tema 14 beneficio y perjuicio de los microorganismos

Beneficios y perjuicios de los microorganismos

BIOTECNOLOGÍA Y PATOLOGÍA

Los beneficios: Biotecnología e ingeniería genética

Biotecnología: concepto e importancia

Es el uso a gran escala de microorganismos vivos o de parte de ellos o de sus productos en procesos industriales o ambientales.Es una ciencia multidisciplinar en la que intervienen la Microbiología, Bioquímica, Biología Molecular, Genética, Inmunología e Ingeniería Bioquímica y Química.

Biotecnología: concepto e importancia

Los agentes biológicos empleados son sobre todo, microorganismos (bacterias, levaduras y mohos), células animales y vegetales y enzimas.Se han utilizado estas técnicas desde la antigüedad.

HISTORIA DE LA BIOTECNOLOGIA

Desde el neolítico, con la agricultura y la ganadería, el hombre ha manipulado genéticamente a las especies domesticadas con la finalidad de obtener variedades de plantas y animales (selección artificial)Por lo que se refiere a lo que nos interesa ahora que son los microorganismos, comienza el arte de la fermentación con levaduras, primero cerveza y vino y, más tarde, pan.

Usos tradicionales

Siglo XIV se empieza a usar bacterias de ácido acético para fabricar vinagre, bacterias de ácido láctico para conservar la leche (yogur, por ejemplo). Desde finales del siglo XVIII, se utilizan las vacunas utilizando virus y bacterias atenuados para provocar la inmunidad frente a enfermedades.A principios del siglo XX se aísla el primer antibiótico a partir de un hongo Penicillium notatum

Usos tradicionales

Usos tradicionalesHasta el siglo XX, la biotecnología a gran escala se basa en cultivar microorganismos capaces de producir sustancias útiles para el ser humano.Se cultivan en fermentadores donde se controlan las condiciones.El objetivo suele ser la obtención de gran cantidad de los propios microorganismos (para alimentación por ser muy proteicos) o de sustancias que producen (antibióticos)

Usos tradicionales La biotecnología tradicional utiliza las siguientes técnicas:

Selección de variedades con mutaciones aparecidas al azar.Cruces, para unir características que aparecen en dos individuos.Mejora de las condiciones físicoquímicas del cultivo (pH, temperatura, etc.) para conseguir un mayor rendimiento.Perfeccionamiento de las técnicas de aislamiento y purificación del producto que nos interesa

Usos modernosA partir de los años 70 del siglo XX, a raíz del conocimiento de los mecanismos de la genética molecular, se ha podido manipular directamente el genoma de las especies animales y vegetales de interés económico y obtener así plantas y animales transgénicos, también llamados OGM (Organismos Genéticamente Modificados). Esto es lo que se conoce como Ingeniería genética

APLICACIONES DE LA

BIOTECNOLOGÍA TRADICIONAL

Industria alimentariaFermentación alcohólica es realizada principalmente por las levaduras. La más importante es Saccharomyces cerevisiae, que se emplea en la fabricación de vino, cerveza, y pan. Fermentación láctica es realizada por las bacterias presentes de forma natural en la leche. El agriamiento natural de la leche se ha usado para su conservación, (queso, yogur, cuajada, etc.) Fermentación acética. Las bacterias del ácido acético (como Acetobacter y Gluconobacter) convierten el etanol en ácido acético en la elaboración del vinagre.

Industria farmacéuticaProducción de antibióticos

Los antibióticos son sustancias producidas de forma natural por ciertos microorganismos (hongos y bacterias) que inhiben el crecimiento de otros microorganismos. Del gran número de antibióticos descubiertos (unos 5.500) poco más de un centenar son obtenidos industrialmente.Algunos antibióticos deben ser modificados antes de ser utilizados para evitar sus efectos tóxicos.

