Plasmodium vivax.

a) Explique razonadamente a cuál de ellos se le debería administrar tetraciclina, un compuesto que se une a los ribosomas 70S y evita la unión del ARNt.

b) ¿A qué proceso celular afecta la tetraciclina?

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