Industria farmacéuticaProducción industrial de vacunas y sueros

La utilización del microorganismos vivos para vacunas entraña ciertos riesgos por lo que la biotecnología se ha esmerado en encontrar procedimientos que garanticen la inactivación de los patógenos y la producción industrial de vacunas.En la actualidad la obtención de vacunas se realiza por medio de técnicas de ingeniería genética.

Industria farmacéuticaLos sueros son sueros sanguíneos de algún animal (vaca, caballo, etc.) al que se ha sometido a la infección con el microbio.El microbio crea anticuerpos que se quedan en su sangre.Posteriormente, se trata con ese suero purificado a personas enfermas que así verán reforzadas sus defensas.Al contrario de las vacunas, que son preventivas, los sueros son curativos.

Uso medioambientalLos procedimientos conocidos como biorremediación emplean microorganismos como lucha contra la contaminación y el deterioro del medio ambiente.Puede ser:

Uso medioambientalTratamiento de residuos

En la depuración de aguas residuales se combinan procesos físico-químicos con tratamientos microbianos para eliminar la materia orgánica y las sustancias tóxicas presentes en el agua antes de devolverla a los ríos.El compostaje consiste en la descomposición biológica de residuos orgánicos (urbanos o agrícolas) o de fangos resultantes de la depuración de aguas residuales. En este proceso, las bacterias descomponen los compuestos orgánicos y producen un abono denominado compost.

Uso medioambientalEliminación de mareas negras

Existen diversos microorganismos, entre los que podemos destacar las bacterias del género Pseudomonas, que son capaces de descomponer el petróleo por lo que pueden ser empleados en la eliminación de mareas negras. Existen microorganismos capaces de degradar otras muchas sustancias tóxicas contaminantes.También, se han desarrollado por ingeniería genética bacterias capaces de degradar sustancias tóxicas (se verá luego)

Uso medioambientalProducción de compuestos biodegradables

Algunas bacterias almacenan sus reservas de carbono en forma de compuestos que son poliésteres, es decir, verdaderos plásticos (bioplásticos), con la ventaja de que, a diferencia de los plásticos obtenidos a partir del petróleo, son biodegradables.

Actividades agropecuariasProteína unicelular o PUC (término empleado para referirse a microorganismos tales como bacterias, levaduras, algas y hongos filamentosos, que son empleados para alimentación humana o animal, principalmente por su alto contenido en proteínas)

Actividades agropecuariasDurante la primera guerra mundial se emplearon microorganismos (Saccharomyces cerevisiae) como fuente de proteínas para consumo humano (proteína unicelular). En la actualidad la proteína unicelular se emplea para enriquecer los piensos para el ganado por su alto contenido en proteínas, vitaminas y otros elementos esenciales para el organismo.

Actividades agropecuariasUso para insecticidas.

Los insecticidas químicos tradicionales tienen el inconveniente de que pueden acumularse en los vegetales y ser ingeridos posteriormente por el hombre con los consiguientes perjuicios para su salud. La bacteria Bacillus turingensis produce una proteína, no tóxica para el hombre, que se acumula en sus esporas y actúa como insecticida natural (insecticida biológico).

BIOTECNOLOGÍA MODERNA

Biotecnología modernaSe basa en utilizar técnicas de reciente desarrollo.Se aplica, sobre todo, a tres ámbitos de trabajo.

Nuevos métodos de cultivos de células.Trabajo con anticuerpos monoclonales.Ingeniería genética.

Cultivos celularesSon técnicas que permiten mantener las células “in vitro” con la máxima conservación de sus propiedades fisiológicas, bioquímicas y genéticas.De esta forma se cultivan y se va incrementando la masa celular a lo largo del tiempo y de generaciones.Es muy útil para investigaciones largas.Se aplica a la investigación sobre: el cáncer, vacunas antivirales, tejidos para trasplantes, clones de plantas de interés comercial, etc

Anticuerpos monoclonalesSe llama de esta forma (AcMo) a un grupo de moléculas de anticuerpos idénticas, producidas por un mismo clon de linfocitos B.Se trata de hibridar linfocitos que fabrican el anticuerpo que nos interesa con una célula cancerígena, obteniendo un hibridoma .Este hibridoma ha heredado:

Del linfocito, la capacidad para producir el anticuerpo.De la célula cancerígena, la capacidad de reproducirse indefinidamente

Posteriormente el hibridoma se clona y se producen gran cantidad de células que segregan el anticuerpo.Se aplica para

Determinar la presencia de determinadas sustancias en fluidos como pueden ser:

drogas.Hormona como la que se libera en el embarazo (GTCH)Proteínas asociadas a ciertos cánceres o infecciones víricas

Anticuerpos monoclonales

Ingeniería genética

ConceptoLa ingeniería genética tecnología del ADN recombinante es el conjunto de técnicas que permiten manipular el genoma de un ser vivo.Consiste en introducir en los seres vivos genes que les proporcionan características que nos interesa que tengan.El ADN con el gen que nos interesa se recombina con el ADN propio del individuo.

ConceptoLos microorganismos intervienen:

Puede ser el individuo que queremos que tenga la característica (una bacteria que tiene el gen de la insulina humana y que al ser cultivada, produce enormes cantidades de insulina)Puede ser el vector del que nos servimos para introducir el gen en el individuo, es decir, para “infectar” el individuo con el gen que queremos. Se usan a veces virus o plásmidos de bacterias.Por ejemplo, para introducir en una vaca el gen para que fabrique hormona de crecimiento humano y la segregue con la leche

HerramientasLa tecnología del ADN recombinante requiere:

Enzimas de restricción: cortan el ADN donde interesa.Se usan para:

Cortar y separar el gen que queremos de su cromosoma.Cortar el ADN donde lo vamos a insertar

Ligasas: unen el gen de ADN que nos interesa con el ADN donde lo vamos a insertar.

HerramientasVectores: trasladan el ADN donde interesa tenerlo.Son fragmentos de ADN recombinados con el gen de interés.Puede usarse:

Un plásmido en el que se ha integrado el gen que así pasa de una bacteria a otra.Un virus cuyo genoma se ha sustituido por el gen de interés. En este caso sería para “infectar” células animales, vegetales o bacterias (en este caso, el virus será un fago)

ADN recombinante

Sitio de corte

Vector: plásmido o virusADN con el gen de interés

Sitio de corteúnico

Enzima de restricción

Enzima de restricción

ADN recombinante

Fragmentos de ADN no ligado

Moléculas del vectorno ligado ADN recombinante con

el gen de interés

Enzima ligasa

El gen de interés se pega a una molécula de ADN de un virus o de un plásmido. Ese ADN recibe el nombre de ADN recombinante y se puede:

cultivar industrialmente (dejar que se duplique en depósitos y se fabrique la proteína que queremos) en cuyo caso se suelen utilizar bacterias.introducirlo en un individuo para que sea el propio individuo el que fabrique la proteína, en este caso se utilizan virus.

Plásmido

ADN donante

Endonucleasas de restricción

Fragmento de ADN que se quiere insertar

ReasociaciónAdn recombinante

ADN recombinante

Ligasa

Aplicaciones de la ingeniería genética

Tratamiento de

enfermedades

humanas

Terapia en enfermedades humanas

Hay en los humanos numerosas enfermedades de carácter hereditario o relacionadas con alteraciones genéticas. En la mayoría de los casos, ni siquiera se han identificado los genes responsables y en muy pocos casos se dispone del mecanismo para incorporar el gen correcto a las células del individuo afectado.La terapia conlleva alguno de los siguientes procesos:


Introducción de un gen correcto en células humanas para sustituir un gen deficienteTransferir un gen humano normal a una bacteria, obteniendo de ella la sustancia que codifica el gen para luego inocularla en el enfermo.

Transferir un gen correcto a las células de una persona que lo tiene alterado: terapia de células somáticas.Terapia de células germinales (no legal): En el futuro, si el gen se hiciera llegar a un óvulo, un espermatozoide o el zigoto, todas las células del individuo tendrían el gen normal.



Sustancias humanas producidas por bacterias.

Mediante la introducción de genes humanos en bacterias se consigue que las bacterias produzcan la sustancia en gran cantidad.

Insulina.Hormona del crecimiento.Interferón. (fue el primer medicamento obtenido por ingeniería genética en 1980)Algunas vacunas como la de la hepatitis B.

Terapia: ejemploLa insulina es una hormona formada por dos péptidos. El péptido A (21 aminoácidos) y el péptido B (30 aminoácidos). Los genes que codifican ambos péptidos se aíslan de células humanas y se introducen en estirpes bacterianas diferentesCada clon sintetiza uno de los polipéptidos. Éstos se aíslan, se purifican, se activan los grupos –SH, para que se unan los dos péptidos, y obtendremos la insulina humana.

Terapia: ejemploEn el dibujo se ve la técnica para producir uno de los polipéptidos.De la misma manera se produciría el otro.Posteriormente, se unirán en el laboratorio.


También se pueden introducir los genes en animales para producir las sustancias útiles. La idea es obtener un animal transgénico que produzca la sustancia deseada (por ejemplo, ovejas o vacas que en su leche secretan sustancias terapéuticas [como hormona del crecimiento] determinadas por un gen introducido previamente)

Animales transgénicos y terapia


Algunas enfermedades sometidas a ensayos clínicos de terapia génica son:

CáncerFibrosis quísticaHemofiliaArtritis reumatoide

Producción agropecua

ria

Producción agrícolaLa aplicación en la agricultura permite obtener:

Variedades transgénicas del maíz que:

Resisten heladas.-incorporación de un gen de un pez resistente al frío.Resisten plagas.-incorporación de un gen del trigo.Resisten herbicidas.-incorporación de un gen bacteriano.

Producción agrícolaVariedades transgénicas del trigo que:

Son más nutritivas.Resistentes a plagas y herbicidas.

Variedades de tomate que: maduran más lentamente.

Plantas de tabaco transgénicas capaces de aprovechar el N2 atmosférico.

Agricultura: ejemploBacillus thuringiensis es una bacteria que se encuentra naturalmente en el suelo en todo el mundo. La característica exclusiva de esta bacteria es la producción de un cristal proteico que mata en forma selectiva un grupo específico de insectos. Estos cristales proteicos (proteínas Cry) son tóxicos para el aparato digestivo de los insectos sensibles.

Agricultura: ejemploUna oruga produce en el maíz una enfermedad conocida como “el taladro del maíz”

Agricultura: ejemploLa inserción en el maíz del gen procedente de Bacillus thuringiensis, que codifica esta proteína tóxica para el insecto hace que esta planta se vuelva resistente al insecto.

Producción animalLa aplicación en la ganadería permite obtener:

Carpas transgénicas que crecen de un 20% a un 40% más rápido. –introducción del gen de la hormona del crecimiento de la trucha arco iris. Salmones transgénicos que resisten mejor las temperaturas bajas. -incorporación de un gen de una especie de platija del ártico.

Producción animalEn mamíferos se han conseguido ratones que carecían de la hormona del crecimiento por mutación del gen productor de la misma Se ha introducido en el zigoto de estos ratones del gen de la hormona del crecimiento de la rata. Los ratones transgénicos conseguidos producen 800 veces más hormona que los normales.

Producción animal: clonaciónEste proceso se basa en la creación de una copia genéticamente idéntica a una copia actual o anterior de un animal.Es técnicamente posible, pues se ha conseguido en animales, aunque tiene ciertos problemas (el clon crece mucho más, que el animal original, el clon envejece antes). Este tipo de clonación está absolutamente prohibido en humanos, pues no tiene ningún sentido terapéutico, aparte de que al no ser una técnica perfeccionada, pueden morir los embriones humanos en el proceso.

Producción animal: clonaciónEn 1996, fue clonada la oveja Dolly. Fue el primer mamífero clonado a partir del ADN derivado de un adulto en vez de ser utilizado el ADN de un embrión. Aunque Dolly tenía una apariencia saludable, envejeció muy pronto ya que la madre trasmitió su edad celular al clon. Dolly tenía una edad genética de seis años, la misma edad de la oveja de la cual fue clonada. Una base para esta idea fue el hallazgo de sus telómeros cortos, que son generalmente el resultado del proceso de envejecimiento.

Producción animal: clonaciónAplicaciones:

Uno de los objetivos es unir la técnica de la clonación con la de Ingeniería genética de mamíferos con objeto de producir medicamentos o sustancias útiles comercialmente.

Una vez que se haya obtenido un animal transgénico interesante (por ejemplo, ovejas o vacas que en su leche secretan sustancias terapéuticas determinadas por un gen introducido previamente), ese individuo serviría de "molde" para generar ejemplares clónicos.

Producción animal: clonaciónAsegurar copias de un ejemplar que haya mostrado buenos rendimientos.

La clonación evitaría que su buena combinación de genes (su genotipo) se "diluyera" al cruzarlo sexualmente con otro. Habría que tener mucha precaución con la amenaza de pérdida de diversidad genética de la cabaña ganadera, ya que se tendería a la uniformidad. Recordemos que la biodiversidad es un recurso valioso también en los "ecosistemas agropecuarios", ya que supone una reserva de recursos genéticos adaptados a diversas condiciones ambientales y a diversos contextos socioeconómicos.

Producción animal: clonaciónUtilizar la clonación para la salvación "in extremis" de ciertas especies silvestres amenazadas de extinción y difíciles de criar en cautividad.

Sería el triste reconocimiento de nuestro fracaso de conservarlas por medios más simples y naturales. Además, lo más probable es que, debido a que la clonación no aporta diversidad genética, la especie estuviera abocada de todas formas a la "muerte genética", condenada quizás a vivir en zoológicos o en condiciones altamente artificiales, casi como piezas de un museo viviente

Ingeniería genética en Biorremediación

Aplicaciones para la conservación del Medio Ambiente:

Como comentamos antes, algunas bacterias utilizadas en biorremediación se han obtenido mediante la modificación de su genoma:Se aplica para obtener:

bacterias degradadoras de petróleobacterias que recuperan suelos con altos contenidos en metales pesados. bacterias productoras de plásticos biodegradables.

Los perjuicios: Enfermedades infecciosas

Microorganismos como agentes infecciosos

La mayoría de los microorganismos son inocuos e incluso beneficiosos, para los demás seres vivos. Sin embargo, los microbios más conocidos son aquellos que producen enfermedades infecciosas en las plantas, en los animales y en la especie humana; estos son los microorganismos patógenos. Una enfermedad infecciosa es cualquier daño producido en un organismo por la presencia de un agente patógeno o de sus productos que impide que una parte o todo el organismo funcione con normalidad

La infección procede del hecho de que el microorganismo es parásito del huesped y como consecuencia de su reproducción y nutrición, causa los síntomas de la enfermedadEl grado de patogenidad se denomina virulencia y se mide, generalmente, por el número de microorganismos necesarios para desarrollar la enfermedad. Hay microorganismos que normalmente no son patógenos pero pueden serlo cuando disminuyen los mecanismos defensivos de un animal: son los microorganismos oportunistas.

Microorganismos como agentes infecciosos

Factores de patogenicidadSegún la infección va progresando, se empiezan a manifestar los síntomas de la enfermedad. Esto nos indica que el hospedador ya ha sufrido una lesión por diversas causas:

Proliferación de los microorganismos:El crecimiento del número de células microbianas puede conllevar dos clases de peligro:

se puede crear una competencia entre el microbio y las células del hospedador por un determinado nutriente;se puede producir el bloqueo de vasos sanguíneos o un daño directo sobre las células del hospedador.

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Factores de patogenicidadProducción de toxinas:

Las toxinas son sustancias venenosas de bajo peso molecular, que pueden ser excretadas al medio (exotoxinas), como la del botulismo o el tétanos, o retenidas en la superficie de la célula (endotoxinas). Estas toxinas pueden provocar daños locales, cuando son muy específicas, o difundirse y causar lesión sistémica.

Producción de enzimas extracelulares:

Enzimas como la lecitinasa que hidroliza los lípidos de membrana de las células huésped; las hemolisinas que lisan los glóbulos rojos, liberando al plasma su hemoglobina, etc.

Microorganismos patógenos

Son aquellos que causan enfermedades

bacterias, virus, protozoos y hongos.

Las enfermedades causadas por microorganismos se llaman enfermedades infecciosas.

Microorganismos patógenos• Bacterias

• Virus

• Protozoos • Hongos

Enfermedades infecciosas

Bacterias

Algunas enfermedades producidas por bacterias y su forma de transmisión:

Carbunco o ántrax picadurasCólera aguaFaringitis aireNeumonía aireGonorrea Rel. SexualesSalmonelosis alimentosTosferina estornudosTuberculosis aire

VirusAlgunas enfermedades producidas por virus y su forma de transmisión:

Gripe aire y estornudosHepatitis A agua o alimentosHepatitis B Rel. sexual o sangreHerpes genital Rel. SexualPaperas estornudosRubéola estornudosSIDA/AIDS Rel. sexual o sangre

Protozoos

Algunas enfermedades producidas por protozoos y su forma de transmisión son:

Amebiasis agua y alimentosPaludismo (malaria) picadura de mosquitoToxoplasmosis alimentos o contactoTriquinosis derivados del cerdo

Hongos

Algunas enfermedades transmitidas por hongos y su forma de transmisión son:

Candidiasis rel. SexualHistoplasmosis airePie de atleta superficie contaminada

El tratamiento de las enfermedades causadas por bacterias.

Las infecciones bacterianas se tratan con antibióticos. El primer antibiótico que se descubrió fue la penicilina, gracias a Alexander Fleming en 1928.Los antibióticos solo son efectivos en las enfermedades producidas por bacterias.

La penicilina se obtiene de un hongo: Penicillium notatum.

El descubrimiento de la penicilina.Descubrimiento de la penicilina

Tratamiento de las enfermedades causadas por protozoos y hongos.

Se emplean: antiprotozoarios, contra los protozoosfungicidas o antimicóticos contra los hongos.

Son menos efectivos frente a los patógenos que los antibióticos y pueden resultar algo más tóxicos

Tratamiento de las enfermedades causadas por virus

Los virus no responden a antibióticos por no ser seres vivos.Lo normal es que las propias defensas del organismo acaben con la infección.Aparte de eso, para tratarlos se usan los tratamientos vistos en el tema anterior: el interferón y los antiretrovirales.

PAU Cantabr

ia

PAUComenta brevemente los conceptos de ingeniería genética y biotecnología, indicando el papel de la primera en el desarrollo de la segunda. Cita algún ejemplo de producto biotecnológico que se obtenga sin intervención de la ingeniería genética y de otro en la que esta intervenga.Comenta el papel biológico de los virus en aquellas facetas consideradas como beneficiosas o perjudiciales para los seres vivos, poniendo un ejemplo en cada caso.

¿Por qué decimos que la ingeniería genética supone un apoyo importante en el desarrollo de la Biotecnología? Pon un ejemplo de proceso biotecnológico explicando en qué parte del mismo se ha utilizado la ingeniería genética en la preparación del producto descritoDesarrolla un texto de no más de 10 líneas en el que se relacionen de manera coherente los siguientes conceptos: transgénico, fármaco, biotecnología, ingeniería genética.

PAU

tema 14 beneficio y perjuicio de los microorganismos

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